专利名称：一种利用暂态故障信息的智能电子设备的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力系统自动化技术领域，涉及ー种利用暂态故障信息的智能电子设备。
背景技术：
减小继电保护的动作时间是提高输电线路传送功率和增强系统暂态稳定性的有效措施之一。准确识别、处理和利用暂态故障信息，就能够在故障发生后的极短时间内正确的判定故障，通常只需f3ms的时间，因此可以实现继电保护的超高速动作。但是，目前现场广泛应用的继电保护装置所采用的保护原理是建立在エ频电气量的基础之上，通常采用滤波等方法来消除暂态过程对保护的影响，暂态故障信息往往被视为有害的干扰而被滤除掉，这样就延长了保护的动作时间。而仅利用暂态故障信息的继电保护仍停留在原理、算法研究阶段，实用化难度较大。随着智能电网的兴起与发展，光学电子式互感器、光纤以太网通信、高性能硬件平台、IEC61850和IEEE1588标准在智能变电站的应用取得了长足进步。这些不仅使暂态故障信息的有效利用成为可能，而且可以实现智能电子设备的多功能一体化，降低设备成本和运行维护费用。光学电子式互感器具有良好的暂态响应特性，准确记录暂态过程；动态范围宽，可同时满足高精度计量和保护的双重需求。光纤以太网通信和IEC61850的应用为实现信息共享标准化、多种功能一体化提供了条件。高性能硬件平台可满足快速处理暂态信号、执行多种功能的要求。采用IEEE1588网络对时，精度达1ms。
实用新型内容本实用新型的目的是提供ー种利用暂态故障信息的智能电子设备，以减小继电保护的动作时间，提高测距精度，实现多功能一体化。为实现上述目的，本实用新型的利用暂态故障信息的智能电子设备包括通过过程层通信模块、站控层通信模块分别与过程层、站控层通信连接的测距录波模块、保护模块和测控模块，所述保护模块和测距录波模块分别用于根据过程层上传的暂态故障信息进行故障识别、线路保护和故障测距、录波；所述站控层通信模块还串行通信连接有人机接ロ模块。进ー步的，所述保护模块与过程层通信模块之间设有FPGA，该FPGA分别通过并行总线与保护模块、过程层通信模块连接。进ー步的，所述过程层通信模块和站控层通信模块内均设有网络对时模块和以太网接ロ模块。进ー步的，所述测距录波模块、保护模块、测控模块均采用IOOMbps以太网与站控层通信模块连接，测距录波模块、测控模块均采用IOOMbps以太网与过程层通信模块连接。进ー步的，该智能电子设备对外通信均采用以太网，其中与过程层中合并单元之间的米样值传输米用点对点光纤以太网，传输协议符合IEC61850-9-2,与智能终端之间的开关量传输采用GOOSE点对点以太网；与其它间隔层设备之间采用GOOSE网络通信；与站控层设备之间采用丽S网络通信；对时采用IEEE1588网络对吋。本实用新型的利用暂态故障信息的智能电子设备，遵循IEC61850标准，采用多CPU分布式结构，包括过程层通信模块、保护模块、测距录波模块、测控模块、站控层通信模块和人机接ロ模块，集成保护、测距、录波和测控等多种功能。过程层通信模块和保护模块之间采用FPGA进行并行数据交换，可快速传输大批量数据，充分保证保护的实时性。智能电子设备的对外通信均采用以太网，过程层通信模块通过直采方式接收光学电子式互感器传变的暂态信号，内部各模块之间主要采用IOOMbps以太网，实现数据的快速传输和并行处理。本实用新型适用于现有的智能变电站，不需要新增或改造其它设备，提高了保护性能和测距精度，实现了多功能一体化，降低了设备成本和运行维护费用。
图I是本实用新型的智能电子设备IED结构示意图；图2是IED在智能变电站中的应用示意图；图3是IED的保护模块工作流程图。
具体实施方式
