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3数字二次回路装置设计
3.1功能
数字二次回路装置是间隔内采样值、开关量、控制命令等信息的中转站,2.1节中已经描述了其基本功能,除此之外,它还应具备以下功能特性:
(1)报文的传输延时可知或者稳定。
采样值报文的传输延时可知(“稳定”也是“可知”的一种表现形式)是保证保护装置功能不依赖于外部时钟的前提条件。当前测量采样值报文传输延时的一个可行方法是通过硬件电路精确地记录报文进、出装置的时刻,两者时间差即传输延时,测量报文传输延时原理如图7所示。
传输延时值添加到通信报文中,与其他主体信息一起发送给间隔层设备。采用IEC61850-9-2接口时,传输延时值可填入SV报文的两个保留字段Reserved1和Reserved2中,也可以累加到采样发送数据集中互感器额定延迟时间上;采用IEC60044-8标准的FT3接口时,传输延时值可累加到互感器额定延迟时间tdr字节中[6-10]。
(2)通过定值单整定配置报文转发关系。
该装置与交换机外在明显区别是通过运维人员熟知的整定定值单方式完成对通信接口和报文转发的配置。定值单示例如表1所示。
表中Ia、Ib、Ic、3I0表示a、b、c三相保护电流和零序电流,Iam、Ibm、Icm表示a、b、c三相测量电流,Ua、Ub、Uc、3U0表示a、b、c三相电压和零序电压,Twja、Twjb、Twjc表示断路器三相位置信号,Tja、Tjb、Tjc、Tjabc表示跳a、b、c相断路器和跳3相断路器命令信号。举例说明,表中整定了:1)输入口1输入的Ia、Ib、Ic、3I0,被转发至输出口1和4。2)输入口1输入的电气量Ia、Ib、Ic、3I0和输入口3输入的Ua、Ub、Uc、3U0,被同时转发至输出口1。其他依次类推。
这种以定值单形式配置装置的做法,整定过程基于保护专业人员熟悉的自然语言和电气符号,屏蔽了面向机器的通信过程和配置文件,不需要技术人员掌握复杂的IEC61850标准。另外,变电站改扩建时,可以单独重新整定相关间隔装置,而无需操作无关间隔装置。
装置可实时显示输入输出接口传送信息的电气量含义,运行人员可通过与定值单比对,检查是否存在不一致的异常情况。
(3)兼容多种通信接口,采用标准的通信协议。
装置采用光纤接口,具备多种接口形式,接口软硬件可配置,可兼容SV、GOOSE等多种协议。既可以支持IEC61850-9-2,也可支持通道可配置的扩展IEC60044-8协议帧格式[7]。为满足报文传输延时,可知的设计目标,需要对现有上述协议做一定的扩展,以满足承载传输延时值的需要。
间隔层保护装置的过程层接口协议和整定方式需要适当调整和简化,并做到不需要配置文件,同时保护装置需要根据收到的每个采样值传输延时,自身完成采样数据同步,并调整和简化过程层智能终端的接口协议,减少或消除对装置配置文件的依赖。
3.2装置硬件原理
为保证采样报文在装置中转发延时可测,数字二次回路装置设计不采用交换机芯片,硬件架构不采用交换机式架构,而采用常规的类似数字化保护装置的架构,如图8所示。装置包含液晶显示器和键盘等人机交互接口。装置的接口设计成插件形式,可按需灵活配置,以适应各种外接设备不同接口类型的需要。输入输出接口支持硬件打时标功能,以完成转发延时测量。装置的电磁兼容等性能和总体可靠性要求与保护装置完全相同。当前研制该型装置的技术基础都已经具备,难度不大,可以从现有数字化装置平台快速改装而来。
装置(以某型平台装置为例)为标准19英寸(或19/2英寸)宽、4U高机箱。前面板配有液晶显示器、键盘、指示灯和调试接口等。装置外观与现有智能变电站保护装置基本相同。
数字二次回路装置对可靠性要求很高,该装置按保护装置同等标准来设计、试验和检测。装置内部可采用硬件自动热备冗余,所有信息在冗余硬件中相互镜像并对互连装置透明共享,由此进一步提高装置可靠性。由于该装置功能较单一,主要做通信转发,运算性能要求不高,软硬件设计总体较简单,可以做到比保护装置更高的可靠性。
4互感器就地采样模块设计
互感器就地采样模块安装于一次设备本体或现场端子箱。功能是采集电流互感器(TA)二次侧电流或电压互感器(TV)二次侧电压,也可采集开关量信号(主要采集互感器刀闸位置等开关量信号),经过采样变换为数字量输出,通过输出接口送给其他二次设备。模块包括CPU、低通滤波器、第一A/D转换器、第二A/D转换器、光隔离器、电源、调试接口和若干输出接口,其结构框图如图9所示。
互感器就地采样模块的CPU外接对时信号。对时信号正常时,采样时刻跟随对时信号,对时信号异常时,采样时刻由模块自主控制。模块的输出接口一般有1或2个,协议支持IEC61850-9-2的SV采样值报文、IEC60044-8标准的FT3格式及Q/GDW-441《智能变电站继电保护技术规范》中对其扩展帧格式,也支持新定义通信协议。模块采样频率初始固定为4000Hz,出厂前也可通过调试接口调整为其他统一规定的采样频率。
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