2493995045一種新型高壓線路微機(jī)保護(hù)的總體設(shè)計方案

1、摘 要高壓輸電線路是電力系統(tǒng)中最重要的電氣元件，線路保護(hù)性能對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有著十分重要的影響。近年來，隨著我國高壓電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，電網(wǎng)自動化水平的不斷提高，對高壓線路保護(hù)性能提出了新的更高要求。與此同時，計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，特別是高性能dsp芯片的出現(xiàn)和應(yīng)用，使得微機(jī)保護(hù)硬件平臺資源更豐富，計算速度更快，為保護(hù)的功能完善提供了良好的硬件支持。因此，利用線路保護(hù)原理研究的新成果，以高性能硬件平臺為基礎(chǔ)，研究和開發(fā)性能更好的高壓線路微機(jī)保護(hù)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。論文首先對微機(jī)線路保護(hù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀以及新進(jìn)展進(jìn)行了綜述和分析，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)高壓線路保護(hù)的運行特點和應(yīng)用要求，提

2、出了一種新型高壓線路微機(jī)保護(hù)的總體設(shè)計方案。文中系統(tǒng)介紹了總體方案的設(shè)計原則和保護(hù)裝置的功能配置，并對保護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和主要插件的設(shè)計特點進(jìn)行了說明。保護(hù)原理是保護(hù)系統(tǒng)研究與開發(fā)的核心和基礎(chǔ)。在保護(hù)方案設(shè)計中，借鑒和應(yīng)用了近年來在保護(hù)原理研究中的新成果，主要包括基于序補(bǔ)償電壓模值比較的方向元件、三相電流綜合突變量啟動元件、新型故障選相元件等。文中對裝置中采用的主要保護(hù)原理進(jìn)行了介紹和分析。關(guān)鍵詞：線路保護(hù)，方向縱聯(lián)保護(hù)，距離保護(hù)，軟件設(shè)計。abstaracthv transmission lines are the most important electric components in

3、electric powersystem,so the performance of line protection has great influence on the security andstability of power system.in recent years,with the hv electric networks developing and the degree of automation of electric networks improving,the higher and newer performance of protective relaying for

4、 hv transmission lines are requested.at the same time,with the progresses of computer,especially with the applications of dsp,the hardware resource of microprocessor protection get richer and the computing speed turn faster,which provides the powerful support for the improvement of the microprocesso

5、r protection functions.it is of great theoretical and practical significance to develop more advanced microprocessor based protective relaying set for hv transmission line based on the new theory of line protection.at first this thesis introduced the history and new directions of microprocessor base

6、d protective relaying for transmission lines.then the project design of protection is put forward according to the needs of hv transmission line.in this thesis,the design principles，the function settings，the hardware structure and the plug-ins designcharacteristic of the protection device are introd

7、uced.the software design is important work during the research of the device.compared to conventional software design based on flow chart,the protection software is developed based on relay function module,which leads to the separation of time sequence and logic.目 錄摘 要. .1abstaract .2目 錄. 31緒論. 51.2

8、輸電線路微機(jī)保護(hù)的發(fā)展歷史. 51.3輸電線路微機(jī)保護(hù)的研究現(xiàn)狀與新進(jìn)展.61.4論文的主要工作和章節(jié)安排.82保護(hù)裝置的總體設(shè)計方案與功能配置.92.1保護(hù)總體方案設(shè)計依據(jù).92.2保護(hù)裝置的功能配置.112.3裝置的硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計.132.4本章小結(jié).163高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)主要元件的基本原理.173.1方向縱聯(lián)元件.173.2啟動元件.203.3距離元件.233.4零序方向過流元件.283.5過流元件.293.7振蕩閉鎖元件.373.8重合閘及后加速.403.9其他的輔助功能.413.10本章小結(jié).434距離保護(hù)程序的軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計.454.1引言.454.2基于繼電器功能模塊的軟件設(shè)

9、計方法.454.3本章小結(jié).465 全文總結(jié). .47參考文獻(xiàn).491 緒 論本章在簡述了高壓輸電線路繼電保護(hù)發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，介紹了國內(nèi)外高壓輸電線路繼電保護(hù)的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了近年來高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)技術(shù)的新進(jìn)展，并討論了今后的發(fā)展方向，最后對論文的主要工作和章節(jié)安排進(jìn)行了說明。1.1引言輸電線路保護(hù)作為保證電網(wǎng)運行安全的主要自動控制設(shè)備，其性能的改善和提高一直受到科研和運行部門的高度重視。近十多年以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是微機(jī)技術(shù)的成熟與應(yīng)用，高壓輸電線路保護(hù)已由傳統(tǒng)的電磁式保護(hù)、晶體管保護(hù)，集成電路保護(hù)進(jìn)入到微機(jī)保護(hù)時代，成為繼電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)

10、展與應(yīng)用是近三十年來繼電保護(hù)領(lǐng)域取得的最顯著的成果。經(jīng)過長期的研究和實踐，現(xiàn)在人們已普遍認(rèn)可了微機(jī)保護(hù)在高壓、超高壓電網(wǎng)保護(hù)中無可替代的優(yōu)勢。迄今，在國內(nèi)廣大科研工作者、制造商和運行部門工作人員的共同努力下，我國在高壓、超高壓電網(wǎng)微機(jī)保護(hù)裝置的研究和應(yīng)用中取得了驕人的成就，為我國的電網(wǎng)安全運行提供了有力的保障。1984年我國第一套微機(jī)距離保護(hù)通過鑒定，投入試運行。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代后，微處理機(jī)芯片的成熟和推廣，極大加快了我國微機(jī)線路保護(hù)研究和應(yīng)用的步伐，不斷有新的保護(hù)產(chǎn)品推出。具有代表性的產(chǎn)品有北京四方公司的wxb-11型微機(jī)高壓線路保護(hù)裝置，其后的南瑞繼電保護(hù)公司研制的lfp-900系列微機(jī)

