第二章 变电站综合自动化系统间隔层装置第一节 间隔层装置简述一、间隔层装置配置间隔层装置在设计和配置方面，原则上与电气间隔之间存在密切关系根据间隔层装置按电气间隔配置的原则和站内一次设备规模，可以方便地确定变电站综合自动化系统所需间隔层装置的数量电气间隔是一个强电即一次接线系统的概念，通常把断路器或电气元件（如主变压器、母线等）作为电气间隔划分的依据一个典型高压变电站内主要包括线路间隔、母联（分段）间隔、主变压器间隔、电容（电抗）间隔、站用变压器间隔、母线间隔等其中，主变压器按其绕组涉及的电压等级可分为高、中、低压间隔和本体间隔 一般认为，间隔层装置是指按变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、保护及其他一些辅助功能的自动化装置间隔层装置直接采集和处理现场的原始数据，通过网络传送给站控级计算机，同时接收站控层发出的控制操作命令，经过有效性判断、闭锁检测和同步检测后，实现对装置的操作控制间隔层也可独立完成对断路器和隔离开关的控制操作间隔层装置通常安装在各继电器小室，测控装置按电气设备间隔配置，各测控装置相对独立，通过通信网互联间隔层装置具有以下优点：按电气间隔配置的原则使得因间隔层装置故障产生的影响被限定在本间隔范围内，不会波及其他电气间隔；监控对象由整个变电站缩小为某个电气间隔，单个装置所需配备的I／O点数量较少，减小了装置体积的同时也使装置安装方式更加灵活；间隔层装置除具备传统的输入输出功能外，还集成了同期合闸、防误联锁等高级功能，保护测控综合装置更是把监控功能和微机保护功能合而为一，降低了装置成本。
二、间隔层装置分类 在分层分布式变电站综合自动化系统中，间隔层装置（或称为间隔层单元）,即前面所说的IED，大致可分成以下几类：（1） 保护测控综合装置也可简称为保护测控装置，一般用于中低压（110Kv以下）系统中，例如输电线路保护测控装置、变压器后备保护测控装置、站用变压器保护测控装置、电容器保护测控装置、电抗器保护测控装置等等，它们主要用于完成相应的电气间隔中设备的保护、测量及断路器、隔离开关等的控制以及其它与其对应的电气间隔相关的任务，降低了装置成本并减少了二次电缆使用数量对于110kV及以上电压等级的高压和超高压间隔，为避免可能受到的干扰，保证保护功能的可靠性，目前仍采用保护和测控功能各自独立配置的模式所以又有以下（2）、（3）种类的间隔层装置2） 测控装置测控装置是变电站自动化系统的必要组成部分，主要完成对某一间隔电气量（如电压、电流、温度、压力等）的测量、控制（包括断路器、隔离开关、接地开关、有载调压变压器分接头调节等）及其它与其对应的电气间隔相关的任务，它面向的对象主要是断路器或变压器本体等3） 保护装置主要完成对某一间隔设备的保护保护任务，如输电线路保护装置、变压器保护装置、母线保护装置、断路器保护装置、短引线保护装置等。
4） 公用间隔层装置在变电站中有一些公共信号及其测量值，如直流系统故障信号、直流屏交流失压、所用电切换信号、所用电失压、控制电源故障、合闸电源故障、控制母线故障、合闸母线故障、通讯故障信号、通讯电源故障、火灾报警控制回路故障信号、火灾报警动作信号、保安报警信号等等，需要一个或几个公共间隔层装置来进行相关信息的采集和处理对于这类公共间隔层装置，不同的厂家有着不同的配置，可以集中到一个或几个公共测控装置处理，也可分散到其他测控装置中完成5） 自动装置如备用电源自动投入装置、电压无功控制装置等6）操作切换装置以及其他的智能设备和附属设备测控装置和微机保护装置实现的功能虽然各不相同，但在输入／输出接口电路和 CPU逻辑运算模块等硬件回路设计上存在很多共同点，两者的差异更多体现在软件层面随着C PU运算能力和超大规模集成电路制造水平的不断提高，保护和测控功能相互融合是大势所趋，随着技术的进步，将来保护测控合一装置也会逐步在高压、超高压电气间隔得到应用三、间隔层装置箱体如图2－1所示，保护与测控装置采用机箱式结构，每套装置由一个或几个箱体组成在变电站综合自动化系统中，有的保护装置除了完成保护功能外，还具有其它功能。
