SEL智能仪表在下会坑电站的应用

　　摘要：本文在详细分析SEL-2020通讯处理器功能特点的基础上，对SEL智能仪表在微机继电保护系统中的几种应用方案进行探讨，阐述了它们的优势和普遍借鉴意义，并具体结合SEL系列微机保护装置在下会坑电站的应用，介绍了系统的结构、功能和通讯实现方法。
　　
　　1引言
　　
　　江西上饶下会坑水电站装机容量为2x8MW，电能一回经35kV线路送入县电网，另一回经110kV线路送华中电网。电站在县电网中担任调频调峰任务。电站主接线形式为：两机两变双母线接线，发电机出口电压为6．3kV，单母线经隔离开关分段；主变2台，容量均为IOMVA。下会坑水电站2x8MW机组通过一台双卷变压器和一台三卷变压器接入电站110kV母线和35kV母线。电站设厂用变2台，分别接于6．3kV母线的I、Ⅱ段。
　　
　　2保护配置
　　
　　在本系统中，我们采用美国SEL公司（SCHWEITZERENGINEERINGLABORATORIES，INC。）生产的SEL系列微机保护装置及通讯处理器来实现对线路和主变压器的保护和监控。
　　
　　各种型号的SEL系列微机保护装置分别适用于各种不同的电力设备。它们的特点在于可以利用SELogic控制方程完成对保护开入开出量及其它逻辑的控制编程输出，灵活地实现所需的保护功能，使保护具有较大的适应性；利用数目不等的串行通讯口，可以有效传输包括测量数据、保护元件及接点I/O状态、事件报告、断路器监视以及时钟同步等关键信息。
　　
　　在下会坑电站中采用的保护配置和功能如表1。　　
　　3系统结构
　　
　　3．1对SEL-2020通讯处理器功能特点的分析
　　
　　（1）SEL-2020通信处理器装有16个标为“PORTI”到“PORTl6”的EIA-232背板串口和一个标为“PORTF”EIA-232面板串口。除PORTF只能用于和主机设备通讯外，其它16个串口可以选择和SEL继电器（SELIDE）、其他供应商提供的智能电子设备（OTHERIDE）、串行打印机（PRINTER）或主机设备（MASTER），包括RTU、PC机、NlM或ASCII非智能终端通讯。可以在PORT8口内置调制解调器，也可以在任何一个背板串口外置点对点光纤Modem或线拨号Mordem，用以呼出到一个远方PC或lED。
　　
　　这个特性可用于自动从SEL-2020数据库传输数据到一个远方地点或到从远方设备采集数据。
　　
　　（2）这些端口都支持多种通讯协议。如果端口被设置为连接主机设备（MASTER），可选的协议为SEL、LMD（全部端口）、Modbus（端口12、14、16）和DNP（端口16）。
　　
　　（3）SEL-2020能并发地处理所有端口的操作，这就允许多个用户同时与SEL-2020或通过SEL-2020进行通信，而在其它端口还可同时进行其它操作如打印、Modem拨出等。
　　
　　（4）SEL-2020的内部数据库可存储采集自连接在背板端口的设备的状态信息和数据，其数据区域由16个背板通信端口数据库所组成。每个端口数据库zui多可包含15个数据区，包括全局区（GLOBAL）、局部区（LO-CAL）、非请求报文缓冲区（BUF）、8个数据区（D1-D8）、3个存档区（Al-A3）及用户数据区（USER）。
　　
　　其中全局区包含所有端口公用的数据，包括SEL-2020状态和配置信息、全局元件等等；局部区中包含各个端口不同的信息，包括状态和配置信息、局部元件、特殊命令寄存器（SBO和CMD）等等；BUF区缓存有SEL-2020接收自端口的非请求报文；数据区用于存放SEL-2020由端口接收并解析的数据，每个数据区都与一个由SETA命令创建的数据请求报文串相对应，存放相应发送报文的应答报文；USER区的由用户自定义用途，可从主机设备用STORE命令或特殊用户定义命令WRITE将数据写入该区，也可用SETM命令将其它数据区的数据复制到该区，将数据集中起来重新组织，供其它端口使用这些数据建立报文。
