專利名稱：一種利用暫態故障信息的智能電子設備的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電力系統自動化技術領域，涉及ー種利用暫態故障信息的智能電子設備。
背景技術：
減小繼電保護的動作時間是提高輸電線路傳送功率和增強系統暫態穩定性的有效措施之一。準確識別、處理和利用暫態故障信息，就能夠在故障發生后的極短時間內正確的判定故障，通常只需f3ms的時間，因此可以實現繼電保護的超高速動作。但是，目前現場廣泛應用的繼電保護裝置所采用的保護原理是建立在エ頻電氣量的基礎之上，通常采用濾波等方法來消除暫態過程對保護的影響，暫態故障信息往往被視為有害的干擾而被濾除掉，這樣就延長了保護的動作時間。而僅利用暫態故障信息的繼電保護仍停留在原理、算法研究階段，實用化難度較大。隨著智能電網的興起與發展，光學電子式互感器、光纖以太網通信、高性能硬件平臺、IEC61850和IEEE1588標準在智能變電站的應用取得了長足進步。這些不僅使暫態故障信息的有效利用成為可能，而且可以實現智能電子設備的多功能一體化，降低設備成本和運行維護費用。光學電子式互感器具有良好的暫態響應特性，準確記錄暫態過程；動態范圍寬，可同時滿足高精度計量和保護的雙重需求。光纖以太網通信和IEC61850的應用為實現信息共享標準化、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信號、執行多種功能的要求。采用IEEE1588網絡對時，精度達1ms。
實用新型內容本實用新型的目的是提供ー種利用暫態故障信息的智能電子設備，以減小繼電保護的動作時間，提高測距精度，實現多功能一體化。為實現上述目的，本實用新型的利用暫態故障信息的智能電子設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、保護模塊和測控模塊，所述保護模塊和測距錄波模塊分別用于根據過程層上傳的暫態故障信息進行故障識別、線路保護和故障測距、錄波；所述站控層通信模塊還串行通信連接有人機接ロ模塊。進ー步的，所述保護模塊與過程層通信模塊之間設有FPGA，該FPGA分別通過并行總線與保護模塊、過程層通信模塊連接。進ー步的，所述過程層通信模塊和站控層通信模塊內均設有網絡對時模塊和以太網接ロ模塊。進ー步的，所述測距錄波模塊、保護模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網與站控層通信模塊連接，測距錄波模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網與過程層通信模塊連接。進ー步的，該智能電子設備對外通信均采用以太網，其中與過程層中合并單元之間的米樣值傳輸米用點對點光纖以太網，傳輸協議符合IEC61850-9-2,與智能終端之間的開關量傳輸采用GOOSE點對點以太網；與其它間隔層設備之間采用GOOSE網絡通信；與站控層設備之間采用麗S網絡通信；對時采用IEEE1588網絡對吋。本實用新型的利用暫態故障信息的智能電子設備，遵循IEC61850標準，采用多CPU分布式結構，包括過程層通信模塊、保護模塊、測距錄波模塊、測控模塊、站控層通信模塊和人機接ロ模塊，集成保護、測距、錄波和測控等多種功能。過程層通信模塊和保護模塊之間采用FPGA進行并行數據交換，可快速傳輸大批量數據，充分保證保護的實時性。智能電子設備的對外通信均采用以太網，過程層通信模塊通過直采方式接收光學電子式互感器傳變的暫態信號，內部各模塊之間主要采用IOOMbps以太網，實現數據的快速傳輸和并行處理。本實用新型適用于現有的智能變電站，不需要新增或改造其它設備，提高了保護性能和測距精度，實現了多功能一體化，降低了設備成本和運行維護費用。
圖I是本實用新型的智能電子設備IED結構示意圖；圖2是IED在智能變電站中的應用示意圖；圖3是IED的保護模塊工作流程圖。
具體實施方式
