供配電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)與綜合自動化

供配電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)與綜合自動化

內(nèi)容提要：微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)、構(gòu)成及保護(hù)算法的概念

工廠線路、變壓器和高壓電動機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)例

配電自動化系統(tǒng)的基本概念、組成、內(nèi)容及其功能

變電站綜合自動化的基本概念和結(jié)構(gòu)

7.1供配電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)

微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)的各個方面及各種電壓等級上均有較大的發(fā)展，如線路保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。

現(xiàn)代繼電保護(hù)裝置的發(fā)展趨勢：

微機(jī)控制化

保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化

算法智能化

功能一體化

7.1.1微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成微機(jī)保護(hù)的硬件部分由四部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CPU主系統(tǒng)開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)外圍設(shè)備

圖7.1微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成框圖

1．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱模擬量輸入系統(tǒng)。

②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電壓形成、模擬濾波器（ALF）、采樣保持（S/H）、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)（MPX）與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）幾個環(huán)節(jié)組成。采樣保持器：是對連續(xù)變化的模擬信號定時測量,抽取樣值。通過采樣,一個在時間上連續(xù)變化的模擬信號就轉(zhuǎn)換為隨時間變化的脈沖信號。實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換時的必須的抽樣---保持電路。

③其作用是將電壓互感器（TV）和電流互感器（TA）二次輸出的電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后送入CPU主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。

2．CPU

主系統(tǒng)

微機(jī)保護(hù)的CPU主系統(tǒng)是由MPU微處理器、EPROM可編程只讀存儲器、RAM隨機(jī)存儲器、定時器、接口板以及打印機(jī)等外圍設(shè)備組成。它實(shí)際上是由各種芯片搭成的專用計(jì)算機(jī)，或者使用單片機(jī)構(gòu)成。

3．開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)

開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)的主要作用是輸出跳閘、信號等信息。與外圍設(shè)備包括打印機(jī)和調(diào)試、整定設(shè)備等接口。為了防止干擾的入侵，通常經(jīng)過光電隔離電路將開關(guān)量輸入/輸出回路與微機(jī)保護(hù)的主系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的隔離，使兩者不存在電的直接聯(lián)系。7.1.2微機(jī)保護(hù)的軟件系統(tǒng)

微機(jī)保護(hù)軟件系統(tǒng)的組成：初始化模塊數(shù)據(jù)采集管理模塊故障檢出模塊

數(shù)字濾波模塊故障計(jì)算模塊自檢模塊7.1.3

微機(jī)保護(hù)的算法微機(jī)保護(hù)的算法——是將離散的數(shù)字信號，經(jīng)過某種運(yùn)算，求出電流、電壓幅值、相位的過程。

常用的保護(hù)算法：導(dǎo)數(shù)式算法全波傅立葉算法最小二乘算法

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合。7.2

線路的微機(jī)保護(hù)

