摘 要：工控機式的保護與自動化有很多優越性和廣闊的發展前景?；贛IC2000系列工控機和WINDOWS CE嵌入式視窗操作系統，結合自行開發的基于ISA總線的微機保護智能同步數據采集卡，本系統實現了中小型35KV/10KV變電站的微機保護和自動化的功能。工控機式保護裝置的保護實現方法和基于單片機的繼電保護裝置有很大的區別，對用單CPU實現多路保護的算法作了深入的研究，通過采用并行處理技術和多線程技術，使得系統在多條線路同時故障時，仍能保證保護的快速性要求。文中對系統的硬件構成、系統軟件的規劃設計、保護算法的實現以及低周減載的實現作了較為詳細的介紹。 關鍵詞： 微機保護；自動化；工控機；WINDOWS CE；低周減載 1引言 迄今為止,電力系統的微機保護和自動化裝置均是分布安裝的獨立系統。裝置之間通過現場總線聯系互相傳送測控和事故信息。作者嘗試基于成熟的工控機硬件和WINDOWS視窗操作系統的支持，開發出適合35kV/10kV變電站的集中式微機保護及自動化的整合系統。早在微機保護研究初期，微機保護研究的先行者,國際電力系統委員會副主席G.D.Rockefeller,60年代末期對用一臺電子計算機作為一個變電所內所有電力設備的保護作了研究,但是由于受當時計算機水平的限制，用一臺計算機來保護一個變電所內的所有設備——并用重復設置以提高可靠性，在當時的計算機硬件水平下，被認為在技術和經濟上都是不可行的。而現在基于X86系列CPU的PC工控機最高時鐘可以達到幾百兆赫，具有強大的數據處理能力和快速的實時響應速度。配合自行研制的微機保護智能同步數據采集卡,完全可以用一臺工控機實現主從式結構的中小型變電所的所有保護和自動化功能。為了提高系統的可靠性，可以采用雙機熱備用方式運行。 基于PC總線的工業控制計算機構成的保護和自動化系統具有性能價格比高、抗干擾能力強、運行穩定可靠、用戶界面友好、模塊化結構、兼容性好易于升級、軟硬件資源豐富、通訊組網功能強等優點。易于實現保護、控制、測量和數據通訊等功能一體化[1][2]。  2系統總體結構 本裝置選用臺灣研華公司的MIC2000系列PC兼容的工業控制計算機。該產品具有良好的防震和抗電磁干擾能力。采用前插式19in標準機箱，機箱內有11個插槽的ISA總線母板，250W的工業級電源，推拉式雙風扇冷卻系統，使機箱內產生正氣壓，防止灰塵進入，保持高效散熱。CPU主板選用MIC2350,配有奔騰266MHz的CPU、64M內存并集顯卡、網卡、CRT和液晶平板顯示器驅動于一體，配有一個標準并口、一個標準232串口和一個可跳線設定為232或485或422的串口。開關量輸入輸出板均選用MIC2000系列產品，板上均帶有光電隔離。 3操作系統的選擇[3][4] 目前流行的PC機操作系統有WINDOWS-98、WINDOWS 2000、WINDOWS-NT。由于其友好的視窗界面深受用戶的喜愛，也是計算機用戶最熟悉的。但由于一套完整的操作系統其需要占用幾百兆硬盤存儲空間，對于運行功能單一的應用程序系統軟件，其中的很多組件根本就用不到。而工業環境要求可靠性高，硬盤這種旋轉式存儲介質可靠性較低。需要采用電子盤（FLASH卡等）。而大容量的電子盤成本較高。為此微軟開發了WINDOWS CE嵌入式操作系統。它是一個輕量級、多線程、實時性較強、模塊可定制、帶有圖形界面的操作系統。它的優勢在于資源耗費小、WIN32 API子集和多平臺的支持能力。