幾款國內微機型繼電保護的比較

摘要：對國內幾款微機型中低壓輸電線路繼電保護裝置進行比較，分析了它們的特點，總結了各自的優勢，并結合保護的功能、精度、硬件架構、控制邏輯就一些關鍵技術進行了探討。

關鍵詞：微機保護；線路保護；精度；抗干擾

中圖分類號：TP371文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)22-820-03

Compare of Several Types of Computer Relay Protect

LU Zi-jun

（IC Embedded System Lab， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract: Compare of several types of computer relay protect， analyses their characteristic，sum up the predominance of each other，and discusses some key technology in function， precision hardware structure and control logic.

Key words:computer protect; circuitry protect; precision; anti-jamming

1 引言

微機型繼電保護由于具有功能強、維護調試方便等一系列優點，自問世以來就受到普遍重視與歡迎，近年來更是在國內外得到廣泛應用。由于輸電線路保護在繼電保護中具有重要地位，且隨著超高壓、長距離輸電線路的發展，對輸電線路保護的功能提出了更新更高的要求，加之輸電線路保護本身具有的復雜功能和邏輯，使微機保護在輸電線路保護這一領域獲得了廣泛應用。本文結合自身體會，對國內常用的幾種微機型線路保護裝置的一些特點進行了分析與比較，主要側重于功能和性能方面的探討。這里主要介紹的保護裝置是南自PSL640 型線路微機保護和南瑞繼保推出的 RCS-9611-C 型線路保護裝置。另外還提及北京四方 CSC-211 系列數字式保護測控裝置和許繼 WXH-820 線路保護裝置，以進行更好的比較分析。

2 功能

各型號微機保護裝置能實現的保護功能介紹：

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這些保護功能大部分是現代微機保護裝置的基本配置，如過流保護，定時限，反時限等，它們的概念限于篇幅在這里不再敘述。但是在實際情況下，某些保護裝置或系列的某些型號可能會根據現實情況只配備某些功能。比如許繼的 WXH-821 過流保護只設定了兩段過流保護的功能。

PSL640 和 RCS9611 微機保護的電流保護主要性能包括：設置了三段全相運行時投入的電流保護。各段零序保護的方向元件均可由控制字整定投入或退出；重合加速全相運行零序保護三段亦可由控制字投入或退出；后加速時間有一定的范圍。除設有定時限過流元件之外，還設有反時限過流元件。反時限保護元件是動作時限與被保護線路中電流大小自然配合的保護元件，通過平移動作曲線可以非常方便地實現全線的配合。常見的反時限特性解析式大約分為三類，即標準反時限，非常反時限，極端反時限。裝置中反時限特性由整定值中反時限指數整定。選擇哪一條反時限特性曲線完全取決于負荷特性和與其他相鄰繼電保護相配合。反時限特性特別適用于保護直配線、變壓器、電動機以及低壓配電線路，尤其是在線路有分支線，且分支線用高壓熔斷器保護時具有更優秀的保護特性。

在我國，對于重合閘裝置的基本要求是能確定故障相，能檢無壓或檢同期，在故障后經一定延時重合，且只重合一次。PSL640 的綜重元件靠軟件來實現了以上功能。通過控制字KG2.0 和 KG2.1 可選擇重合閘的方式、不檢方式、檢無壓方式檢同期方式。保護動作后重合閘如果導致故障原因仍存在第一次重合不成功將再次跳開斷路器，允許經過一段較長延時等故障處絕緣建立后再二次重合閘。由于運行要求的不同，我國不采用多次重合閘，（許繼、四方、南瑞都沒采用）但對于無人值班的變電所還是多次重合閘更具優勢。瞬時重合閘和多次重合閘對斷路器的性能提出了更高的要求。

在故障錄波或者事叫件順序記錄(SOE）功能上，PSL640 可記錄的模擬量為 Ia ，Ib， Ic ，3I0 ，Ua ，Ub，Uc， Ux，I0c可記錄的狀態量為斷路器位置，保護跳閘合閘命令。為避免因系統擾動使保護頻繁啟動，導致存儲不需要的數據，本裝置錄波數據僅當保護動作后才存入 Flash Memory 中，掉電保持。否則本次數據只保存在RAM 中，掉電不保持。可被PC機讀取可記錄的錄波報告為8至50個，可記錄的事件不少于40次，數據存入Flash Memory 中。RCS-9611可保存最新64次動作報告，最新256次 SOE 變位記錄報告，最新64次用戶操作記錄報告，最多8次故障錄波報告（每次故障錄波時間最長15 秒）。而 WXH-820 系列 FLASH 則可存最多最近發生的200份報告，且分兩個菜單，可實現查看報告和擦除報告功能。