　　
　　（5）SEL-2020能接收、缓冲、解析数据，并能对这些数据作出响应。可以通过从SEL-2020发送制式报文或自定义报文向端口上连接的设备请求数据，或者控制由报文启动的响应；也可以设置让端口自动接受并解析非请求数据。除了在通讯程序中进行控制外，用后面介绍的SELLogic方程也能够灵活地设置触发报文的逻辑条件。
　　
　　3.2SELOGIC逻辑控制方程
　　
　　除了以上一些特点外，SELOGIC控制方程也是SEL系列智能仪表的一大特色。方程由全局元件、局部元件、继电器元件、继电器状态信息、任意的数据库位和时间条件构成。这些信息经逻辑运算符与（*）、或（+）、取反（!）连接，可以表示从简单到复杂的逻辑关系。可以根据实际要求灵活地使用SELOGIC控制方程，编制逻辑条件来触发控制接点输出和自动报文触发等操作，大大提高了系统的适应能力。开发调试过程中遇到的两个问题，均用SELOGIC控制方程较快解决。
　　
　　（1）在110kV线路保护装置SEL-311C中，1＃输出口OUTl01被设置为响应PLC的合闸指令，发出断路器闭合信号。这一信号由断路器状态闭锁，即当断路器状态为断开时允许OUT101发出信号。在调试SEL-311C时，发现如果上位机不考虑其它情况，只要闭合条件满足就发出持续高电平指令，而实际断路器无法合上的话，OUT101口就会反复发出信号，使中间继电器连跳拉弧。
　　
　　针对这种情况，我们用SELogic方程修改了OUT101口的输出逻辑，如图1所示。则在出现上述情况时，OUT101口的输出为方波形式，避免了连跳的发生。逻辑图中方框表示计时器，左上数字为保持时间，右下数字为持续时间，单位为周波。相关方程如下：
　　
　　SV2PU=25；SV2DO=50；SV6PU=O；SV6DO=25；／／设置计时器时间
　　
　　SV2=OUT101；SV6=IN102+IN103；／／设置计时器条件
　　
　　OUT101=SV6T*!IN101·!SV2T／／设置OUT101口输出逻辑　　（2）在设计时临时增加了一个要求，即两台主变在零序过流跳闸前先互相通知对方跳闸。在硬件已经成型的情况下对外部线路修改比较麻烦，而利用主变保护装置的SELogic逻辑方程设置能较好地解决这个问题。在每台保护装置的差动跳闸条件后加人两个计时器，一个计时4．5s后输出信号通知对侧主变，另一个计时5．Os后在本侧输出跳闸信号。
　　
　　相关方程如下：
　　
　　SIVlPU=225；SIVIDO=2；SIV2PU=25；S2V2DO=2；／／设置计时器时间
　　
　　S1V1=50N11T；S1V2=S1V1T；／／设置计时器条件
　　
　　OUT101=87U+87R+IN1O1+S1V2T／设置OUT101口输出逻辑
　　
　　OUT107=S1V1T／／设置OUT107口输出逻辑
　　
　　以上两例的逻辑虽然简单，但可以体现出SELogic方程灵活方便、适应性强的特点。
　　
　　3．3几种应用方案
　　
　　通过对SEL-2020通讯处理器功能特点的分析，发现SEL-2020的通信处理能力和数据库性能使其能从各种设备采集数据，将数据解析成有用的部分，只将所需的数据分送到其它设备和系统。这正是变电站综合自动化的基本思路。SEL-2020的网络功能，使其能作为小型变电站项目数据综合的通信网络，也可作为大型变电站网络中的子网集约装置。由此可以设想以SEL-2020为核心的几种微机继电保护系统底层网络构建方案。
　　
　　方案一：将SEL-2020作为数据集中装置，接受RTU的查询和控制。通过SEL-2020连接现场的SEL继电保护装置和其它智能仪表，并在Port8接Modem连接RTU，Port9连接打印机，PortF连接本地终端，IRIG-B口连接时钟源。
　　
　　该系统完成以下工作：
