数字式微机保护装置在大型泵站改造中的应用

季根宝，王军学，田 浩

（1.陕西省渭南市东雷抽黄灌溉工程管理局，715300，合阳；2.西安博兴自动化科技有限公司，710075，西安）

2009年12月，陕西省渭南市东雷抽黄灌溉工程管理局对灌区所属的北棘茨、东洼两座四级泵站进行了整体改造，其中站级自动化部分通过公开招标，选用了西安博兴自动化科技有限公司研发生产的BX 300泵站综合自动化系统。该系统主要包括PLC（LCU）控制系统、微机保护系统、微机直流电源系统以及励磁、供油、供水监控系统和网络视频监控、水情仪表、通信等系统共7大部分。

泵站自动化系统是个技术密集、多种专业技术相互交叉、相互配合的系统，本文重点介绍泵站内高压微机保护系统的设计、配置、功能及发展方向等情况。

一、泵站微机保护系统介绍

1.本次泵站改造的高压电气系统概况

①北棘茨泵站：包括35 kV变电站1座、电容器1组、电压互感器1组、高压电动机6台。

②东洼泵站：包括35 kV变电站1座、电容器1组、电压互感器1组、高压电动机8台。

2.总体设计目标

两站主变压器、电容器、PT、站用变、水泵机组供电回路等电气设备运行的电流、电压、功率、断路器状态、断路器控制、继电保护等的采集、控制及保护功能直接由微机保护系统实现。微机保护装置通过智能网关将这些数据传送至PLC系统的通信模块，PLC系统再送往泵站计算机监控系统操作站，供运行人员监控。

3.微机保护系统监控对象

两座泵站微机保护系统监控对象如表1所示。

4.微机保护系统结构

微机保护系统结构如图1所示。

二、泵站微机保护装置介绍

1.设计思想

将基于32位浮点DSP+32位ARM处理器平台的双32位机系统数字式微机保护装置称作第四代数字式微机保护装置。从以下几个方面进行设计应用：

①硬件技术方案。以DSP+ARM双处理器系统作为保护装置的硬件平台，装置内部模块（插件）采取智能化设计，模块（插件）数据交换网络化结构，选用了大容量可编程逻辑芯片CPLD，外部通信采用嵌入式以太网接口。

②软件技术方案。微机保护装置的软件体系结构设计，采用实时多任务操作系统，即层次结构具有不同优先级的多任务机制，采取可配置的平台化软件设计。在具体的保护功能逻辑程序编程时采用可视化、图形化、保护逻辑可编程式编写。

表1 泵站微机保护系统监控对象

图1 微机保护系统结构图

2.技术原理

①DSP+ARM硬件平台原理。采用DSP+ARM平台系统结构，按照设计的功能分工，DSP完成数据处理运算以及保护功能相对独立模块的处理，完成电力系统的状态检测，根据不同的状态按照保护逻辑方案来组织运算单元的计算结果及开入量等，最终根据逻辑结果作相应控制，以此实现所有的监控功能。ARM完成人机对话和智能插件管理、以太网通信、数据录波等。两CPU相对独立，同时两者相互监视是否正常运行。两者之间唯一的联络通过高速接口来完成，由此有机地组成一个功能分布、协同运行的整体系统。

②装置内部模块（插件）结构网络化。保护装置内部模块（插件）结构网络化功能实现的基础条件在于，模块（插件）的智能化。在模拟量采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块、电源模块等模块上分别设计了一个独立的8位CPU处理器。

③嵌入式实时多任务操作系统软件平台。嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，即系统的应用软件与系统硬件一体化，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于实时和多任务要求的体系。

DSP实时嵌入式操作系统（DSP Real-time Embedded Operating System，DRTOS）通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核及设备驱动接口，与通用操作系统比较，在系统实时高效性、硬件相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。

μC/OS—Ⅱ是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是基于静态优先级的占先式（preemptive）多任务实时内核。使用μC/OS—Ⅱ，只要把数据处理程序的优先级设定高一些，并在中断服务程序中使它进入就绪态，中断结束后数据处理程序就会被立即执行。在ARM系统中嵌入μC/OS—Ⅱ将增强系统的可靠性，并使得调试程序变得简单。

3.关键技术及指标描述

（1）双32位机硬件平台：32位浮点DSP+32位ARM处理器的冗余系统

该系统运算处理单元任务要定位于模拟量数据采集、数据处理、功能模块运算等功能，逻辑控制单元要定位于保护逻辑判断、开入量检测、开出控制以及监控等功能。采用这种结构在充分利用了DSP适于数据处理优点的同时，也充分发挥了ARM丰富的I/O引脚、较强的逻辑处理能力：

①对整数或浮点数进行并行乘法和ALU运算，在单指令周期内完成。

②具有可用的寄存器组、程序高速缓存、专用的辅助寄存器运算单元（ARAU）、内部 32位256字单指令周期双口存储器。

③16Mb的地址空间（24位地址总线），拥有多处理器接口。其程序总线16/32位可选，由于采用了增强型的外部存储器接口，可以灵活方便地存取8/16/32位数据。

④具有2个DMA通道支持开发的I/O、2个内部32位定时器、1个串行接口，多重中断结构，中断的触发方式可以是电平触发，也可以是边沿触发。

⑤软件编程上具有灵活方便的可变引导程序装载功能。

（2）装置内部模块（插件）网络化结构设计

内部模块数据交换采用CANBUS现场总线网络技术，通信速率高达1Mbps。

根据保护装置内部各模块及其信息传输的特点，应用于装置内互连的网络须符合以下要求：

①应采用总线型网络，保证各模块间信息的灵活传递；②应采用各节点平等的通信模式，以保证保护的速动性；③当电力系统出现故障、网络负载加重时，应有先进的报文检测机制，保证网络通信的实时性。