它可以根據用戶的資源配置封裝用戶程序。在PDA（手持電腦）上得到了廣泛的應用。WINDOWS CE的使用在國內還處于起步階段，成熟的產品并不多。但它的發展前景非常樂觀，因此WINDOWS CE比較適合本系統。 4微機保護智能同步數據采集卡的硬件結構與電路構成 微機保護智能同步數據采集卡（簡稱保護卡,下同）是本系統的核心?？ㄉ喜捎肐NTEL 公司的80C196KC 16位單片機作為CPU。A/D轉換器選用AD公司的AD7874。該芯片是一個4路、12 位的同步數據采集系統。AD7874電源供電電壓為±5V，±10V的輸入范圍，片內置有采樣保持器和高精度基準電壓源，4通道A/D轉換同時啟動，實現同步采樣尤其適合保護的需要，4通道總共轉換時間31μs?？ㄉ瞎灿?片AD7874。在卡上通過采用DC-DC和快速光耦實現了A/D轉換電路與系統總線和直流電源的隔離，有效地抑制了相互干擾，提高了采集精度和系統的穩定性。通過DC-DC進行直流電源隔離后，A/D轉換器電源噪音降低為一次側的1/5。本卡的硬件結構框圖如圖1。 快速光電耦合器采用了HP公司的HCPL263N，耦合速度達到10MHz，驅動電流2mA,當80C196的時鐘選擇12MHz時，CPU不需要加入等待延時，就可直接從AD7874讀出或寫入數據。 HCPL263N外圍電路構成如圖2。 HCPL263N輸入輸出邏輯關系真值表如表1。 OFFH保護卡和PC機的通訊接口是通過由Xilinx公司的XCR5128實現，該芯片采用CMOS工藝節電型設計，屬于COOLRUNER系列，選用PLCC84封裝形式，64個I/O管腳，4個純輸入管腳。4個時鐘管腳及4個編程管腳均可作為I/O使用。其中CK1作為時鐘使用時只能接外部時鐘，CK2、CK3、CK4作為時鐘使用時可以接外部時鐘也可以由內部邏輯電路產生，但用作內部時鐘時，不可以再作為輸入管腳使用。該芯片內部具有128個宏單元，可以靈活編程，實現各種功能，節省了線路板的布線空間，提高了可靠性][3][4]。在本卡上XCR5128是數據交換樞紐，它同時實現80C196單片機對外圍芯片的地址譯碼、PC總線地址譯碼和控制邏輯、A/D轉換結果的讀入、5個16位字的雙端口RAM的讀寫控制邏輯、以及PC機和80C196單片機之間的相互中斷申請邏輯的實現。 5系統軟件的規劃設計 為了使系統軟件具有更好的兼容性、更易于維護，采用了VC++語言、面向對象的程序設計方法和數據庫技術。系統的規模和功能用數據庫來描述，通過對數據庫記錄的添加或修改就能方便地對系統構成進行擴充，對功能進行刪減或添加，即實現了系統組態化設計。由于要實現多條線路的保護和監測管理，對于緊急事件的響應要求快速及時，而且要考慮到幾條線路同時故障的特殊情況。為此開發了硬件觸發的中斷服務程序和在應用程序中啟動的多線程函數。 5.1數據組織與數據庫管理 數據庫是本系統軟件的重要組成部分。用戶通過數據庫對系統的功能和系統的組成進行組態。系統構成靈活方便。隨時可以查看各種運行記錄并可打印輸出或上傳。采用ADO技術實現數據庫連接，易于實現網絡數據庫接口。 系統數據庫包括線路參數數據庫表、保護定值庫表、采集卡參數庫表、系統參數數據庫表、系統運行歷史數據記錄庫表、故障記錄庫表以及操作記錄庫表等。.以下列舉幾個重要庫表的字段組成。 ◆ 線路參數數據庫表的字段構成 線路編號，線路名稱，定值組號，采集卡編號，卡上線路編號，IA入端，IB入端，IC入端，UA入端，UB入端，UC入端，合令開出端，跳令開出端，低周整定輪次。 ◆ 保護定值庫表的字段構成 線路編號，線路名稱，定值編號，電流Ⅰ段定值，電流Ⅱ段定值，電流Ⅱ段時間定值，電流Ⅲ段定值，電流Ⅲ段時間定值，電流保護電壓閉鎖定值，重合閘時間定值，重合閘檢無壓定值，一次側PT變比，一次側CT變比，電流Ⅰ段投入否，電流Ⅱ段投入否，電流Ⅲ段投入否，Ⅰ段經方向否，Ⅱ段經方向否，Ⅲ段經方向否，Ⅰ段經電壓閉鎖否，Ⅱ段經電壓閉鎖否，Ⅲ段經電壓閉鎖否，加速Ⅱ段否，加速Ⅲ段否，加速經電壓閉鎖否，方向是30°還是45°。 ◆ 采集卡參數庫表的字段構成 采集卡編號，采集卡名稱，Ua輸入通道編號，Ub輸入通道編號，Uc輸入通道編號，UΔ輸入通道，保護線路條數，雙端口RAM首地址。 ◆ 系統設定數據庫表的字段構成 變電站名稱，本站的IP地址，服務器的IP地址，母線電壓采集卡編號，保護線路數，低周減載頻率偏差定值，頻率偏差間隔，低周減載延時定值，低周減載滑差定值。 5.2采用多線程的事務處理方法 當保護卡通過中斷申請向主機發出跳令以后，由主機向相應的線路通過開關量輸出板發出跳閘信號執行跳閘。如果設置了重合閘，跳閘后要起動重合閘線程，由該線程去實現重合閘延時和邏輯判斷。由于WINDOWS操作系統支持多線程同時工作，并不影響主監控程序的運行。如有多條線路同時重合閘，只是需要多啟動幾個重合閘線程，由于各線程是獨立的，彼此互不影響，重合閘過程結束后，所啟動的線程將被取消。在本系統中還有其他需要快速響應的過程需要通過線程實現。所以需要按過程的重要程度，合理地分配各線程的優先級，最需要快速動作的得到最快響應。 6保護卡上微機多路保護的實現 保護卡用于實現多條線路的數據采集，突變量啟動判據和故障類型判據，當需要跳閘時向主機申請中斷，由PC工控主機通過開關量輸出板向跳閘出口繼電器發送跳閘令。重合閘邏輯由PC工控主機實現。以下主要介紹保護卡的保護軟件實現方法和流程。  6.1中斷處理程序 ◆ 采用軟定時器中斷實現1.66667ms采樣間隔定時，該中斷的優先級為最高。在中斷程序中同時啟動3片4路同步A/D轉換器。12路的轉換時間只有40μs。A/D轉換器結束后通過快速輸入HSIO發中斷申請，而非查詢方式，CPU沒有等待延時，節省了非常寶貴的CPU時間。 ◆ 快速輸入HSI0作為A/D轉換器轉換結束的中斷源。在中斷處理程序中實現讀取各路A/D轉換結果，進行各條線路的相電流差突變量啟動判據，當有故障發生時，中斷返回時轉到故障處理程序。中斷處理程序流程圖如圖3。 6.2事故處理程序的編程方法 多回出線線路的微機保護算法與單回線的算法有很大的不同。它要求事故處理程序能夠同時處理多條線路同時故障的情況。在本程序中為了提高處理速度，延時速斷和過電流保護的延時按照采樣周期的個數進行整定，采樣間隔定時中斷處理程序中對故障啟動的線路的延時計數器自動加1，在故障處理程序中進行延時到否的判據。延時未到繼續處理其它線路。在故障處理程序中借鑒了實時操作系統中進程的概念（即分時并行處理技術），對每條故障線路的處理類似于一個進程，當線路出現故障時將故障線路的處理進程掛起（即啟動一個進程），當故障切除或消失時取消掛起（即結束進程）。在每個掛起的故障線路的故障處理過程中設有進度變量，以便記錄故障處理過程進行到那里。進度分為以下幾個階段：1）連續三次越限；2）故障延時；3）發跳令；4）跳閘后延時；5）故障切除后返回。在不同的進度中作不同的處理。