（电气工程专业论文）某高校10kv变配电站的微机继电保护工程设计与建设.pdf

摘要 摘要 由于1 0 0 4 k v 变配电站在实际工程中的大量采用，以及在电网中的承上启 下的作用，如何提高该级变配电站运行的稳定性和可靠性，成为广大用户普遍 关心的问题。 本文介绍了在1 0 k v 系统中微机继电保护装置的工程设计及实现。对系统中 应用的微机继电保护装置的主要性能以及动作电流的整定计算进行了介绍。本 文完成的主要工作是继电保护部分，具体为微机继电保护装置的比较和选用， 并对该装置在不同工作条件下的动作电流进行整定计算，最终将结果应用到实 际工程当中，对某高校1 0 k v 变配电站进行工程设计并实现。 本文还对继电保护装置的发展概况、基本要求和应用领域都做了比较详尽 的论述，并将其应用到了对不同线路要求的控制中，取得了较好的效果。 关键词：微机继电保护装置：动作特性；动作电流；s e p a m l 0 0 0 + s 2 0 ； 工程设计 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es l a t h e ru s a g eo fa1 0 0 4 k ve l e c t r i c i t ys u b s t a t i o ni np r a c t i c a l p r o j e c ta n di t sp l a y i n gar o l eo fac o n n e c t i n gl i n kb e t w e e nt h ep r e c e d i n ga n dt h e f o l l o w i n gi ne l e c t r i cn e t w o r k , t h eu s e ra r cm o r ec o n c e r n e da b o u th o w t oi m p r o v ei t s s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h e p r o j e c td e s i g n a n di t sr e a l i z a t i o no ft h e m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e l a yp r o t e c t i o ni ni o k vs y s t e m ，a l s op r e s e n t e di t sm a i n 1 ) e r f o r m a n c eo f t h em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e l a yp r o t e c t i o nu s e di nt h i ss y s t e ma n dt h e s e t t i n gc a l c u l a t i o no f a c t i o nc t l 舰l t t h em a i np a n o f t h i sa r t i c l ei sr e l a yp r o t e c t i o n ， d e t a i l i n gi n t h ec o m p a r i s o na n da d o p t i o no fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e l a yp r o t e c t i o n a n dd o i n gs e t t i n gc a l c u l a t i o n so f a c t i o ne n l t e n ti nd i f f e r e n tw o r k i n ge n v i r o n m e n t s i t a i m e dt oa p p l yt h er e s u l t st op r a c t i c a lp r o j e c t sa n dd e s i g nt h es c h o o l1 0 k ve l e c t r i c i t y s u b s t a t i o na n dm a k ei tc o m et r u e t h i sa r t i c l ea l s on a r r a t e di nd e t a i lt h ed e v e l o p m e n to ft h er e l a yp r o t e c t i o n ，i t s b a s i cr e q u i r e m e n t sa n da p p l i c a t i o na r e a ，w h i c hh a sb e e nu s e di nd i f f e r e n tl i n e sa n d h a sg a i n e dg o o de f f e c t k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e l a yp r o t e c t i o n ，a c t i o nc u r r e n t ，s e p a m l 0 0 0 + $ 2 0 ， p r o j e c td e s i g n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 删签字日期：幽呷年j 1 月1 0 日 |f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：删 签字日期：堋年f 月f 。日 导师躲戋矿l j 签字e t 期：沙叼年? 