基于可视化和元件化编程的微机保护装置设计.pdf

第 2 1 卷 第 2期 2 0 0 8年 2月 广 东 电 力 GUANGD0NG ELECTRI C POW ER Vo1 21 No 2 Fe b 20 08 文章编号：1 0 0 7 2 9 0 X(2()()8)0 2 一()0 6 3 0 4 基于可视化和元件化 编程的微机保护装置设计 郁景礼，刘敏，王霏霏(1 佛 山市供 电局，广东 佛 山 5 2 8 0 0()；2 湖 南大学 电气与信 息工程 学院，长 沙 4 1 0 0 8 2)摘要：提出了一种基于可视化和元件化编程的微机保护装置设计方案。在该设计方案中，硬件采用插板式结构，各个模块之间采用C AN总线相连，C AN总线走线简单，数据传输安全可靠，能够保证系统在恶劣的工作环境 正常工作；引入元件化设计思想，采用 I E C 6 1 1 3 1 3标准对经典继电保护功能模块进行封装，并用可编程逻辑构 建可视化的微机保护开发平台；可视化窗口中的逻辑图，能够反 映相应的保护原理。此设计方案直观、简单、灵活，开放性强，具有很强的扩展能力。实践证明，这种设计方案能有效地降低开发工作量和维护工作量。关键词：微机保护；硬件；软件；可视化和元件化编程；数据传输 中图分类号：T M6 3；T M7 6 9 文献标 志码：B De s i g n o f M i c r o c o mp ut e r Pr o t e c t i o n Ba s e d o n Vi s u a l a nd El e m e n t a l Pr o g r a m m i ng YU J i n g-l i 。LI U M i n 2，W ANG Fe i f e i!(1 F o s h a n P o we r S u p p l y Bu r 。F o s h a n。Gu a n g d o n g 5 2 8 0 0 0，Ch i n a；2 Co 1 o f El e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g Hu n a n Un i v Ch a n g s h a 4 1()()8 2 Ch i n a)Ab s t r a c t：Th e d e s i g n s c h e me o f a mi c r o c o mp u t e r b a s e d r e l a y p r o t e c t i o n b a s e d o n v i s u a l a n d e l e me n t a l p r o g r a mmi n g i s b r o u g h t f o r wa r d，Th e p l u g b o a r d i s a d o p t e d i n t h e ha r d wa r e s t r u c t u r e，a n d CAN b u s i s u s e d t o c o n n e c t t h e mo d u l e s Th e wi r i n g o f C AN b u s i s s i mp l e，a n d d a t a t r a n s f e r i s s a f e a n d r e l i a b l e，wh i c h ma k e s t h e s y s t e m wo r k s t e a d i l y e v e n u n d e r s e v e r e c o n d i t i o n s Th e i n s t r u c t i o n l i s t(I L)i n I EC 6 1 1 31 3 i s a d o p t e d f o r p a c k i n g t h e r e l a y p r o t e c t i o n f u n c t i o n s t o e l e m e n t s，Th e v i s u a l d e v e l o p me n t p l a t f o r m i s c o n s t r u c t e d b y p r o g r a mma b l e l o g i c Th e l o g i c d i a g r a ms i n v i s u a l i z a t i o n wi n d o ws a r e r e f l e c t i o n s o f c o r r e s p o n d i n g p r o t e c t i o n p r i n c i p l e Th e s c h e me i s v i s u a l。