针对暂态故障信息在继电保护中实际利用难的问题，将暂态故障信息的利用与现有继电保护装置的成熟原理相结合，各取所长，互为补充，是ー种行之有效的解决方案。多功能一体化智能电子设备IED的结构如图I所示，该智能电子设备IED包括过程层通信模块、保护模块、测距录波模块、测控模块、站控层通信模块和人机接ロ模块，集成保护、测距、录波和测控等多种功能于一体。智能电子设备IED在智能变电站中的应用如图2所不，IED属于间隔层设备,遵循IEC61850标准，对外通信均采用以太网a)与过程层设备(合并单元、智能終端)的连接采用“直采直跳”方式，即与合并单元之间的采样值(SV)传输采用点对点光纤以太网，传输协议符合IEC61850-9-2，与智能终端之间的开关量传输采用GOOSE点对点以太网。这样可以减小网络传输延时，加快IED保护模块的动作速度。b)与其它间隔层设备之间采用GOOSE网络通信。c)与站控层设备(监控系统)之间采用MMS网络通信。d)对时采用IEEE1588网络对时，精度达1ms。智能电子设备IED的硬件体系采用多CPU分布式结构。过程层通信模块一方面对从过程层接收到的采样值、开关量输入等数据进行预处理并快速分发给所述保护模块、测距录波模块和测控模块进行各自功能的处理，另一方面接收来自所述保护模块、测控模块的开关量输出等数据向过程层发送。站控层通信模块汇聚保护模块、测距录波模块和测控 模块的处理结果向站控层发送，从站控层接收控制命令和定值等数据并下发；还接收人机接ロ模块(丽I)的输入信息，向所述丽I发送需显示的输出信息。各模块之间数据的高速交换是IED能否实现暂态故障信息利用和功能一体化的关键技术之一。鉴于对外通信均为以太网且以太网通信高速可靠，为了避免使用多种通信手段时需进行的数据转换，減少硬件种类，简化软件设计，各模块之间数据的高速交换仍主要采用IOOMbps以太网。各模块之间的数据交换方式如下a)过程层通信模块和保护模块之间采用FPGA (内含双ロ RAM)进行并行数据交換，可快速传输大批量数据，充分保证保护的实时性。b)站控层通信模块与MMI之间的数据交换实时性要求不高，采用串行RS232通信方式。c)过程层通信模块和测距录波模块之间、过程层通信模块和测控模块之间、保护模块和站控层通信模块之间、测距录波模块和站控层通信模块之间、测控模块和站控层通信模块之间,均采用IOOMbps以太网，实现数据的高速交换和并行处理。上述方式对CPU的通信处理能力提出了很高要求。因此，所述IED除匪I夕卜，其它 各模块采用MPC8358处理器，该处理器频率400MHz，集成了 PowerPC内核和专用通信处理模块，可提供多达8个100M以太网接ロ。匪I模块采用单片机。为了获取暂态故障信息，过程层设备需满足以下要求a)采用光学电子式互感器，可提供输电线路的三相电压和电流，频率响应范围至少从直流到100次谐波。b)合并单元输出采样速率应为每周波400点及以上。利用暂态故障信息的继电保护方法的步骤如下(I)智能电子设备的保护模块读取过程层上传的三相电压、电流采样数据；(2)基于改进梯度算法的启动元件动作后，提取启动时刻后Urns的暂态故障分量;(3)根据故障方向、故障极性和故障距离判据进行故障识别，采用三取ニ逻辑，即两个或两个以上判据判别出故障发生在被保护线路，则发出跳闸命令；若未判别出被保护线路故障，则切换进入反应エ频电气量的传统保护，进行相应的故障判別。暂态故障信息集中体现在故障初始行波中，根据故障初始行波的特征可检出故障，进行测距。IED对暂态故障信息的利用主要体现在保护模块和测距录波模块中。IED的保护模块软件流程图如图3所示，该图中称利用暂态故障信息的保护为快速保护，与传统保护相区别。保护模块在基于改进梯度算法的启动元件动作后，提取启动时刻后Urns的暂态故障分量——数据窗长与被保护线路长度有关，故障初始行波即包含在此数据窗内。然后，根据如下3个判据进行故障识别a)使用电压、电流暂态故障分量，利用经中值滤波后模量前、反行波的时域能量之比判别故障方向若时域能量之比小于定值，为正向故障；否则，为反向故障。经通信通道得到线路对侧的故障方向信息，若均为正向故障，则判别故障发生在被保护线路。b)使用电流暂态故障分量，若线路两端电流初始行波同极性，则判定为区内故障，异极性则判定为区外故障。c)使用电流暂态故障分量，准确标定电流初始行波到达本侧所述IED安装处的时间(精度达1ms)，经通信通道得到线路对侧记录的电流初始行波到达时间，若两者时间之差大于或等于被保护线路长度与暂态电流波速的比值，则为区外故障，否则为区内故障。为了保证所述保护模块动作的可靠性，所述3个判据采用三取ニ逻辑，即只有两个或两个以上判据判别出故障发生在被保护线路，才发出跳闸命令。所述3个判据都需要线路对侧的暂态故障信息，因此保护模块与线路对侧IED通过通信通道连接构成纵联保护，以获取线路对侧的暂态故障信息。