第七章微機(jī)保護(hù)與綜合自動(dòng)化

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電郵:Gao_shi_bin@126.com電話:87600730

6.1微機(jī)保護(hù)基本原理6.1.1微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)及發(fā)展微機(jī)保護(hù)主要特點(diǎn) ◆改善、提高保護(hù)性能，動(dòng)作正確率高 ◆易于獲得附加功能

◆維護(hù)調(diào)試工作量小 ◆可靠性高 ◆硬件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì) ◆使用靈活方便，人機(jī)界面友好 ◆可以進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控第六章微機(jī)保護(hù)與綜合自動(dòng)化繼電保護(hù)新技術(shù)自適應(yīng)控制技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與小波 ◆故障類型的判別 ◆故障測(cè)距 ◆方向保護(hù) ◆主設(shè)備保護(hù)智能化檢測(cè)與自動(dòng)測(cè)試 ◆數(shù)字化測(cè)試手段 ◆動(dòng)作行為分析的透明化6.1.2微機(jī)保護(hù)硬件構(gòu)成

微機(jī)保護(hù)裝置硬件原理示意圖

數(shù)據(jù)采集單元電壓形成回路模擬量濾波回路模數(shù)轉(zhuǎn)換回路◆基于逐次逼近原理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（AD）◆基于電壓-頻率轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（VFC）兩種模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的特點(diǎn)如下：◆輸出數(shù)據(jù)格式（AD：二進(jìn)制編碼，可直接進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算；VFC：脈沖個(gè)數(shù)，需要將相鄰兩次計(jì)數(shù)值相減后才能進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算）◆分辨率（AD：A/D芯片的位數(shù)；VFC：VFC芯片的最高轉(zhuǎn)換頻率和采樣間隔）◆抗干擾性（AD：不便于實(shí)現(xiàn)光電隔離，抗干擾能力較差；VFC：便于實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)之間的隔離，抗干擾能力強(qiáng)）保護(hù)CPU單元保護(hù)CPU單元原理框圖開關(guān)量輸入/輸出單元開關(guān)量輸入電路原理圖開關(guān)量輸出電路原理圖人機(jī)接口與通信CPU單元

人機(jī)接口單元原理框圖對(duì)微機(jī)保護(hù)硬件的要求 ◆高可靠性 ◆開放性 ◆通用性 ◆靈活性和可擴(kuò)展性 ◆模塊化與智能化狀態(tài)檢測(cè)

即數(shù)學(xué)模型，不同算法可實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)的功能。模擬式保護(hù)的特性和功能完全由裝置（硬件）決定，而微機(jī)保護(hù)的硬件是共同的，保護(hù)的特性與功能主要由軟件決定。算法的核心是算出可表征被保護(hù)對(duì)象運(yùn)行特點(diǎn)的物理量，如電壓、電流有效值和相位等，序分量，基波分量等。用這些基本電氣量的計(jì)算值，構(gòu)成各種不同原理的保護(hù)。算法分基本算法和繼電器算法。前者是計(jì)算被測(cè)電氣量的大小和相位的方法，它們是微機(jī)保護(hù)的基礎(chǔ)；后者是根據(jù)繼電器的動(dòng)作特性擬定的算法，也稱動(dòng)作特性算法。評(píng)價(jià)算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)：算法的精度和運(yùn)算速度。速度包括：算法要求的采樣點(diǎn)數(shù)（數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度），算法運(yùn)算工作量。研究算法實(shí)質(zhì)是在速度和精度上進(jìn)行權(quán)衡。

全波傅立葉算法是應(yīng)用最廣泛、并能滿足精度要求的一種，以傅立葉級(jí)數(shù)為基礎(chǔ)，適用任何周期函數(shù)的輸入信號(hào)。6.1.3微機(jī)保護(hù)算法、電壓