s i mp l e，f l e x i b l e，a n d c o u l d b e e x p a n d e d e a s i l y P r a c t i c e d e c l a r e s t h a t t h e n e w me t h o d c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e wo r k a mo u n t o f s of t wa r e d e v e l o p me n t a n d ma i n t e n a n c e Ke y wo r d s：m i c r o c o mp u t e r b a s e d r e l a y p r o t e c t i o n；h a r d wa r e；s o f t wa r e；v i s u a l a n d e l e me n t a l p r o g r a mmi n g；d a t a t r a n s f e r 微机保护装置凭借其在可靠性、执行速度、判 断精度等诸 多方 面的优 势得 到了越来越广泛 的应 用。随着电力系统 自动化水平的进一步提高，新的 设计方法不断 出现，特别是对于输变电领域的微机 保护装置，各个地区电力运行部门形成的运行习惯 差异大，工程需求变化多，因此，开发人员必须根 据工程需求频繁进行程序修改，改造任务大，工程 维护工作量大大增加，而且很难满足可靠性要求。近几年来，西门子和 AB B等 国外公司都致力 于将先进的计算机技术引入到电力系统 的保护、测 控领域l 1 。同时，国内的公司，如南瑞继保电气有 收稿 日期：2 0 0 7 0 9 0 3 限公司和许继电气股份有限公司等也用新的设计方 式开发了一系列产品E 2 3 。本文将基于元件化的可 视化编程设计 引入微机保护装 置的开发 中，采用 I E C 6 1 1 3 1 3中的 I L(指令表)语言 作为编程语 言，用模块化思想对各个保护功能模块进行元件化 封装，使开发人员只需用逻辑图就可以代替语句编 程，从而实现相关保护。此种可视化的开发模式，能最大程度地满足不同地区、不同用户的要求。1 系统开发 目标 1 1 系统常规开发方式存在的一些问题 通常情况下，常规微机保护在实现逻辑保护控 维普资讯 http:/ 广 东 电 力 第 2 1 卷 制时，首先画出软件逻辑框图，然后分模块手工编 制，这样 的开发方式存在以下几个问题：a)开发周期长；b)重复性工作多；c)程序开放性差。1 2 系统开发可达到的目标 不同编程人员对保护系统的实现方法不同，其 编制 出的程序也会有很大差别，其可靠性也会有很 大差异 3 。采用可视化编程平 台可以摆脱人为因素 的影响 1 ，从而提高程序可靠性。系统开发可以达 到以下 目标：a)可视化，图形化。开发人员在 自己开 发的 上位机的组态软件 中画出保护逻辑的梯形图，编译 后下载到硬件平台，即可实现。b)配置和维护灵活。减少重复工作，针对具 体线路，灵活配置保护内容及其参数。c)继保知识和微机知识分离。由于 C P U系统越 来越复杂，要求的软件系统越来越庞大，学习成本跟 着迅速增加。实现继保知识和微机知识分工，将大幅 缩短开发周期，降低开发成本，提高产品竞争力。d)软件生命周期长。封装好 的保护功能元件 块，可以应用到其他不同的硬件系统，实现对硬件 平 台的高兼容性。e)开放性好、扩展能力强。对于新增加 的新 型保护内容，只需在上位机的保护逻辑库 中添加相 应元件，即可实现，甚至可 以开发相关领域 的测 量、监控等装置。