11、成套保護(hù)裝置以及國電南自公司推出的powerstar系列線路微機(jī)保護(hù)等。這些微機(jī)保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，極大的提高了我國電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的運行水平。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力建設(shè)的步伐也在不斷加快。西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)的格局正逐步形成。高壓和超高壓電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電網(wǎng)運行安全問題日益突出，對繼電保護(hù)的性能提出了新的更高要求。與此同時，線路保護(hù)新原理研究的不斷深入，運行經(jīng)驗的不斷積累，以及計算機(jī)2技術(shù)的快速發(fā)展，使得研制開發(fā)功能更加完善、智能化水平更高的新型微機(jī)高壓線路保護(hù)成為可能。因此，利用線路保護(hù)原理研究的新成果，以高性能硬件平臺為基礎(chǔ)，研究

12、和開發(fā)性能更好的高壓線路微機(jī)保護(hù)是當(dāng)前一項具有重要理論和現(xiàn)實意義的研究課題。1.2輸電線路微機(jī)保護(hù)的發(fā)展歷史自1901年第一代機(jī)電型感應(yīng)式過電流繼電器在電力系統(tǒng)應(yīng)用以來，繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展已歷經(jīng)一個多世紀(jì)。隨著人們認(rèn)識的不斷深入，不同的保護(hù)原理相繼提出，如差動保護(hù)（1908年）、方向電流保護(hù)（1910年）、距離保護(hù)（1923年）、高頻保護(hù)（1927年）等。在繼電保護(hù)原理研究不斷取得進(jìn)展的同時，繼電保護(hù)裝置的實現(xiàn)技術(shù)也發(fā)生了重大的變革，經(jīng)歷了機(jī)電式、整流式、晶體管式、集成電路式、微處理機(jī)式等不同的發(fā)展階段。計算機(jī)在繼電保護(hù)領(lǐng)域里的應(yīng)用是繼電保護(hù)發(fā)展史上一個重要的里程碑。微機(jī)繼電保護(hù)的研究始于上個

13、世紀(jì)六十年代1。1965年初，英國劍橋大學(xué)的p.g.mclaren等提出利用采樣技術(shù)實現(xiàn)輸電線路的距離保護(hù)2。隨后，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的i.f.morrison等學(xué)者對計算機(jī)技術(shù)在保護(hù)和變電站控制領(lǐng)域的應(yīng)用問題進(jìn)行了探討，并對相關(guān)保護(hù)算法進(jìn)行了理論研究34。1969年前后，美國西屋公司的g.d.rockefeller等開始進(jìn)行具體裝置的研制56，并于1972年發(fā)表該裝置的試運行樣機(jī)的原理結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場實驗結(jié)果。但自從六十年代計算機(jī)保護(hù)概念提出開始，到七十年代末，由于受當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)水平和價格的限制，計算機(jī)繼電保護(hù)的研究重點主要是不同保護(hù)原理的實現(xiàn)方式和算法，除少量的試驗裝置外，計算機(jī)保護(hù)沒有在

14、電力系統(tǒng)中得到廣泛采用。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是微處理器技術(shù)的成熟和應(yīng)用，極大地推動了計算機(jī)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)80年代，以微處理器為核心的微機(jī)保護(hù)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面已趨成熟，微機(jī)保護(hù)開始在工業(yè)發(fā)達(dá)國家中得到推廣應(yīng)用。我國對微機(jī)保護(hù)的研究從20世紀(jì)70年代末開始。雖然起步相對較晚，但由于受到科研和運行部門的高度重視，因此，無論是在理論研究，還是在實現(xiàn)技術(shù)研究方面均得到了快速發(fā)展。1984年上半年，華北電力學(xué)院研制的第一套以6089(cpu)為基礎(chǔ)3的保護(hù)樣機(jī)投入運行。標(biāo)志著我國繼電保護(hù)的開發(fā)進(jìn)入了重要的發(fā)展階段。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，微機(jī)型保護(hù)在我國已得到大量應(yīng)用，成為了

15、繼電保護(hù)裝置的主要形式。微機(jī)型保護(hù)具有強(qiáng)大的數(shù)字計算和邏輯判斷能力以及優(yōu)良的信息記憶能力，為傳統(tǒng)保護(hù)原理的改善以及新原理的應(yīng)用提供了良好硬件支持。此外，微機(jī)型保護(hù)易于實現(xiàn)較完善的硬件自檢和軟件自檢功能，有助于提高其抗干擾能力和運行的穩(wěn)定性。隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)保護(hù)的智能化水平不斷提高，故障錄波、事件記錄、故障測距以及數(shù)據(jù)通訊等輔助功能也得以在保護(hù)中實現(xiàn)，這極大地簡化了保護(hù)的運行維護(hù)管理，同時也為事故分析和事故后的處理提供了極大方便。由于微機(jī)型保護(hù)裝置具有的巨大優(yōu)越性和潛力，因而已取代傳統(tǒng)的模擬式保護(hù)，成為繼電保護(hù)的主流形式17。1.3 輸電線路微機(jī)保護(hù)的發(fā)展趨勢微機(jī)繼電

