关键词： 微机保护；自动化；工控机；WINDOWS CE；低周减载?
1引言
迄今为止,电力系统的微机保护和自动化装置均是分布安装的独立系统。装置之间通过现场总线联系互相传送测控和事故信息。作者尝试基于成熟的工控机硬件和WINDOWS视窗操作系统的支持，开发出适合35kV/10kV变电站的集中式微机保护及自动化的整合系统。早在微机保护研究初期，微机保护研究的先行者,国际电力系统委员会副主席G.D.Rockefeller,60年代末期对用一台电子计算机作为一个变电所内所有电力设备的保护作了研究,但是由于受当时计算机水平的限制，用一台计算机来保护一个变电所内的所有设备——并用重复设置以提高可靠性，在当时的计算机硬件水平下，被认为在技术和经济上都是不可行的。而现在基于X86系列CPU的PC工控机最高时钟可以达到几百兆赫，具有强大的数据处理能力和快速的实时响应速度。配合自行研制的微机保护智能同步数据采集卡,完全可以用一台工控机实现主从式结构的中小型变电所的所有保护和自动化功能。为了提高系统的可靠性，可以采用双机热备用方式运行。 基于PC总线的工业控制计算机构成的保护和自动化系统具有性能价格比高、抗干扰能力强、运行稳定可靠、用户界面友好、模块化结构、兼容性好易于升级、软硬件资源丰富、通讯组网功能强等优点。易于实现保护、控制、测量和数据通讯等功能一体化[1][2]。
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2系统总体结构
本装置选用台湾研华公司的MIC2000系列PC兼容的工业控制计算机。该产品具有良好的防震和抗电磁干扰能力。采用前插式19in标准机箱，机箱内有11个插槽的ISA总线母板，250W的工业级电源，推拉式双风扇冷却系统，使机箱内产生正气压，防止灰尘进入，保持高效散热。CPU主板选用MIC2350,配有奔腾266MHz的CPU、64M内存并集显卡、网卡、CRT和液晶平板显示器驱动于一体，配有一个标准并口、一个标准232串口和一个可跳线设定为232或485或422的串口。开关量输入输出板均选用MIC2000系列产品，板上均带有光电隔离。?
3操作系统的选择[3][4]
目前流行的PC机操作系统有WINDOWS-98、WINDOWS 2000、WINDOWS-NT。由于其友好的视窗界面深受用户的喜爱，也是计算机用户最熟悉的。但由于一套完整的操作系统其需要占用几百兆硬盘存储空间，对于运行功能单一的应用程序系统软件，其中的很多组件根本就用不到。而工业环境要求可靠性高，硬盘这种旋转式存储介质可靠性较低。需要采用电子盘（FLASH卡等）。而大容量的电子盘成本较高。为此微软开发了WINDOWS CE嵌入式操作系统。它是一个轻量级、多线程、实时性较强、模块可定制、带有图形界面的操作系统。它的优势在于资源耗费小、WIN32 API子集和多平台的支持能力。它可以根据用户的资源配置封装用户程序。在PDA（手持电脑）上得到了广泛的应用。WINDOWS CE的使用在国内还处于起步阶段，成熟的产品并不多。但它的发展前景非常乐观，因此WINDOWS CE比较适合本系统。?
4微机保护智能同步数据采集卡的硬件结构与电路构成
微机保护智能同步数据采集卡（简称保护卡,下同）是本系统的核心。卡上采用INTEL 公司的80C196KC 16位单片机作为CPU。A/D转换器选用AD公司的AD7874。该芯片是一个4路、12 位的同步数据采集系统。AD7874电源供电电压为±5V，±10V的输入范围，片内置有采样保持器和高精度基准电压源，4通道A/D转换同时启动，实现同步采样尤其适合保护的需要，4通道总共转换时间31μs。卡上共有3片AD7874。在卡上通过采用DC-DC和快速光耦实现了A/D转换电路与系统总线和直流电源的隔离，有效地抑制了相互干扰，提高了采集精度和系统的稳定性。通过DC-DC进行直流电源隔离后，A/D转换器电源噪音降低为一次侧的1/5。本卡的硬件结构框图如图1。
快速光电耦合器采用了HP公司的HCPL263N，耦合速度达到10MHz，驱动电流2mA,当80C196的时钟选择12MHz时，CPU不需要加入等待延时，就可直接从AD7874读出或写入数据。
HCPL263N外围电路构成如图2。
HCPL263N输入输出逻辑关系真值表如表1。?
