（电气工程专业论文）大型水电厂继电保护应用与改进研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着计算机及网络技术的迅猛发展，微机继电保护装置的性能不断得到改善，正 向傻瓜化，智能化，网络化，以及保护、控制、测量、数据通信一体化，标准化方向 发展。为此，采用可靠的微机型保护装置，解决运行中的技术问题，提高微机保护的 应用水平，具有重要的意义。 论文首先详细地分析了大型水电厂发电机变压器组保护、3 2 接线方式保护及双母 带旁母分段接线方式保护的基本配置和基本原理，适应现场的、合理的继电保护配置 保证了系统的正常运行，提高了一次设备稳定性，也为我国各种继电保护配置的标准 化提供参考。 其次，通过分析母差保护装置在一次系统故障中的动作情况，解析了母差保护双 位置继电器容易粘死的不足之处，提出了详细的改进方案。根据我国母线保护双重化 的要求，进一步对母差保护进行改造，并且将其接点判别改为采用电流判别为主，接 点识别为辅的方式，提高了母差保护动作的可靠性。 最后，对变压器保护提出了整体的微机化改造方案，选择了合理的保护配置，并 对数字化保护的实施进行了论证。同时分析了变压器保护在现场运行中由于干扰误动 的具体情况，提出了可行的改进方案，提高了装置的抗干扰性能，此改进对今后变压 器微机保护的抗干扰问题及继电保护的有关回路设计、元器件的选型提供了实践经 验。 关键词：微机保护，变压器保护，母差保护，保护改造，工程应用 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sm o l ep o w e r f u lm p u sh a v ec o m ef o r t hw i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e ra n d n e t w o r k , c o m p u t e rp r o t e c t i o ni si m p r o v em u c ha n dt e n d st o w a r d sm h o t i z a t i o n , a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，n e t w o r k , i n c o r p o r a t i o no fp r o t e c t i o nc o n t r o lm e a s u r ed a t at l a f n ca n d s t a n d a r d i z a t i o n u s i n gc o m p u t e rp r o t e c t i o nl i l r k e sf o rr e d u c i n gr n a i n t e n a n c ec o s ta n d i m p r o v i n gs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y i nt h ef i r s t p l a c et h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ec o n f i g u r a t i o na n db a s i cp r i n c i p l eo f g e n e r a t o r - t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n , 3 2b r e a k e r sc o n n e c t i o np r o t e c t i o na n dd o u b l eb u s b a r w i t hs u b s e c t i o nb y p a s sp r o t e c t i o n s u i t e dl o c a l el o g i c a lp r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o nw h i c hc a n b ec o n s u l t e df o rp r o t e c t i o ns t a n d a r d i z a t i o ne n s u r e st h ef u n c t i o no fp o w e rs y s t e m , a n d i m p r o v e ss t a b i l i z a t i o no f p r i m a r ye q u i p m e n t i nt h en e x tp l a c ea c t i o no fb u sp r o t e c t i o ni n s y s t e mf a u l ti sa n a l y s e da n dt h e s h o r t c o m i n go fd o u b l e p o s i t i o nr e l a y i si n d i c a t e d t h e p a p e rb r i n g s f o r w a r dt h e a m e l i o r a t i o np r o j e c t f o rd o u b l ec o n f i g u r a t i o no fb u sp r o t e c t i o n , i ti m p r o v e ss t a b i l i z a t i o n o fb u sp r o t e c t i o nt h a ta l t e r a t i o ni sc a r r i e do u tt oi d e n t i f yt h em o d eb yc u r r e n t - d i f f e r e n t i a t e w i t hc o n t a c t d i f f e r e n t i a t ei n s t e a do f c o n t a c t - d i f f e r e n t i a t eo n l y i l lt h ee n dt h ew h o l ea m e l i o r a t i o np r o j e c ti sp u tf o r w a r df o rt r a n s f o r m e rp r o t e c t i o nb y m i c r o c o m p u t e ra n dh o w t op u ti np r a c t i c ei sd i s c u s s e dw i t hl o g i c a lc o n f i g u r a t i o n t h ep a p e r a n a l y s e sw r o n ga c t i o no ft r a n s f o r m e rp r o t e c t i o ni nl o c a l e , a n da d v a n c e sa n t i - j a m m h a g c a p a b i l i