月，oe t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着我国国民经济的持续增长，人民生活水平不断提高，各种新型家用电 器和高新科技设备也越来越多，各种场所对电力的需求不断加大，人们对供电 质量的要求也越来越高，1 0 0 4 k v 变配电站在实际工程中被大量使用，由于该 级变配电站在配电网中的承上启下的作用，如何提高该级变配电站运行的稳定 性和可靠性，成为广大用户普遍关心的问题。 在1 0 k v 系统中装设继电保护装置的主要作用是通过缩小事故范围或预报 事故的发生，来达到提高系统运行的可靠性，并最大限度地保证供电的安全和 不间断。可以想象，利用熔断器去完成上述任务是不能满足要求的，因为熔断 器的安秒特性不甚完善，熄灭高压电路中强烈电弧的能力不足，甚至有使故障 进一步扩大的可能，同时还延长了停电的时间。只有采用继电保护装置才是最 完美的措施。因此，在1 0 k v 系统中的继电保护装置就成了供电系统能否安全可 靠运行的不可缺少的重要组成部分。 目前，一般企业高压供电系统中均为1 0 k v 系统。除早期建设的1 0 k v 系统 中，较多采用的是直流操作的定时限过电流保护和瞬时电流速断保护外，近些 年来飞速建设的电网上一般均采用了环网或手车式高压开关柜，继电保护方式 多为交流操作的反时限过电流保护装置。很多重要企业供电方式为双路1 0 k v 电 源、高压母线分段但不联络或虽能联络但不能自动投入，在系统供电的可靠性、 故障响应的灵敏性、保护动作的选择性、切除故障的快速性以及运行方式的灵 活性、运行人员的熟练性上都存在着一些急待解决的问题。 随着科学技术的不断发展，各种类型的继电保护技术不断提高和完善，尤 其是在9 0 年代出现了微机控制的继电保护，使得正确选用和合理设置微机继电 保护装置也成为应用领域中一项重要的工作，从而使本课题的研究，以及在工 程实践中设计与实现具有一定的现实意义。 1 2 供电系统继电保护研究现状 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技 l 第1 章绪论 术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因 此，继电保护技术得天独厚，在4 0 余年的时间里完成了发展的4 个历史阶段。 5 0 年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电 保护设备性能和运行技术【”，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行 经验的继电保护技术队伍，这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护 技术的发展奠定了坚实基础。 6 0 年代中期到8 0 年代中期是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。 其中天律大学与南京电力自动化设备厂合作研究的5 0 0 k v 晶体管方向高频保护 和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝 5 0 0k v 线路上 2 j ，结束了5 0 0 k v 线路保护完全依靠从国外进口的时代。 7 0 年代中期，基于集成运算放大器的集成电路保护己开始研究。到8 0 年代 末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到9 0 年代初集成电路 保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。 从7 0 年代末我国即已开始了计算机继电保护的研究 3 1 ，高等院校和科研院 所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、 天律大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不 同原理、不同型式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学院研制的输电线路微 机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用 4 1 ，揭开了我国继电保护发展史 上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和 华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机、变压器组保护也 相继于1 9 8 9 、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机 线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研 制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制 的正序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 、1 9 9 6 年通过鉴定。至此，不同原 理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一 代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究， 在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代开始我 国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 1 2 1 微机保护的优点1 5 1 综合微机保护装置的优点，主要有以下几个方面： 2 第1 章绪论 ( 1 ) 可靠性高：一种微机保护单元可以完成多种保护与监测功能。