專利名稱：一種利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電力系統(tǒng)自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備。
背景技術(shù)：
減小繼電保護(hù)的動作時間是提高輸電線路傳送功率和增強(qiáng)系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的有效措施之一。準(zhǔn)確識別、處理和利用暫態(tài)故障信息，就能夠在故障發(fā)生后的極短時間內(nèi)正確的判定故障，通常只需f3ms的時間，因此可以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的超高速動作。但是，目前現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的繼電保護(hù)裝置所采用的保護(hù)原理是建立在エ頻電氣量的基礎(chǔ)之上，通常采用濾波等方法來消除暫態(tài)過程對保護(hù)的影響，暫態(tài)故障信息往往被視為有害的干擾而被濾除掉，這樣就延長了保護(hù)的動作時間。而僅利用暫態(tài)故障信息的繼電保護(hù)仍停留在原理、算法研究階段，實(shí)用化難度較大。隨著智能電網(wǎng)的興起與發(fā)展，光學(xué)電子式互感器、光纖以太網(wǎng)通信、高性能硬件平臺、IEC61850和IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站的應(yīng)用取得了長足進(jìn)步。這些不僅使暫態(tài)故障信息的有效利用成為可能，而且可以實(shí)現(xiàn)智能電子設(shè)備的多功能一體化，降低設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。光學(xué)電子式互感器具有良好的暫態(tài)響應(yīng)特性，準(zhǔn)確記錄暫態(tài)過程；動態(tài)范圍寬，可同時滿足高精度計量和保護(hù)的雙重需求。光纖以太網(wǎng)通信和IEC61850的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、多種功能一體化提供了條件。高性能硬件平臺可滿足快速處理暫態(tài)信號、執(zhí)行多種功能的要求。采用IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時，精度達(dá)1ms。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供ー種利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，以減小繼電保護(hù)的動作時間，提高測距精度，實(shí)現(xiàn)多功能一體化。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備包括通過過程層通信模塊、站控層通信模塊分別與過程層、站控層通信連接的測距錄波模塊、保護(hù)模塊和測控模塊，所述保護(hù)模塊和測距錄波模塊分別用于根據(jù)過程層上傳的暫態(tài)故障信息進(jìn)行故障識別、線路保護(hù)和故障測距、錄波；所述站控層通信模塊還串行通信連接有人機(jī)接ロ模塊。進(jìn)ー步的，所述保護(hù)模塊與過程層通信模塊之間設(shè)有FPGA，該FPGA分別通過并行總線與保護(hù)模塊、過程層通信模塊連接。進(jìn)ー步的，所述過程層通信模塊和站控層通信模塊內(nèi)均設(shè)有網(wǎng)絡(luò)對時模塊和以太網(wǎng)接ロ模塊。進(jìn)ー步的，所述測距錄波模塊、保護(hù)模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網(wǎng)與站控層通信模塊連接，測距錄波模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網(wǎng)與過程層通信模塊連接。進(jìn)ー步的，該智能電子設(shè)備對外通信均采用以太網(wǎng)，其中與過程層中合并單元之間的米樣值傳輸米用點(diǎn)對點(diǎn)光纖以太網(wǎng)，傳輸協(xié)議符合IEC61850-9-2,與智能終端之間的開關(guān)量傳輸采用GOOSE點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)；與其它間隔層設(shè)備之間采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信；與站控層設(shè)備之間采用麗S網(wǎng)絡(luò)通信；對時采用IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對吋。