輸入模擬信號(hào)，都可按傅氏級(jí)數(shù)表達(dá)為含有直流分量

、和各種諧波分量

、的形式，如

為：

分別為次諧波的余弦和正弦分量電流；

和電流角頻率。

為基頻、作樣本分

別與上式相乘，并取一周期

T積分，由正交函數(shù)特性得到

消去

和各次諧波分量的

和表達(dá)式，為

電流

利用正、余弦正交函數(shù)集的相應(yīng)正交函數(shù)作樣本函數(shù)，與上式相關(guān)，如獲取基波分量電流時(shí)，用

設(shè)每工頻周期采樣N次，對(duì)上式用梯形法數(shù)值積分來代替，則得、分別為第次采樣及其電流采樣值。

和意義為一周期（T）中

采樣值余弦和正弦分

量的加權(quán)平均值。同理求出和分量，則基波電流、電壓和復(fù)數(shù)形式和功率因數(shù)角分別為

需要指出，暫態(tài)的衰減直流分量將對(duì)傅氏算法基波和諧波分量計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，應(yīng)采用數(shù)字濾波進(jìn)行補(bǔ)償。6.1.4保護(hù)原理、配置及整定計(jì)算變壓器保護(hù)變壓器比率制動(dòng)保護(hù)Y/Δ-11變壓器差動(dòng)保護(hù)接線變壓器平衡系數(shù)電流平衡關(guān)系差動(dòng)電流和制動(dòng)電流的計(jì)算

BC相、CA相差動(dòng)電流、制動(dòng)電流計(jì)算類似。差動(dòng)保護(hù)

①差動(dòng)速斷 按躲過變壓器的合閘涌流整定，一般整定為變壓器額定電流的7～15倍

②比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)0.1～1.0Ie0.2～2.0Ie0.2～10Ie0.2～0.80.2～0.8③二次諧波閉鎖低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)

電流按 整定 電壓一般牽引網(wǎng)額定電壓的60%～70%整定

高壓側(cè)低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)原理框圖α相低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)原理框

β相低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)原理框圖零序過電流保護(hù)原理框圖

整定按經(jīng)驗(yàn)公式

反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)一般反時(shí)限特性：甚反時(shí)限特性：

極度反時(shí)限特性：

牽引網(wǎng)饋線保護(hù)自適應(yīng)距離保護(hù)電流速斷保護(hù)原理框圖電流增量保護(hù)原理框圖動(dòng)作方程為：

反時(shí)限過負(fù)荷保護(hù)一般反時(shí)限特性：甚反時(shí)限特性：

極度反時(shí)限特性： 饋線保護(hù)配置及整定單線單邊供電方式

保護(hù)配置： ◆阻抗Ⅰ段 ◆電流速斷 ◆電流增量（可選配）保護(hù)整定：

a)阻抗Ⅰ段 ◆電抗邊整定 按線路全長(zhǎng)整定 ◆電阻邊整定 按負(fù)荷阻抗整定b)電流速斷為最大負(fù)荷電流，為可靠系數(shù)c)電流增量為一列車的啟動(dòng)電流，為可靠系數(shù)單線越區(qū)供電方式保護(hù)配置： ◆阻抗Ⅰ段 ◆阻抗Ⅱ段 ◆電流速斷 ◆電流增量（可選配）保護(hù)整定：a)阻抗Ⅰ段 ◆電抗邊整定 按線路全長(zhǎng)L1的85%整定 ◆電阻邊整定 與單線單邊供電方式下的整定相同b)阻抗Ⅱ段 ◆電抗邊整定 按被保護(hù)線路全長(zhǎng)（L1+L2）整定

◆電阻邊整定與單線單邊供電方式下的整定相同c)電流速斷 電流速斷按分區(qū)所SP處最大短路電流整定

d)電流增量 與單線單邊供電方式下的整定相同復(fù)線單邊供電方式保護(hù)配置：變電所SS處D1、D2分區(qū)所SP處D3◆阻抗Ⅰ段 ◆正向阻抗Ⅰ段◆阻抗Ⅱ段 ◆反向阻抗Ⅰ段◆電流速斷 ◆電流速斷◆電流增量（可選配） ◆電流增量（可選配）a)變電所SS的保護(hù)整定◆阻抗Ⅰ段