OFFH保护卡和PC机的通讯接口是通过由Xilinx公司的XCR5128实现，该芯片采用CMOS工艺节电型设计，属于COOLRUNER系列，选用PLCC84封装形式，64个I/O管脚，4个纯输入管脚。4个时钟管脚及4个编程管脚均可作为I/O使用。其中CK1作为时钟使用时只能接外部时钟，CK2、CK3、CK4作为时钟使用时可以接外部时钟也可以由内部逻辑电路产生，但用作内部时钟时，不可以再作为输入管脚使用。该芯片内部具有128个宏单元，可以灵活编程，实现各种功能，节省了线路板的布线空间，提高了可靠性][3][4]。在本卡上XCR5128是数据交换枢纽，它同时实现80C196单片机对外围芯片的地址译码、PC总线地址译码和控制逻辑、A/D转换结果的读入、5个16位字的双端口RAM的读写控制逻辑、以及PC机和80C196单片机之间的相互中断申请逻辑的实现。?
5系统软件的规划设计
为了使系统软件具有更好的兼容性、更易于维护，采用了VC++语言、面向对象的程序设计方法和数据库技术。系统的规模和功能用数据库来描述，通过对数据库记录的添加或修改就能方便地对系统构成进行扩充，对功能进行删减或添加，即实现了系统组态化设计。由于要实现多条线路的保护和监测管理，对于紧急事件的响应要求快速及时，而且要考虑到几条线路同时故障的特殊情况。为此开发了硬件触发的中断服务程序和在应用程序中启动的多线程函数。?
5.1数据组织与数据库管理
数据库是本系统软件的重要组成部分。用户通过数据库对系统的功能和系统的组成进行组态。系统构成灵活方便。随时可以查看各种运行记录并可打印输出或上传。采用ADO技术实现数据库连接，易于实现网络数据库接口。
系统数据库包括线路参数数据库表、保护定值库表、采集卡参数库表、系统参数数据库表、系统运行历史数据记录库表、故障记录库表以及操作记录库表等。.以下列举几个重要库表的字段组成。
◆ 线路参数数据库表的字段构成
线路编号，线路名称，定值组号，采集卡编号，卡上线路编号，IA入端，IB入端，IC入端，UA入端，UB入端，UC入端，合令开出端，跳令开出端，低周整定轮次。
◆ 保护定值库表的字段构成
线路编号，线路名称，定值编号，电流Ⅰ段定值，电流Ⅱ段定值，电流Ⅱ段时间定值，电流Ⅲ段定值，电流Ⅲ段时间定值，电流保护电压闭锁定值，重合闸时间定值，重合闸检无压定值，一次侧PT变比，一次侧CT变比，电流Ⅰ段投入否，电流Ⅱ段投入否，电流Ⅲ段投入否，Ⅰ段经方向否，Ⅱ段经方向否，Ⅲ段经方向否，Ⅰ段经电压闭锁否，Ⅱ段经电压闭锁否，Ⅲ段经电压闭锁否，加速Ⅱ段否，加速Ⅲ段否，加速经电压闭锁否，方向是30°还是45°。
◆ 采集卡参数库表的字段构成
采集卡编号，采集卡名称，Ua输入通道编号，Ub输入通道编号，Uc输入通道编号，UΔ输入通道，保护线路条数，双端口RAM首地址。
◆ 系统设定数据库表的字段构成
变电站名称，本站的IP地址，服务器的IP地址，母线电压采集卡编号，保护线路数，低周减载频率偏差定值，频率偏差间隔，低周减载延时定值，低周减载滑差定值。?
5.2采用多线程的事务处理方法
当保护卡通过中断申请向主机发出跳令以后，由主机向相应的线路通过开关量输出板发出跳闸信号执行跳闸。如果设置了重合闸，跳闸后要起动重合闸线程，由该线程去实现重合闸延时和逻辑判断。由于WINDOWS操作系统支持多线程同时工作，并不影响主监控程序的运行。如有多条线路同时重合闸，只是需要多启动几个重合闸线程，由于各线程是独立的，彼此互不影响，重合闸过程结束后，所启动的线程将被取消。在本系统中还有其他需要快速响应的过程需要通过线程实现。所以需要按过程的重要程度，合理地分配各线程的优先级，最需要快速动作的得到最快响应。?
6保护卡上微机多路保护的实现
保护卡用于实现多条线路的数据采集，突变量启动判据和故障类型判据，当需要跳闸时向主机申请中断，由PC工控主机通过开关量输出板向跳闸出口继电器发送跳闸令。重合闸逻辑由PC工控主机实现。以下主要介绍保护卡的保护软件实现方法和流程。
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6.1中断处理程序?
◆ 采用软定时器中断实现1.66667ms采样间隔定时，该中断的优先级为最高。在中断程序中同时启动3片4路同步A/D转换器。12路的转换时间只有40μs。A/D转换器结束后通过快速输入HSIO发中断申请，而非查询方式，CPU没有等待延时，节省了非常宝贵的CPU时间。
◆ 快速输入HSI0作为A/D转换器转换结束的中断源。在中断处理程序中实现读取各路A/D转换结果，进行各条线路的相电流差突变量启动判据，当有故障发生时，中断返回时转到故障处理程序。中断处理程序流程图如图3。?
