光伏电站计算机监控系统间隔层
    间隔层设备是按电站内电气间隔配置，实现对相应电气间隔的测量、监视、
控制等功能。间隔层装置除具备传统的输入输出功能外，还继承了同期合闸、防
误联锁等功能，保护测控综合装置更是把监控功能和微机保护功能合二为一。
(一)保护测控装置
    保护测控装置负责采集各种实时运行数据，接收并输出控制命令，主要由主
CPU模块(含通信接口模块)、模拟量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、人
机接口模块、电源模块等组成。其硬件结构如图2-21所示。
，.模拟量输入l输出系统
    模拟量输入/输出系统包括电流、电压二次回路，具有模拟量输入变换、滤波
器、采样保持器、多路转换以及模数转换(A/D)等功能。其中采样保持电路的作
用是在一个极短的时间内，测量模拟量在该时刻的瞬时值，并在A/D转换器进行转
换期间内保持其输出不变。利用采样保持电路，可以方便地对多个模拟量实现同
时采样。采样保持电路工作原理如图2-22所示，它由一个电子模拟开关S、一个保
持电容器Ch以及两个阻抗变换器组成。模拟开关S受逻辑输入端的电平控制，该逻
辑输入就是采样脉冲信号。
    在逻辑输入为高电平时S闭合，此时电路处于采样状态。Ch迅速充电或放电到
在采样时刻的电压值Usr，S的闭合时间应满足使Ch有足够的充电或放电时间，即
采样时间，显然采样时间越短越好。
    S打开时，电容器Ch上保持S闭合时刻的电压、电路处于保持状态。为了提高
保持能力，电路中应用了另一个阻抗变换器II，它在Ch侧呈现高阻抗，使Ch对应
充放电回路的时间常数很大，而输出阻抗很低，以增强带负载能力。阻抗变换器
工和II可由运算放大器构成。
    A/D转换器完成一次完整的转换需要一段时间，在这段时间内，模拟量不能变
化，否则就不准确了，必须引入采样保持电路，将瞬间采集的模拟量保持一段时
间不变，以保证A/D转换的精度。采样保持过程如图2-23所示。Tc称为采样脉冲宽
度，Ts称为采样间隔(或称采样周期)。由微型机控制内部的定时器产生一个等
间隔的采样脉冲，用于对模拟量进行定时采样，从而得到反映输入信号在采样时
刻的信息，随后在一定时间内保持采样信号处于不变的状态，这样在保持阶段，
无论何时进行模数转换，其转换的结果都反映了采样时刻的信息。
    模数转换器的基本原理如图2-24所示。以12位A/D转换为例，并行接口PB15
一PBO用作输出，由微机通过该口往12位D/A转换器送数，每送一次数，微型机
通过读取并行接口的PAO的状态(1或0)来观察送的12位数相对于模拟输入量
是偏大还是偏小。如果偏大，则比较器输出“o"，否则为“1"。通过软件，如此不断
地修正送往D/A转换器的12位二进制数，直到找到最相近的二进制数，这个二进制
数就是A/D转换器的转换结果。
2.遥测量的处理
    通过保护测控装置采集的数据为原始数据，这些数据要提供给电站监控人员
和调度运行人员使用，还需要做一系列的处理。
(1)滤波。
    由于变压器等非线性负荷的作用，电力系统中除了基波之外，还存在着各次
谐波，这给准确地测量交流系统的各个运行参数带来了困难。针对谐波与各种干
扰的存在，在交流被测量进入测量装置时设置了模拟式滤波器，以滤除较高次的
谐波。在交流被测量经交流一周期N次采样并通过A/D转换后，得到N个二进制数
序列，通过一定的计算滤除不需要的谐波量，最终计算出希望得到的交流量幅值
和有效值。
(2)标度变换。
    A/D转换结果的数字量只代表A/D转换器输入模拟量的电压大小，而不能代表
遥测量的实际值，要想求得实际值就必须进行标度变换。
    电压互感器二次侧输出为0一100V，电流互感器二次侧输出电流为0一5A，这
些信号经过一系列变换转换为A/D转换器能够接收的信号范围，如0一5V，经A/D
转换成数字量，然后再由计算机进行数据处理和运算。经A/D变换成的数字量已成
为一种标么值形态，无法表明该遥测量的大小。为了在监控后台显示以及向调度
传送，又必须把这些数字量转换成具有不同量纲的数值，以便于运行人员的监视
与管理，这就是标度变换。
    以12位A/D转换为例，转换结果为12位，其中最高位为符号位，其余11位为
数值。这是一个定点数，若约定将小数点定在最低位的后面，则数值部分为整
数。当被测量与满量程相等时，转换结果为全1码，11111111111B二2047，即12
位A/D转换器的满码值为2047,
    例如被测电流的满量程为1500A，经变换后的满量程为2047。当电流在。-
1500A范围内变化时，A/D转换的输出在0一2047之间变动，两者呈线性比例关