2 系统软件设计 2 1 I E C 6 1 1 3 1 3标 准 可编程逻辑使用灵活，性能可靠，在工业 自动 化和电力系统 自动化 中已经有了非常广泛的应用。I E C 6 1 1 3 1 3是第一个为工业控制系统提供标 准化 编程语言的国际标准。该标准针对工业控制系统所 阐述的软件设计的概念和软件模型等适应 当今世界 软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进 的设计技术。符合 I E C 6 1 1 3 1 3的软件系统是一个 结构完美、可重复使用、可维护的工业控制系统软 件，不仅能应用在 P L C可编程控 制器，而且还能 应用在运动控制系统、分散型控制系统、软逻辑和 S C ADA系统等。I E C 6 1 1 3 1 3标 准极 大地改 变 了编 程软 件质 量，提高了软件开发效率。得到了包括 AB B、西 门子等世界 知名大公司的共 同推动 和支持。采用 I E C 6 1 1 3 1 3标准编程，对用户来说有如下优点：a)减少人力资源(如培训、调试等)的浪费；b)提高高质量软件利用率；c)减少编程中的误解和错误；d)拓 宽 软 件 应 用 环 境，通 用 的 工 业 控 制 领域。I E C 6 1 1 3 1 3 标准提供三种 图形化语言和两种 文本语言，包括梯形 图(L D)、方块 图(F B D)、顺 序功能图(S F C)、指令表(I L)和结构化语言(S T)。编程者可以根据实际应用要求柔性选择编程语言。2 2 元件化封装 2 2 1 元件化封装的概念及应用 一开始就考虑到装置的扩展性和维护性，以一 种开放式 的结构来构造系统，把系统中的软硬件看 作可以共享的资源，并把它们元件化。元件化设计 就是一种面向对象的设计方法。把各个功能块元件 化，就是对其进行数据抽象，定义属性和方法，进 行信息屏蔽和封装。按照标准格式定义对象与外界 的消息关联机制，为外界提供一个标准接口，允许 外界以标准格式的消息来调用对象的某个方法。例 如对于全波傅氏算法模块，把它元件化之后，系统 把包含采样数据的消息送到算法对象，而不必关心 具体计算过程。而算法对象也不必关心到底是 电流 保护还是距离保护，只要按照要求输 出结果。一般情况下，对微机保护而言，一段程序就是 一个继电器元件，一套完整的保护系统 由多个继电 器元件构成，不同的继电器元件组合将构成不同原 理和功能的保护r 3 。将元件化应用到微机保护装置 中，就可以根据各用户要求实现各种保护配置。元件化是可视化编程在继 电保护装置中应用的 前提和基础。元件化封装好后 的功能模块可以重复 使用，每个元件既可以在程序中灵活组合，也可以 用于搭建新功能，从而有效提高产品的规范性、可 靠性和安全性，缩短开发周期 6 。为了方便处理算法 中使用的数组，选用指令表 语言(I L)进行编程。对经典的继电保护功能和算 法进行元件化封装，封装后的各个模块可以看成独 立的元件，每个元件可以在程序中灵活应用。由软 件模块封装而构成 的元件包括实现保护功能的保护 元件、实现 算法 的保 护算 法 元件 和 硬件 的驱动 维普资讯 http:/ 第 2 期 郁景礼等：基于可视化和元件化编程的微机保护装置设i 程序 。微 机 保 护 装 置 的 保 护 功 能 元 件 可 以 归 纳：突变量启动、稳态定值量启动、(方 向)过 流保护、零序(方向)过流保护、反时 限过流保护、低电压保护、过电压保护、电压互感器断线、电流 互感器 断线、过负荷、检 同期、重 合闸、低频 减 载、全阻抗保 护、方 向阻抗、方 向高频、纵差 保 护、过激励、非电量保护等。基本保护算法元件包括：全周(半周)傅氏差分 算法、谐波计算、阻抗计算、直流量计算、负序 电 量计算、功率计算和角度计算等。通信元件包括：C AN通信、Mo d b u s 通信协议 和 I E C 6 0 8 7 0 5 1 0 3通信协议等。电流元什 图 1电流 元件 图 1为电流元件，I N输 入启 动 量，定 值 由 F V C 输 入，相参数 由 P H 输 入；经 计算 后，VA 输 出计算 结 果 供其他程 序使用，Q 输 出动 作值。