7.2.1線路保護(hù)配置的基本原則1.10kV線路保護(hù)配置（1）10kV架空線路和電纜線路應(yīng)裝設(shè)相間短路保護(hù)，保護(hù)裝置采用兩相式接線，并在所有出線中皆裝設(shè)在同名的兩相上，通常裝設(shè)在A、C兩相上，以保證當(dāng)發(fā)生不在同出線上的兩點(diǎn)單相接地時有2/3機(jī)會切除一個故障點(diǎn)。（2）10kV線路保護(hù)護(hù)，一般般以電流流速斷保保護(hù)為主主，以過過流保護(hù)護(hù)作為后后備保護(hù)護(hù)，保護(hù)護(hù)裝置采采用的是是遠(yuǎn)后備備方式。。（3）10kV線路在下下述情況況下必須須裝設(shè)電電流速斷斷保護(hù):①對于發(fā)發(fā)電廠廠母線線上的的出線線發(fā)生生短路路時，，母線線電壓壓如果果低于于0.55~0.65倍額定定電壓壓，則則應(yīng)由由電流流速斷斷保護(hù)護(hù)切除除；對對變電電所而言言，當(dāng)當(dāng)線路路上發(fā)發(fā)生短短路，，變電電所母母線電電壓大大量下下降時時，也應(yīng)裝裝設(shè)電電流速速斷保保護(hù)。②導(dǎo)線截截面不不允許許延時時切除除短路路電流流時，，應(yīng)裝裝設(shè)電電流速速斷保護(hù)。。1.10kV線路保保護(hù)配配置（1）35kV單側(cè)電電源線線路保保護(hù)（2）35kV雙側(cè)電電源線線路保保護(hù)對于35kV雙側(cè)電電源的的單回回線路路通常常裝設(shè)設(shè)兩相相方向向電流流保護(hù)護(hù)和兩兩相三三繼電電器帶帶時限限方向向過流流保護(hù)護(hù)，并并附以以檢查無無電壓壓或同同期的的三相相一次次重合合閘。。三相重重合閘閘，是是指不不論在在輸、、配電電線上上發(fā)生生單相相短路路還是是相間間短路路時，，繼電電保護(hù)護(hù)裝置置均將將線路路三相相斷路路器同同時跳跳開，，然后后啟動動自動動重合合閘再再同時時重新新合三三相斷斷路器器的方方式。電力系統(tǒng)運(yùn)運(yùn)行經(jīng)經(jīng)驗(yàn)證證明，，架空空線路路的故故障大大都是是暫時時的，，例如如：由由于雷雷電過過電壓壓引起起的絕絕緣子子表面面閃絡(luò)絡(luò)，大大風(fēng)引引起的的短時時碰線線，通通過鳥鳥類身身體的的放電電以及及樹枝枝等物物掉落落在導(dǎo)導(dǎo)線上上引起起的短短路等等。當(dāng)當(dāng)故障障線路路被迅迅速斷斷開之之后，，電弧弧即行行消滅滅，故故障點(diǎn)點(diǎn)的絕絕緣強(qiáng)強(qiáng)度重重新恢恢復(fù)，，因此此在線線路被被斷開開以后后再進(jìn)進(jìn)行一一次重重合閘閘，就就有可可能大大大提提高供供電的的可靠靠性。。通常設(shè)設(shè)計(jì)成成兩相相式電電流速速斷保保護(hù)和和兩相相三電電流繼繼電器器帶時限的的電流流保護(hù)護(hù)，電電流速速斷經(jīng)經(jīng)出口口繼電電器跳跳開斷斷路器器，而帶時時限保保護(hù)經(jīng)經(jīng)時延延跳開開斷路路器。。2．35kV線路保保護(hù)配配置7.2.210kV線路微微機(jī)保保護(hù)這里所所介紹紹的微微機(jī)保保護(hù)裝裝置的的CPU采用ATmega128單片機(jī)機(jī)，MAX125芯片進(jìn)進(jìn)行交交流信信號的的采集集，顯顯示部部分采采用帶帶字庫庫的液液晶顯顯示模模塊，，通信信物理理接口口是RS-485，采用用ModBus通信規(guī)規(guī)約，，組網(wǎng)網(wǎng)方便便，可可直接接與微微機(jī)監(jiān)監(jiān)控或或保護(hù)護(hù)管理理機(jī)聯(lián)聯(lián)網(wǎng)通通信。。軟件件部分分能準(zhǔn)準(zhǔn)確計(jì)計(jì)算各各項(xiàng)電電量參參數(shù)，，可實(shí)實(shí)現(xiàn)10套定值值的獨(dú)獨(dú)立整整定（（設(shè)定定），，包含含11種線路路保護(hù)護(hù)算法法，并并可將將故障障報(bào)告告上傳傳。電氣設(shè)設(shè)備在在投入入正常常運(yùn)行行前必必須先先測試試設(shè)備備正常常運(yùn)行行電流流的大大小，，是否否在上上級保保護(hù)開開關(guān)的的整定電流范范圍之之內(nèi)。。