　　
　　①用IRIG-B时钟源同步所有的IED。
　　
　　②通过应答报文或非请求自动报文获取所连接设备的工作数据和事故报告。
　　
　　③解析获取的数据，将其按预先定义的格式存入数据库数据区和用户区。
　　
　　④通过内置或外置调制解调器与RTU通讯。
　　
　　⑤将工作数据和事故情况在LED或连接的PC终端上显示出来，供现场人员查看。
　　
　　⑥由键盘输入或预定逻辑触发控制报文，实现对连接设备的控制。
　　
　　⑦打印由连接在SEL-2020的继电器发送的全部的非请求报文。这是一种十分简洁经济的子站方式，充分利用了SEL-2020的数据处理、自动数据库、逻辑和通讯功能。
　　
　　在这个系统中，由SEL-2020周期轮询各端口继电器的数据并解析存入各端口数据库和用户自定义数据库，以保证数据的实时性。SEL-2020与RTU的数据通讯如果采用主动方式，可以定义由SEL-2020按预定协议自动循环发送数据报文，供RTU接收；如果采用被动方式，则设置将RTU的查询报文作为触发条件，由SEL-2020响应并按预定协议发送应答报文。RTU同时通过SEL-2020控制各端口继电器。为此设置将RTU的控制报文作为触发条件，由SEL-2020响应后向端口继电器发送快速操作命令改变继电器有关字位的状态。
　　
　　快速操作命令是一种短报文二进制命令，能使SEL继电器在接收到报文的16ms内执行相关命令。同时在各端口继电器中设置逻辑，使有关字位变化对应相应的继电器动作，如跳、合闸等。
　　
　　方案二：用SEL-2020从端口连接的SEL系列及其它各种非SEL智能电子设备（IED）中接收数据，同时向现地控制单元（LCU）提供运行数据和事件报告；接受LCU的控制命令，向连接的IED发相应的控制报文。如有必要，还可同时连接多种主机设备，比如PC、RTUPLC等，实现这些工业控制设备与底层IED间的数据交流。
　　
　　由于SEL-2020可以自定义报文串，只要有设备的完整命令集，不论该设备采用何种通讯格式，都可以设置SEL-2020与带有RS-232接口的IED通讯，并将接收的数据解析后存入数据库中。对SEL-2020的各个端口分别进行独立的设置，就可让SEL-2020以不同的通讯协议或通讯格式并发地处理各端口连接的设备的操作。
　　
　　这种结构可以作为一个完整网络的子网，由SEL-2020接到主网络总线。此时SEL-2020所起的作用是集约功能上相对独立的一部分IDE和主机设备。同时SEL-2020与不同通讯协议的IDE和主机设备通讯，可以解决一部分协议兼容问题。而对于小型的自动化系统，也可以考虑直接使用这种结构，以简化设计和安装。
　　
　　方案三：基本应用方式，将SEL-2020作为SEL设备的数据集中装置，起到端口切换、数据传递、解析、处理、存储的作用，并同步所连接装置的时钟，同时作为现场测控层串口通信网络总线上的一个节点，或者由扩展串口连接到LCU。本项目就采取了这种方式。站级监控层和厂级管理层则选用IEEE802．3标准的以太网并采用标准的MODBUS协议，形成完整的分布式集散控制系统。微机继电保护装置以SEL-2020为核心形成测控子网，通过SEL-2020接入系统。
　　
　　系统总体网络结构及微机继电保护系统在其中的位置如图2所示。
　　
　　利用SEL-2020的功能特点，还可以组合出多种应用方案。事实上，随着工业控制技术向分散化、网络化和开放化的方向发展，像SEL-2020通讯处理器、SEL保护设备这样的智能仪表功能不断加强，控制功能越来越多地下放到了现场仪表设备中，系统的分散控制程度越来越高。这就让设计者能够扩展思路，有了更多的选择余地。　　比如像上述方案一那样的简化方案，在满足系统设计要求的前提下，能大大提高系统的性能价格比，适用于小型自动化系统。又比如在当前各大厂商通讯协议不统一的情况下，通常采用同一厂家的系列产品或用增加上位机通信口、采用智能网关的方式解决这一问题，而充分利用智能仪表的数据处理和通讯功能也能解决部分IDE与控制设备的协议兼容问题。采用像SEL-2020这样的数据集中装置的意义还在于将系统中部分监测功能相对独立出来，从而提高系统的可靠性和速度。
