供配電系統(tǒng)的微機保護與綜合自動化52

供配電系統(tǒng)的微機保護與綜合自動化

內容提要：微機保護的特點、構成及保護算法的概念

工廠線路、變壓器和高壓電動機微機保護裝置的設計實例

配電自動化系統(tǒng)的基本概念、組成、內容及其功能

變電站綜合自動化的基本概念和結構

7.1供配電系統(tǒng)的微機保護

微機保護在電力系統(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、發(fā)電機保護、變壓器保護、勵磁調節(jié)系統(tǒng)等。

現(xiàn)代繼電保護裝置的發(fā)展趨勢：

微機控制化

保護裝置網絡化

算法智能化

功能一體化

7.1.1微機保護的硬件構成微機保護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)開關量輸入/輸出系統(tǒng)外圍設備

圖7.1微機保護的硬件構成框圖

1．數(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）、多路轉換開關（MPX）與模數(shù)轉換器（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換為隨時間變化的脈沖信號。實現(xiàn)模數(shù)轉換時的必須的抽樣---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、電流模擬量轉化為數(shù)字量，然后送入CPU主系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理及運算。

2．CPU

主系統(tǒng)

微機保護的CPU主系統(tǒng)是由MPU微處理器、EPROM可編程只讀存儲器、RAM隨機存儲器、定時器、接口板以及打印機等外圍設備組成。它實際上是由各種芯片搭成的專用計算機，或者使用單片機構成。

3．開關量輸入/輸出系統(tǒng)

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

微機保護軟件系統(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)字濾波模塊故障計算模塊自檢模塊7.1.3

微機保護的算法微機保護的算法——是將離散的數(shù)字信號，經過某種運算，求出電流、電壓幅值、相位的過程。

常用的保護算法：導數(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)學優(yōu)化技術。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