16、保護(hù)是一門綜合性學(xué)科，并隨著相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的不斷進(jìn)步而發(fā)展。新的保護(hù)原理將被不斷地應(yīng)用到計算機(jī)繼電保護(hù)中，特別是故障暫態(tài)信息的挖掘和應(yīng)用，人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注，并呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。(1) 故障暫態(tài)信息的應(yīng)用繼電保護(hù)的任務(wù)就是檢測故障信息、識別故障信號，并由此決定保護(hù)的動作行為。因此，故障信息的識別、處理和利用是繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，不斷發(fā)掘和利用故障信息對繼電保護(hù)的進(jìn)一步發(fā)展有著十分重要的意義20?；诠收戏至康睦^電保護(hù)原理的研究和應(yīng)用在繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展歷程中一直占用重要地位。在模擬式保護(hù)中，以故障分量為基礎(chǔ)的零序電流保護(hù)、負(fù)序電流保護(hù)以及差動電流保護(hù)得到了廣

17、泛使用，并取得了良好的運行效果。在微機(jī)保護(hù)中，由于計算機(jī)具有的數(shù)據(jù)計算和存儲能力，使得故障分量的獲取更為方便，從而極大地推動了基于故障分量的保護(hù)新原理的發(fā)展。電網(wǎng)發(fā)生故障后，故障分量可以分解為故障暫態(tài)分量和故障穩(wěn)態(tài)分量兩部分。迄今，實用化的故障分量保護(hù)主要是利用故障穩(wěn)態(tài)分量構(gòu)成，而故障暫態(tài)分量一般作為噪聲信號加以濾除。這種處理方式，雖然原理相對簡單，實現(xiàn)技術(shù)難度低，但故障穩(wěn)態(tài)分量的提取需要一定時間，限制了保護(hù)動作速度的提高。此外，故障暫態(tài)信號所包含的故障特征信息未能得到有效利用，也妨礙了保護(hù)性能的進(jìn)一步改善。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，輸電線路傳輸容量的不斷擴(kuò)大，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提出了更高

18、要求?？焖俦Ｗo(hù)作為提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段，其保護(hù)原理和實現(xiàn)技術(shù)的研究受到廣泛的關(guān)注，其中，基于故障暫態(tài)分量的微機(jī)保護(hù)的研究尤其受到重視。行波保護(hù)作為故障暫態(tài)量保護(hù)的一種，在上世紀(jì)七十年代末已投入現(xiàn)場運行212223。其后，由于技術(shù)條件的限制以及對故障暫態(tài)分量特性認(rèn)識的不足，使得暫態(tài)量保護(hù)的開發(fā)和應(yīng)用未取得突出進(jìn)展。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是高速采樣技術(shù)和大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的成熟，制約微機(jī)暫態(tài)量保護(hù)發(fā)展的硬件瓶頸已不復(fù)存在。在此背景下，基于故障暫態(tài)分量的微機(jī)保護(hù)的研究已成為當(dāng)前繼電保護(hù)研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。利用故障暫態(tài)分量構(gòu)成微機(jī)保護(hù)有不同的實現(xiàn)原理，具有代表性的是利用輸電

19、線路兩端的阻波器對暫態(tài)信號的濾波特性，來區(qū)分內(nèi)、外部故障24。這種方法的突出優(yōu)點是，保護(hù)動作僅基于單側(cè)電量，無需通道，動作速度快。但在某些故障情況下，如經(jīng)高阻接地故障時，保護(hù)靈敏度可能不足。此外，利用線路兩端母線電容對高頻暫態(tài)信號的濾波作用，通過檢測高、低頻故障信號的功率譜密度的差異，來判斷內(nèi)、外部故障，也可構(gòu)成無通道全線速動保護(hù)。相關(guān)的研究也在不斷深入25。(2)人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用自上世紀(jì)80年代，人工智能技術(shù)的理論和方法取得了突破性進(jìn)展，人工智能技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究引起了人們的極大興趣。人工智能就是由計算機(jī)來表示和執(zhí)行人類的智能活動，如判斷、識別、理解、學(xué)習(xí)、規(guī)劃和問題求解等

20、。人工智能技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于求解非線性問題，較之于傳統(tǒng)方法有著不可替代的優(yōu)勢，迄今，國內(nèi)外已開發(fā)出多種人工智能工具，包括：專家系統(tǒng)（es）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ann）、模糊集（fs）、啟發(fā)式搜索（hs）等26，相關(guān)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究也逐步展開，其中人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在繼電保護(hù)中的應(yīng)用研究受到了廣泛關(guān)注。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性映射系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的模式識別能力，可以對很復(fù)雜的狀態(tài)或過程進(jìn)行分類和識別。電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)涉及到許多可能發(fā)生的狀態(tài)或過程，具有許多不可預(yù)知的影響因素，比如系統(tǒng)運行方式、故障點位置、故障類型、系統(tǒng)振蕩、過渡電阻大小等。應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)成保護(hù)或作為保護(hù)的輔助判斷工具

21、，可以綜合系統(tǒng)產(chǎn)生的各種信號所包含的故障信息，對實際故障情況做出更準(zhǔn)確的判別。迄今，人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究涉及線路保護(hù)、元件保護(hù)以及故障選相、故障方向識別、故障定位等諸多方面2732。雖然目前取得了一些進(jìn)展，但并不成熟，還有許多問題有待解決。但人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具有的獨特智能優(yōu)勢，為保護(hù)性能的改善和提高提供了一條新的途徑。(3)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)代繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，正在從傳統(tǒng)的模擬式、數(shù)字式探索進(jìn)入信息技術(shù)領(lǐng)域33。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代的技術(shù)支柱，使人類生產(chǎn)和社會生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個工業(yè)領(lǐng)域，也為各個工業(yè)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的信息交互手段