本實(shí)用新型的利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，采用多CPU分布式結(jié)構(gòu)，包括過程層通信模塊、保護(hù)模塊、測距錄波模塊、測控模塊、站控層通信模塊和人機(jī)接ロ模塊，集成保護(hù)、測距、錄波和測控等多種功能。過程層通信模塊和保護(hù)模塊之間采用FPGA進(jìn)行并行數(shù)據(jù)交換，可快速傳輸大批量數(shù)據(jù)，充分保證保護(hù)的實(shí)時性。智能電子設(shè)備的對外通信均采用以太網(wǎng)，過程層通信模塊通過直采方式接收光學(xué)電子式互感器傳變的暫態(tài)信號，內(nèi)部各模塊之間主要采用IOOMbps以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和并行處理。本實(shí)用新型適用于現(xiàn)有的智能變電站，不需要新增或改造其它設(shè)備，提高了保護(hù)性能和測距精度，實(shí)現(xiàn)了多功能一體化，降低了設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

圖I是本實(shí)用新型的智能電子設(shè)備IED結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是IED在智能變電站中的應(yīng)用示意圖；圖3是IED的保護(hù)模塊工作流程圖。
具體實(shí)施方式
針對暫態(tài)故障信息在繼電保護(hù)中實(shí)際利用難的問題，將暫態(tài)故障信息的利用與現(xiàn)有繼電保護(hù)裝置的成熟原理相結(jié)合，各取所長，互為補(bǔ)充，是ー種行之有效的解決方案。多功能一體化智能電子設(shè)備IED的結(jié)構(gòu)如圖I所示，該智能電子設(shè)備IED包括過程層通信模塊、保護(hù)模塊、測距錄波模塊、測控模塊、站控層通信模塊和人機(jī)接ロ模塊，集成保護(hù)、測距、錄波和測控等多種功能于一體。智能電子設(shè)備IED在智能變電站中的應(yīng)用如圖2所不，IED屬于間隔層設(shè)備,遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，對外通信均采用以太網(wǎng)a)與過程層設(shè)備(合并單元、智能終端)的連接采用“直采直跳”方式，即與合并單元之間的采樣值(SV)傳輸采用點(diǎn)對點(diǎn)光纖以太網(wǎng)，傳輸協(xié)議符合IEC61850-9-2，與智能終端之間的開關(guān)量傳輸采用GOOSE點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)。這樣可以減小網(wǎng)絡(luò)傳輸延時，加快IED保護(hù)模塊的動作速度。b)與其它間隔層設(shè)備之間采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信。c)與站控層設(shè)備(監(jiān)控系統(tǒng))之間采用MMS網(wǎng)絡(luò)通信。d)對時采用IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時，精度達(dá)1ms。智能電子設(shè)備IED的硬件體系采用多CPU分布式結(jié)構(gòu)。過程層通信模塊一方面對從過程層接收到的采樣值、開關(guān)量輸入等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并快速分發(fā)給所述保護(hù)模塊、測距錄波模塊和測控模塊進(jìn)行各自功能的處理，另一方面接收來自所述保護(hù)模塊、測控模塊的開關(guān)量輸出等數(shù)據(jù)向過程層發(fā)送。站控層通信模塊匯聚保護(hù)模塊、測距錄波模塊和測控 模塊的處理結(jié)果向站控層發(fā)送，從站控層接收控制命令和定值等數(shù)據(jù)并下發(fā)；還接收人機(jī)接ロ模塊(麗I)的輸入信息，向所述麗I發(fā)送需顯示的輸出信息。各模塊之間數(shù)據(jù)的高速交換是IED能否實(shí)現(xiàn)暫態(tài)故障信息利用和功能一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑒于對外通信均為以太網(wǎng)且以太網(wǎng)通信高速可靠，為了避免使用多種通信手段時需進(jìn)行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，減少硬件種類，簡化軟件設(shè)計，各模塊之間數(shù)據(jù)的高速交換仍主要采用IOOMbps以太網(wǎng)。各模塊之間的數(shù)據(jù)交換方式如下a)過程層通信模塊和保護(hù)模塊之間采用FPGA (內(nèi)含雙ロ RAM)進(jìn)行并行數(shù)據(jù)交換，可快速傳輸大批量數(shù)據(jù)，充分保證保護(hù)的實(shí)時性。b)站控層通信模塊與MMI之間的數(shù)據(jù)交換實(shí)時性要求不高，采用串行RS232通信方式。