線路的微機保護

7.2.1線路保護配置的基本原則1.10kV線路保護配置（1）10kV架空線路和電纜線路應裝設相間短路保護，保護裝置采用兩相式接線，并在所有出線中皆裝設在同名的兩相上，通常裝設在A、C兩相上，以保證當發(fā)生不在同出線上的兩點單相接地時有2/3機會切除一個故障點。（2）10kV線路保護護，一般般以電流流速斷保保護為主主，以過過流保護護作為后后備保護護，保護護裝置采采用的是是遠后備備方式。。（3）10kV線路在下下述情況況下必須須裝設電電流速斷斷保護:①對于發(fā)電電廠母線線上的出出線發(fā)生生短路時時，母線線電壓如如果低于于0.55~0.65倍額定電電壓，則則應由電電流速斷斷保護切切除；對對變電所而言，，當線路路上發(fā)生生短路，，變電所所母線電電壓大量量下降時時，也應裝設設電流速速斷保護護。②導線截面面不允許許延時切切除短路路電流時時，應裝裝設電流流速斷保護。1.10kV線路保護護配置（1）35kV單側電源源線路保保護（2）35kV雙側電源源線路保保護對于35kV雙側電源源的單回回線路通通常裝設設兩相方方向電流流保護和和兩相三三繼電器器帶時限限方向過過流保護護，并附附以檢查無電電壓或同同期的三三相一次次重合閘閘。三相重合合閘，是是指不論論在輸、、配電線線上發(fā)生生單相短短路還是是相間短短路時，，繼電保保護裝置置均將線線路三相相斷路器器同時跳跳開，然然后啟動動自動重重合閘再再同時重重新合三三相斷路路器的方方式。電力系統(tǒng)運行行經驗證證明，架架空線路路的故障障大都是是暫時的的，例如如：由于于雷電過過電壓引引起的絕絕緣子表表面閃絡絡，大風風引起的的短時碰碰線，通通過鳥類類身體的的放電以以及樹枝枝等物掉掉落在導導線上引引起的短短路等。。當故障障線路被被迅速斷斷開之后后，電弧弧即行消消滅，故故障點的的絕緣強強度重新新恢復，，因此在在線路被被斷開以以后再進進行一次次重合閘閘，就有有可能大大大提高高供電的的可靠性性。通常設計計成兩相相式電流流速斷保保護和兩兩相三電電流繼電電器帶時限的電電流保護護，電流流速斷經經出口繼繼電器跳跳開斷路路器，而帶時限限保護經經時延跳跳開斷路路器。2．35kV線路保護護配置7.2.210kV線路微機機保護這里所介介紹的微微機保護護裝置的的CPU采用ATmega128單片機，，MAX125芯片進行行交流信信號的采采集，顯顯示部分分采用帶帶字庫的的液晶顯顯示模塊塊，通信信物理接接口是RS-485，采用ModBus通信規(guī)約約，組網網方便，，可直接接與微機機監(jiān)控或或保護管管理機聯(lián)聯(lián)網通信信。軟件件部分能能準確計計算各項項電量參參數(shù)，可可實現(xiàn)10套定值的的獨立整整定（設設定），，包含11種線路保保護算法法，并可可將故障障報告上上傳。電氣設備備在投入入正常運運行前必必須先測測試設備備正常運運行電流流的大小小，是否否在上級級保護開開關的整定電流范圍圍之內。。整定電流流就是空空氣開關關或接觸觸器的過過流保護護裝置的的動作電電流值，，這個數(shù)數(shù)值要調調整的，，以保正正在過流流時跳閘閘，不能能小也能能大，小小了會誤誤動作，，大了不不起保護護。保護裝置置硬件系系統(tǒng)總體體分為7個部分：：數(shù)據(jù)濾濾波采樣部分分、CPU主電路、、開關量量輸入輸輸出部分分、液晶顯示示、按鍵鍵電路、、通訊電電路和電電源電路路。總體設計計如下圖圖7.21.保護裝置置的硬件件設計圖7.2保護裝置置的硬件件結構軟件設計計分為整整定測試試部分和和故障判判斷處理理2個部分。。整定部分分是對各各種保護護定值和和時限按按照規(guī)定定的步長長和范圍圍進行整整定。測試部分分是對時時間日期期、電壓壓、電流流、頻率率等關鍵鍵參數(shù)進進行測試試計算。。故障判斷斷處理程程序是根根據(jù)測試試部分得得到的電電壓、頻頻率等參參數(shù)，與與存儲的的整定數(shù)數(shù)值進行行比較，，按照各各種故障障的判據(jù)據(jù)，進行行分析，，如果符符合某種種故障的的條件則則馬上啟啟動對應應的保護護動作如如報警或或跳閘等等，并生生成故障障報告。。2.保護裝裝置的的軟件件設計計圖7.3保護裝裝置主主程序序流程程圖圖7.3保護裝裝置主主程序序流程程圖變壓器器成套套微機機保護護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運行狀狀態(tài)的的成套套保護護測控控裝置置，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單單元和和后備備保護護單元元兩部部分組組成。。7.3變壓器器的微微機保保護變壓器器微機機保護護有主主保護護系統(tǒng)統(tǒng)和后后備保保護系系統(tǒng)。。1.變壓器器差動動保護護變壓器器差動動保護護與瓦瓦斯保保護聯(lián)聯(lián)合構構成變變壓器器的主主保護護，用用來保保護變變壓器器的內內部故故障。。變壓器器的差差動保保護是是變壓壓器的的主保保護，，是按按循環(huán)環(huán)電流流原理理裝設設的。。主主要用用來保保護雙雙繞組組或三三繞組組變壓壓器繞繞組內內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護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護裝置置，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，，利用用變壓壓器內內部故故障而而使油油分解解產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點動作作，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變壓器器的后后備保保護是是用來來作為為外部部短路路和內內部短短路的的后備備保護護裝置置，稱稱為變變壓器器的后后備保保護。。7.3.1變壓器器微機機保護護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的變壓壓器微微機保保護裝裝置的的設計計。該該裝置置的硬硬件部部分以以ATmega128處理器器為核核心，，主要要設計計了兩兩片14位A/D芯片MAX125和頻率率測量量電路路配合合，進進行實實時交交流采采樣的的電路路。軟軟件部部分主主要設設計了了頻率率測量量、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變壓器器微機機保護護1.