代替了 多种保护继电器和测量仪表，简化了开关柜与控制屏的接线，从而减少了相关 设备的故障环节，提高了可靠性。微机保护单元采用高集成度的芯片，软件有 自动检测与自动纠错功能，也有提高了保护的可靠性。 ( 2 ) 精度高，速度快，功能多：测量部分数字化大大提高其精度，c p u 速 度提高可以使各种事件以m s 来计时，软件功能的提高可以通过各种复杂的算法 完成多种保护功能。 ( 3 ) 灵活性大：通过软件可以很方便的改变保护与控制特性，利用逻辑判 断实现各种互锁，一种类型硬件利用不同软件，可构成不同类型的保护。 ( 4 ) 维护调试方便：硬件种类少，线路统一，外部接线简单，大大减少了 维护工作量，保护调试与整定利用输入按键或上方计算机下传来进行，调试简 单方便。 ( 5 ) 经济性好，性能价格比高：由于微机保护的多功能性，使变配电站测 量、控制与保护部分的综合造价降低。高可靠性与高速度，可以减少停电时间， 节省人力，提高了经济效益。 1 2 2 微机保护装置的特点1 5 】 微机保护装置除了具有上述微机保护的优点之外，与同类产品比较具有以 下特点： ( 1 ) 品种齐全：微机保护装置，品种特别齐全，可以满足各种类型变配电 站的各种设备的各种保护要求，这就给变配电站设计及计算机联网提供了很大 方便。 ( 2 ) 硬件采用最新的芯片提高了技术上的先进性，c p u 采用8 0 c 1 9 6 k b ， 测量为1 4 位a d 转换，模拟量输入回路多达2 4 路，采到的数据用d s p 信号处 理芯片进行处理，利用快速傅氏变换，得到基波到8 次的谐波，特殊的软件自 动校正，确保了测量的高精度。利用双口r a m 与c p u 变换数据，就构成一个 多c p u 系统，通信采用c a n 总线。具有通信速率高( 可达1 0 0 m h z ，一般运 行在8 0 或6 0 m h z ) 抗干扰能力强等特点。通过键盘与液晶显示单元可以方便的 进行现场观察与各种保护方式与保护参数的设定。 ( 3 ) 硬件设计在供电电源、模拟量输入、开关量输入与输出、通信接口等 方面采用了特殊的隔离与抗干扰措施，抗干扰能力强，除集中组屏外，还可以 3 第1 章绪论 直接安装于开关柜上。 ( 4 ) 软件功能丰富，除完成各种测量与保护功能外，通过与上位处理计算 机配合，可以完成故障录波( 1 秒高速故障记录与9 秒故障动态记录) ，谐波分 析与小电流接地选线等功能。 ( 5 ) 可选用r s 2 3 2 、r s 4 9 5 和c a n 通信方式，支持多种远动传输规约， 方便与各种计算机管理系统联网。 ( 6 ) 采用宽温带背景2 4 0 x1 2 8 大屏幕l c d 液晶显示器，操作方便、显示 美观。 ( 7 ) 集成度高、体积小、重量轻，便于集中组屏安装和分散安装于开关柜 匕。 1 3 微机保护装置的种类 在现阶段的微机保护技术状况下，微机保护装置共分为四大类：线路保护 装置、主设备保护装置、测控装置以及管理装置单元t 6 1 。各类保护装置主要类型 归纳如下： ( 1 ) 线路保护装置 线路保护装置主要类型如图1 1 。 图1 1 线路保护装置类型 ( 2 ) 主设备保护装置 主设备保护装置主要类型如图1 2 。 4 第1 章绪论 图1 2 主设备保护装置类型 ( 3 ) 测控装置 测控装置主要类型如图1 3 。 图1 3 测控装置类型 5 第1 章绪论 ( 4 ) 管理装置单元 管理装置单元主要类型如图1 4 。 图1 4 管理装置单元 微机保护装置的通用技术要求和指标( 工作环境、电源、技术参数、装置 结构) 以及主要功能( 保护性能指标、主要保护功能、保护原理、定值与参数 设定，以及外部接线端子与二次图) 在相关产品的说明书中都有详细的说明。 1 4 微机继电保护的发展方向 继电保护技术未来的发展方向是向计算机化，网络化，保护、控制、测量、 数据通信一体化以及智能化方向发展1 7 j 。 1 4 1 计算机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学 院研制的微机线路保护硬件已经历了3 个发展阶段：从8 位单c p u 结构的微机 保护问世，不到5 年时间就发展到多c p u 结构。后又发展到总线不出模块的大 模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也 是从8 位c p u ，发展到以工控机核心部分为基础的3 2 位微机保护。 南京电力自动化研究院一开始就研制了1 6 位c p u 为基础的微机线路保护， 已得到大面积推广，目前也在研究3 2 位保护硬件系统。东南大学研制的微机主 设备保护的硬件也经过了多次改进和提高。天津大学一开始即研制以1 6 位多 c p u 为基础的微机线路保护，1 9 8 8 年即开始研究以3 2 位数字信号处理器( d s p ) 为基础的保护、控制、测量一体化微机装置，目前已与珠海晋电自动化设备公 司合作研制成一种功能齐全的3 2 位大模块，一个模块就是一个小型计算机。采 用3 2 位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受a d 转换器分辨率的限制，超 过1 6 位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是3 2 位微机芯片 6 第1 章绪论 具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指 令系统和较多的输入输出口。