22、。到目前為止，所有的繼電保護(hù)裝置只能利用被保護(hù)設(shè)備的一側(cè)或多側(cè)電氣量信息、保護(hù)動作特性和定值，特別是后備保護(hù)的特性和定值大多是按預(yù)設(shè)的“最嚴(yán)重情況”考慮，因此，極大降低了保護(hù)在其它故障情況下的工作性能。尤其嚴(yán)重的是，一旦某處保護(hù)動作異常且相鄰保護(hù)失去配合，或者系統(tǒng)發(fā)生連鎖性復(fù)雜故障，可能導(dǎo)致整個電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的崩潰，造成全網(wǎng)性的重大停電事故，給國民經(jīng)濟(jì)和社會生活帶來極大危害。為了從根本上解決上述問題，繼電保護(hù)的設(shè)計與運行不應(yīng)僅局限于被保護(hù)設(shè)備本身，而應(yīng)從保證整個電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的角度，構(gòu)建具有全局性的“系統(tǒng)保護(hù)”。這就要求每個保護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)的運行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個保護(hù)單元與重合閘

23、裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。顯然，實現(xiàn)這種系統(tǒng)保護(hù)的基本條件是將全系統(tǒng)各主要設(shè)備的保護(hù)裝置用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，亦即實現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置的網(wǎng)絡(luò)化。這在當(dāng)前的技術(shù)條件下是完全可能的。微機(jī)保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)化可大大提高保護(hù)性能和可靠性，這是微機(jī)保護(hù)發(fā)展的必然趨勢。1.4論文的主要工作和章節(jié)安排論文工作主要圍繞新型高壓線路保護(hù)裝置研制為中心展開，涉及總體方案設(shè)計、主要保護(hù)原理的分析與應(yīng)用、保護(hù)系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)以及裝置的靜態(tài)模擬試驗等。論文的章節(jié)安排如下：第一章綜述微機(jī)型線路保護(hù)的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，介紹了課題的背景，明確了論文的主要工作。第二章從保護(hù)系統(tǒng)的總體

24、設(shè)計方案出發(fā)，介紹了保護(hù)功能的配置情況以及硬件結(jié)構(gòu)。第三章系統(tǒng)地介紹了保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)方案，著重分析了保護(hù)方案中采用的各個元件的基本原理。第四章介紹了距離保護(hù)程序的軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計，重點介紹了采用基于“繼電器功能模塊”的軟件設(shè)計思想及其具體實現(xiàn)技術(shù)。2保護(hù)裝置的總體設(shè)計方案與功能配置本章闡述了保護(hù)總體方案設(shè)計的基本依據(jù)，以此為基礎(chǔ)，對裝置的保護(hù)功能和管理功能的配置情況進(jìn)行了說明。介紹了裝置的基本硬件結(jié)構(gòu)和主要插件的設(shè)計特點。2.1保護(hù)總體方案設(shè)計依據(jù)在進(jìn)行保護(hù)裝置的總體設(shè)計方案時，需要綜合考慮高壓線路實際可能出現(xiàn)的故障情況和對保護(hù)的實際運行要求，同時應(yīng)吸收以往高壓線路保護(hù)的開發(fā)和運行經(jīng)驗，針對存在

25、的問題，加以改進(jìn)和完善。2.1.1高壓線路故障情況分析我國電力行業(yè)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)產(chǎn)品動模試驗，是繼電保護(hù)工作者多年來現(xiàn)場工作經(jīng)驗的總結(jié)，其中所包括的線路繼電保護(hù)檢測項目應(yīng)能代表多年來高壓線路運行中遇到的基本故障形式，主要包括：1保護(hù)區(qū)內(nèi)外金屬性故障包括瞬時性與永久性的金屬性單相接地、兩相短路接地、兩相相間短路、三相短路以及三相短路接地。2區(qū)內(nèi)外經(jīng)過渡電阻短路對高壓輸電線路，考慮區(qū)內(nèi)外經(jīng)0100的過渡電阻發(fā)生單相接地故障、025的過渡電阻（相間電弧電阻）發(fā)生兩相短路接地、兩相相間短路、三相短路和三相短路接地故障。3系統(tǒng)穩(wěn)定破壞考慮因靜穩(wěn)破壞或動穩(wěn)破壞而引起的振蕩；振蕩過程中再發(fā)生各種

26、區(qū)內(nèi)外金屬性故障。4線路空載合閘充電、合環(huán)以及手合帶故障線路線路停電情況下，線路合于無窮大系統(tǒng)；構(gòu)成環(huán)網(wǎng)的兩平行線路，在一回線路運行的情況下，另一回線路兩邊先、后合閘。線路停電的情況下，分別將帶各種金屬性故障的線路手合于電源系統(tǒng)。需要考慮近端故障，中間故障以及末端故障。5ta斷線考慮線路一側(cè)ta單相斷線以及斷線后的區(qū)內(nèi)外故障。6tv斷線考慮線路一側(cè)tv單相、三相斷線保護(hù)的動作情況。7距離保護(hù)的暫態(tài)超越考慮幾種典型的電源阻抗與線路阻抗比的情況下，在距離保護(hù)整定點附近發(fā)生各種金屬性故障保護(hù)的動作情況。8弱饋側(cè)故障考慮電源阻抗較大的情況下發(fā)生各種金屬性故障以及經(jīng)過渡電阻故障保護(hù)的動作情況。從上述行業(yè)