系，比例系数为K，称为标度变换系数，也叫遥测转换系数。设遥测量的实际值为
S，A/D转换后的值为D，则K二S/D，因为S和D呈线性比例关系，所以可以满量程
的对应关系来求出标度变换系数K。对于12位A/D转换器，D二2047，则K二
S/2047,
例如，幅值为1500A的电流，则
    在经过A/D转换得到某个遥测量的11位二进制数后，需乘上系数得到有量纲的
实际值。考虑到应保证在乘法运算时的精度，标度变换系数K应具有11位有效位
数。但在某些场合，根据K二S/D所得到K系数并不是11位有效位数，因此需要预
先对K进行处理。
例如，某电流的幅值满量程为150A，则
K二0.0732779677二0.00010010110B
    这一系数的有效位数仅有8位，当A/D转换的结果与之相乘后，有效位数减少
了。为了保证有效位数，可以将被测量预放大，例如，上例放大10倍，在十进制
数显示时相应将小数点向左移1位，即可显示原值。
(3)二一十进制转换。
    标度变换后的数据已经代表了遥测量的实际值，但此数据是以二进制表示
的。在某些场合，还希望再转换为+进制数，这就需要进行二一+进制转换。
    这里的十进制实际上还是采用二进制数来表示，一个十进制数用4位二进制数
的前10个状态表示十进制的0一9，后6个状态无效，这些二一十进制代码称为
日CD码。标度变换后的数据可能有整数和小数两部分，在进行二一十进制转换时
对整数和小数的处理方法不同，应分别对待。
    对于整数的二一十进制转换采用连续减法，应先确定二进制数可能对应的十
进制数的最高位数，例如，12位二进制数若转换为十进制数，最高位只能是千
位。用待转换的二进制数减去，000，并对减的次数计数，至不够减时，则计数值
为干位数，余数再不断地减去，00，并对减的次数计数，至不够减时，计数值为百
位数，如此类推可得+位数和个位数。
    对小数的二一十进制转换则采用“乘10取整”的方法。将二进制小数乘以，0，
得到的整数部分为十进制小数点后的第一位，再将余下的小数乘以10，得到的整
数部分为小数点后的第二位，以此类推，可得到第三、第四位等。
(4)死区计算。
    遥测量的采集工作不间断循环进行着，并需要将这些时刻变换的遥测量上送
至调控中心。这些遥测量并不是随时随刻都在大幅度变化，而大多数遥测量在某
一时间内变化是缓慢的，如果将这些微小的变换数据不停地送往调控中心，会增
加各个环节的数据处理负担。
    在遥测量处理中加入死区计算，则可有效地解决上述问题。死区计算是对连
续变化的模拟量规定一个较小的变化范围，当模拟量在这个规定的范围内变化
时，认为该模拟量没有变化，此期间模拟量的值用原值表示，这个规定的范围称
为死区。当模拟量连续变化超出死区时，则以此刻的模拟量代替旧值，并以此值
为中心再设死区，只有当遥测量变化大于死区时，才允许遥测量上送。
3.开关量输入
    开关量输入/输出系统由微型机的并行接口、光电隔离器件及有触点的中间继
电器等组成，以完成开关量输入信号接入、控制命令输出及与外部通信等功能。
    断路器和隔离开关等的位置信号，通常由它们的辅助触点通过控制电缆接入
保护测控装置开入触点获得。为了防止外部回路异常造成保护测控装置故障，通
常在开入端子与保护测控装置开入触点之间加装光电Eg.GiC.合器。光电藕合器又称光
电隔离器，它是由发光器件(发光二极管)和受光器件(光敏三极管)组合在一
起的器件，以光为媒介传输信号。遥信采集电路如图2-25所示，在断路器跳IJ或
停止运行时，站端继电器或辅助触点中动断触点断开时，发光二极管不导通，光
敏三极管则截止，将"1”信号送入遥信编码电路;当断路器合闸或运行时，斩断继
电器或辅助触点中动断触点闭合，发光二极管导通，光敏三极管则导通，1各，’0”信
号送入遥信编码电路。
    遥信从信号采集、处理到通道传输，再到调度自动化系统主站端处理，其中
某一环节出现问题都会造成遥信误动，遥信误动大致原因如下:
    (1)电磁干扰。在继电器触点闭合时，由于有一个正的电压加在光棍的输入
端，一般较少产生遥信误动。当继电器触点断开时，由于此时光藕输入端悬空，
遥信采集电缆较长，一般在几+米左右，且分布在电站的各个角落，在外界电磁
场的干扰下，使得光藕输入端加上了杂乱无章的小信号干扰波，由于这些干扰波
的影响，造成遥信频繁变位信息。
    (2)继电器触点抖动。当继电器动作时，继电器的触点触头不能一次性地闭
合/打开或打开/闭合，这是由于节点间电弧作用、继电器触点氧化接触不良及继电
器的机械特性所造成的。在继电器动作时，由于触头间存在一个“抖动”的暂态过
程，于是通过光电隔离后的波形就产生了一个反映触头抖动暂态过程的方波，造
成了遥信抖动。