c p u 的寄存器、数据总线、地址总线都是3 2 位的， 具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存( c a c h e ) 和浮点数部件都集成在c p u 内。 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有 大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能 力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的 能力，高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台p c 机的功能。 在计算机保护发展初期，曾设想过用一台小型计算机做成继电保护装置。由于 当时小型机体积大、成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机 保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机， 因此，用成套工控机做成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方 向之一。天津大学已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以 改造做成的继电保护装置。这种装置的优点有：( 1 ) 具有4 8 6 p c 机的全部功能， 能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求。( 2 ) 尺寸和结构与目前的微机保 护装置相似，工艺精良、防震、防过热、防电磁干扰能力强，可运行于非常恶 劣的工作环境，成本可接受。( 3 ) 采用s t d 总线或p c 总线，硬件模块化，对于 不同的保护可任意选用不同模块，配置灵活、容易扩展。 继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好 地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经 济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。 1 4 2 网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具己成为信息时代的技术支柱，使人类 生产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各 个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护 外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只 限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信 手段。国外早已提出过系统保护的概念，这在当时主要是指安全自动装置。因 为继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围( 这是首要任务) ， 还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运 7 第1 章绪论 行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基 础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条 件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保 护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。 对于一般的非系统保护，实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继 电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和 故障距离的检测愈准确。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得 了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须 获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这 一点。 对于某些保护装置实现计算机联网，也能提高保护的可靠性。天津大学1 9 9 3 年针对未来三峡水电站5 0 0 k v 超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的 原理【引，初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若 干个( 与被保护母线的回路数相同) 母线保护单元，分散装设在各回路保护屏上， 各保护单元用计算机网络联接起来，每个保护单元只输入本回路的电流量，将 其转换成数字量后，通过计算机网络传送给其它所有回路的保护单元，各保护 单元根据本回路的电流量和从计算机网络上获得的其它所有回路的电流量，进 行母线差动保护的计算，如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断 路器，将故障的母线隔离。