保護裝置面板都配置有通訊接口，可接PC機進行人機對話操作，便于調試與分析。通訊接口主要有SCI標準RS232接口，RS485接口，以太網口，光纖接口。有些廠家提供接口類型和數量的選擇，而且在接口的設計上也不盡相同。如RCS9611系列可以提供雙以太網口的標配，（一般裝置都提供雙網口的標配是因為一旦一個網口失效可以有被用）也可以提供三個以太網口，而且網口可以通過控制字分別或同時設成支持串口的 modbus 通信規約。

我們由表格可以看出南自、南瑞及四方的微機保護裝置提供的功能比較完備，許繼的WXH820系列也很優秀，但是在功能上略有欠缺。各型號都在實際電力運行中穩定有效的發揮各自的作用。

3 主要性能指標

表1 性能指標

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由于國家規約的相關規定，這些性能指標都能達到一定的要求，尤其是測量回路的誤差四款產品都在相同的范圍內。但在保護回路的精度方面各款產品所能達到的精度卻不一樣。一般來說，誤差越小的產品精度越高，且運行的靈敏性也越高，產生誤動的幾率也越小，這樣對電網的運行來說就越安全。

上表中，南瑞產品中的頻率誤差相對也較低。頻率測量的精度會直接影響到裝置的如低周保護等功能實現的準確性。所以在這里略微探討一下保護裝置的里運用的測頻技術。我們知道常用的直接測頻方法主要有測頻法和測周期法兩種。一般對于低頻信號采用測周期法，對于高頻信號采用測頻法，因此測試時很不方便，所以出現了等精度測頻方法。不同廠家使用的測頻技術也影響了裝置的頻率精度。南自PSL640 在 CPU 的選用上選擇了內置測頻模塊（時間處理單元 TPU ）的芯片，因此不需要占用給多的CPU資源進行測率的處理，而且精度也可以得到保證。而南瑞 RCS9611 則選擇使用基于 FPGA 的高精度頻率測量手段。因為在快速測量的要求下，要保證較高精度的測頻，必須采用較高的標準頻率信號；而單片機受本身時鐘頻率和若干指令運算的限制，測頻速度較慢，無法滿足高速、高精度的測頻要求。采用高集成度、高速的現場可編程門陣列 FPGA 為實現高速，高精度的測頻提供了保證。而且既然 FPGA 和 DSP 同樣可以完成對轉換成為數字信號的模擬量信號的處理，那我們可以了解一下不同廠家的微機保護裝置的硬件架構設計。

4 硬件架構

通常，保護裝置采集的模擬量信號（電壓、電流）通過AD轉換后，需要經過數據處理以使 CPU 可以進行進一步運用。通常，我們可以采用的架構 AD+DSP+CPU 的架構。PSL640 所采用的架構是 AD 加 CPU。他們所選用的AD是14位的 AD7865，AD的位數也直接關系到裝置的測量精度。CPU為 MOTOROLA 的MC68332。最高工作頻率已達25MHz. TPU是MC68332最具特色的模塊之一。它有自己的執行單元、3級優先級控制器、數據 RAM、雙定時基準和微程序 ROM 等。它可獨立于CPU之外 ，執行各種定時、脈沖生成、電機（特別是步進電機）控制、頻率測量等與時間有關的操作，可大大減輕 CPU 的負擔。MC68332 的 TPU 模塊可外接16路頻率輸入輸出。

RCS9611C 則采用的是 AD+FPGA+CPU 的架構。由 FPGA 完成對采集新數據的處理，而且還可以滿足高速高精度的測頻要求。他們選用的AD是位數相對較高的16位AD8696，FPGA選用的是Lattic的ispMACH4128V.CPU采用的是32位的Intel的IXP420.工作頻率最高達533MHz.

而許繼則采用單CPU的設計。采用16位的 AD 加32位DSP。DSP 是TI公司經典的 TMS320C32.