2 2 2采用 I E C 6 1 1 3 1 3标 准进行元件化封装的优点 采用 I E C 6 1 1 3 1 3标准进行元件化封装，具有 以下几个明显的优点：a)功能库的开发效率高，实现快；b)继电保护知识和下位机硬件知识分离，元 件库开发过程中，无需 了解下位机工作原理，减轻 开发者学习负担；c)可扩展能力强，不但可 以增加新的继电保 护类型，而且可以在同一套硬件上开发测控领域和 实时控制方面的内容；d)软件可重复利用，硬件平 台更换后，不需 要重新开发所有的元件库，对于不同的硬件，只需 要更换与之相应的硬件驱动库，其他库文件都可以 继续使用。2 3 软件 总体 实现 集 成 开 发 环 境(i n t e g r a t e d d e v e l o p me n t e n v i r o n me n t，I DE)组态软件是整个 系统的软件开 发平台。选用指令表语言对功能块进行封装，保护 测控部分如图 2所示，基本算法元件、复杂算法元 件、保护元件、监控元件和通信元件等都由 I L语 言编制，作为库文件存放于上位机，硬件驱动直接 烧写于下位机。基本算法元件既可以被调用组成复 杂算法元件，进而给保护元件调用，也可以直接被 保护元件 调用。梯形 图(L D)作 为保护实验语言，要实现某种继 电保护功能时，只需将相关元件按其 逻辑关 系连 接起 来 组 成 图形 程 序 即可。然 后 在 I DE软件中连接、编译，将 图形语言转化成代码，供下位机识别。图 2 软件系统架构图 在 I DE中，系统软件的维护和修 改十分方便，上位机元件库不但可以随时修改，而且可以扩展出 不同功能的元件，以满足电力系统保护和测控领域 实时控制方面的需要。例如，随着数字化变电站的 出现，I E C 6 1 8 5 0 通信协议逐渐得到应用，在通信 元件库中加入 I E C 6 1 8 5 0 通信相关元件，同时修改 原有相关保护监控元件内容，使用相应硬件，即可 设计相关产品。3 硬件平 台的构建 3 1 总线化设计 目前应用最为广泛的微机保护装置一般采用插 板式结构，包括保护插 件、人机插件、电源插件、开入插件、开出插件、通信管理插件和模拟变换插 件等采用后插式插到背板上，各插件通过背板上的 总线进行 电气连接l 2 。但是采用数据地址总线，使 背板走线过多，容易受到干扰，不利提高装置抗干 扰能力，其扩展能力也不强。为 了便于各模块 的更 新，增加其对外的兼容能力，便于系统扩展，在硬 件设计中采用现场总线通信方式。现场总线技术的 逐渐成熟，表明网络是模块化分布式系统中相互联 系和通信的理想方式 1 I】l。现场总线 的种类很多，文中采用 C AN总线连 维普资讯 http:/ 广 东 电 力 第 2 1 卷 接 内部硬件模块，与其他现场总线相比，C AN 总 线有以下众多优点：a)抗干扰能力强，可 以应用于电磁干扰 比较 大的场合。C AN总线可靠的错误处理和检错机制、独特的非破坏总线仲裁、硬件 自动重发、采用短帧 结构、循 环 冗余 校 验(c y c l i c r e d u n d a n c y c h e c k，C R C)等独特的功能使 C AN总线成为 目前抗干扰 能力最强的现场总线之一_ _1 卜1 2 ；b)总线利用率高，数据传输距离远(速度降到 5 Kb p s 以下时传输距离可达 1 0 k m)，数据传输速率 高(通信距离小于4 0 m时传输速度可达 1 Mb p s)；c)成本低，连接简单，应用方便。C AN的通 信模型只有物理层、数据链路层和应用层。应用层 数据链路层直接进行数据交换，应用层协议可以由 用户 自己制定，大大减少了用户代码开发的工作量 和难度。3 2 硬件整体设计 整个硬件系统由保护测量模块，人机模块，开 入模块，开出模块，开出模块，通信管理模块，模 拟变换模块和电源模块组成。处理器采用 T I 公司 的数字信号处理器 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2，这是一款性价 比很高 的 3 2位定点 数字信 号处理(d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g，DS P)，主 频 率 可 达1 5 0 MHz。