在母线区外故障时，各保护单元都计算为外部故障 均不动作。这种用计算机网络实现的分布式母线保护原理，比传统的集中式母 线保护原理有较高的可靠性。因为如果一个保护单元受到干扰或计算错误而误 动时，只能错误地跳开本回路，不会造成使母线整个被切除的恶性事故，这对 于像三峡电站具有超高压母线的系统枢纽非常重要。 由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微 机保护发展的必然趋势。 1 4 3 保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台 高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它 可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保 护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保 8 第1 章绪论 护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、 控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、 线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室，所敷设的大量控制电 缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、 测量、数据通信一体化的计算机装置，就地安装在室内变电站的被保护设备旁， 将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送 到主控室，则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可 免除电磁干扰。现在光电流互感器( o t a ) 和光电压互感器( 0 t v ) 已在研究试验阶 段，将来必然在电力系统中得到应用。在采用o t a 和o t v 的情况下，保护装 置应放在距叽a 和o t v 最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。o t a 和o t v 的光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判 断；另一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被 保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操 作。1 9 9 2 年天津大学提出了保护、控制、测量、通信一体化问题，并研制了以 t m s 3 2 0 c 2 5 数字信号处理器( d s p ) 为基础的一个保护、控制、测量、数据通信一 体化装置。 1 4 4 智能化 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在 电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始【9 】。神经 网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线 性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆 开情况下发生经过渡电阻的短路就是一个非线性问题，距离保护很难正确作出 故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障 样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正 确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。 将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。天律大学从1 9 9 6 年起进行神 经网络式继电保护的研究，已取得初步成果i l 州。可以预见，人工智能技术在继 电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。 9 第1 章绪论 1 5 课题研究的主要内容 1 0 0 4 k v 变配电站在整个供电系统中主要是作为用户端的变压和配电用， 它直接为广大用户提供可直接使用的电压，因此在供电系统中对1 0 0 4 k v 变配 电站进行了大量使用，本课题针对该类型变配电站的微机继电保护系统进行设 计并予以实现。本文主要作了如下工作： 在简单介绍了高校的供配电特点的基础上，对供配电系统的主要功能、硬 件及软件的功能进行了阐述，对硬件、软件的实现方案进行了比较详尽的叙述。 对主要器件的特性和功能结合使用要求进行了分析比较，从经济性、先进 性、可操作性和稳定性方面进行了全面的选择。主要对高压侧采用的s c h n e i d e r 电气公司的s e p a m l 0 0 0 + $ 2 0 综合继电保护系统的特性和功能以及常熟开关有限 公司的c v - 1 真空高压断路器的特性和功能进行了分析比较，对k y n 2 8 1 2 铠装 敷铝锌板高压中置柜的主要技术指标进行了比较，低压侧对常熟开关有限公司 c m l z 智能型低压塑壳断路器的特性和功能进行了分析比较，对g c k 低压配电 柜的参数进行了分析。 分析了高压供电系统、低压配电系统技术现状以及继电保护装置和监控系 统技术现状，完成了变配电系统的高压、低压一次接线设计以及继电保护和监 控系统的设计。