◆阻抗Ⅱ段◆電流速斷 電流速斷按分區(qū)所SP處最大短路電流整定

◆電流增量

保護(hù)整定：b)分區(qū)所SP的保護(hù)整定◆正向、方向阻抗Ⅰ段的整定◆電流速斷按一列車的最大負(fù)荷電流整定

為一列車的最大負(fù)荷電流◆電流增量并補(bǔ)保護(hù)保護(hù)配置：電流速斷保護(hù)過電流保護(hù)諧波過電流保護(hù)差電流保護(hù)差電壓保護(hù)低電壓保護(hù)過電壓保護(hù)

保護(hù)整定：電流速斷保護(hù)按躲過并補(bǔ)裝置的最大合閘涌流整定

涌流計(jì)算公式為過電流保護(hù)電流按電容器組的額定電流整定，時(shí)限按躲過并補(bǔ)裝置合閘涌流的最大持續(xù)時(shí)間來整定。諧波過電流保護(hù)動(dòng)作電流：

典型時(shí)限：120s差電流保護(hù)

動(dòng)作電流：

為同型系數(shù)，頂流互與底流互同型時(shí)取0.5，不同型取1；為流互最大允許誤差，取0.1。 典型時(shí)限：0.5s差電壓保護(hù)

①確定電容器組中故障電容器端電壓超過1.1倍額定電壓時(shí)，熔斷器切除電容器的臺(tái)數(shù)K，按下式計(jì)算

M為并聯(lián)電容器數(shù)；N為串聯(lián)電容器數(shù)；D為補(bǔ)償度；為母線最高電壓；為電容器組額定電壓。

②計(jì)算差電壓有擊穿電容支路電容量：（M-K）C完好部分電容量：MC/（N-1）電感部分電抗：DN/ωMC流過補(bǔ)償支路電流可以根據(jù)下式求出：有擊穿電容部分電容上的電壓為：無擊穿電容部分電容上的電壓為：差壓回路的電壓為：

③計(jì)算差電壓整定值

動(dòng)作電壓：典型時(shí)限：0.1～0.2s低電壓保護(hù) 動(dòng)作電壓：一般按0.5～0.6倍牽引網(wǎng)額定電壓整定。 典型時(shí)限：為0.5～1s。

過電壓保護(hù)

一般按電容器組額定電壓的1.05～1.1倍整定。

取1.05～1.1，為電容器組額定電壓

典型時(shí)限：1～5s整定計(jì)算實(shí)例⑴系統(tǒng)參數(shù)①電力系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)容量=100MVA，=0.3129,=0.3193=115kV②牽引主變壓器參數(shù)

Y/Δ-11變壓器

變壓器容量=20MVA

短路電抗=10.62%

高壓側(cè)CT變比=40

低壓側(cè)CT變比=150

零序CT變比=20

③接觸網(wǎng)參數(shù)采用單線單邊供電方式最大負(fù)荷電流=610A接觸網(wǎng)單位阻抗=0.263+j0.565Ω/km供電臂長(zhǎng)度L=26.08kmCT變比=150④并補(bǔ)裝置參數(shù)電容組為6并4串額定容量=2400kVar額定電壓=42kV過流CT變比=40，差流CT變比=30⑵變壓器保護(hù)整定計(jì)算①變壓器額定電流高壓側(cè)額定電流：低壓側(cè)額定電流：對(duì)于Yn,d11接線牽引變壓器②短路電流變壓器短路電抗：最大運(yùn)行方式下的短路電流為：最小運(yùn)行方式下的短路電流為：③平衡系數(shù)整定

④差動(dòng)速斷保護(hù)⑤比率差動(dòng)保護(hù) ◆差動(dòng)電流 ◆制動(dòng)電流Ⅰ段 ◆制動(dòng)電流Ⅱ段 ◆Ⅰ段比率 ◆Ⅱ段比率⑥低壓?jiǎn)?dòng)⑦高壓側(cè)過電流

時(shí)限：T=1.2s

⑧低壓側(cè)過電流 時(shí)限：T=0.9s

⑨零序過電流 時(shí)限：T=3.5s

⑩一般反時(shí)限過負(fù)荷 時(shí)間常數(shù)：t=1.23s⑶饋線保護(hù)整定計(jì)算①電流速斷保護(hù) 時(shí)限：T=0.1s②阻抗Ⅰ段保護(hù)

時(shí)限：T=0.1s③電流增量保護(hù)