5 結構差異及抗干擾

兩種微機保護均采用一體化機箱，面板上設有液晶顯示屏和控制按鈕，正常運行時可以從液晶顯示屏上讀出各相電壓、電流有效值，并且可以顯示日期等信息。保護動作前后的電壓、電流及各部分的動作過程都記錄在事件報告中，供運行人員查閱。而且機箱采用全密閉，防水、防塵、抗振動的設計，確保裝置安裝于條件惡劣的現場時仍具備高可靠性。所不同的是兩者對保護裝置內部結構具有很大的差異。

我們知道微機型繼電保護裝置一般由五個主要部分組成，分別是模擬量采集系統（或叫數據采集系統），微機系統，開關量輸入輸出系統，人機對話接口回路及電源。這幾部分分別對應到保護裝置的相關插件，并通過插槽將各部分組合在一起以實現各保護功能。PSL640采用的結構是將包括微機系統主板在內的插件都集中插到一塊面板上，面板再與顯示板相連接。南瑞繼保RCS9611C 將微機系統與顯示頻都集中到一個 PCB 板子上，再另加一塊插槽板緊貼主板。我個人覺得這種設計減少了從采集板到CPU板的走線長度，保證了信號完整性的要求。此外，RCS9611C 的設計考慮了不同的插件選配功能，這是其他保護裝置所沒有的。該裝置通過另外一種出口插件（OUT）和帶壓力接口的操作回路插件（SWG）提供了三種不同的插件選配方式以適應不同的運行場合。

裝置的抗干擾需要通過很多方面協同完成。比如走線的設計，元器件的布局，接地的處理等等。在這里就具體裝置提供一點參考。

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如圖，這是 psl640 信號采集板正反面的設計，因為采集板上以強電信號線為主，強電流產生的磁場很強將對信號采集板旁邊的弱電板產生較強干擾，所以必須對輻射這塊板子采取有效的屏蔽措施。不僅如此 Psl640 將采集板四周用地線環繞，并巧妙的用連接立柱把屏蔽金屬板與機殼地相連，并在反面將所有的地連接在一起。另外采集信號線采用明線，這些措施有效減少了磁場的輻射和對有用信號的干擾。

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而從 RCS9611c 的設計上，可以看到子板上同樣有金屬殼屏蔽，但似乎并未將板子用地線環繞，而是直接將金屬屏蔽固定并連接至機殼，這樣便與機殼地聯接從而達到有效屏蔽干擾的而目的。

6 控制與邏輯

各項控制功能是由壓板加控制字來實現的。每個控制字由16位二進制數來表示，若置“1”則投入該功能，置“0”則閉鎖該功能。這些控制字作為定值的一部分，確定了保護的功能。保護定值中控制字標*表示該控制字有對應的軟壓板。軟壓板可以通過后臺投退；亦可在就地通過“軟壓板修改”菜單逐項投退。只有控制字、軟壓板狀態（若未設置則不判）、硬壓板狀態（若未設置則不判）均有效時才投入相應保護元件，否則退出該保護元件。南瑞的還提供有系統定值供16 個可使用的保護定值區。

值得一提的是國外有一款 SEL-321 的控制與邏輯功能是通過一種名叫 SEL-logic 的邏輯表達式來表示的。該保護的每段保護區、振蕩閉鎖元件和各項內部固定邏輯(如手合故障線路等)都有固定的邏輯變量與之相對應，還可以人為設置一些邏輯變量，這些邏輯變量與邏輯運算符配合構成了邏輯表達式，從而大大豐富了保護功能提高了保護靈活性，可以適應不同的保護要求，這可以說是 SEL-321 獨具特色的一項功能。

7 結束語

通過以上的對比與分析，我認為這幾套微機保護各有其特色和優勢。其中 RCS9611C 在保護功能的全面性、精度方面略顯突出，設計比較新穎。PSL640 的設計結構明了，各項功能更容易實現。而其他兩種保護也各有其獨特之處。由于國內繼電保護行業的競爭趨于激烈，幾種保護在原理和性能上有些差異，應該從實際出發，相互學習，取長補短，豐富、完善并開發出新的保護原理，進一步提高保護的精度。同時通過對這幾種保護的對比與分析，更加深了對微機保護基本原理的理解，開闊了眼界，活躍了思維，這對于我們研究繼電保護的學生或是工作者都是大有裨益的。

參考文獻:

[1]呂鐵民，陳家瑂，陳霖. 微型機繼電保護基礎[M]. 北京：人民郵電出版社，2005.