几款国内微机型保护继电保护的比较

几款国内微机型保护继电保护的比较

1 引言
微机型继电保护由于具有功能强、维护调试方便等一系列优点，自问世以来就受到普遍重视与欢迎，近年来更是在国内外得到广泛应用。由于输电线路保护在继电保护中具有重要地位，且随着超高压、长距离输电线路的发展，对输电线路保护的功能提出了更新更高的要求，加之输电线路保护本身具有的复杂功能和逻辑，使微机保护在输电线路保护这一领域获得了广泛应用。本文结合自身体会，对国内常用的几种微机型线路保护装置的一些特点进行了分析与比较，主要侧重于功能和性能方面的探讨。这里主要介绍的保护装置是南自psl640型线路微机保护和南瑞继保推出的rcs-9611-c型线路保护装置。另外还提及北京四方CSC-211系列数字式保护测控装置和许继wxh-820线路保护装置，以进行更好的比较分析。

2 功能
这些保护功能大部分是现代微机保护装置的基本配置，如过流保护，定时限，反时限等，它们的概念限于篇幅在这里不再叙述。但是在实际情况下，某些保护装置或系列的某些型号可能会根据现实情况只配备某些功能。比如许继的wxh-821过流保护只设定了两段过流保护的功能。
 
PSL640 和RCS9611 微机保护的电流保护主要性能包括：设置了三段全相运行时投入的电流保护。各段零序保护的方向元件均可由控制字整定投入或退出；重合加速全相运行零序保护三段亦可由控制字投入或退出；后加速时间有一定的范围。除设有定时限过流元件之外，还设有反时限过流元件。反时限保护元件是动作时限与被保护线路中电流大小自然配合的保护元件，通过平移动作曲线可以非常方便地实现全线的配合。
常见的反时限特性解析式大约分为三类，即标准反时限,非常反时限,极端反时限。装置中反时限特性由整定值中反时限指数整定。选择哪一条反时限特性曲线完全取决于负荷特性和与其他相邻继电保护相配合。反时限特性特别适用于保护直配线、变压器、电动机以及低压配电线路，尤其是在线路有分支线，且分支线用高压熔断器保护时具有更优秀的保护特性。

在我国，对于重合闸装置的基本要求是能确定故障相，能检无压或检同期，在故障后经一定延时重合，且只重合一次。PSL640的综重元件靠软件来实现了以上功能。通过控制字KG2.0 和KG2.1 可选择重合闸的方式、不检方式、检无压方式检同期方式。保护动作后重合闸如果导致故障原因仍存在第一次重合不成功将再次跳开断路器，允许经过一段较长延时等故障处绝缘建立后再二次重合闸。由于运行要求的不同，我国不采用多次重合闸，（许继、四方、南瑞都没采用）但对于无人值班的变电所还是多次重合闸更具优势。瞬时重合闸和多次重合闸对断路器的性能提出了更高的要求。
 
在故障录波或者事叫件顺序记录(SOE）功能上，psl640可记录的模拟量为Ia 、Ib、 Ic 、3I0 、Ua 、Ub 、Uc、 Ux、 I0c.可记录的状态量为断路器位置,保护跳闸合闸命令.为避免因系统扰动使保护频繁启动,导致存储不需要的数据,本装置录波数据仅当保护动作后才存入Flash Memory 中,掉电保持。否则本次数据只保存在RAM 中,掉电不保持。可被PC机读取可记录的录波报告为8至50个，可记录的事件不少于40次，数据存入Flash Memory 中。RCS-9611可保存最新64次动作报告，最新256次SOE变位记录报告，最新64次用户操作记录报告，最多8次故障录波报告（每次故障录波时间最长15 秒）。而WXH-820系列FLASH则可存最多最近发生的200份报告，且分两个菜单，可实现查看报告和擦除报告功能。
保护装置面板都配置有通讯接口，可接PC 机进行人机对话操作，便于调试与分析。通讯接口主要有SCI 标准RS232 接口，RS485 接口，以太网口，光纤接口。
有些厂家提供接口类型和数量的选择，而且在接口的设计上也不尽相同。如RCS9611 系列可以提供双以太网口的标配，（一般装置都提供双网口的标配是因为一旦一个网口失效可以有被用）也可以提供三个以太网口，而且网口可以通过控制字分别或同时设成支持串口的modbus 通信规约。
我们由表格可以看出南自、南瑞及四方的微机保护装置提供的功能比较完备，许继的WXH820 系列也很优秀，但是在功能上略有欠缺。各型号都在实际电力运行中稳定有效的发挥各自的作用。