27、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動模試驗項目看，高壓線路可能發(fā)生的故障形式復(fù)雜，工況多，在保護(hù)原理選擇與功能配置上，要有針對性地進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、合理配置、系統(tǒng)集成。2.1.2高壓線路保護(hù)功能配置要求對于高壓輸電線路保護(hù)來說，一般采用階段式保護(hù)，包括iii段式相間距離保護(hù)、iii段式接地距離保護(hù)、iv段式零序方向電流保護(hù)等。對于某些重要線路或特殊線路（如短線），也需考慮裝設(shè)縱聯(lián)保護(hù)的應(yīng)用要求。因此，在微機(jī)保護(hù)方案設(shè)計中，保護(hù)功能配置應(yīng)涵蓋實際可能的各種應(yīng)用需要，并且，各種保護(hù)功能應(yīng)能根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行靈活的投退控制34。對于超高壓輸電線路，主保護(hù)為縱聯(lián)保護(hù)，且一般采用雙重化配置。階段式距離保護(hù)和零序電流保護(hù)主要作為

28、后備保護(hù)使用，其作用相對弱化。當(dāng)輸電線路發(fā)生內(nèi)部故障時，對階段式保護(hù)的動作靈敏度和速動性的要求可適當(dāng)降低。但對于高壓輸電線路，由于階段式距離保護(hù)和零序電流保護(hù)是其主要保護(hù)形式，因此，改善和提高階段式保護(hù)的性能具有重要作用，這也是在保護(hù)功能配置和原理選擇上應(yīng)注意的問題。對于距離保護(hù)，可考慮在傳統(tǒng)距離i段的基礎(chǔ)上，增設(shè)快速i段，以加快保護(hù)對出口嚴(yán)重故障的切除速度。對于高電阻接地短路這種非嚴(yán)重故障，由于故障電流不大，對系統(tǒng)的影響相對較小，此時不應(yīng)過分強(qiáng)調(diào)保護(hù)速動性的要求，以避免保護(hù)超越誤動。而需注意靈敏度的選取，防止發(fā)生特高阻接地故障時(如110kv線路經(jīng)100過渡電阻單相接地)，由于保護(hù)靈敏度不足

29、而導(dǎo)致保護(hù)拒動。對于高壓輸電線路，弱饋端保護(hù)是在保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計中面臨的突出問題。當(dāng)線路發(fā)生故障時，由于弱饋端系統(tǒng)正、負(fù)序阻抗較大，正、負(fù)序短路電流較小，給保護(hù)動作、故障選相等帶來了非常不利的影響，需要采取措施進(jìn)行特殊處理。2.1.3其它功能配置要求除保護(hù)功能外，為了便于運行人員的維護(hù)管理，保護(hù)系統(tǒng)還應(yīng)具有良好的人機(jī)交互接口。此外，保護(hù)裝置應(yīng)能提供盡可能詳實的故障數(shù)據(jù)記錄、事件記錄以及保護(hù)動作流程記錄等基礎(chǔ)信息，以滿足運行現(xiàn)場事故分析與處理以及保護(hù)動作行為分析的需要。保護(hù)裝置硬件應(yīng)具有高度的可靠性，且資源豐富，為保護(hù)功能的實現(xiàn)以及未來功能的擴(kuò)展提供良好的硬件支持。同時，應(yīng)配置多樣化的通訊接口，以滿

30、足就地pc機(jī)調(diào)試以及與變電站綜合自動化系統(tǒng)互連的應(yīng)用要求。2.2保護(hù)裝置的功能配置2.2.1保護(hù)功能配置方向縱聯(lián)元件在電力系統(tǒng)中，某些高壓輸電線路在系統(tǒng)中承擔(dān)聯(lián)絡(luò)線的功能，傳輸功率相對較大，對保障系統(tǒng)安全運行起著非常重要的作用，常用的階段式保護(hù)一段不能夠保護(hù)線路的全長，二、三段動作會需比較長的延時，如果線路末端發(fā)生故障且裝置僅配置距離保護(hù)，必將經(jīng)過一定延時才能切除故障，對系統(tǒng)穩(wěn)定可能造成很大的影響。此外，對于短線路，受測量精度的限制，距離元件保護(hù)范圍將縮短，其動作性能將明顯下降。為了高壓線路保護(hù)的不同應(yīng)用要求，裝置配備了全線速斷保護(hù)方向縱聯(lián)保護(hù)4546。方向縱聯(lián)保護(hù)是根據(jù)線路兩側(cè)

31、的方向元件對故障方向的識別結(jié)果，進(jìn)行比較判斷后決定是否跳閘。為了提高方向縱聯(lián)保護(hù)的性能，采用了基于序補(bǔ)償電壓模值比較方式構(gòu)成的新型方向元件。距離元件除三段式距離保護(hù)外，增設(shè)了突變量距離i段。突變量距離元件的設(shè)立，是為了給整個保護(hù)裝置提供快速動作的保護(hù)元件，以加速切除諸如出口性短路等類型的嚴(yán)重故障。它僅作用于故障發(fā)生后的初始時間段內(nèi)(一般作用時間是故障起始至在故障發(fā)生后40ms時間內(nèi))。之所以選擇突變量距離元件作為快速保護(hù)元件，是基于如下考慮：1該元件靈敏度高，耐受過渡電阻能力有所增大，且由于采用故障分量，不受負(fù)荷電流的影響。2采用比幅式動作方程實現(xiàn)保護(hù)功能，便于在微機(jī)保護(hù)中采用快