針對暫態故障信息在繼電保護中實際利用難的問題，將暫態故障信息的利用與現有繼電保護裝置的成熟原理相結合，各取所長，互為補充，是ー種行之有效的解決方案。多功能一體化智能電子設備IED的結構如圖I所示，該智能電子設備IED包括過程層通信模塊、保護模塊、測距錄波模塊、測控模塊、站控層通信模塊和人機接ロ模塊，集成保護、測距、錄波和測控等多種功能于一體。智能電子設備IED在智能變電站中的應用如圖2所不，IED屬于間隔層設備,遵循IEC61850標準，對外通信均采用以太網a)與過程層設備(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)傳輸采用點對點光纖以太網，傳輸協議符合IEC61850-9-2，與智能終端之間的開關量傳輸采用GOOSE點對點以太網。這樣可以減小網絡傳輸延時，加快IED保護模塊的動作速度。b)與其它間隔層設備之間采用GOOSE網絡通信。c)與站控層設備(監控系統)之間采用MMS網絡通信。d)對時采用IEEE1588網絡對時，精度達1ms。智能電子設備IED的硬件體系采用多CPU分布式結構。過程層通信模塊一方面對從過程層接收到的采樣值、開關量輸入等數據進行預處理并快速分發給所述保護模塊、測距錄波模塊和測控模塊進行各自功能的處理，另一方面接收來自所述保護模塊、測控模塊的開關量輸出等數據向過程層發送。站控層通信模塊匯聚保護模塊、測距錄波模塊和測控 模塊的處理結果向站控層發送，從站控層接收控制命令和定值等數據并下發；還接收人機接ロ模塊(麗I)的輸入信息，向所述麗I發送需顯示的輸出信息。各模塊之間數據的高速交換是IED能否實現暫態故障信息利用和功能一體化的關鍵技術之一。鑒于對外通信均為以太網且以太網通信高速可靠，為了避免使用多種通信手段時需進行的數據轉換，減少硬件種類，簡化軟件設計，各模塊之間數據的高速交換仍主要采用IOOMbps以太網。各模塊之間的數據交換方式如下a)過程層通信模塊和保護模塊之間采用FPGA (內含雙ロ RAM)進行并行數據交換，可快速傳輸大批量數據，充分保證保護的實時性。b)站控層通信模塊與MMI之間的數據交換實時性要求不高，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，實現數據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內核和專用通信處理模塊，可提供多達8個100M以太網接ロ。匪I模塊采用單片機。為了獲取暫態故障信息，過程層設備需滿足以下要求a)采用光學電子式互感器，可提供輸電線路的三相電壓和電流，頻率響應范圍至少從直流到100次諧波。b)合并單元輸出采樣速率應為每周波400點及以上。利用暫態故障信息的繼電保護方法的步驟如下(I)智能電子設備的保護模塊讀取過程層上傳的三相電壓、電流采樣數據；(2)基于改進梯度算法的啟動元件動作后，提取啟動時刻后Urns的暫態故障分量;(3)根據故障方向、故障極性和故障距離判據進行故障識別，采用三取ニ邏輯，即兩個或兩個以上判據判別出故障發生在被保護線路，則發出跳閘命令；若未判別出被保護線路故障，則切換進入反應エ頻電氣量的傳統保護，進行相應的故障判別。暫態故障信息集中體現在故障初始行波中，根據故障初始行波的特征可檢出故障，進行測距。IED對暫態故障信息的利用主要體現在保護模塊和測距錄波模塊中。IED的保護模塊軟件流程圖如圖3所示，該圖中稱利用暫態故障信息的保護為快速保護，與傳統保護相區別。保護模塊在基于改進梯度算法的啟動元件動作后，提取啟動時刻后Urns的暫態故障分量——數據窗長與被保護線路長度有關，故障初始行波即包含在此數據窗內。然后，根據如下3個判據進行故障識別a)使用電壓、電流暫態故障分量，利用經中值濾波后模量前、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。經通信通道得到線路對側的故障方向信息，若均為正向故障，則判別故障發生在被保護線路。b)使用電流暫態故障分量，若線路兩端電流初始行波同極性，則判定為區內故障，異極性則判定為區外故障。c)使用電流暫態故障分量，準確標定電流初始行波到達本側所述IED安裝處的時間(精度達1ms)，經通信通道得到線路對側記錄的電流初始行波到達時間，若兩者時間之差大于或等于被保護線路長度與暫態電流波速的比值，則為區外故障，否則為區內故障。為了保證所述保護模塊動作的可靠性，所述3個判據采用三取ニ邏輯，即只有兩個或兩個以上判據判別出故障發生在被保護線路，才發出跳閘命令。所述3個判據都需要線路對側的暫態故障信息，因此保護模塊與線路對側IED通過通信通道連接構成縱聯保護，以獲取線路對側的暫態故障信息。若保護模塊利用暫態故障信息未判別出被保護線路故障，則切換進入反應エ頻電氣量的傳統保護原理，進行相應的故障判別。因此，暫態故障信息的利用只會使保護性能得到提高，并不會降低原有保護的性能。