例如某10KV线路的保护装置具有：10KV线路的保护功能、重合闸功能、故障录波功能，此外还兼有遥测、遥信、遥控及用于切除本线路的低周减载等功能 图2－1 保护装置或测控装置不同厂家箱体外观保护与测控装置机箱的正面称为面板，如图2－2(a)所示；面板上一般设置有：液晶显示器、信号灯、键盘、插座和信号复归按钮等其中：液晶显示器可以用来显示装置的提示菜单、定值清单、事件报告、运行参数、开关状态等信息；信号灯用于运行监视以及发出装置动作、重合闸动作、告警等信号；键盘可以进行参数设定、控制操作、事件查询等操作；信号复归按钮用来复归程序、信号等；面板上的插座是一串行通信接口，用来外接计算机外接的计算机可以代替本装置的人机对话插件直接同本装置箱体内的各计算机插件通信机箱背面设有接线端子排在装置机箱的背面，设有该装置机箱的接线端子排，用于装置机箱与外部的连接在各装置的端子排上一般设有：交流输入端子、直流电源输入端子、网络接口、跳闸出口、合闸出口、遥信开入、信号输出等端子图2－2（b）为保护装置的内部结构，装置的内部是由一个个印制电路板组成的,印制电路板上焊接有各种芯片及电子、电路元器件。
为了便于调试、检修，在装置不带电的情况下，每个印制电路板一般可以插、拔，因此把每个印制电路板也称为一个插件a) 面板 （b）内部结构图2－2 保护与测控装置的面板及内部结构为保证机械强度，提高电磁屏蔽能力和装置散热效果，保护、测控装置机箱一般都采用金属材质由于铝合金具有重量轻、机械强度高、热传导效率高、成本低等优点，因此成为制造机箱的首选材料机箱高度通常采用6 U或 4 U（1U＝44.3mm）标准，机箱宽度由装置配置插件的数量多少来决定，一般有1/3、1/2及1/1全宽度（全宽度＝19英寸，即482．5mm）三种规格机箱内部通常采用前部插拔组合结构设计，强、弱电回路彼此分开，其中弱电回路采用背板总线方式，各CPU插件通过母线背板总线进行连接和通信，而强电回路则直接从插件上引出至机箱外部这样的设计不仅增强了硬件的可靠性和抗干扰性，而且提高了装置功能组合的灵活性对于分散安装在开关柜面板上的中低压保护测控合一装置，考虑到一次设备现场运行环境较为恶劣，机箱设计应考虑进一步提高抗振、防尘、耐腐蚀及电磁屏蔽能力等方面的要求四、间隔层装置典型硬件结构目前，出于可靠性、通用性、经济性和可维护性等诸多因素的考虑，我国厂商生产的间隔层装置（包括保护装置、测控装置等）一般采用模块化的结构设计，不同的产品由相同的功能组件按需要组合配置，这样可实现功能模块的标准化，装置内部各插件做成模块化，相互之间通过内部总线连接，实际应用中可以根据具体应用场合的需要增、减模块。
同时软件功能也可灵活配置图2－3是保护、测控装置典型硬件模件示意图从图中可以看出保护、测控装置主要由主C PU模件（含通信接口模件）、模拟量输入模件、开关量输入模件、开关量输出模件、人机接口模件（MMI）、电源模件及机箱模件（图中以母板模件表示）组成CPU 模件是装置的核心部分，包含CPU 系统、实时硬时钟系统和高速通信系统等；通信模件（COM）主要用于光纤通信及通信扩展，包含光纤收发接口、网络接口、IRIG-B 码对时接入（GPS对时的一种同步方式）等；开关量输入/输出模件提供装置的开关量输入及输出，如跳合闸控制、动作及告警信号输出等功能，并起到电气隔离的作用；人机接口模件（MMI）采用内部通信方式与CPU 模块进行数据交换，为用户提供对装置的本地操作接口，包括LCD 显示屏、LED 指示灯、操作按键以及RS232 调试端口等；电源模件利用逆变原理将直流220V或110V 输入转换为装置工作所需的直流电压，如＋24V、±12V、＋5V等图2-3 保护、测控装置典型硬件模件示意图目前，保护、测控装置基本上按模块化设计不同的功能模块，其硬件结构基本上是大同小异，小异主要是指硬件模块化的组合与数量不同，不同的使用场合按不同的模块化组合方式构成，所不同的是软件，因为功能是靠软件来实现，不同的功能用不同的软件。
