基于IEC61850的110KV线路保护装置的软件设计与研究

作者签名：
日期：
年
月
日关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查 阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1、保密□，在______年解密后适用本授权书。 2、不保密√ □。 （请在以上相应方框内打“√” ）
I
基于 IEC61850 的 110KV 线路保护装置的软件研究与设计
Abstract
The substations are very important parts in the electric power system,and they have the mission for electric power conversion and allotment, which makes them in a prominent position to safety and economic operation of the electrical network.With IEC61850 standards’ presenting and as to its deeper influence in the substation automation system,relay protection intelligence electronics equipments(IED) are applicable to IEC61850,which have been the important device in the substation automation system. This thesis designed the overall hardware of the 110KV line digital protection device on IEC61850.Furthermore,it made an introduction which involved the device’s structure and function of hardware modulars.Then in the softeware design,the device adopted DSP/BIOS as the operating system which promised the realtime of the protection device on IEC61850;it also introduced the basic concept and principle of IEC61850.It studied and discussed thoroughly the basic algorithm,protective modular algortthm and the principle of digital protection.In the foundation,it clarified the software modular design of the protection device, include: lock type high frequency direction circuit protection,three-stage distance protection,four-stage zero-sequence current protection,reclosing,surge guard, trip, post acceleration,MMI software and etc. The article pointed out the research of the relay protection IED’s communication on IEC61850; and analysised the software design of digital protection with the ether net communication. Device adopt the FEC managing BD to carry out sending data and the interrupt to receiving data, and carried on a study to safety and the credibility of the substation communication on IEC61850 The whole software and hardware adopted the modular design, which had strong storing and operating ability;Software function could be enlarged if needed; Anti-interference,self-checking and self-adapting abilities were raised through processing software and hardware,which can be applicable to the transmission electric line protection in 110KV or higher voltage grade electric power system.Along with IEC61850’s application and research of continuously thorough.It will have applied extensivly that the digital protection device interfacing with electronic transducers. Key Words: Digital Protction; Substation Automation; IEC61850; IED;
1
基于 IEC61850 的 110KV 线路保护装置的软件研究与设计
