基于Linux操作系統的變電站集中式保護方案

姚夫慶， 張新慧， 王敬華， 董逸超

(1. 山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091； 2. 山東科匯電力自動化有限公司， 山東 淄博 255087； 3. 天津大學 求是學部， 天津 300072)

目前大多數中低壓變電站的保護配置采用獨立保護方式[1]，即采用一套保護裝置實現一臺設備或一條線路的保護功能.這種按保護功能劃分的變電站繼電保護系統不僅結構繁雜，硬件配置重復，母差保護、備自投等功能實現難度大，而且變電站的保護與控制裝置一般只有單點信息[2]，不能利用全站信息實現站內保護和控制功能.

國內外很多學者在信息共享的基礎上提出了集中式保護理論[3-5].文獻[6]提出了輸電線路集中式保護的概念，希望利用相鄰間隔的元件信息更準確地反映故障狀態.文獻[7]在分區域分布集中式系統基礎上，構建了一種自適應多Agent系統的廣域保護體系.本文提出一種基于嵌入式Linux操作系統的集中式保護方案，設計了其硬件構成和軟件實現方法，并通過PSCAD仿真及實驗驗證方案的正確性.

1 集中式保護的原理

集中式保護系統是在一套裝置中集成多種傳統保護的功能.由于它集成了全站所有設備的信息，如斷路器狀態、裝置的啟動信息及故障方向等，因此保護系統可以綜合處理這些信息，實現全站的繼電保護和安全控制功能.

集中式保護能夠提高保護的可靠性及性能，增強保護裝置的抗干擾能力；可以減少硬件配置，節省占地面積，提高經濟性；能夠實現裝置的集中化管理，不必到現場操作，可大大減少工作量.同時集中式保護還可根據變電站實時運行情況，在線修改保護邏輯，根據故障的恢復情況，實時修改保護方案.

2 集中式保護方案

集中式保護系統需要根據變電站的特點、實際運行狀況以及保護系統所要實現的功能，合理地選擇信息傳輸方式和硬件系統.集中式保護方案的設計包括硬件部分設計和軟件方案設計.

2.1 硬件設計

集中式保護系統的硬件部分由測控裝置、通信網絡和集中式保護裝置組成.

(1)測控裝置

測控裝置將傳統保護的數據采集、操作回路、通信和同步等裝置合并，組成就地分散測控裝置.將現場采集的電壓、電流等信號，通過光纖以太網上傳到變電站的集中式保護裝置中進行計算處理，同時執行其下發的控制命令完成斷路器的開關操作.

(2)通信網絡

集中式保護系統需要采集大量的實時數據，尤其是暫態信息，其信息量大且對實時性要求高，因此選用100M光纖以太網作為通信介質，站內網絡采用星型結構，為增強通信的可靠性，配置雙冗余網絡.

(3)集中式保護裝置

集中式保護裝置是集中式保護系統的核心，其功能是處理來自測控裝置的信息，并下發控制命令至測控裝置，執行相應的操作.采用兩套集中式裝置構成雙冗余方案，正常狀態下，兩套裝置分為主機和輔機同時工作；當主機檢修或者故障時，輔機代替主機工作，從而不影響保護的正常運行.

集中式保護系統的保護功能由軟件實現，采用模塊化設計，可根據不同用戶需求進行靈活配置；測控功能包括遙測、遙信、遙控等功能.保護主板的CPU應選用高性能處理器，以便滿足同時處理多種保護功能的要求.主板還應配置足夠容量的ROM和RAM，保證能夠存儲大量的數據.除了主要的保護功能外，集中式保護裝置還應具備同步對時、通信、自檢等功能.其硬件結構如圖1所示.

圖1 集中式保護硬件結構圖

2.2 軟件方案

(1)嵌入式操作系統的選擇

目前常用的嵌入式操作系統有Linux、Psos、Vxworks、Windows CE[8]等.集中式保護裝置需要一個開源的多任務系統，并應具有可移植性和可靠的性能，能夠調試出最適合保護系統的硬件平臺.Linux是一個開放的系統，始終遵循源碼開放的原則，內核小、效率高、穩定性強，支持完備的網絡功能[9]，其高度的模塊化使得部件的添加變得非常容易，因此選擇Linux作為裝置的嵌入式操作系統.開發者只需對各保護模塊的軟件部分進行編程，然后嵌入到Linux操作系統中即可實現相應的功能.

(2)軟件方案設計

集中式保護系統軟件主要由支撐軟件和應用軟件兩部分組成，其主要功能是采集、處理當地設備運行數據，與相關智能終端、主站交換數據，運行各應用軟件，實現保護與控制功能的集成.保護系統以uCLinux2.6為底層操作系統，應用程序接口(API)是操作系統的程序接口，可以通過該接口標準調用源代碼，在此基礎上添加保護模塊和其他應用，集中式保護系統的軟件設計框架如圖2所示.

圖2 集中式保護軟件框架圖

2.3 保護配置方式

集中式微機保護程序主要由變壓器保護模塊、線路保護模塊、電容器保護模塊三部分組成.變壓器保護模塊主要配置差動電流速斷保護、三段式比率制動差動保護等；線路保護模塊主要配置距離保護、電流增量保護、三段式過流保護、過負荷保護等；電容器保護模塊主要配置定時限過流保護、過壓保護和欠壓保護.