整定電電流就就是空空氣開開關(guān)或或接觸觸器的的過流流保護(hù)護(hù)裝置置的動動作電電流值值，這這個數(shù)數(shù)值要要調(diào)整整的，，以保保正在在過流流時跳跳閘，，不能能小也也能大大，小小了會會誤動動作，，大了了不起起保護(hù)護(hù)。保護(hù)裝裝置硬硬件系系統(tǒng)總總體分分為7個部分分：數(shù)數(shù)據(jù)濾濾波采樣部部分、、CPU主電路路、開開關(guān)量量輸入入輸出出部分分、液晶顯顯示、、按鍵鍵電路路、通通訊電電路和和電源源電路路?？傮w設(shè)設(shè)計(jì)如如下圖圖7.21.保護(hù)裝裝置的的硬件件設(shè)計(jì)計(jì)圖7.2保護(hù)裝裝置的的硬件件結(jié)構(gòu)構(gòu)軟件設(shè)設(shè)計(jì)分分為整整定測測試部部分和和故障障判斷斷處理理2個部分分。整定部部分是是對各各種保保護(hù)定定值和和時限限按照照規(guī)定定的步步長和和范圍圍進(jìn)行行整定定。測試部部分是是對時時間日日期、、電壓壓、電電流、、頻率率等關(guān)關(guān)鍵參參數(shù)進(jìn)進(jìn)行測測試計(jì)計(jì)算。。故障判判斷處處理程程序是是根據(jù)據(jù)測試試部分分得到到的電電壓、、頻率率等參參數(shù)，，與存存儲的的整定定數(shù)值值進(jìn)行行比較較，按按照各各種故故障的的判據(jù)據(jù)，進(jìn)進(jìn)行分分析，，如果果符合合某種種故障障的條條件則則馬上上啟動動對應(yīng)應(yīng)的保保護(hù)動動作如如報(bào)警警或跳跳閘等等，并并生成成故障障報(bào)告告。2.保護(hù)裝裝置的的軟件件設(shè)計(jì)計(jì)圖7.3保護(hù)裝裝置主主程序序流程程圖圖7.3保護(hù)裝裝置主主程序序流程程圖變壓器器成套套微機(jī)機(jī)保護(hù)護(hù)裝置置作為為新一一代數(shù)數(shù)字式式變電電站變變壓器器的各各種短短路故故障和和不正正常運(yùn)運(yùn)行狀狀態(tài)的的成套套保護(hù)護(hù)測控控裝置置，適適用于于電力力系統(tǒng)統(tǒng)35kV、110kV變電站站的雙雙繞組組及三三繞組組變壓壓器，，由變變壓器器主保保護(hù)單單元和和后備備保護(hù)護(hù)單元元兩部部分組組成。。7.3變壓器器的微微機(jī)保保護(hù)變壓器器微機(jī)機(jī)保護(hù)護(hù)有主主保護(hù)護(hù)系統(tǒng)統(tǒng)和后后備保保護(hù)系系統(tǒng)。。1.變壓器器差動動保護(hù)護(hù)變壓器器差動動保護(hù)護(hù)與瓦瓦斯保保護(hù)聯(lián)聯(lián)合構(gòu)構(gòu)成變變壓器器的主主保護(hù)護(hù)，用用來保保護(hù)變變壓器器的內(nèi)內(nèi)部故故障。。變壓器器的差差動保保護(hù)是是變壓壓器的的主保保護(hù)，，是按按循環(huán)環(huán)電流流原理理裝設(shè)設(shè)的。。主主要用用來保保護(hù)雙雙繞組組或三三繞組組變壓壓器繞繞組內(nèi)內(nèi)部及及其引引出線線上發(fā)發(fā)生的的各種種相間間短路路故障障，同同時也也可以以用來來保護(hù)護(hù)變壓壓器單單相匝匝間短短路故故障。。瓦斯繼繼電器器（又又稱氣氣體繼繼電器器）是是變壓壓器所所用的的一種種保護(hù)護(hù)裝置置，裝裝在變變壓器器的儲儲油柜柜和油油箱之之間的的管道道內(nèi)，，利用用變壓壓器內(nèi)內(nèi)部故故障而而使油油分解解產(chǎn)生生氣體體或造造成油油流涌涌動時時，使使氣體體繼電電器的的接點(diǎn)點(diǎn)動作作，接接通指指定的的控制制回路路，并并及時時發(fā)出出信號號告警警。2.變壓器器的后后備保保護(hù)變壓器器的后后備保保護(hù)是是用來來作為為外部部短路路和內(nèi)內(nèi)部短短路的的后備備保護(hù)護(hù)裝置置，稱稱為變變壓器器的后后備保保護(hù)。。7.3.1變壓器器微機(jī)機(jī)保護(hù)護(hù)的種種類和和配置置這里介介紹的的是一一中小小型工工廠10kV/0.4kV，容量量為3150kV·A的變壓壓器微微機(jī)保保護(hù)裝裝置的的設(shè)計(jì)計(jì)。該該裝置置的硬硬件部部分以以ATmega128處理器器為核核心，，主要要設(shè)計(jì)計(jì)了兩兩片14位A/D芯片MAX125和頻率率測量量電路路配合合，進(jìn)進(jìn)行實(shí)實(shí)時交交流采采樣的的電路路。軟軟件部部分主主要設(shè)設(shè)計(jì)了了頻率率測量量、交交流采采集控控制、、故障障處理理、顯顯示和和時鐘鐘等模模塊程程序。。