c)過程層通信模塊和測距錄波模塊之間、過程層通信模塊和測控模塊之間、保護(hù)模塊和站控層通信模塊之間、測距錄波模塊和站控層通信模塊之間、測控模塊和站控層通信模塊之間,均采用IOOMbps以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速交換和并行處理。上述方式對CPU的通信處理能力提出了很高要求。因此，所述IED除匪I夕卜，其它 各模塊采用MPC8358處理器，該處理器頻率400MHz，集成了 PowerPC內(nèi)核和專用通信處理模塊，可提供多達(dá)8個100M以太網(wǎng)接ロ。匪I模塊采用單片機(jī)。為了獲取暫態(tài)故障信息，過程層設(shè)備需滿足以下要求a)采用光學(xué)電子式互感器，可提供輸電線路的三相電壓和電流，頻率響應(yīng)范圍至少從直流到100次諧波。b)合并單元輸出采樣速率應(yīng)為每周波400點(diǎn)及以上。利用暫態(tài)故障信息的繼電保護(hù)方法的步驟如下(I)智能電子設(shè)備的保護(hù)模塊讀取過程層上傳的三相電壓、電流采樣數(shù)據(jù)；(2)基于改進(jìn)梯度算法的啟動元件動作后，提取啟動時刻后Urns的暫態(tài)故障分量;(3)根據(jù)故障方向、故障極性和故障距離判據(jù)進(jìn)行故障識別，采用三取ニ邏輯，即兩個或兩個以上判據(jù)判別出故障發(fā)生在被保護(hù)線路，則發(fā)出跳閘命令；若未判別出被保護(hù)線路故障，則切換進(jìn)入反應(yīng)エ頻電氣量的傳統(tǒng)保護(hù)，進(jìn)行相應(yīng)的故障判別。暫態(tài)故障信息集中體現(xiàn)在故障初始行波中，根據(jù)故障初始行波的特征可檢出故障，進(jìn)行測距。IED對暫態(tài)故障信息的利用主要體現(xiàn)在保護(hù)模塊和測距錄波模塊中。IED的保護(hù)模塊軟件流程圖如圖3所示，該圖中稱利用暫態(tài)故障信息的保護(hù)為快速保護(hù)，與傳統(tǒng)保護(hù)相區(qū)別。保護(hù)模塊在基于改進(jìn)梯度算法的啟動元件動作后，提取啟動時刻后Urns的暫態(tài)故障分量——數(shù)據(jù)窗長與被保護(hù)線路長度有關(guān)，故障初始行波即包含在此數(shù)據(jù)窗內(nèi)。然后，根據(jù)如下3個判據(jù)進(jìn)行故障識別a)使用電壓、電流暫態(tài)故障分量，利用經(jīng)中值濾波后模量前、反行波的時域能量之比判別故障方向若時域能量之比小于定值，為正向故障；否則，為反向故障。經(jīng)通信通道得到線路對側(cè)的故障方向信息，若均為正向故障，則判別故障發(fā)生在被保護(hù)線路。b)使用電流暫態(tài)故障分量，若線路兩端電流初始行波同極性，則判定為區(qū)內(nèi)故障，異極性則判定為區(qū)外故障。c)使用電流暫態(tài)故障分量，準(zhǔn)確標(biāo)定電流初始行波到達(dá)本側(cè)所述IED安裝處的時間(精度達(dá)1ms)，經(jīng)通信通道得到線路對側(cè)記錄的電流初始行波到達(dá)時間，若兩者時間之差大于或等于被保護(hù)線路長度與暫態(tài)電流波速的比值，則為區(qū)外故障，否則為區(qū)內(nèi)故障。為了保證所述保護(hù)模塊動作的可靠性，所述3個判據(jù)采用三取ニ邏輯，即只有兩個或兩個以上判據(jù)判別出故障發(fā)生在被保護(hù)線路，才發(fā)出跳閘命令。所述3個判據(jù)都需要線路對側(cè)的暫態(tài)故障信息，因此保護(hù)模塊與線路對側(cè)IED通過通信通道連接構(gòu)成縱聯(lián)保護(hù)，以獲取線路對側(cè)的暫態(tài)故障信息。若保護(hù)模塊利用暫態(tài)故障信息未判別出被保護(hù)線路故障，則切換進(jìn)入反應(yīng)エ頻電氣量的傳統(tǒng)保護(hù)原理，進(jìn)行相應(yīng)的故障判別。因此，暫態(tài)故障信息的利用只會使保護(hù)性能得到提高，并不會降低原有保護(hù)的性能。基于改進(jìn)梯度算法的啟動元件為對電流故障分量進(jìn)行相模變換，對所得到的線模量采用改進(jìn)梯度算法，即當(dāng)前點(diǎn)后3個數(shù)據(jù)之和減去當(dāng)前點(diǎn)前3個數(shù)據(jù)之和，得到當(dāng)前點(diǎn)的梯度值，若該值大于啟動定值，則當(dāng)前點(diǎn)所在的時刻即為啟動時刻，啟動元件動作。 測距錄波模塊利用暫態(tài)故障信息的測距原理為通過線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波到達(dá)線路兩端所述IED安裝處的絕對時間之差計算出故障距離。影響測距精度的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取故障初始行波到達(dá)所述IED安裝處的時間。GPS系統(tǒng)和IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用能夠使線路兩端所述IED的時間同步誤差不超過1ms。