    (3)保护测控装置工作电源不稳定。保护测控装置工作电源不稳定，电压过
高或过低都会造成保护测控装置工作异常或导致损坏，造成遥信信号异常。
    (4)接地效果不好。接地效果不好，各设备间电平不一致，从而造成对保护
测控装置及其设备干扰，并引起遥信误动。
    遥信误动一般采取提高控制回路电压(如直流220V)、设置遥信抖动时间等
方式进行抑制。遥信输入是带时限的，即某一位状态变位后，在一定时限内该状
态不应变化，如果变位，则该变化将不应变位，如果变位，则变位将不被确认，
这是防止遥信抖动的有效措施。遥信软件时序如图2-26所示，该时限通常设置为
20 - 40ms左右，此防抖时限通常是可以在保护测控装置中进行整定的。
4.事件顺序记录
    事件顺序记录的功能就是在设备发生事故时，能够自动记录断路器或继电保
护的动作信息并附带时间标志。事件顺序记录的主要技术指标是厂站内的分辨
率，一般要求站内分辨率不大于2ms。为了分析事故，要求电站内时间统一，时
间的准确度为毫秒级。
    事件顺序记录的时间就是发现遥信变位的时间。以扫查方式采集变位遥信
时，对遥信断路器状态按组逐一进行扫查，当扫查到某一组发现有断路器变位
时，除记下断路器的序号外，还同时记下当时的实际时间作为变位的时间标记，
即事件顺序记录时间，然后继续扫查下一组。
5.遥控命令执行
    遥控由调度端发出命令，也可由站端监控后台发出(或间隔层保护测控装置
发出)，遥控命令中包含了指定操作性质(“合闸”或“分闸”)、厂站号和被操作的
断路器或隔离开关序号等。遥控命令从格式上包含地址、性质和对象等内容，为
防止信息在传输过程中传输错误，还包括监督码。在遥控过程中，为保证工作可
靠，一般采用选择一返校一执行三步进行。第一步，控制端向被控制端发出选择
命令，选择命令包含遥控对象、遥控性质等信息;第二步，被控端向控制端返送
遥控返校信息，返校信息是被控端对收到的遥控选择命令进行执行条件的核查，
遥控对象若满足执行条件，则返校肯定确认信息，否则返送否定信息;第三步，
控制端根据返校的信息，向被控端发送遥控执行命令或遥控撒销命令，最后，被
控端根据收到的遥控执行或撤销命令进入具体执行环节。遥控出口电路如图2-27
所示。
6.微机型主系统
    微机型主系统包括微处理器、只读存储器或闪存单元、随机存取存储器、定
时器、并行接口及串行接口等。目前，随着集成电路技术的不断发展，已有许多
单一芯片将微处理器、只读存储器、随机存取存储器、定时器、模数转换器、并
行接口、闪存单元、数字信号处理单元、通信接口等多种功能集成于一个芯片
中，构成了功能齐全的单片微型机系统。
7.人机接口
    人机接口用于人机交互及状态信息显示，通常安装在I/O保护测控装置正面面
板上，主要包括液晶显示屏、LED状态显示灯、操作键盘和RS-232串行调试接口
等。对于保护测控合一装置，还带有打印机接口。其中，RS-232串口主要用于本
装置调试过程中的参数配置文件下装、历史/实时信息数据读取及故障在线诊断等
操作。液晶显示屏显示内容和LE。指示灯定义通常是可编程的，可通过参数组态
软件灵活设置，并经RS-232串口调试端口下装重启后生效。人机接口模件一般基
于单片机开发，除了与装置主CPU进行数据交换的串行通信接口电路外，还包括
键盘响应电路、液晶显示电路和打印机驱动电路等。
8.通信接口
    通信接口模件用于将保护测控装置采集和运算得出的各类信息上送至站控
层，并且接收站控层下达的查询和控制命令。大多数保护测控装置不设单独的通
信接口模件，而是将通信功能集成到主CPU模件中。保护测控装置的通信接口类
型通常根据保护测控装置与站控层之间的拓扑关系而定。对于星型E}--J合连接方
式，一般采用串口点对点通信方式，这种通信方式的优点是各保护测控装置之间
的界面清晰，不存在物理联系，彼此之间几乎没有干扰和相互影响，有利于现场
调试时故障分析和查找，缺点是传输介质数量和长度要求很大。对于总线型连接
方式，主要采用Lonworks, Modbus等现场总线，采用RS-485/RS-422的连接方
式，这种通信方式在光伏电站较为常用。监控系统与前端采集设备之间的通信介
质主要为光纤，两边加以电光转换和光电转换模块，由于太阳能电池板分布较
广，电站控制中心与逆变器所处位置可能距离较远，又由于现场电磁环境较为恶
劣，所以采用光纤作为传输介质，通过协议转换器将串口通信方式转换为网络通
信方式。
保护功能
    保护模块用于为各个电气间隔提供保护功能，根据采集到的电压、电流等电
量信号和非电量信号，提供电气间隔所必需的保护功能，如差动保护、过电流保
护、零序过电流保护、过电压保护、低压保护、低频保护、高频保护、非电量保
护等。