7.3.2中小型型工廠廠10kV/0.4kV變壓器器微機(jī)機(jī)保護(hù)護(hù)1.保護(hù)裝裝置的的硬件件系統(tǒng)統(tǒng)圖7.4保護(hù)裝裝置的的硬件件結(jié)構(gòu)構(gòu)框圖圖2.保護(hù)裝裝置的的軟件件部分分該裝置置的軟軟件調(diào)調(diào)試使使用編編譯軟軟件AtmanAvrCIDE(Version4.1)，核心心是GNUC/C++CompilerAVRGCC3.3.2。它是是Atmel公司的的AVR系列單單片機(jī)應(yīng)用用AVRGCC編譯器器而開開發(fā)的的集成成開發(fā)發(fā)環(huán)境境，工程項(xiàng)項(xiàng)目采采用模模塊化化管理理，可可視化化編程程，文文本編編輯器器支持自自動提提示函函數(shù)參參數(shù)信信息，，函數(shù)數(shù)檢索索和插插入等等功能能。1）主程程序圖7.5主程序的流流程圖2)翻頁和設(shè)置置程序圖7.6設(shè)置程序流流程圖圖7.7菜單示意圖圖3）數(shù)據(jù)采集集程序圖7.8交流采集程程序流程圖圖4）故障處理理程序圖7.9故障處理程程序流程程圖高壓電動機(jī)機(jī)在運(yùn)行過過程中，可可能會發(fā)生生各種短路路故障或不不正常運(yùn)行行狀態(tài)。如如定子繞組組相間短路路，單相接接地故障，，供電網(wǎng)絡(luò)絡(luò)電壓和頻頻率的降低低而使電動動機(jī)轉(zhuǎn)速下下降等，這這些故障或或不正常運(yùn)運(yùn)行狀態(tài)，，若不及時時發(fā)現(xiàn)并加加以處理，，會引起電電動機(jī)嚴(yán)重重?fù)p壞，并并使供電回回路電壓顯顯著降低，，因此，必必須裝設(shè)相相應(yīng)的保護(hù)護(hù)裝置。7.4高壓電動機(jī)機(jī)的微機(jī)過過電流保保護(hù)7.4.110kV異步電動機(jī)機(jī)微機(jī)保護(hù)護(hù)1.微機(jī)保護(hù)裝裝置的硬件件設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)應(yīng)該該滿足以下下要求：抗干擾性可靠性快速性圖7.10保護(hù)裝置的的硬件系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.微機(jī)保護(hù)裝裝置的軟件件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程中中應(yīng)遵循以以下幾個原原則：采樣時間應(yīng)應(yīng)不受干擾擾.保護(hù)子程序序的重要性性次之，當(dāng)當(dāng)程序進(jìn)入入保護(hù)子程程序時，不能隨意切切換到其它它程序。各程序模塊塊保持相對對獨(dú)立和封封閉，有獨(dú)獨(dú)立的輸入入輸出，只定義一個個入口和出出口，避免免模塊之間間的交叉互互聯(lián)，信息通過全全局變量或或函數(shù)返回回值傳輸。。圖7.11總體程序流流程圖圖7.12采樣程序流流程圖圖7.13保護(hù)程序流流程圖圖7.14寫時鐘程序序流程圖圖7.15讀時鐘程序序流程圖7.5配電網(wǎng)自動動化配電網(wǎng)自動動化的主要要功能包括括如下主要要內(nèi)容：配電網(wǎng)調(diào)度度自動化系系統(tǒng)變電所、配配電所自動動化饋線自動化化（FA）自動制圖（（AM）/設(shè)備管理（（FM）/地理信息系系統(tǒng)（GIS）7.5.1數(shù)據(jù)采集與與監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)（SCADA）SCADA是“SupervisoryContro1andDataAcquisition”的縮寫，即即“監(jiān)視控制和和數(shù)據(jù)采集集”之意。配電網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)主要要要實(shí)現(xiàn)“四遙”功能：遙信完成采采集配電網(wǎng)網(wǎng)的各種開開關(guān)設(shè)備的的實(shí)時狀態(tài)態(tài)，通過配配電網(wǎng)的信信道送到監(jiān)監(jiān)控計(jì)算機(jī)機(jī)。遙測完成采采集配電網(wǎng)網(wǎng)的各種電電量（如電電流、電壓壓、用戶負(fù)負(fù)荷、電度度等）的實(shí)實(shí)時數(shù)值通通過配電網(wǎng)網(wǎng)的信道送送到監(jiān)控計(jì)計(jì)算機(jī)。