保護裝裝置的的硬件件系統(tǒng)統(tǒng)圖7.4保護裝裝置的的硬件件結構構框圖圖2.保護裝裝置的的軟件件部分分該裝置置的軟軟件調調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系列單單片機應用用AVRGCC編譯器器而開開發(fā)的的集成成開發(fā)發(fā)環(huán)境境，工程項項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主程序序的流流程圖圖2)翻頁和和設置置程序序圖7.6設置程程序流流程圖圖圖7.7菜單示示意圖圖3）數(shù)據(jù)據(jù)采集集程序序圖7.8交流采采集程程序流流程圖圖4）故障障處理理程序序圖7.9故障處處理程程序序流程程圖高壓電電動機機在運運行過過程中中，可可能會會發(fā)生生各種種短路路故障障或不不正常常運行行狀態(tài)態(tài)。如如定子子繞組組相間間短路路，單單相接接地故故障，，供電電網絡絡電壓壓和頻頻率的的降低低而使使電動動機轉轉速下下降等等，這這些故故障或或不正正常運運行狀狀態(tài)，，若不不及時時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)并加加以處處理，，會引引起電電動機機嚴重重損壞壞，并并使供供電回回路電電壓顯顯著降降低，，因此此，必必須裝裝設相相應的的保護護裝置置。7.4高壓電電動機機的微微機過過電電流保保護7.4.110kV異步電電動機機微機機保護護1.微機保保護裝裝置的的硬件件設計計硬件系系統(tǒng)的的設計計應該該滿足足以下下要求求：抗干擾擾性可靠性性快速性性圖7.10保護裝裝置的的硬件件系統(tǒng)統(tǒng)結構構圖2.微機保保護裝裝置的的軟件件設計計設計過過程中中應遵遵循以以下幾幾個原原則：：采樣時時間應應不受受干擾擾.保護子子程序序的重重要性性次之之，當當程序序進入入保護護子程程序時時，不能隨隨意切切換到到其它它程序序。各程序序模塊塊保持持相對對獨立立和封封閉，，有獨獨立的的輸入入輸出出，只定義義一個個入口口和出出口，，避免免模塊塊之間間的交交叉互互聯(lián)，，信息通通過全全局變變量或或函數(shù)數(shù)返回回值傳傳輸。。圖7.11總體程程序流流程圖圖圖7.12采樣程程序流流程圖圖圖7.13保護程程序流流程圖圖圖7.14寫時鐘程序流流程圖圖7.15讀時鐘程序流流程圖7.5配電網自動化化配電網自動化化的主要功能能包括如下主主要內容：配電網調度自自動化系統(tǒng)變電所、配電電所自動化饋線自動化（（FA）自動制圖（AM）/設備管理（FM）/地理信息系統(tǒng)統(tǒng)（GIS）7.5.1數(shù)據(jù)采集與監(jiān)監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）SCADA是“SupervisoryContro1andDataAcquisition”的縮寫，即“監(jiān)視控制和數(shù)數(shù)據(jù)采集”之意。配電網的SCADA系統(tǒng)主要要實實現(xiàn)“四遙”功能：遙信完成采集集配電網的各各種開關設備備的實時狀態(tài)態(tài)，通過配電電網的信道送送到監(jiān)控計算算機。遙測完成采集集配電網的各各種電量（如如電流、電壓壓、用戶負荷荷、電度等））的實時數(shù)值值通過配電網網的信道送到到監(jiān)控計算機機。遙控是由操作作人員通過監(jiān)監(jiān)控計算機發(fā)發(fā)送開關開合合命令，通過配電網信信息傳達現(xiàn)場場，使現(xiàn)場的的執(zhí)行機構操操作開關的開合，達達到給用戶供供電、停電等等目的。遙調是由操作作人員通過監(jiān)監(jiān)控計算機或或高級監(jiān)控程程序自動發(fā)送參數(shù)調節(jié)節(jié)命令，通過過配電網信道道傳達現(xiàn)場，，使現(xiàn)場的調節(jié)機構對對特定的參數(shù)數(shù)進行調節(jié)，，達到負荷大大小、電壓、功率因數(shù)數(shù)調節(jié)等目的的。7.5.2配電網地理信信息系統(tǒng)（GIS）配電網地理信信息系統(tǒng)的任任務是在城鄉(xiāng)鄉(xiāng)街道地理背景圖上按一一定比例繪制制饋電線的接接線圖，圖上可標注斷路路器、架空線線、電線桿、、電纜、配電變壓器等所所有電氣設備備的符號、型型號、規(guī)格。。它集配電網的的圖形、數(shù)據(jù)據(jù)和計算于一一體，達到對配電網科學學管理的水平平。7.5.3配電網管理信信息系統(tǒng)（DMS）現(xiàn)代的電力企企業(yè)管理信息息系統(tǒng)的功能能包括：數(shù)據(jù)處理功能能輔助決策功能能辦公自動化功功能7.5.4典型配電自動動化系統(tǒng)典型配電自動動化系統(tǒng)主要要由以下幾部部分構成：3.MMI子系統(tǒng)2.子系統(tǒng)4．輸入輸出設設備1.數(shù)據(jù)采集子系系統(tǒng)6.計算機數(shù)據(jù)通通信子系統(tǒng)7.時鐘子系統(tǒng)8.網絡設備9.電源子系統(tǒng)5.歷史服務器子子系統(tǒng)圖7.16典型配電自動動化系統(tǒng)圖7.6工廠變電所綜綜合自動化變電站自動化化是應用控制制技術、信息息處理和通信信技術，利用用計算機軟件件和硬件系統(tǒng)統(tǒng)或自動裝置置代替人工進進行各種運行行作業(yè)，提高高變電站運行行、管理水平平的一種自動動化系統(tǒng)。7.6.1變電所綜合自自動化的結構構變電所綜合自自動化系統(tǒng)的的結構模式可可分為三種類型：集中式分布集中組屏屏分布分散式1.集中式結構圖7.17集中式結構示示意圖2．分布分散式結結構圖7.18分布分散式結結構示意圖3．分散式集中組組屏結構圖7.19分散式集中組組屏結構小結1.微機保護的硬硬件部分主要要由數(shù)據(jù)采集集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關關量輸入/輸出系統(tǒng)、及及外圍設備等等四部分組成成。微機保護護的軟件系統(tǒng)統(tǒng)由初始化模模塊、數(shù)據(jù)采采集管理模塊塊、故障檢出出模塊、數(shù)字字濾波模塊、、故障計算模模塊與自檢模模塊等組成。。2.微機保護的算算