若保护模块利用暂态故障信息未判别出被保护线路故障，则切换进入反应エ频电气量的传统保护原理，进行相应的故障判別。因此，暂态故障信息的利用只会使保护性能得到提高，并不会降低原有保护的性能。基于改进梯度算法的启动元件为对电流故障分量进行相模变换，对所得到的线模量采用改进梯度算法，即当前点后3个数据之和减去当前点前3个数据之和，得到当前点的梯度值，若该值大于启动定值，则当前点所在的时刻即为启动时刻，启动元件动作。 测距录波模块利用暂态故障信息的测距原理为通过线路内部故障产生的初始行波到达线路两端所述IED安装处的绝对时间之差计算出故障距离。影响测距精度的关键是准确获取故障初始行波到达所述IED安装处的时间。GPS系统和IEEE1588标准的应用能够使线路两端所述IED的时间同步误差不超过1ms。但是，由于合并单元输出采样速率有限(每周波400点及以上)，可能无法采集到故障初始行波真实的到达时刻，所述测距录波模块采用插值拟合的方法尽可能地逼近真实的到达时刻，提高测距的精度。测距录波模块还利用基于エ频量的测距原理进行故障距离的计算。两种方法的测距结果可与实际故障距离相比较，以进ー步改进测距算法。测距录波模块采用第二代小波变换算法——提升算法进行故障录波数据无损压縮，采用大容量存储设备(Flash)完整记录电カ系统受到各种扰动后的变化全过程，为系统动态过程的分析提供基础数据。测控模块的功能与传统测控装置的测控功能相同，在此不再赘述。最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限定本实用新型的技术方案，尽管參照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
权利要求1.ー种利用暂态故障信息的智能电子设备，其特征在于，包括通过过程层通信模块、站控层通信模块分别与过程层、站控层通信连接的测距录波模块、保护模块和测控模块，所述保护模块和测距录波模块分别用于根据过程层上传的暂态故障信息进行故障识别、线路保护和故障测距、录波；所述站控层通信模块还串行通信连接有人机接ロ模块。
2.根据权利要求I所述的利用暂态故障信息的智能电子设备，其特征在于，所述保护模块与过程层通信模块之间设有FPGA，该FPGA分别通过并行总线与保护模块、过程层通信模块连接。
3.根据权利要求I所述的利用暂态故障信息的智能电子设备，其特征在于，所述过程层通信模块和站控层通信模块内均设有网络对时模块和以太网接ロ模块。
4.根据权利要求I所述的利用暂态故障信息的智能电子设备，其特征在于，所述测距录波模块、保护模块、测控模块均采用IOOMbps以太网与站控层通信模块连接，测距录波模块、测控模块均采用IOOMbps以太网与过程层通信模块连接。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的利用暂态故障信息的智能电子设备，其特征在于，该智能电子设备对外通信均采用以太网，其中与过程层中合并单元之间的采样值传输采用点对点光纤以太网，传输协议符合IEC61850-9-2，与智能終端之间的开关量传输采用GOOSE点对点以太网；与其它间隔层设备之间采用GOOSE网络通信；与站控层设备之间采用匪S网络通信；对时采用IEEE1588网络对时。
专利摘要本实用新型涉及利用暂态故障信息的智能电子设备，包括通过过程层通信模块、站控层通信模块分别与过程层、站控层通信连接的测距录波模块、保护模块和测控模块，保护模块和测距录波模块分别用于根据过程层上传的暂态故障信息进行故障识别、线路保护和故障测距、录波；各模块之间及对外通信主要采用100Mbps以太网，实现了数据的高速交换和并行处理，保护模块在故障发生后的极短时间内识别故障方向、极性和距离等暂态故障信息，采用三取二逻辑，构成纵联保护，既实现了保护功能的快速动作，也提高了动作的可靠性；本实用新型实现了多功能一体化，适用于现有的智能变电站，提高了保护性能和测距精度，降低了设备成本和运行维护费用。
文档编号H02H7/26GK202405773SQ20122000115
公开日2012年8月29日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者罗四倍, 贠保记 申请人:河南科技大学