遙控是由操操作人員通通過監(jiān)控計(jì)計(jì)算機(jī)發(fā)送送開關(guān)開合合命令，通過配電網(wǎng)網(wǎng)信息傳達(dá)達(dá)現(xiàn)場，使使現(xiàn)場的執(zhí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操操作開關(guān)的開合，，達(dá)到給用用戶供電、、停電等目目的。遙調(diào)是由操操作人員通通過監(jiān)控計(jì)計(jì)算機(jī)或高高級監(jiān)控程程序自動發(fā)送參數(shù)調(diào)調(diào)節(jié)命令，，通過配電電網(wǎng)信道傳傳達(dá)現(xiàn)場，，使現(xiàn)場的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)對特定的的參數(shù)進(jìn)行行調(diào)節(jié)，達(dá)達(dá)到負(fù)荷大大小、電壓、功率因因數(shù)調(diào)節(jié)等等目的。7.5.2配電網(wǎng)地理理信息系統(tǒng)統(tǒng)（GIS）配電網(wǎng)地理理信息系統(tǒng)統(tǒng)的任務(wù)是是在城鄉(xiāng)街街道地理背景圖上按按一定比例例繪制饋電電線的接線線圖，圖上可標(biāo)注斷斷路器、架架空線、電電線桿、電電纜、配電變壓器等等所有電氣氣設(shè)備的符符號、型號號、規(guī)格。。它集配電網(wǎng)網(wǎng)的圖形、、數(shù)據(jù)和計(jì)計(jì)算于一體體，達(dá)到對配電網(wǎng)科科學(xué)管理的的水平。7.5.3配電網(wǎng)管理理信息系統(tǒng)統(tǒng)（DMS）現(xiàn)代的電力力企業(yè)管理理信息系統(tǒng)統(tǒng)的功能包包括：數(shù)據(jù)處理功功能輔助決策功功能辦公自動化化功能7.5.4典型配電自自動化系統(tǒng)統(tǒng)典型配電自自動化系統(tǒng)統(tǒng)主要由以以下幾部分分構(gòu)成：3.MMI子系統(tǒng)2.子系統(tǒng)4．輸入輸出出設(shè)備1.數(shù)據(jù)采集子子系統(tǒng)6.計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)據(jù)通信子系系統(tǒng)7.時鐘子系統(tǒng)統(tǒng)8.網(wǎng)絡(luò)設(shè)備9.電源子系統(tǒng)統(tǒng)5.歷史服務(wù)器器子系統(tǒng)圖7.16典型配電自自動化系統(tǒng)統(tǒng)圖7.6工廠變電所所綜合自動動化變電站自動動化是應(yīng)用用控制技術(shù)術(shù)、信息處處理和通信信技術(shù)，利利用計(jì)算機(jī)機(jī)軟件和硬硬件系統(tǒng)或或自動裝置置代替人工工進(jìn)行各種種運(yùn)行作業(yè)業(yè)，提高變變電站運(yùn)行行、管理水水平的一種種自動化系系統(tǒng)。7.6.1變電所綜合合自動化的的結(jié)構(gòu)變電所綜合合自動化系系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)模式可分分為三種類型：：集中式分布集中組組屏分布分散式式1.集中式結(jié)構(gòu)構(gòu)圖7.17集中式結(jié)構(gòu)構(gòu)示意圖2．分布分散式式結(jié)構(gòu)圖7.18分布分散式式結(jié)構(gòu)示意意圖3．分散式集中中組屏結(jié)構(gòu)構(gòu)圖7.19分散式集中中組屏結(jié)構(gòu)構(gòu)小結(jié)結(jié)1.微機(jī)保護(hù)的的硬件部分分主要由數(shù)數(shù)據(jù)采集系系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開開關(guān)量輸入入/輸出系統(tǒng)、、及外圍設(shè)設(shè)備等四部部分組成。。微機(jī)保護(hù)護(hù)的軟件系系統(tǒng)由初始始化模塊、、數(shù)據(jù)采集集管理模塊塊、故障檢檢出模塊、、數(shù)字濾波波模塊、故故障計(jì)算模模塊與自檢檢模塊等組組成。2.微機(jī)保護(hù)的的算法，是是將離散的的數(shù)字信號號，經(jīng)過某某種運(yùn)算，，求出電流流