32、速算法。3在系統(tǒng)中有成熟的運行經(jīng)驗，易于現(xiàn)場接受。接地短路時由于各種因素的影響，可能會存在較大的過渡電阻，如何盡量減少過渡電阻對保護(hù)動作性能的影響是裝置必須考慮的問題。為此，將三段式距離元件分為相間距離元件和接地距離元件。對于三相短路、兩相短路、兩相接地短路等都采用相間距離元件，利用故障相電流、電壓差進(jìn)行阻抗測量，以消除兩相接地短路時，對地過渡電阻的影響。對于單相接地故障，采用接地距離元件進(jìn)行保護(hù)。由于相間測量阻抗不反映對地電阻，只需考慮較小弧光電阻的影響，而單相接地短路時可能存在較大的接地電阻。為保證距離繼電器正確動作，對相間距離元件和接地距離元件，必須考慮不同大小過渡電阻的影響。相間距離元

33、件選用的是圓特性阻抗繼電器，而接地距離元件采用耐過渡電阻能力很強(qiáng)的四邊形特性阻抗繼電器。四邊形的接地距離元件和圓特性的相間距離元件動作特性分別如圖2.1和圖2.2。當(dāng)手合和重合時，為保證出口故障時裝置能可靠動作，且考慮到手合或者重合故障多為本線故障，此時四邊形特性和圓特性距離繼電器自動切換成帶有一定的偏移特性。 圖2.1接地距離繼電器特性圖 2.2相間距離繼電器特性零序過流元件零序電流保護(hù)簡單、快速、靈敏度高，可作為接地故障的主要保護(hù)形式。裝置還配置了vi段式的零序過流保護(hù)，分別為不靈敏零序段、零序段、零序段、零序段、零序段，各段是否帶方向都可以經(jīng)控制字整定。不靈敏段是按照躲過非

34、全相運行時的最大零序電流來整定，對于高壓輸電線路，不靈敏段可以加快手合或重合接地故障時零序電流保護(hù)的動作速度。零序段主要用于反應(yīng)高阻接地故障。由于其靈敏度高，整定值低，為提高保護(hù)動作的安全性，可采用較長延時。為滿足運行現(xiàn)場的不同應(yīng)用要求，還配置有反時限零序電流保護(hù)，供用戶選擇。過流元件當(dāng)tv斷線時，裝置必須退出所有與電壓量有關(guān)的保護(hù)。由于高壓線路保護(hù)一般不采用雙重化配置，為了保證tv斷線時，線路不失去保護(hù)。增設(shè)了不帶方向的零序過流保護(hù)以及相過流保護(hù)。上述兩種保護(hù)在tv斷線后，投入使用。其它功能配置為保證線路發(fā)生瞬間故障后，能夠恢復(fù)正常供電，裝置配備有三相一次重合閘功

35、能?？梢愿鶕?jù)控制字選擇是否投入、選擇檢無壓或檢同期或不檢等不同重合方式。此外，保護(hù)還設(shè)置有后加速功能，保證手合或者重合閘后再次故障能夠快速切除。加速方式可根據(jù)需要靈活選擇，阻抗保護(hù)可選擇瞬時加速阻抗段、瞬時加速阻抗段、經(jīng)1.5s加速阻抗段，零序保護(hù)可以瞬時加速零序段、瞬時加速零序段。為保證距離保護(hù)在振蕩期間不發(fā)生誤動，裝置設(shè)置有振蕩閉鎖功能。為了加快系統(tǒng)振蕩期間發(fā)生故障時保護(hù)的動作速度，裝置設(shè)置了振蕩解閉元件，包括對稱故障開放元件和不對稱故障開放元件。裝置還具有ta、tv斷線檢測功能。如果檢測到tv、ta斷線，將閉鎖相關(guān)的保護(hù)元件，并給出告警信號。此外，保護(hù)裝置還具有較完善的硬件自檢功能，一旦

36、發(fā)現(xiàn)裝置異常，將根據(jù)具體故障情況，給出異常告警或閉鎖保護(hù)裝置。為便于事故分析和保護(hù)動作行為分析，設(shè)置有較詳細(xì)的故障數(shù)據(jù)記錄、事件記錄以及保護(hù)動作邏輯記錄等。2.2.2運行管理功能配置管理模件是微機(jī)型保護(hù)系統(tǒng)與使用者之間的信息橋梁，它一方面接受使用者輸入的整定值和控制命令，以執(zhí)行對保護(hù)系統(tǒng)的人工操作、調(diào)試以及數(shù)據(jù)信息獲取；另一方面則通過內(nèi)部通訊對保護(hù)系統(tǒng)的工作情況及系統(tǒng)本身狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測并能通過指示燈和人機(jī)界面及時反映故障訊號。為了更好地滿足現(xiàn)場運行維護(hù)管理的要求，設(shè)置有如下主要管理功能： 系統(tǒng)設(shè)置：完成裝置主要運行參數(shù)的設(shè)置，包括系統(tǒng)時間、密碼、通訊接口參數(shù)、cpu選擇等； 定值管理：包括定

37、值查詢、定值打印、定值修改、定值區(qū)調(diào)整等。由于保護(hù)裝置涉及的定值數(shù)較多，為便于管理，根據(jù)定值的應(yīng)用特點采用了分類管理模式。保護(hù)定值主要分為三種基本類型，即廠家定值、i類用戶定值和ii類用戶定值。廠家定值不對用戶開放，主要包括與保護(hù)裝置硬件相關(guān)的參數(shù)以及保護(hù)內(nèi)部使用的一些控制 參數(shù)；i類用戶定值指保護(hù)對象的系統(tǒng)參數(shù)，如電壓/電流一二次額定值，線路長度、單位長度正序/零序阻抗/容抗等定值；ii類用戶定值為保護(hù)軟件中各類判據(jù)的整定值。此外，軟壓板投退狀態(tài)及系統(tǒng)運行方式亦屬于定值范圍。使用人員可分區(qū)域查詢定值列表，列表的顯示內(nèi)容由內(nèi)部通訊從下層系統(tǒng)即時獲得；為了保證定值的安全性，修改定值需要輸入密碼確