這種處理方法保證了當多條線路同時故障時保護動作的快速性。故障處理程序的流程圖見圖4。 7低周減載的實現[5] 當發生有功功率缺額，系統頻率降低時，必須及時切除相應容量的負荷，使系統其余部分的頻率能迅速恢復到接近額定值運行。所以低周減載是變電站自動化的重要功能。本系統低周減載功能是用戶可設定的，在線路參數庫表中設置該條線路的整定輪次。每輪次的頻率偏差定值和延時,在系統設定參數庫表中設定。 7.1低周減載的整定原則 ◆ 最高一輪的低頻整定值，一般選為49.1～49.2Hz，主要是考慮在有一定旋轉備用的情況下，如果失去的電源容量比例不大，可能自動恢復到49.5Hz及以上時，不應切除負荷，而在調出備用容量時，因調速系統的時滯，將使頻率下降到某一低值后才恢復。最高一輪的頻率整定值應高于此一過程的低值。因為從頻率繼電器感知低頻到切除負荷有延時，在上一輪未跳開負荷前，系統頻率已仍在下降中，因此下一輪除頻率起動值應較低外，還必須帶有0.2～0.3s的延時，以保證選擇性。 ◆ 各輪間的頻率整定值差，一般選為0.2Hz左右。 ◆ 應當按負荷重要性的順序，安排按頻率降低自動減負荷的順序，先切次要負荷，后切重要負荷。 ◆ 一般安排不應小于5輪左右，各輪切除負荷份額有不同做法，但以均勻分配為好。例如一共計劃切50％，共五輪，則最好每輪切除10％。 ◆ 安排長延時（例如20s）的特殊輪次是必要的。例如在實際情況下，當整定為49.1Hz的第一輪負荷切除后，因切負荷容量不足，系統頻率可能懸浮在49.1Hz到下一輪的48.9Hz之間。因此在安排下一輪48.9Hz的切負荷總量時，其中應有一部分由上一輪頻率49.1Hz經長延時20s后切除，可以解決上述問題。而且逐輪均應如此安排。 7.2低周減載滑差定值的整定原則 滑差定值整定在df/dt>8～10Hz/s可以有效地防止因變電所停電、負荷電動機反饋引起的頻率繼電器誤動作導致的跳閘。因為電動機反饋產生的頻率下降速度遠遠大于系統因電源缺額產生的頻率下降速度。系統頻率下降時，以事件開始時的頻率下降最快，即10,f0=50,取K=0.5,在這種情況下，df/dt│max=2.5～5。如果功率缺額過大，只能依靠連鎖切除集中大負荷，不能再依靠按頻率降低自動減負荷的逐級動作。 8結論 本系統經過動模實驗表現出很好的抗干擾能力，運行穩定可靠。還具有用戶界面友好直觀、功能齊全、易于組態等優點。數據采集快速準確，一塊保護卡可以方便地組態出多種保護和監測組合。最多可以保護6回兩相接線并不帶方向保護的饋出線，同時能夠滿足保護快速性的要求。達到了設計目的，拓展了變電站的微機保護和自動化的研究領域。 參考文獻 ［1］IEEE 電力系統繼電保護委員會, 編, 黃煥琨, 力菊, 譯.計算機繼電保護系統.北京：水利電力出版社，1982. ［2］段玉倩.神經網絡式微機繼電保護的研究.天津大學博士研究生畢業論文, 1998，12. ［3］（美）Douglas Boling著. 北京博彥科技發展有限公司譯.Microsoft WindowsCE 程序設計［M］.北京：北京大學出版社，1999. ［4］（美）Terence A.Goggin 著，尤淘，張平，等譯.Windows CE 高級開發指南［M］. Windows CE Developer‘s Handbook.2000,電子工業出版社. ［5］王梅義.電網繼電保護應用［M］.中國電力出版社, 1999，3.