時(shí)限：T=0.1s⑷并補(bǔ)保護(hù)整定計(jì)算①電容器組額定電流和容抗②并補(bǔ)合閘涌流

③電流速斷保護(hù)④過電流保護(hù) 時(shí)限：T=5s

⑤諧波過電流保護(hù)

時(shí)限：T=120s

⑥差電流保護(hù) 時(shí)限：T=0.5s

⑦低電壓保護(hù) 時(shí)限：T=0.5s⑧過電壓保護(hù)

時(shí)限：T=5s

⑨差電壓保護(hù) a)根據(jù)公式計(jì)算K

求出K≥2.69，取K=3。 b)根據(jù)公式計(jì)算差電壓為

c)根據(jù)公式 計(jì)算差電壓整定值 時(shí)限：T=0.5s

6.1.5提高微機(jī)保護(hù)可靠性的措施①抗干擾措施 ⑴隔離與屏蔽措施 ◆光電隔離 ◆變壓器隔離 ◆繼電器隔離 ⑵濾波與去耦 ◆數(shù)據(jù)采集單元中的模擬低通濾波器 ◆集成電路芯片旁的去耦電路 ◆電源入口處的抗干擾電容 ⑶硬件自復(fù)位電路 ⑷硬件冗余設(shè)計(jì) ◆完全雙重化的保護(hù)配置 ◆裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)部分插件的雙重化或熱備用 ◆部分元件采用表決方案 ⑸出口跳閘回路閉鎖 ◆雙線驅(qū)動(dòng)命令編碼方式 ◆出口電源受告警繼電器和啟動(dòng)元件控制②自動(dòng)檢測(cè) ◆存儲(chǔ)器自檢 ◆程序和定值自檢 ◆數(shù)據(jù)采集單元自檢 ◆開關(guān)量輸入通道自檢 ◆開關(guān)量輸出回路自檢6.2綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的功能及構(gòu)成6.2.1綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展概況①發(fā)展概況

⑴分立元件的自動(dòng)化裝置階段◆20世紀(jì)70年代以前；◆主要采用模擬電路，由晶體管等分立元件組成；◆各裝置獨(dú)立運(yùn)行，互不相干；◆缺乏智能性，沒有故障自診斷能力。⑵智能自動(dòng)裝置階段◆微機(jī)保護(hù)裝置、微機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)裝置；◆具有故障自診斷能力；◆獨(dú)立運(yùn)行，不能資源共享。

⑶綜合自動(dòng)化系統(tǒng)階段國(guó)外發(fā)展概況◆始于20世紀(jì)70年代 日本的SDCS-1系統(tǒng) 西門子的LSA678系統(tǒng) ABB的SCS100系統(tǒng)（中低壓）、SCS200系統(tǒng)（高壓）◆最新進(jìn)展（基于IEC61850） ABB的MicroSCADAPro變電站自動(dòng)化系統(tǒng)（SYS600）間隔層：IED670系列智能化微機(jī)保護(hù)及控制裝置 西門子的SICAMPAS系統(tǒng)間隔層：SIPROTEC系列間隔控制單元

國(guó)內(nèi)發(fā)展概況 ◆以RTU為基礎(chǔ)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng) ◆集中式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

②傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺陷 組成：繼電保護(hù)+RTU的模式 ◆安全性、可靠性不高 ◆占地面積大，增加了投資 ◆維護(hù)工作量大，設(shè)備可靠性差③發(fā)展方向 全數(shù)字化綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：◆智能化的一次設(shè)備 ◆網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備◆自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)6.2.2綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成①系統(tǒng)構(gòu)成

⑴變電所層當(dāng)?shù)乇O(jiān)控單元 ◆當(dāng)?shù)乇O(jiān)控功能 ◆系統(tǒng)維護(hù)功能 ◆實(shí)時(shí)及報(bào)表打印功能遠(yuǎn)動(dòng)通信單元⑵間隔層牽引主變壓器單元 ◆保護(hù)功能 ◆測(cè)量功能 ◆控制功能 ◆故障錄波和負(fù)荷錄波功能 ◆備用電源自投功能饋線單元 ◆保護(hù)功能 ◆測(cè)量功能 ◆控制功能 ◆故障錄波和負(fù)荷錄