一套保护、测控装置功能模块的典型硬件结构主要包括：模拟量输入/输出回路、微型机系统、开关量输入/输出回路、人机对话接口回路、通信回路和电源等如图2－4所示微处理器（CPU）存储器WATCHDOG定时器人机交互接口打印机接口通用数字接口模拟量输入变换模/数变换放大驱动数/模变换调制解调器开关量输入信号处理开关量输出电路光电隔离并行接口本地操作人员模拟量输入/输出回路打印机人机对话回路至其他微机系统通信信息远传通信接口微型机系统来自TA、TV的电流、电压变电站测控对象开关量输入/输出回路开关量输入去执行元件220V接口硬件电源＋——＋5V＋15V＋0V—15V＋24V图2－4 保护、测控装置典型硬件结构图（一）微型机系统是保护、测控装置硬件系统的数字核心部分，目前电力自动化装置市场上呈现是多种多样、各不相同，但它们具有一定的共性，一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog、外围支持电路、输入输出控制电路组成主要完成数据采集及计算、数据处理、控制命令的接收与执行、逻辑闭锁、GPS对时、MMI接口通信等1、CPU（中央处理器）CPU是微机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。
因此，CPU的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣当前应用于电力系统中的自动化装置所采用的CPU多种多样，其中16位CPU以80C196系列使用最为广泛随着微电子技术近几年来突飞猛进的发展，新一代32位的CPU伴随着大规模/超大规模集成电路的广泛应用而被新一代自动化装置中普遍采用这一类CPU品种较多，如Motorola公司的MC863XX系列就是目前使用较多的一类另一方面，随着数字信号处理器（DSP）的广泛应用，自动化装置采用DSP来完成装置功能、实现装置功能算法已成为一种发展趋势，逐步应用于实际2、存储器计算机利用存储器把程序和数据保存起来，使计算机可以在脱离人的干预下自动地工作，它的存储容量和访问时间直接影响着整个计算机系统的性能在自动化装置中，常见的存储器包括EPROM（紫外线擦除电可编程只读存储器）、EEPROM（电擦除可编程只读存储器）、SRAM（静态随机存储器）、FLASH（快擦写存储器）以及NVRAM（非易失性随机存储器）等等自动化装置运行程序和一些固定不变的数据通常保存在EPROM中，这是由于EPROM的可靠性较高，通常只有紫外线长时间照射才可以擦除保存在EPROM中的内容。
由于EEPROM可以在运行时改写，而且掉电后又可以保证内容不丢失，因此在自动化装置中通常用来保存整定值SRAM主要作用是保存程序运行过程中临时需要暂存的数据NVRAM和FLASH都是近几年来迅速发展的非易失性存储器，由于它们具有掉电后数据不丢失，而且读写简单方便等优势，在自动化装置中通常将它们用来保存故障数据，以便事后分析事故用还有一些新的自动化装置将FLASH替代EPROM作为保存运行程序和固定参数用随着大规模集成电路和存储技术的长足发展，半导体存储器的集成度成倍地提高，现在已有不少CPU将SRAM、FLASH、EP。