可扩展性：这就要求系统在设计时，软件系统和硬件系统都尽可能采用模块 化设计方法，方便未来的系统扩展，同时要求通信接口标准化，系统具有开放性。 高可靠性：系统应具有冗余结构，特别是作为系统数据通道的通信系统和人 机界面的监控主站应具有互相独立的冗余配置。在故障情况下，冗余的通信系统 和监控主站应该可以在系统不停止工作的情况下进行热切换，以保证系统执行相 应的保护和自动控制任务。 因此，国际电工技术委员会（ IEC ）在充分考虑上述变电站自动化系统的功能 和要求，特别是互操作性要求的基础上，制定了变电站内通信网络与系统的通信 标准体系： IEC61850 标准。它采用分层分布式体系、面向对象的建模技术，使得 数据对象的自描述成为可能，为不同厂商的 IED 实现互操作和系统无缝集成提供 了途径。 以实现互操作性为首要目标的 IEC61850 标准是目前关于变电站通信网络和 系统的最新国际标准，是变电站无缝通信的最佳解决方案，是迄今为止最为完善 的变电站自动化的通信标准，使得变电站自动化系统的传输规约和传输网络的标 准化，是实现可靠快速通信的保证，它代表了变电站自动化的未来发展方向，其 实施必将给变电站自动化水平带来巨大的推动作用， 基于 IEC61850 的研究对未来 变电站自动化的体系结构有着十分重要的意义。 IEC61850 的采用，使变电站自动化系统可以把原本分隔的控制、保护、监视、 通信和测量等装置以合适的形式进行集成， 由少量多功能智能电子设备 （ Intelligent Electronic Device ， IED ）组成自动化系统，通过站内的通信网络实现信息共享， 可使信号电缆大为减少，系统结构简化，既提高了系统的经济性，同时也改善系 统的可靠性。因此，基于 IEC61850 的变电站集成和自动化已成为电力行业降低安 装、维护和运行成本的有效途径。
作者签名： 导师签名：
日期： 日期：
年 年
月 月
日 日
硕士学位论文
第1章 绪
1.1 论文的研究背景和意义
论
随着现代电网结构日趋复杂，电网容量的不断扩大，分层分布式的系统结构 和面向间隔（ Bay ）的设计已成为变电站自动化技术的主流。而实时信息传送量成 倍增多，对调度自动化系统和变电站自动化系统的数据通信提出了更高的要求 [1] 。 从过程层来看，长期以来具有铁心的电磁感应式电流、电压互感器在继电保 护和电流、电压测量中一直占主导地位。但是，随着电力系统传输的电力容量越 来越大，电压等级越来越高，这种传统的电磁感应式互感器呈现出自身不可克服 的问题 [2]： （ 1）绝缘技术要求复杂，输出功率过大，体积大而且重，成本高。 （ 2 ）互感器的输出连接必须特别考虑：电流互感器二次侧输出不能开路，否 则将产生高电压，危及电气设备和人身安全；电压互感器的二次侧不能短路。 （ 3 ）传统互感器的铁心在故障状态下饱和限制了 TA 和 TV 的动态响应精度； 另必须提供不同用途的铁心和不同的分接头，测量用互感器和保护用互感器必须 分开。 （ 4 ）由于铁心磁饱和及磁滞回线的影响， TA 的暂态输出电流严重畸变，为 克服这一畸变增加了继电保护装置的复杂性。 （ 5 ）测量 TA 的非线性激磁作用，可能产生铁磁谐振，出现过电压，危及电 气设备。 （ 6 ） TV 是输电系统绝缘的薄弱环节，其造成的闪络在输电网电压闪络中占 有相当份额。 （ 7）传统电磁式互感器的输出信号易受电磁干扰。 从间隔层来说，在变电站自动化系统集成过程中面临的最大障碍是：不同厂 家的 IED（甚至同一厂家不同型号的 IED ）所采用的通信协议、用户界面以及软件 版本不相同，因而难以实现无缝集成和互操作。因为需要额外的硬件（如规约转 换器）和软件来实现 IED 互联，还需要对用户进行培训，这在很大程度上削弱了 实现变电站自动化的优点和意义。因此变电站自动化系统除了在实现基本功能之 外，还应具备互操作性、可扩展性和高可靠性等性能，这在以往分析和设计过程 中通常是被忽视 [3]。 互操作性：即同一厂家或不同厂家的多个 IED 要具有交换信息并使用这些信 息进行协同操作的能力。设备的互操作性可以最大限度地保护用户原来的软硬件 投资，实现不同厂家产品集成。
Real-time Operation System
II
湖 南 大 学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。
湖南大学 硕士学位论文 基于IEC61850的110KV线路保护装置的软件设计与研究 姓名：朱维钧 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：周有庆 20070511
硕士学位论文
摘
要
变电站作为电力系统中的重要环节，担负着电能转换、分配和输送任务，对 电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。 随着 IEC61850 标准的提出以及其在 变电站自动化系统中应用的深入， 适用于 IEC61850 标准的继电保护智能电子设备 （ IED）已经成为变电站自动化系统中十分重要的设备。 论文设计了基于 IEC61850 标准的 110KV 线路微机保护装置的硬件平台，介 绍了硬件模块的结构与功能。在软件设计部分，采用嵌入式实时操作系统 DSP/BIOS ，保证了基于 IEC61850 的保护 IED 的实时性；介绍了 IEC61850 的基本 概念和原理，深入地研究基于 IEC61850 的 110KV 线路微机保护装置的基础算法 和保护模块算法，在此基础上，完成了保护装置软件模块的设计，主要包括：闭 锁式高频方向保护软件、三段式距离保护软件、四段式零序电流保护软件、跳闸 软件、振荡闭锁软件、重合闸及后加速软件、人机接口软件等，同时提出了几种 软件抗干扰措施的方法； 研究分析了基于 IEC61850 继电保护 IED 在通讯方面的软 件设计，采用 FEC 管理 BD 的方法来实现数据帧的发送以及中断方式来接收数据 帧，并对基于 IEC61850 的变电站通讯安全和可靠性进行了探讨。 装置的软硬件采用模块化设计，具有强大的存储和运算能力；软件功能可根 据需要进行扩充；通过软硬处理提高了抗干扰、自检和自适应能力；软硬件能够 适应 IEC61850 标准的通信，能够在 110KV 及以上电压等级电力系统输电线路的 微机保护中应用，随着 IEC61850 应用和研究的不断深入，与电子式互感器接口的 微机保护将会有广泛的应用前景。 关键词 ： 微机保护；变电站自动化； IEC61850； IED；实时操作系统