3 主要性能指标
由于国家规约的相关规定，这些性能指标都能达到一定的要求，尤其是测量回路的误差四款产品都在相同的范围内。但在保护回路的精度方面各款产品所能达到的精度却不一样。一般来说，误差越小的产品精度越高，且运行的灵敏性也越高，产生误动的几率也越小，这样对电网的运行来说就越安全。
上表中，南瑞产品中的频率误差相对也较低。频率测量的精度会直接影响到装置的如低周保护等功能实现的准确性。所以在这里略微探讨一下保护装置的里运用的测频技术。我们知道常用的直接测频方法主要有测频法和测周期法两种。
一般对于低频信号采用测周期法，对于高频信号采用测频法，因此测试时很不方便，所以出现了等精度测频方法。不同厂家使用的测频技术也影响了装置的频率精度。南自psl640在CPU的选用上选择了内置测频模块（时间处理单元TPU）的芯片，因此不需要占用给多的CPU资源进行测率的处理，而且精度也可以得到保证。

而南瑞rcs9611则选择使用基于FPGA的高精度频率测量手段。因为在快速测量的要求下，要保证较高精度的测频，必须采用较高的标准频率信号；而单片机受本身时钟频率和若干指令运算的限制，测频速度较慢，无法满足高速、高精度的测频要求。采用高集成度、高速的现场可编程门阵列FPGA为实现高速，高精度的测频提供了保证。而且既然FPGA和DSP同样可以完成对转换成为数字信号的模拟量信号的处理，那我们可以了解一下不同厂家的微机保护装置的硬件架构设计。

5 硬件架构
通常，保护装置采集的模拟量信号（电压、电流）通过AD 转换后，需要经过数据处理以使CPU 可以进行进一步运用。通常，我们可以采用的架构AD+DSP+CPU的架构。psl640 所采用的架构是AD 加CPU.他们所选用的AD 是14 位的AD7865，AD 的位数也直接关系到装置的测量精度。CPU 为MOTOROLA 的MC68332.最高工作频率已达25MHz. TPU 是MC68332 最具特色的模块之一。它有自己的执行单元、3 级优先级控制器、数据RAM、双定时基准和微程序ROM 等。它可独立于CPU 之外 ，执行各种定时、脉冲生成、电机（特别是步进电机）控制、频率测量等与时间有关的操作，可大大减轻CPU 的负担。MC68332 的TPU 模块可外接16 路频率输入输出。
RCS9611C则采用的是AD+FPGA+CPU的架构。由FPGA完成对采集新数据的处理，而且还可以满足高速高精度的测频要求。他们选用的AD是位数相对较高的16位AD8696，FPGA选用的是Lattic的ispMACH4128V.CPU采用的是32位的Intel的IXP420.工作频率最高达533MHz.
而许继则采用单CPU的设计。采用16位的AD加32位DSP。DSP是TI公司经典的TMS320C32。

6 结构差异及抗干扰
两种微机保护均采用一体化机箱，面板上设有液晶显示屏和控制按钮，正常运行时可以从液晶显示屏上读出各相电压、电流有效值，并且可以显示日期等信息。保护动作前后的电压、电流及各部分的动作过程都记录在事件报告中，供运行人员查阅。而且机箱采用全密闭，防水、防尘、抗振动的设计，确保装置安装于条件恶劣的现场时仍具备高可靠性。所不同的是两者对保护装置内部结构具有很大的差异。