　　
　　4通讯程序实现
　　
　　本系统中，SEL-2020作为Modbus的从机与上位机通讯。Modbus协议是GOULD公司为工业控制而设计的一种可靠有效的工业控制系统通信协议，得到包括西门于，Honeywell,PML等众多硬件厂商的支持，能与许多RTU和绝大多数的PLC或PLC网络兼容。Modbus的物理层采用RS-232方式。RS-232是美国电子工业协会（EIA）制定的作为串行通信接口的电气标准，相应的标准是由CCITF定义的V．24接口。
　　
　　Modbus的数据传输为主／从式，：报文形式为请求／响应帧方式。
　　
　　Modbus数据链路层的数据请求报文由地址、功能码、数据和校验码组成，数据交换的类型由功能号（FCs）控制。如操作成功，其应答报文与请求报文的格式相同；如出错，则应答报文将功能码高位置位。
　　
　　SEL-2020支持的功能码是：01（读线圈状态）、02（读输入状态）、03（读保持寄存器）、04（读输入寄存器、）05（约束单个线圈）06（设置单个线圈）10（设置多个线圈）、11（报告从机ID）。其中常用01和04功能码来从SEL-2020读取的数据，用05功能码来实现数据控制，如控制断路器和遥控位元件。
　　
　　功能码01h来读取各种位的状态。一次zui多可读取1000位；功能码04h用来读取Modbus的内存映像，允许用户一次读取125个寄存器。　　功能码05h用来实现各种数据控制。线圈引用1OAOh到1OBFh对应端口的断路器和遥控位元件。发送操作码FF00h将该位置位，发送操作码0000h复位该位。请求帧格式：　　图3描述了下会坑水电站仪表驱动程序的对象模型以及与SEL-2020通讯相关的Cprt类和CModbus类在其中的位置。
　　
　　可知：
　　
　　①本系统中所有仪表的共同特性被抽取出来，如串口号、仪表类型号、从机地址、功能描述等，组成仪表基类CMeter，作为各类型智能仪表抽象类的父类。CMeter类还定义了一组标准的仪表访问和数据存取接口，以虚函数形式给出，由各继承子类（即各仪表类）具体实现其操作。
　　
　　②串口类CCom类提供串口的初始化和读/写等接口，以CCom为父类进一步派生了标准通信协议类CModbus，在串口数据收／发基础上，增加了缓冲、建帧、解包、CRC校验、功能码处理等函数和相应的数据结构，用于Modbus协议帧的构造和解析。　　③各仪表类在CMeter基类所定义的一般仪表属性的基础上，进一步描述自身的专有数据结构，并重载基类虚函数，通过CModbus/CCom成员实现对仪表的访问接口。如Cprt类即由父类重载了序列化、设置串口、发送命令、保护取值、检查设备等函数，另外增加了询问、格式化事件记录、取报告长度、每个SEL仪表的记录处理、仪表号修改等函数及事件报告数据结构。
　　
　　④所有仪表类对象按类型以链表形式组织在文档类CDoc中，作为驱动程序的操作基础。驱动类CDriver创建数据采集线程，通过指针传递访问仪表对象链表，调用仪表类接口取得对物理仪表的数据读／写控制，同时通过其CDDE类对象，实现DDE的回调函数，建立DDE通信连接。
　　
　　5结束语
　　
　　本文论述了SEL系列通讯处理器和微机保护装置等智能仪表在江西上饶下会坑电站的应用情况，同时在分析SEL-2020通讯处理器的基础上，为它的灵活应用提供了多种思路。在工业控制技术向分散化、网络化和开放化的方向发展的背景下，各种智能仪表的数据处理和通讯功能不断增强，故上述研究具有一定的借鉴意义。本系统在实际运行中性能稳定可靠，在保护动作可靠和正确度、通讯响应时间和数据传输正确率方面达到了系统的设计要求。