微机保护装置内部网络互连的模块主要有交流变换模块（AC）、模拟量及CPU处理模块（AI）、开关量输入模块（DI）、开关量输出模块（DO）、通信管理模块（MASTER）等。各模块间网络互连的目的是保证不同模块间实时可靠的信息交换。如DI模块向AI模块传送开入量信息，AI模块向DO模块发出故障判别结果及开出指令，AI模块向DI、DO模块发巡检命令，各模块与MASTER模块间进行数据通信等。

CAN网络连接中，根据各种数据传送的不同特点，将它们分为高优先级且实时性强的控制信息和低优先级实时性不强的数据信息2类，分别对应于开入以及实时性强的继电器开出动作控制和各模块与通信管理模块间报告及数据的传送，报文采用冗余传输，进一步保证并增强了其可靠性。

（3）内部各模块（插件）智能化设计

该设计实现模块（插件）全面智能化检测与自动测试，每个模块（插件）上均有一个抗干扰能力强的独立8位处理器来完成控制管理。模块智能化的技术应用使得保护装置从以下3个方面提高了技术性能。

①智能化状态检测，实现装置内部各模块全面、完善的自检与互检。微机保护的电源模块一直是装置整体的薄弱环节，对装置内各个电源电压输出质量的测量与分析以及结合温度的综合监测，使得电源的损坏能够做到提前预告，可有效地避免对保护动作行为的影响，从而实现了装置整体上的全面实时状态监测与检修。

②数字化测试手段智能模块的应用改变了保护的测试思想，丰富了保护的测试方法，增强了网络和通信能力，使得数字化测试得以实现。

③动作行为分析透明化。微机保护硬件资源的增加使得保护可以保存相对完整的故障录波数据，还可以根据需要保存故障处理过程中有关的运行中间结果，结合PC后台分析工具可以对保护动作行为作出跳闸结果静态特性分析以及展现故障动态发展过程中保护行为的演化过程，使得保护动作过程一目了然，彻底消除了保护装置不明原因的误动作。

（4）通用可配置的平台化软件设计

μC/OS—Ⅱ操作系统平台构架系自下而上的层次构成，最底层为硬件驱动层，由汇编语言实现，对于不同的硬件平台具有不同的硬件驱动程序和程序库。在此基础上，软件平台将由若干层应用接口程序及应用程序构成，这些程序完全由高级语言编写。每一层功能定义明确，软件模块独立。随着硬件的更新，只需要编制和更新相应硬件驱动程序，而应用程序则完全具有继承性和可移植性。

该微机保护软件平台化设计解决了以下问题：

①保护功能软件继承性好，具有可移植性，不依赖于硬件平台，便于将来硬件的升级。

②根据用户需求，在保护功能扩展时减少软件修改编程工作量，避免因测试不周造成的隐患，提高软件的可维护性。

③避免了现场保护软件版本繁多，造成维护管理困难的问题。

④程序编制的通用性和可靠性，可减轻保护开发的工作量，提高软件编程质量，以加快新产品软件开发进度和节省软件开发成本。

（5）保护功能软件编程的图形化、可视化

保护功能和逻辑可以通过PC机上工具软件以图形的方式设计，通过硬件接口下载到装置中，现场可修改配置而不需要修改保护装置的程序代码。保护逻辑功能设计可以根据用户不同需求，随意组合配置，完全实现可编程式控制。装置的开入、开出、模入、定值、压板、通信点表、插件类型、面板LED、蜂鸣器等的设计和配置开放给用户，可以灵活生成用户“自己”的保护装置而不需要修改任何程序。保护装置的功能逻辑文件在装置中可以备份，通过工具软件拥有正确密码的用户可以回读文件，利于保护工程文档。装置中的所有底层程序统一，不区分是什么保护装置，互换性强，减少用户备品备件。

三、微机保护子系统与自动化系统的数据通信

选用的微机保护装置采用的通信接口为以太网和RS485双网冗余通信接口，两个数据接口同时工作，从硬件角度，最大程度保证了通信的可靠性。

微机保护装置属于电力系统二次设备，目前国家电网公司推广的是国际电工协会的 IEC 60870—5—103、104国际标准通信规约，西安博兴自动化公司的产品也应用了这一规约。但是，微机保护装置作为整个泵站自动化的一个子系统，其所有数据如同其他子系统一样，必须接入PLC系统，而PLC系统属于工业自动化控制领域，其接收的只能是ModuleBus协议，这样必须进行规约转换。东雷抽黄灌溉工程管理局与西安博兴自动化科技公司共同研发，设计了智能网关装置，经过现场反复通信测试，很好地解决了两个不同技术领域系统的数据连接问题。

四、结 语

对大型泵站电气设备部分的改造，属于泵站整体改造的重要内容之一，而微机保护装置又是电气二次设备的核心内容，承担着整个泵站生产系统的供电安全保障任务，其重要性不言而喻。所以在产品选型时，应选用主流配置，技术较为先进的保护产品，同时能将微机保护系统可靠地接入到整个泵站自动化系统里也是要考虑的因素。

随着微机保护的发展，将PLC功能融入到微机保护装置里，技术上已经完全存在可能，并且目前在小型系统中已经有了初步的应用。但在控制对象种类较复杂、监控点数较多的大型系统中，还需要继续研究开发运行更为可靠、功能更为完善的一体化产品。相信在不久的将来，将会出现更多的优秀系统，并应用于大型泵站的自动化系统中。