我们知道微机型继电保护装置一般由五个主要部分组成，分别是模拟量采集系统（或叫数据采集系统），微机系统，开关量输入输出系统，人机对话接口回路及电源。这几部分分别对应到保护装置的相关插件，并通过插槽将各部分组合在一起以实现各保护功能。PSL640 采用的结构是将包括微机系统主板在内的插件都集中插到一块面板上，面板再与显示板相连接。南瑞继保RCS9611C 将微机系统与显示频都集中到一个PCB 板子上，再另加一块插槽板紧贴主板。我个人觉得这种设计减少了从采集板到CPU 板的走线长度，保证了信号完整性的要求。此外，RCS9611C 的设计考虑了不同的插件选配功能，这是其他保护装置所没有的。该装置通过另外一种出口插件（OUT）和带压力接口的操作回路插件（SWG）提供了三种不同的插件选配方式以适应不同的运行场合。

装置的抗干扰需要通过很多方面协同完成。比如走线的设计，元器件的布局，接地的处理等等。在这里就具体装置提供一点参考。
如图，这是psl640 信号采集板正反面的设计，因为采集板上以强电信号线为主，强电流产生的磁场很强将对信号采集板旁边的弱电板产生较强干扰，所以必须对辐射这块板子采取有效的屏蔽措施。不仅如此Psl640 将采集板四周用地线环绕，并巧妙的用连接立柱把屏蔽金属板与机壳地相连，并在反面将所有的地连接在一起。另外采集信号线采用明线，这些措施有效减少了磁场的辐射和对有用信号的干扰。而从RCS9611c 的设计上，可以看到子板上同样有金属壳屏蔽，但似乎并未将板子用地线环绕，而是直接将金属屏蔽固定并连接至机壳，这样便与机壳地联接从而达到有效屏蔽干扰的而目的。

7 控制与逻辑
各项控制功能是由压板加控制字来实现的。每个控制字由16位二进制数来表示，若置“1”则投入该功能，置“0”则闭锁该功能。这些控制字作为定值的一部分，确定了保护的功能。保护定值中控制字标*表示该控制字有对应的软压板。
软压板可以通过后台投退；亦可在就地通过“软压板修改”菜单逐项投退。只有控制字、软压板状态(若未设置则不判)、硬压板状态(若未设置则不判)均有效时才投入相应保护元件，否则退出该保护元件。南瑞的还提供有系统定值供16 个可使用的保护定值区。
值得一提的是国外有一款SEL-321 的控制与逻辑功能是通过一种名叫SEL-logic的逻辑表达式来表示的。该保护的每段保护区、振荡闭锁元件和各项内部固定逻辑(如手合故障线路等)都有固定的逻辑变量与之相对应，还可以人为设置一些逻辑变量，这些逻辑变量与逻辑运算符配合构成了逻辑表达式，从而大大丰富了保护功能提高了保护灵活性，可以适应不同的保护要求，这可以说是SEL-321独具特色的一项功能。

8 结 束 语
通过以上的对比与分析，我认为这几套微机保护各有其特色和优势。其中RCS9611C 在保护功能的全面性、精度方面略显突出，设计比较新颖。PSL640 的设计结构明了，各项功能更容易实现。而其他两种保护也各有其独特之处。由于国内继电保护行业的竞争趋于激烈，几种保护在原理和性能上有些差异，应该从实际出发，相互学习，取长补短，丰富、完善并开发出新的保护原理，进一步提高保护的精度。同时通过对这几种保护的对比与分析，更加深了对微机保护基本原理的理解，开阔了眼界，活跃了思维，这对于我们研究继电保护的学生或是工作者都是大有裨益的。