3 仿真驗證

利用PSCAD[10]建立某35kV變電站的仿真模型，在各種故障情況下，針對具有配合關系的電流保護，對傳統獨立式保護和集中式保護裝置的動作情況進行了仿真.

3.1 仿真模型

建立某35kV變電站仿真系統模型如圖3所示.變電站有35kV、10kV兩個電壓等級，線路保護采用三段式過流保護，過流保護Ⅲ段延時設定為0.3s.

圖3 35kV變電站仿真模型圖

3.2 故障類型

故障類型設置A相單相接地故障、BC兩相短路故障、AB兩相接地短路故障和ABC三相短路故障.

故障點位置如圖3所示，即饋線k1點處和10kV母線k2點處和高壓側k3處.篇幅所限，本文只列出AB兩相接地短路時仿真結果及分析.其他類型故障的仿真結果及分析同AB兩相接地短路故障類似，不再一一列出.

3.3 獨立式保護仿真

(1)如圖4所示，饋線出口k1處故障時，三段式過流保護啟動，斷路器B1動作，動作時限為0.119s.保護延時0.019s動作是對保護的響應時間.

圖4 k1點故障時獨立式保護動作時限圖

(2)如圖5所示，10kV母線k2點處故障時，三段式過流保護啟動，斷路器B2動作，動作時限為0.419s.

圖5 k2點故障時獨立式保護動作時限圖

(3)如圖6所示，變壓器高壓側k3處故障時，三段式過流保護啟動，斷路器B3動作，動作時限為0.719s.

圖6 k3點故障時獨立式保護動作時限圖

3.4 集中式保護仿真

(1)饋線出口k1點處發生AB兩相接地短路故障時，其仿真結果與圖4所示的獨立式保護仿真結果相同.

(2)10kV母線k2點處發生AB兩相接地短路故障時，三段式過流保護啟動，發送跳閘命令，跳開斷路器B2，動作時限為0.125s，如圖7所示.

圖7 k2點故障時集中式保護動作時限圖

(3)變壓器高壓側K3處故障時，三段式過流保護啟動，斷路器B3動作，動作時限為0.138s，如圖8所示.

圖8 k3點故障時集中式保護動作時限圖

3.5 仿真結果對比

當系統發生AB兩相接地短路故障時，獨立式保護與集中式保護的過流保護動作時限見表1.

由表1可知，當故障發生在母線k2點和高壓側k3點時，獨立保護需要遵循上下級的配合關系，經過延時才能切除故障，而集中式保護能獲取各斷路器的狀態信息，快速判斷故障線路并切除故障.

表1 三段式過流保護動作時限比較

本文除針對線路三段式過流保護進行了集中式保護方案與獨立式保護方案的對比外，還針對變壓器保護、電容器保護動作情況等進行了兩種方案的仿真對比，結果均驗證了集中式保護方案優于傳統獨立式保護.

4 實驗驗證

4.1 裝置基本功能驗證

利用標準繼電保護測試儀的觸發模式施加故障電流，采用自動遞增的方式，分別測試故障電流達到整定值時集中式保護系統能否跳閘和設置延時跳閘后，斷路器能否正確動作.實驗結果如下：

(1)過流保護斷路器動作測試.當故障電流大于整定值時，過流保護應動作跳閘.實驗結果見表2.

表2 過流保護整定值精度測試

(2)過流保護斷路器動作時限測試.當故障電流持續時間大于延時整定值時，過流保護動作跳閘，其動作時限實驗結果見表3.

表3 過流保護動作時限定值測試

4.2 故障時保護出口時間驗證

利用智能配電網實驗室，分別搭建集中式保護和獨立式保護平臺，并模擬在饋線處、低壓側母線處和高壓側發生AB兩相接地短路故障，測試兩種保護方案的斷路器動作情況，驗證集中式保護方案的可行性與合理性.

(1)饋線處故障時，實驗結果見表4.

表4 饋線處故障時保護出口動作時間

(2)低壓側母線處故障時，實驗結果見表5.

表5 母線處發生故障時保護出口動作時間

(3)高壓側發生故障時，實驗結果見表6.

表6 高壓側處發生故障時保護出口時間

通過對比上述三種故障的實驗結果可得，獨立式保護在上述三種故障狀態下，遵循電流保護上下級配合關系，保護出口動作時間較長.集中式保護系統在上述三種故障狀態下均能快速、準確地動作.將仿真結果與實驗結果進行綜合對比，得出的結論一致，充分驗證了集中式保護的合理性與可行性.

5 結束語

傳統獨立式繼電保護裝置結構復雜、硬件重復配置、信息不能共享，對電網的適應性差，不能滿足智能電網對繼電保護的要求.本文提出的以Linux操作系統作為集中式保護嵌入系統的新方法，可提高保護裝置對電網運行方式變化的適應能力，對傳統變電站的升級改造及安全運行具有重要的指導意義，同時也可為智能化變電站的設計提供參考依據.

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