38、認(rèn)。 報告管理：報告管理主要包括啟動報告（啟動/未發(fā)跳閘令）、故障報告（啟動/發(fā)跳閘令）以及事件報告等。各種報告分類管理，并可根據(jù)需要選擇上傳。 狀態(tài)監(jiān)測：可在線檢測線路當(dāng)前的主要運行參數(shù)以及各開關(guān)量工作狀態(tài)； 調(diào)試管理：包括模擬量通道調(diào)試、開入量通道調(diào)試以及開出通道調(diào)試等。當(dāng)進(jìn)入 調(diào)試管理時，將自動閉鎖所有保護(hù)功能，以防止裝置調(diào)試引起的保護(hù)誤動。2.3裝置的硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計2.3.1裝置的基本硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)保護(hù)裝置總體設(shè)計方案的功能特點，在硬件系統(tǒng)設(shè)計中采用了分層、多cpu并行工作的結(jié)構(gòu)模式。保護(hù)裝置采用了兩個獨立的數(shù)字信號處理器（dsp）插件構(gòu)成保護(hù)單元。兩個dsp插件硬件結(jié)構(gòu)完全相同，公用模

39、擬量和開關(guān)量輸入信號，其啟動元件接點串連于跳閘插件的電源回路，只有當(dāng)兩塊dsp插件均發(fā)出啟動跳閘信號時，裝置才能對外給出跳閘接點信號。采用這種方式，可有效防止dsp硬件故障導(dǎo)致保護(hù)誤跳閘。每塊dsp插件配置有相同的保護(hù)程序，可獨立完成ad轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、保護(hù)啟動、故障判斷、邏輯出口等功能。裝置人機(jī)交互以及對外通訊通過管理單元插件完成。管理單元與保護(hù)單元之間僅通過串口通訊方式互連，且管理單元故障不影響保護(hù)單元的正常工作。這種分層式結(jié)構(gòu)有助于提高保護(hù)單元工作的可靠性。除保護(hù)單元插件和管理單元插件外，裝置還包含有交流輸入插件、信號板插件、跳閘板插件、電源插件以及母線電壓切換插件等輔助插件。整個裝置采

40、用6u的背插式結(jié)構(gòu)，各插件之間通過母板上的at96總線實現(xiàn)互連，實現(xiàn)強(qiáng)弱電的分開，有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性能，提高了保護(hù)的可靠性。裝置的機(jī)箱結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。跳閘板插件信號板插件電源管理板插件dsp板1dsp板2交流輸入插件電壓切換箱圖2.3機(jī)箱結(jié)構(gòu)框圖2.3.2主要插件的選型與設(shè)計1保護(hù)單元插件（dsp板）保護(hù)單元插件是微機(jī)型保護(hù)系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)裝置的保護(hù)功能。微處理器的性能直接決定了保護(hù)裝置的性能，在充分考慮電力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求和當(dāng)前工控機(jī)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，保護(hù)裝置選用了ktdsp5081型號的dsp板構(gòu)成保護(hù)單元。該板具有結(jié)構(gòu)緊湊、資源豐富、擴(kuò)展性好、抗干擾能力強(qiáng)及運行可靠等

41、優(yōu)點，可較好滿足高壓保護(hù)的開發(fā)應(yīng)用要求。ktdsp5081是一塊專用智能型dsp板，cpu采用ti公司的tms320vc33數(shù)字信號處理器，板上帶有32路16位模擬量輸入通道，24路開關(guān)量輸入以及30路開關(guān)量輸出；34k×32位的高速片內(nèi)ram存儲器和256k×32位的片外高速ram存儲器；128k×8位的只讀存儲器eprom，用于存放保護(hù)程序，16k×8位字節(jié)的串行eeprom，用于存放定值，1m×8位的帶電保持nvram存儲器，用于存放故障報告和事件記錄等。板內(nèi)各類存儲器、定時器、串口、中斷等所有硬件資源按照存儲器訪問方式統(tǒng)一進(jìn)行編址。為便

42、于調(diào)試和與管理板進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，dsp板配置有rs232、rs422/485串口。2管理單元插件17管理單元是微機(jī)型保護(hù)系統(tǒng)與使用者之間的信息橋梁，它一方面接受使用者輸入的整定值和控制命令，以執(zhí)行對保護(hù)系統(tǒng)的人工操作、調(diào)試以及數(shù)據(jù)信息獲?。涣硪环矫鎰t通過內(nèi)部通訊對保護(hù)系統(tǒng)的工作情況及系統(tǒng)本身狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測并能通過指示燈和人機(jī)界面及時反映故障訊號。考慮擴(kuò)展性和可靠性的緣故，管理板插件的處理核心選用的是美國z-world公司和rabbit半導(dǎo)體公司合作的產(chǎn)品rcm2200。rcm2200模塊采用了rabbit 2000微處理器，具有256k的flash及128k的sram，4個串口，26個i/o口