T MS 3 2 0 F 2 8 1 2片上集成了丰富的外设资源，包括 1 8 K1 6 b i t 的 R AM，1 6路 1 2位 A D，2路异 步 串行 通 信 接 口(s e r i a l c o m mu n i c a t i o n i n t e r f a c e，S C I)，1 路串行外设接 口(s e ri a l p e r i p h e r a l i n t c r f a c e，S P I)同 步 串 口，1路 增 强 型 多 通 道 缓 冲 串 口 (mu l t i c h a n n e l b u f f e r e d s e r i a l p o r t，MCBS P)，路增强型局域网控制器(E c a n)，并且具有 1 2 8 K 1 6 b i t 片内 F L AS H。此外，T MS 3 2 0 F 2 8 1 2采用统 一寻址，最大可达 4 MB的程序 数据寻址空间。系统采用 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2作为主处理器芯 片，充分 利用其丰富的片上外设资 源，做到“总线不 出芯 片”的设计原则。整个系统的结构框图如图 3。4 结论 随着计算机、通信技术的不断发展和电力系统 微机保护技术的不断成熟，软硬件通用化和平台化 必将成为未来的发展趋势。将可视化编程和元件化 的思想引入到微机保护装置的开发中，为软硬件的 平台化和通用化进行了有意义的研究。平台的开放 CA 1 2 0 最多1 6 路模拟量输入 图 3 系统结构框 图 性使各工程人员都可以利用软件构造出满足现场需 求的保护逻辑。实践证明，该平台技术起点高、可 靠性好，可视化编程的使用，使程序可读性增强，便于修改和开发，缩短了开发周期，提高了工作效 率，具有很高的实用价值。参考文献：E l i卢娟，李兆成 陈钢杰，等 保护与测控领域通 用可视化平台 的设计 与实现 E J 电力系统 自动化，2 0 0 5，2 9(4)：5 8 6 1 2 王胜，王家华，兰金波 图形 化保护 的原理 于实现 E J 电力 自动化设备，2(0 4，2 4(2)：7 67 8 E 3 赵志华 图形化编程 与继 电保 护装置开发 E J 电力 自动化设 备，2(4，2 4(2)：7 07 2 r 4 J OHN K H，TI E GEK AMP M I E C 6 1 1 3 1 3工业 自动化 系统 的程 序编 制 M 北 京：中国机 电一 体化 技 术应 用协 会，2(2 E 5 I E C 6 1 1 3 1 3，P r o g r a m m a b l e C o n t r o ll e r s P a r t R I：P r o gra m m i n g L a n g u a g e s E S E 6 黄海锐，缪欣，权宪军，等 基于元件化和可编程逻辑构建的 继 电保护平 台E J 继电器，2 0(6，3 4(1 4)：1 11 4 E 7 魏巍，余群兵，陈刚 图形 化控制算法组态在微机保 护中的应 用E J 江苏电机工程，2(0 5，2 4(3)：2 8 3(1 8 李轶群，吴国炀，张涛 基于模块的可编程保护装置软件设计 新概念E J 电力系统自动化，2 0 0 2，2 6(1 5)：6 6 6 9 9 周捷，杨永标 面向对象的微机保护测控软件开发与应用E J 电力系统 自动化，2 0 0 4，2 8(1 3)：9 0 9 2 E 1 0 杨奇逊，刘建飞，张涛等 现代微机保护技术的发展与分 析E J 电力设备，2(3，4(5)：1 0 1 4 1 1 姚志强，盛盂刚 基于数字信号处理和 C A N总线的综合微 机保护系统的设计E J 湘潭大学：自然科 学学报，2 0 0 5，2 7 9(4)：1 0 81 1 3 1 2 丁恩杰，孙彦景，等 基于现场总线的微机保护测控单元的 设计E J 继电器，2 0 0 3，3 1(1 0 1：6 6 6 9 作者简介：郁景礼(1 9 7 7一)，男，河南扶 沟人。工程 师，工学硕 士，从事 电力 系统微 机保 护 与 变 电站综 合 自动 化 工作。E-ma i l：h x k y j l 1 6 3 c o m。维普资讯 http:/