6.2事故处理程序的编程方法
多回出线线路的微机保护算法与单回线的算法有很大的不同。它要求事故处理程序能够同时处理多条线路同时故障的情况。在本程序中为了提高处理速度，延时速断和过电流保护的延时按照采样周期的个数进行整定，采样间隔定时中断处理程序中对故障启动的线路的延时计数器自动加1，在故障处理程序中进行延时到否的判据。延时未到继续处理其它线路。在故障处理程序中借鉴了实时操作系统中进程的概念（即分时并行处理技术），对每条故障线路的处理类似于一个进程，当线路出现故障时将故障线路的处理进程挂起（即启动一个进程），当故障切除或消失时取消挂起（即结束进程）。在每个挂起的故障线路的故障处理过程中设有进度变量，以便记录故障处理过程进行到那里。进度分为以下几个阶段：1）连续三次越限；2）故障延时；3）发跳令；4）跳闸后延时；5）故障切除后返回。在不同的进度中作不同的处理。这种处理方法保证了当多条线路同时故障时保护动作的快速性。故障处理程序的流程图见图4。
7低周减载的实现[5]
当发生有功功率缺额，系统频率降低时，必须及时切除相应容量的负荷，使系统其余部分的频率能迅速恢复到接近额定值运行。所以低周减载是变电站自动化的重要功能。本系统低周减载功能是用户可设定的，在线路参数库表中设置该条线路的整定轮次。每轮次的频率偏差定值和延时,在系统设定参数库表中设定。?
7.1低周减载的整定原则
◆ 最高一轮的低频整定值，一般选为49.1～49.2Hz，主要是考虑在有一定旋转备用的情况下，如果失去的电源容量比例不大，可能自动恢复到49.5Hz及以上时，不应切除负荷，而在调出备用容量时，因调速系统的时滞，将使频率下降到某一低值后才恢复。最高一轮的频率整定值应高于此一过程的低值。因为从频率继电器感知低频到切除负荷有延时，在上一轮未跳开负荷前，系统频率已仍在下降中，因此下一轮除频率起动值应较低外，还必须带有0.2～0.3s的延时，以保证选择性。
◆ 各轮间的频率整定值差，一般选为0.2Hz左右。
◆ 应当按负荷重要性的顺序，安排按频率降低自动减负荷的顺序，先切次要负荷，后切重要负荷。
◆ 一般安排不应小于5轮左右，各轮切除负荷份额有不同做法，但以均匀分配为好。例如一共计划切50％，共五轮，则最好每轮切除10％。
◆ 安排长延时（例如20s）的特殊轮次是必要的。例如在实际情况下，当整定为49.1Hz的第一轮负荷切除后，因切负荷容量不足，系统频率可能悬浮在49.1Hz到下一轮的48.9Hz之间。因此在安排下一轮48.9Hz的切负荷总量时，其中应有一部分由上一轮频率49.1Hz经长延时20s后切除，可以解决上述问题。而且逐轮均应如此安排。?
7.2低周减载滑差定值的整定原则
滑差定值整定在df/dt>8～10Hz/s可以有效地防止因变电所停电、负荷电动机反馈引起的频率继电器误动作导致的跳闸。因为电动机反馈产生的频率下降速度远远大于系统因电源缺额产生的频率下降速度。系统频率下降时，以事件开始时的频率下降最快，即
10,f0=50,取K=0.5,在这种情况下，df/dt│max=2.5～5。如果功率缺额过大，只能依靠连锁切除集中大负荷，不能再依靠按频率降低自动减负荷的逐级动作。?
8结论
本系统经过动模实验表现出很好的抗干扰能力，运行稳定可靠。还具有用户界面友好直观、功能齐全、易于组态等优点。数据采集快速准确，一块保护卡可以方便地组态出多种保护和监测组合。最多可以保护6回两相接线并不带方向保护的馈出线，同时能够满足保护快速性的要求。达到了设计目的，拓展了变电站的微机保护和自动化的研究领域。?
参考文献
［1］IEEE 电力系统继电保护委员会, 编, 黄焕琨, 力菊, 译.计算机继电保护系统.北京：水利电力出版社，1982.
［2］段玉倩.神经网络式微机继电保护的研究.天津大学博士研究生毕业论文, 1998，12.
［3］（美）Douglas Boling著. 北京博彦科技发展有限公司译.Microsoft WindowsCE 程序设计［M］.北京：北京大学出版社，1999.
［4］（美）Terence A.Goggin 著，尤淘，张平，等译.Windows CE 高级开发指南［M］. Windows CE Developer‘s Handbook.2000,电子工业出版社.
［5］王梅义.电网继电保护应用［M］.中国电力出版社, 1999，3.