由于各个变配电站分布位置相对分散，对系统运行的稳定性和 实时监测以及故障情况的及时判断、了解、处理相对较难，因此采用了c 4 微机 控制系统，通过遥测、遥信、遥讯、遥控对电网实施实时监控，以最快的速度 了解并解决各站各回路的运行情况和故障。 根据所采取的保护模式对系统中的主要数据进行了计算及整定，对系统保 护和监控的主要功能进行了设置，并进行了现场的安装调试和运行检查。 1 0 第2 章供配电系统综述 第2 章供配 妙嘶 电系统甥替 2 1 供配电系统主要功能 本课题为“某高校1 0 k v 变配电站的微机继电保护工程设计及建设”，是与 江西某高校合作设计建设的项目。高校供电有着不同于其它工厂供电的特点， 整个学校根据使用功能分区规划，各个分区用电的高峰和对电网供电质量的要 求也不一样。根据规划，按照配电设计深入负荷中心的原则，初步在学生生活 区设置三个变配电站，在教学区设置六个变配电站，在生活辅助区设置两个变 配电站，在运动区设置一个变配电站，采用两路l o k v 高压进线，经1 0 1 0 k v 稳压过滤后以1 0 o 4 k v 变配电，整个系统采用环网模式运行，以提高供电的可 靠性和稳定性。本项目主要由电力变压器、配电装置、二次系统及必要的附属 设备组成，为保证用电高峰时的正常用电以及用电低谷时运行的经济性，考虑 采用两台不同容量的变压器并联或单独工作，系统运行状况在总站被监督并可 以进行实时相关操作。 变配电站继电保护能够在变配电站运行过程中发生故障( 三相短路、两 相短路、单相接地等) 和出现不正常现象时( 过负荷、过电压、低电压、低周 波、瓦斯、超温、控制与测量回路断线等) ，迅速有选择性发出跳闸命令将故障 切除或发出报警，从而减少故障造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证 电力系统稳定运行。 变配电站综合自动化系统的管理计算机通过通信电缆与安装在现场的所 有微机保护与监控单元进行信息交换。管理计算机可以向下发送遥控操作命令 与有关参数修改，随时接受微机保护与监控单元传上来的遥测、遥信与事故信 息。管理计算机就可通过对信息的处理，进行存盘保存，通过记录打印与画面 显示，还可以对系统的运行情况进行分析，通过遥信可以随时发现与处理事故， 减少事故停电时间，通过遥控可以合理调配负荷，实现优化运行，从而为实现 现代化管理提供了必须的条件。 2 2 0 3 8 0 v 低压配电系统的保护现在仍采用低压断路器，因此2 2 0 ，3 8 0 v 只 有监控没有保护。监控包括电流、电压、电度、频率、功率、功率因数、温度 等测量( 遥测) ，开关运行状态，事故跳闸，报警与事故预告( 过负荷、超温等) 第2 章供配电系统综述 报警( 遥信) 与电动开关远方合分闸操作( 遥控) 等三个内容( 简称三遥) ，而 没有保护。 该项目继电保护根据变配电站运行过程中发生故障时出现的电流增加、电 压升高或降低、频率降低、出现瓦斯、温度升高等现象超过继电保护的整定值 ( 给定值) 或超限值后，在整定时间内，有选择的发出跳闸命令或报警信号。 根据电流值来进行选择性跳闸的为反时限，电流值越大，跳闸越快。根据 时间来进行选择性跳闸的称为定时限保护，定时限在故障电流超过整定值后， 经过时间定值给定的时间后才出现跳闸命令。瓦斯与温度等为非电量保护【l “。 可靠系数为一个经验数据，计算继电器保护动作值时，要将计算结果再乘 以可靠系数，以保证继电保护动作的准确与可靠，其范围为1 3 1 5 。 发生故障时的最小值与保护的动作值之比为继电保护的灵敏系数，一般为 1 2 2 ，应根据设计规范要进行选择。 继电保护装置动作的灵敏性和可靠性以及监控装置的稳定性决定着本系统 的性能。系统总体结构框图如图2 1 所示。 r s - 4 8 5 总 线网络 图2 1 总体结构框图 r s - 4 8 5 接口标准旧是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和r s - 4 2 2 兼 容。它允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收 器或收发器组合单元。它是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输标准接口， 支持多点连接，允许创建多达3 2 个节点的网络；具有传输距离远( 最大传输距 离1 2 0 0 m ) ，传输速率快( 1 2 0 0m 时为1 0 0 k b s ) ，抗干扰能力强，布线简单等优 点。 1 2 第2 章供配电系统综述 2 2 硬件实现方案 2 2 1 微机继电保护装置 微机继电保护装置一般采用插件式结构，通常包含交流变换插件、模数转 换和微处理器插件、人机管理插件、开关量输入插件、电源插件和继电器插件 等。尽管不同厂家的产品采用的微处理器和模数转换方式可能不同，但微机保 护装置的结构却基本相同。典型的微机保护装置结构框图如图2 2 所示【1 2 1 。 谨 号善 图2 2 典型的微机保护装置结构框图 其中模数转换包括a d 和v f c 两种不同方式，其工作原理如图2 3 所示。 开关量输入和开关量输出一般都经过光电隔离，以增强抗干扰能力。 v i 、i ( a ) 多路转换采样保持的a d 转换方式 数 据 总 线 数 据 总 线 ( b ) v f c 数据采集方式 图2 3 微机保护的两种数据采集方式 随着微处理器技术的发展，内部集成的资源越来越多，一个处理器芯片往 1 3 第2 章供配电系统综述 往就是一个完整的微处理器系统，使得硬件设计变得非常简单。较复杂的微机 保护装置通常采用多c p u 结构。多个保护c p u 通过串行通讯总线与人机管理 c p u 相连。