43、。在rcm2200模塊的基礎(chǔ)上，配置有漢化的液晶顯示器、九鍵的操作面板、時鐘芯片、多樣化的通訊接口，使管理板功能強(qiáng)大，操作簡單方便。管理板插件對內(nèi)完成與dsp插件的通信管理，對外實現(xiàn)dsp插件主要數(shù)據(jù)顯示以及外部通信功能，主要功能包括通過485總線與兩塊dsp板進(jìn)行通信，接受現(xiàn)場運行人員或遠(yuǎn)程控制終端發(fā)出的控制命令，實現(xiàn)對保護(hù)裝置的操作、調(diào)試以及數(shù)據(jù)信息獲取，對保護(hù)裝置工作狀態(tài)以及對保護(hù)對象進(jìn)行實時監(jiān)測，控制液晶模塊的界面顯示等?；居布Y(jié)構(gòu)如圖2.4所示。圖2.4管理板的功能3交流輸入插件保護(hù)裝置的交流輸入插件主要用于對輸入模擬量信號的隔離、變換。通過電壓、電流變換器將電壓互感器提供的二次電

44、壓，電流互感器提供的二次電流進(jìn)一步變換，以適應(yīng)弱電元件的要求；同時，輸入變換器還擔(dān)負(fù)著在二次回路與繼電保護(hù)裝置內(nèi)部電路之間實現(xiàn)電氣隔離和電磁屏蔽的作用，以保障人身及保護(hù)裝置內(nèi)部弱電元件的安全，減少來自高壓設(shè)備對弱電元件的干擾7。針對微機(jī)型線路保護(hù)的需要，模擬量輸入接口部件提供了三相電壓、零序電壓、線路電壓共5個電壓信號變換通道和保護(hù)用三相電流、測量用三相電流共6個電流信號變換通道。4信號板插件信號板插件為繼電保護(hù)裝置輸入輸出的開關(guān)量提供帶隔離的傳輸通道，同時用于驅(qū)動相關(guān)的信號繼電器和指示燈。為了提高裝置的抗干擾能力以及便于與外部開關(guān)量輸入信號互連，所有的外部開關(guān)量輸入信號不直接接入保護(hù)單元，而

45、首先通過信號板進(jìn)行光電隔離，經(jīng)過隔離后的信號提供給保護(hù)單元插件。由保護(hù)單元給出的各類告警信號接入信號板插件，驅(qū)動相應(yīng)的信號繼電器動作。信號繼電器的一對常開接點用于控制面板信號燈，另一對常開接點作為接點信號輸出。此外，信號板上還安裝有兩個啟動繼電器，由兩塊保護(hù)單元插件分別控制，兩個啟動繼電器的常開接點串接于跳閘板插件的24v電源回路，用于開放跳閘電源，以實現(xiàn)兩塊保護(hù)單元的互閉功能。5其他插件跳閘插件是一組中間繼電器，它的功能是接受dsp板的一部分開出信號，通過相應(yīng)的中間繼電器驅(qū)動斷路器跳閘線圈，完成跳閘操作。電源插件用于為微機(jī)保護(hù)裝置提供正常工作所需的各類電壓源。電源插件輸入電壓為交直流兩用22

46、0v，輸出電壓為5v、+15v、-15v、+24v供保護(hù)裝置使用。母線電壓切換插件主要用于當(dāng)線路所接母線進(jìn)行倒換操作后，自動對輸入裝置的電壓信號進(jìn)行切換。此外，保護(hù)裝置的液晶模塊、鍵盤以及打印機(jī)口作為人機(jī)接口的組成部分均安裝在面板上以方便操作，由管理板插件通過保護(hù)裝置母板上的at96總線對其進(jìn)行控制。2.4本章小結(jié)本章介紹了保護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計方案以及裝置的基本硬件結(jié)構(gòu)和特點。保護(hù)方案功能配置齊全，可較好滿足高壓線路保護(hù)的應(yīng)用要求。裝置硬件平臺采用分層、多cpu并行工作模式，運行可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)。保護(hù)單元以數(shù)字信號處理器為核心構(gòu)成，計算速度快，存儲容量大，可為保護(hù)功能的實現(xiàn)提供良好的硬件支持。

47、管理和通訊功能由單獨的管理模件完成，資源豐富，便于功能擴(kuò)展。3高壓輸電線路微機(jī)保護(hù)主要元件的基本原理為適應(yīng)高壓輸電線路運行的需要，裝置配備了多種原理的保護(hù)，本章主要介紹了高壓線路保護(hù)裝置的各保護(hù)功能模塊的方案原理。3.1方向縱聯(lián)元件在某些特殊應(yīng)用場合，高壓輸電線路要求保護(hù)全線速動，為此，裝置配備了方向縱聯(lián)保護(hù)作為全線速動保護(hù)。方向縱聯(lián)保護(hù)是由線路兩側(cè)的方向元件分別對故障的方向做出判斷，然后對兩側(cè)的故障方向判別結(jié)果進(jìn)行比較以決定是否跳閘。為了改善方向縱聯(lián)保護(hù)的性能，采用了基于序補(bǔ)償電壓模值比較的新型故障方向識別元件來構(gòu)成方向縱聯(lián)保護(hù)。序補(bǔ)償電壓方向元件包括正序突變量方向元件、負(fù)序方向元件和零序方向元件。3.1.1基于補(bǔ)償電壓的正序突變量方向元件基于補(bǔ)償電壓的正序突變量方向元件是利用正、反方向故障時正序補(bǔ)償電壓突變量與母線正序電壓突變量之間的幅值變化來判斷故障方向11。正序突變量在各種故障情況下都存在，具有一定抗振蕩的能力，這種方向