基于改進梯度算法的啟動元件為對電流故障分量進行相模變換，對所得到的線模量采用改進梯度算法，即當前點后3個數據之和減去當前點前3個數據之和，得到當前點的梯度值，若該值大于啟動定值，則當前點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故障信息的測距原理為通過線路內部故障產生的初始行波到達線路兩端所述IED安裝處的絕對時間之差計算出故障距離。影響測距精度的關鍵是準確獲取故障初始行波到達所述IED安裝處的時間。GPS系統和IEEE1588標準的應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點及以上)，可能無法采集到故障初始行波真實的到達時刻，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的到達時刻，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行故障距離的計算。兩種方法的測距結果可與實際故障距離相比較，以進ー步改進測距算法。測距錄波模塊采用第二代小波變換算法——提升算法進行故障錄波數據無損壓縮，采用大容量存儲設備(Flash)完整記錄電カ系統受到各種擾動后的變化全過程，為系統動態過程的分析提供基礎數據。測控模塊的功能與傳統測控裝置的測控功能相同，在此不再贅述。最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限定本實用新型的技術方案，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解；依然可以對本實用新型進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1.ー種利用暫態故障信息的智能電子設備，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、保護模塊和測控模塊，所述保護模塊和測距錄波模塊分別用于根據過程層上傳的暫態故障信息進行故障識別、線路保護和故障測距、錄波；所述站控層通信模塊還串行通信連接有人機接ロ模塊。
2.根據權利要求I所述的利用暫態故障信息的智能電子設備，其特征在于，所述保護模塊與過程層通信模塊之間設有FPGA，該FPGA分別通過并行總線與保護模塊、過程層通信模塊連接。
3.根據權利要求I所述的利用暫態故障信息的智能電子設備，其特征在于，所述過程層通信模塊和站控層通信模塊內均設有網絡對時模塊和以太網接ロ模塊。
4.根據權利要求I所述的利用暫態故障信息的智能電子設備，其特征在于，所述測距錄波模塊、保護模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網與站控層通信模塊連接，測距錄波模塊、測控模塊均采用IOOMbps以太網與過程層通信模塊連接。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的利用暫態故障信息的智能電子設備，其特征在于，該智能電子設備對外通信均采用以太網，其中與過程層中合并單元之間的采樣值傳輸采用點對點光纖以太網，傳輸協議符合IEC61850-9-2，與智能終端之間的開關量傳輸采用GOOSE點對點以太網；與其它間隔層設備之間采用GOOSE網絡通信；與站控層設備之間采用匪S網絡通信；對時采用IEEE1588網絡對時。
專利摘要本實用新型涉及利用暫態故障信息的智能電子設備，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、保護模塊和測控模塊，保護模塊和測距錄波模塊分別用于根據過程層上傳的暫態故障信息進行故障識別、線路保護和故障測距、錄波；各模塊之間及對外通信主要采用100Mbps以太網，實現了數據的高速交換和并行處理，保護模塊在故障發生后的極短時間內識別故障方向、極性和距離等暫態故障信息，采用三取二邏輯，構成縱聯保護，既實現了保護功能的快速動作，也提高了動作的可靠性；本實用新型實現了多功能一體化，適用于現有的智能變電站，提高了保護性能和測距精度，降低了設備成本和運行維護費用。
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 優先權日2012年1月4日
發明者羅四倍, 贠保記 申請人:河南科技大學