通过装置面板上的键盘和液晶显示实现对保护c p u 的调试与定值设 置。人机管理c p u 设计通过现场通信总线与调度直接连接，便于实现变电站无 人值守和综合自动化。 表2 1 各种保护需要采集的模拟量情况 保护名称 数量 屯压模拟量电流模拟_ 量 线路保护 9 ，a + u b * u c * u o * xi a 4 1 8 + l c l o 7 或 用于频率跟踪的高压侧相两侧( 双卷变) 三相电流三 变压器纵连差动 1 0 ( 线) 电压( 】个)侧三相电流( 三卷变) 负序过流十 4 接自母线的线电压( 任1 个) 西a + 五b + 五c 变 低压过流 压 低压或复压过流 67 a + c 旧+ u c ，a 皿+ j c 器 零序方向过流 l 变压器中性点引出线上的f 一相，( 双卷变) 三侧各一相 过负荷 1 或3 i ( 三卷变) 纵羞动 6 发 电 横筹动 1 两中性点之间的电流( 1 个j ) 机 负序过流及单相 4 线电压( 任1 个)中性点侧i a * b * i c 式低压过流 2 2 2 计算机监控系统 对3 5 k v 以下的高压中心配电站主进、出线、母联可采用电力综合仪表来实 现遥测、遥信、遥控功能。该仪表与c t 、p t 直接相连，采集高精度交流信号， 经过离散数学计算，即可测量出各个回路电量参数( 测量精度为0 5 ) ，该仪表 具有八路开关量输入，四路继电器输出，同时带有自检功能，可与综合继电保 护装置配合使用。如：一般在高压1 0 k v 中心配电站的主进、母联以及出线柜中 采用电力综合仪表与综合继电保护装置进行配合使用，来实现高压1 0 k v 中心配 电站的监测与保护要求，具体接线如图2 4 所示【1 4 】。 由图2 4 可知： 1 ) c t 、p t 直接接人电力综合仪表测量回路中，即可测量出该回路的电量 参数。实现该回路的“遥测”； 1 4 第2 章供配电系统综述 2 ) 该仪表的八路开关量输入分别采集该柜： t , f j 酬l 垂s m a t m 1 0 0 韵 耵 f _ 槠 1 电 a 到 5 11 5 一l 印 门 正= 5 21 6 2 臼团 压 _ 开 匝卫= 5 31 7 。一 量 关匝卫= 5 41 8基 1 9 - 蚀 2 1 _ 一 3 力团l 卸 一 量 匝卫= 5 82 2 4 。t 肋 5 -卫= ：浮 王强 卸 i 匝卫= + _ v + 立迫 t 豆8 01 圆 匝卫= it a c 卜 1 b 1 量 c o 2 3 t _ 。叶 t t7 41 四 _ 一 拉 t a 0 一 砭7 5 匠a r 1 1堑 _ l 脯 - r 1 ： 3 6 醚性 一_ 一 。2 2 0 v j 匿7 n i i 印蚺 电 匠“ r 2 13 7 丝l 2 _ 一几t 0 竺3 b i j _ 5 c 2 2 0 v 2 9 憾 - 匹“ 竺盟 3 0 l 3 - 6 榭堕4 0。 8 5 + 量 玎 团 臣“ r 4 14 1 4 2 图2 4 电力综合仪表与综合继电保护装置的接线图 说明： 综合继电保护装置输出继电器b 内的辅助点( 端子为6 8 ，6 9 ) 引至电力综合仪 表，提供接地故障跳闸信号。 综合继电保护装置输出继电器c 内的辅助点( 端子为8 0 8 1 ) i j i 至电力综合仪 表，提供过电流跳闸报警信号。 综合继电保护装置输出继电器e 内的辅助点( 端子为7 4 ，7 5 ) 弓1 至电力综合仪 表。提供电流速断跳闸信号。 综合继电保护装置输出继电器f 内的辅助点( 端子为7 0 ，7 2 ) 弓1 至电力综合仪 表，提供综合继电保护器内部故障跳闸信号。 中断路器的分合闸状态、手车工作位置、电机储能状态以及接地刀闸位置， 同时对综合继电保护装置中的故障跳闸信号和内部故障进行采集、分析，给予 报警，并显示该回路的故障类型。实现该回路的“遥信”； 3 ) 该仪表的继电器输出分别接至断路器的分、合闸线圈上，实现断路器的 远程控制，即断路器的“遥控”。 1 5 第2 章供配电系统综述 o 4 k v 低压主进、母联同样采用电力综合仪表来实现“三遥”功能。该仪表 与c t 、母线直接相连，采集高精度交流信号，测量该回路的实际电量，实现遥 测，同时对主进、母联开关的断路器合、分闸状态，框架式开关的位置以及故 障报警等开关量实现遥信，并对断路器实现远程遥控。具体接线方式与图2 4 基 本相同。 根据电力综合仪表的功能特点也可实现低压配电出线回路的“三遥”功 能，因配电室低压出线回路较多，故采用该仪表分散安装于开关柜内，分别对 各回路实现“三遥”功制”】。模块集中组屏，可方便电力管理者对低压站出线 回路集中管理。 1 、遥信 利用开关量采集输入模块采集各出线回路开关分合闸状态、开关故障报警 信号、失压报警信号、过压报警信号以及框架式开关的位置，并对变压器的风 机状态、高温、超高温信号等开关量实现监控，一个单独模块可采集1 6 路开关 状态。具体接线方式如图2 5 所示： ；m a t r 1 0d 蜡于 h l 偈辱状寿 - r 1 1 1 ) 立l b j l 叠t 状鸯 l 】立l r 23 f j 壹压墨且机撒奇 舳 5 l 】立l k s l 变剧蛹溢捱 开l 】立l _ r 47 k s 2 麦压霉坦离沮苗号 关 l 】古i 髓 9 b j 3 量 j 】立l 髓1 1 i 讯 h l 8 a 2 至l _ _ f1 l + 1 _ _ d c2 4 v l 一 1 _ _ 圜 l + 1 r s 4 8 5 i 一 1 五0 v 图2 5 开关量采集模块接线原理图 2 、遥测 1 ) 通过电流量输人采集模块采集各出线回路的各相电流，单个模块可采集 1 6 回路电流。具体接线方式如图2 6 所示。 每一个回路可以由电流量输入模块采集该回路的电流，并根据测量的实际 1 6 第2 章供配电系统综述 电压、功率因数等来计算该回路的实际用电量。 