电力系统微机继电保护硬件和软件系统的设计

电力系统微机继电保护硬件和软件系统的设计

作者：程君妮

来源：《价值工程》2012年第22期

摘要：本文在充分调研榆林电力系统现场作业环境的基础上，针对继电保护其在调度运行管理方面的信息化、智能化水平则相对较低；本文建立具有以数据方式传输各种信息及电网故障信息能力的微机型继电保护、安全自动装置和故障录波器的软硬件系统设计方法，为建设基于现代网络通信技术的二次装置的信息处理系统提供了前提条件。

关键词：电力系统；继电保护；智能化；设计

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）22-0196-030 引言

随着电力系统的广泛应用，对其可靠性和安全性提出了新的要求。目前国内外基本实现了对电力系统继电保护报文的数据传送功能，及其微机故障录波器故障分析功能，但电厂运行管理技术手段还不能满足自动化的需要。为加强其自动化监视、控制和管理，克服综合分析和利用等方面存在不足。本文设计了具有以数据方式传输各种信息及电网故障信息能力判断的综合微机型继电保护、安全自动装置和故障录波器，为建设二次装置的信息处理系统现代网络通信技术的提供了前提条件[1，2]。

1 工程的硬件设计

设计拟采用法国的AREVA公司产品，下面介绍各装置的工作原理。

1.1 装置简介通信服务器选为NSX600系列，其核心处理器为摩托罗拉的32位MUC，通讯通过双以太网与变电站内的保护和测控单元相连，保护和测控单元可以在网络之间实现无缝切换。

1.2 装置硬件本装置设计时充分考虑了可靠性的需求。经试验，在本装置对5KV空间静电放电干扰或6KV接触静电放电干扰，CUP都未出现复位现象。由于本装置抗干扰能力强，所以进行组屏或开关柜上安装时，不需另外独立安装的交、直流抗干扰模件。

本系统的管理主模块主要有两个MUC组成，它们总线通讯通过PSI连接。一个32位单片机主模件和其它子模块一样是从装置背后插拔，另一个键盘显示是由8位单片机形成的系统，装于前面板内侧。

装置的子模件的特点是总线不出芯片，且可靠性高、抗干扰强。图1是系列模件示意图。图中NAC模件、NOUT模件主要用于同期合闸等特殊场合时，它们不含MCU系统。

1.3 智能交流模块的设计智能交流模块包括4路电压（U1，U2，U3，U4）输入和4路电流（I1，I2，I3，I4）输入，CAN控制器MCU处理子系统等。其中电压、电流在功率计算上分别是两两关联的，即U1与I1、U2与I2、U3与I3、U4与I4在内部一一对应。

1.4 管理主模块的设计 CPU系统由高性能的32位MCU，大容量的存储空间，使得该CUP 模件具有极强的数据处理及记录能力。保护程序使用C语言编制，程序具有可移植性、可靠性和可维护性。

CPU系统带有开入（8路）、采样（8路）开出信号（8路）功能，这些开关信号主要作用于同期合闸时或高/低压区间的切换。图2是A/D部分的原理图。

实现光波隔离开关量输入及输出。使用通用性极高的以太网络芯片接口，以太网作为本装置主要通信接口。

并且系统还配置了一个SCI接口，实现与CP机的连接，用于SPI接口与人机对话模件(MMI)通信，同时借助CP机专用调试软件包和强大功能对整个装置功能进行各种测试、调试。系统内还设置了高精度时钟硬件回路及其扩展子系统。

1.5 电源模块的设计本模件利用直流逆变原理实现220V电源输出四组直流电压，即5V，12V，24V（1）和24V（2）。满足本装置的电源要求。且采用浮地方式。

各输出电压系统用途：

①各处理器的工作电源为VS；

②系统工作电源为12V；

③驱动信号和继电器电源为24V（1）；

④外部开入电源24V（2）。

为增强电源模件的，本模件装设滤波器于直流输入及引出端子，提高电源抗干扰能力。

脉冲量输入可以采集：正向有功电度、反向有功电度、正向无功电度、反向无功电度。

2 微机继电保护系统软件设计

任务可分为实时任务和非实时任务，实时任务分为强实时和准实时任务。强实时任务必须马上执行，否则会误差带入；准实时任务，可以延缓一段时间后执行，但必须与下一次的执行相配合。

其总体软件框图如图3所示。

准实时任务包括：①保证遥信分辨率每0.833ms中断时调用一次主要小于2ms；②判断任务每5ms调用一次；③跳闸任务每10ms调用一次；④键盘的处理与采集任务每5ms调用一次；⑤接收数据每5ms调用一次。

非实时任务包括：①任务的显示；②事件记录及其保存和定值得写入与写出等。

中断任务包括：①定时采样的中断；②定时调度的中断；③频率捕获的中断；④键盘的中断；⑤通讯的中断等。

RTOS调用初始化函数实现所有的变量和数据结构赋值，同时创建一个空闲任务，及其一个统计，实现初始化和启动任务。优先级最低的是空闲任务，其次是统计任务。RTOS正常运行时，CPU的利用率由统计任务来计算。没有任务时，CPU进入空闲任务，等待中断或下一个时钟节拍的到来。

2.1 任务模块的设计主要的任务模块的设计的宗旨，要求操作简单易行。出现问题后就能实现模块化检查。及时处理问题。

①动作判断模块。通过采样计算实现各运行参数与整定计算，同时实现比较，如果符合逻辑判断要求，出口继电器就会动作，触点由常开转为闭合，信号指示灯亮，同时发出遥测信号。在本装置中，电流速断保护、反时限过流保护、零序电流保护都可以实现。

②通讯模块任务。通讯模块要求能完整正确的接收到输入的通讯数据，要求很高优先级设置，通讯接受任务不用时是挂起的。只有出现异常信号和动作信号时才启动。

③人机接口模块任务。人机接口模块任务含显示任务和键值的处理。按键指令执行相应就绪态。按键中断后产生液晶显示任务，键值的下一次处理任务由等待转为就绪，含有整定值的显示，包括各类电参量的实时显示、故障显示时间显示等。

2.2 建立用户任务在操作系统进入初始化以后。需要创建多个任务应用程序，在中断向量表中操作系统将中断服务程序挂出，初始化输入/输出模块，数据处理模块，创建任务间通讯的消息列队和信号灯，最后打开中断与初始化程序的结尾。64个任务操作系统上可以同时运行，每一个任务都要唯一的优先级和单独的栈空间。其中，内核使用8个任务。操作系统使用4个任务。

RTOS的核心是多任务调度模块，在本系统中，时钟节拍设为10ms，由ARM进行计数，任务结束后产生中断，实现任务的调用。每隔一定时间，RTOS取出准备好的任务。按照优先级依次执行。如果10ms内，某一准备好的任务没有完全执行，必须等到相邻的下一个节拍的到来。另外，实时中断可能会让某个处于等待状态的任务转为就绪，按照优先级的次序依次执行。