但是，由于合并單元輸出采樣速率有限(每周波400點(diǎn)及以上)，可能無法采集到故障初始行波真實(shí)的到達(dá)時刻，所述測距錄波模塊采用插值擬合的方法盡可能地逼近真實(shí)的到達(dá)時刻，提高測距的精度。測距錄波模塊還利用基于エ頻量的測距原理進(jìn)行故障距離的計算。兩種方法的測距結(jié)果可與實(shí)際故障距離相比較，以進(jìn)ー步改進(jìn)測距算法。測距錄波模塊采用第二代小波變換算法——提升算法進(jìn)行故障錄波數(shù)據(jù)無損壓縮，采用大容量存儲設(shè)備(Flash)完整記錄電カ系統(tǒng)受到各種擾動后的變化全過程，為系統(tǒng)動態(tài)過程的分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。測控模塊的功能與傳統(tǒng)測控裝置的測控功能相同，在此不再贅述。最后所應(yīng)說明的是以上實(shí)施例僅用以說明而非限定本實(shí)用新型的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解；依然可以對本實(shí)用新型進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1.ー種利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，其特征在于，包括通過過程層通信模塊、站控層通信模塊分別與過程層、站控層通信連接的測距錄波模塊、保護(hù)模塊和測控模塊，所述保護(hù)模塊和測距錄波模塊分別用于根據(jù)過程層上傳的暫態(tài)故障信息進(jìn)行故障識別、線路保護(hù)和故障測距、錄波；所述站控層通信模塊還串行通信連接有人機(jī)接ロ模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，其特征在于，所述保護(hù)模塊與過程層通信模塊之間設(shè)有FPGA，該FPGA分別通過并行總線與保護(hù)模塊、過程層通信模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，其特征在于，所述過程層通信模塊和站控層通信模塊內(nèi)均設(shè)有網(wǎng)絡(luò)對時模塊和以太網(wǎng)接ロ模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，其特征在于，所述測距錄波模塊、保護(hù)模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網(wǎng)與站控層通信模塊連接，測距錄波模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網(wǎng)與過程層通信模塊連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，其特征在于，該智能電子設(shè)備對外通信均采用以太網(wǎng)，其中與過程層中合并單元之間的采樣值傳輸采用點(diǎn)對點(diǎn)光纖以太網(wǎng)，傳輸協(xié)議符合IEC61850-9-2，與智能終端之間的開關(guān)量傳輸采用GOOSE點(diǎn)對點(diǎn)以太網(wǎng)；與其它間隔層設(shè)備之間采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信；與站控層設(shè)備之間采用匪S網(wǎng)絡(luò)通信；對時采用IEEE1588網(wǎng)絡(luò)對時。
專利摘要本實(shí)用新型涉及利用暫態(tài)故障信息的智能電子設(shè)備，包括通過過程層通信模塊、站控層通信模塊分別與過程層、站控層通信連接的測距錄波模塊、保護(hù)模塊和測控模塊，保護(hù)模塊和測距錄波模塊分別用于根據(jù)過程層上傳的暫態(tài)故障信息進(jìn)行故障識別、線路保護(hù)和故障測距、錄波；各模塊之間及對外通信主要采用100Mbps以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速交換和并行處理，保護(hù)模塊在故障發(fā)生后的極短時間內(nèi)識別故障方向、極性和距離等暫態(tài)故障信息，采用三取二邏輯，構(gòu)成縱聯(lián)保護(hù)，既實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能的快速動作，也提高了動作的可靠性；本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了多功能一體化，適用于現(xiàn)有的智能變電站，提高了保護(hù)性能和測距精度，降低了設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
文檔編號H02H7/26GK202405773SQ20122000115
公開日2012年8月29日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者羅四倍, 贠保記 申請人:河南科技大學(xué)