2 ) 通过模拟量输入模块采集变压器的温度信号、湿度信号以及液位信号等 模拟量信号( 各个模拟量信号需有4 , - , 2 0 m a 或o 一5 v 输出) a 图2 6 电流量采集模块接线原理图 3 、遥控 通过继电器控制输出模块分别对低压各出线回路( 带有电动操作机构、失压 脱扣器的开关1 实现开关的远程分、合闸功能。单个模块共有1 6 路继电器输出。 具体接线方式如图2 7 所示。 图2 7 继电器控制输出模块接线原理图 1 7 第2 章供配电系统综述 现场管理机在本系统中位于中央管理机与各模块之间，作为一级底层控制 单元，增加系统的可靠性。其功能是：进行现场调试，利用现场管理机动性对 各模块进行现场参数整定，独立完成现场显示工作，并将信号整理后通过i l s 4 8 5 通讯线发送给中央管理机，同时接受中央管理机所下达的命令。可作为中央管 理机的备用机，具有显示功能、自检功能。 2 3 软件实现方案 该变配电系统软件设计方面主要分为微机继电保护和监控系统两部分。这 部分的软件实现各厂家在产品的设计实现过程中均已编写好程序，这里不作简 单的重复，大概予以介绍。 2 3 1 微机继电保护软件设计 微机型继电保护实验装置的软件设计有三方面的内容： 1 ) 实现微机保护数据采样和预处理的d s p 程序，包括半周积分算法、全周 傅氏算法、解微分方程算法等多种算法，不同算法的精度和速度有所差别，在 实验时可以灵活选用； 2 ) 保护逻辑判断原理程序，所有实现各种保护原理的程序都存放在p c i 0 4 中高速存取的c f 卡上，不同保护原理对应不同的程序模块； 3 ) 实验微机操作平台的辅助教学软件采用多媒体技术，把采样数据处理成 表单或曲线图的形式，将动作过程处理成动画形式，可以帮助实验人员获得直 观、形象的感性认识，加深对抽象的继电保护实验原理的理解，同时内部的信 号分析工具，还可以显示电气量的向量关系、信号的频谱【1 6 】等，便于研究人员 进行深入的离线分析。 2 3 2 监控系统软件功能 变配电站计算机监控系统所安装的监控软件是基于w i n d o w s 环境下的电力 系统专用组态软件，能够运行在m i c r o s o f t 晰1 1 d o w $ 9 x 、n t 、2 0 0 0 、x p 平台上 【m 。给用户提供的是全中文界面，简洁的画面设计、灵活的组态方式，高性能 d d e 驱动程序，支持诸多工控产品，并遵循开放式数据库联接( o d b c ) 标准。允 许通过第三方，如m i c r o s o f t a c c e s s ，s q ls e r v e r ，o r a c l e 等访问本系统数据库。 因而它带给您的是像w o r d 、e x c e l 等软件轻松、实用、高效的工作环境。 1 8 第2 章供配电系统综述 系统软件功能： ( 1 ) 显示功能 显示变配电站实际开关柜体图、一次系统图，并在一次系统图上显示各开 关的分、合状态； 显示各配电回路的三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、有功电度、 无功电度、频率以及功率因数等电量参数； 显示各开关的分、合状态和事故报警类别等； 显示各回路电量参数的实时曲线图； 显示变压器的运行状态以及高温、超高温报警； 显示其他工艺设备的运行状态及故障情况。 c 2 ) 报警功能 状态报警：当变配电系统的开关出现过载跳闸、短路故障跳闸以及综合继 电保护装置内部故障时，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录 时间、站号、回路名称、事故类别。 超限报警：当变配电系统的各电量参数出现超过额定值时或其他工艺设备 超限运行时，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间、站号、 回路名称。 三相不平衡系数报警：当变、配电系统的三相电流或三相电压值出现不平 衡时( 可自定义范围) ，计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时 间、站号、回路名称。 ( 3 ) 控制功能 在变配电站总值班室中央管理机处，可以通过鼠标器控制各种高、低压开 关( 带有电动操作机构或者带有交流接触器) 的合闸和分闸；同时也可实现电气闭 锁功能，以防止具有闭锁回路的开关误操作； 在中央管理机处鼠标下达操作命令时具有密码识别功能，只有操作人员输 入正确密码时才可下达操作命令。 ( 4 ) 统计和打印功能 统计和打印所监控的所有电流值、电压值、功率值、频率值、功率因数值 以及这些参数一天2 4 小时变化曲线； 统计和打印各断路器运行状态变化时间及故障报警时间和类别； 统计和打印各断路器的操作时间及操作人员代码； 1 9 第2 章供配电系统综述 统计和打印有功电度、无功电度的一天2 4 小时内单位小时用电量及电量棒 图，同时具有峰谷计费功能。 ( 5 ) 历史记录 值班室计算机软件能将所监测并统计的各种电量参数、各断路器或开关的 状态变化时间、报警故障类别、操作人员代码和时间、开关机时间等永久保存， 以便对整个变、配电系统的运行情况进行分析。 ( 6 ) 通讯功能 系统内部遵循k s 4 8 5 通讯协议。与上位机通讯遵循r s 4 8 5 或t c p 口通讯 协议。 ( 7 ) 自检功能 本系统具有完善的自诊断功能。当系统发生故障时，诊断功能将提供详细 的故障信息，以便及时排除故障。 2 0 第3 章主要器件的选择和性能介绍 第3 章主要器件的选择和性能介绍 在本设计采用微机继电保护装置后，在高压侧采用常熟开关有限公司c v 1 高压断路器，配合施奈德公司的s e p a m l