t yo fe q u i p m e n t t h ea m e l i o r a t i o nh a st h er e f e r e n c ev a l u ef o rm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o na n t i - j a m m i n ga n dl o o pd e s i g no f t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n 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 dp r o t e c t i o ns y s t e m ，t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n , b u sp r o t e c t i o n , p r o t e c t i o na l t e r a t i o n , p r o j e c ta p p l i c a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：育彤 日期：口舌年r ，月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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 保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：南p i 易 指导教师签名。扔根 日期：。6 年f f 月7 日日期：狮肄j f 月) 日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 进入新世纪后，我国基本上进入大电网、大电厂、高电压输电、高度自动控制的 新时代。2 0 多年来，我国电力事业的发展令世人瞩目。至l j 2 0 0 0 年底，我国电力装机总 容量己达到3 l ，9 3 2 0 9 万千瓦，全国发电量达至1 j 1 3 6 ，8 4 8 ，1 7 1 万千瓦小时，居世界第二位， 基本满足了国民经济发展对电力的需要。根据我国电网的远景规划，在j b 方火电基地 建成之前，我国将形成北部、中部、南方三大联合电力系统，随着长江三峡水利枢 纽工程、黄河小浪底水利枢纽工程、二滩水电站等一批大型、超大型水电站的建成 投产，至1 j 2 0 2 0 年以前，一个覆盖全国的统一的联合电网将初具规模 1 2 1 。 随着大机组的不断投产，2 2 0 k v 电网的不断完善和扩充，各电网中5 0 0 k v ( 包括 3 3 0 k v ) 主网架的逐步形成和壮大，对继电保护技术的要求也越高。并且各电站机组运 行情况各异，接线方式各有不同，对继电保护装置也提出了更加严格考验。对于保护 配置来讲，现在继电保护装置的生产厂家众多，产品型号五花a r ，保护同变电站自 动化系统的通信方式也没有固定模式，随厂家的改变而改变。国内市场继电保护配置 还没有标准化，因此有必要继续保护装置系列化和标准化的研究。目前，继电保护现 场干扰可以说千变万化，但那种抗干扰的措施是切实可行的呢? 经济实惠的呢? 本文 就是根据目前国内的这些状况，通过对发电厂继电保护的工程应用情况，对这两个问 题做了一些探讨，为今后继电保护的保护配置和抗干扰提供实践经验。 本文详细地介绍了大型水电厂发电机变压器组继电保护、3 2 接线方式继电保护及 双母带旁母分段接线方式继电保护的基本配置和基本原理，为我国电厂各种继电保护 配置提供参考依据。文中通过分析母差保护装置在一次系统故障中的动作情况，解析 了母差保护配置的不足之处，提出了详细的改进方案。再利用现场的第一手资料详细 地介绍了整个变压器保护微机化改造的工程实施，通过分析变压器保护在现场运行中 由于干扰误动的具体情况，提出了可行的技改方案，此改进对今后变压器微机保护的 华中科技大学硕士学位论文 抗干扰问题及继电保护的有关回路设计、元器件的选型提供了实践经验。 1 2 继电保护的发展及新技术的应用 过去保护总是按功能划分装置，例如电流、电压、频率、高频、重合闸等装置， 每个电气设备都要安装一种或数种不同功能的保护装置。如一条2 2 0 k v 的线路，通常 需要配置高频保护、距离保护、零序电流保护及重合闸等，这几种保护装置在电路上 往往是独立的，都有自己的交流采样和出口跳闸回路，在结构上往往也是独立的，每 一种功能的保护装置，单独装在一个箱体内。 现代保护通常都是按设备划分装置，例如线路保护、变压器保护、发电机保护、 电抗器保护等装置。根据不同的电力设备，配置相应的设备保护装置。例如l f p 一9 0 1 a 型微机高压线路保护装置，它包括：主保护、后备保护、重合闸、故障测距等，这四 大部分有机的组成一个整体。按设备划分保护装置，具体明了，避免回路重复的优点， 还能充分发挥各自保护的功能，同时便于现场人员对保护装置的维护和运行。 与此同时，继电保护技术发展趋势也向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、 测量和数据通信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保 护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取 得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目 的新趋势。 1 自适应控制技术在继电保护中的应用 自适应继电保护的概念始于2 0 世纪8 0 年代，它可定义为能根据电力系统运行方式 和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。自适应继电保 护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性 能。这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣【3 】。自适应继电保护具有 改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压 器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率 变化的影响、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问 题，文献 4 】提出了自适应对策，从理论和实践两方面探讨了实现自适应式微机距离保 2 华中科技大学硕士学位论文 护的可行性。文献【5 】对自适应原理在输电线路继电保护的应用作了全面的分类描述， 使自适应继电保护的原理得到了进一步的发展和完善。文献 6 】研究了将自适应继电保 护的原理应用于距离保护中，根据系统运行工况的变化，调整距离保护的动作特性， 从而提高了距离保护的性能。同时在变压器的主保护中，自适应原理也得到了良好的 应用 7 1 【8 1 。例如常用的比率制动式差动保护，就是在普通的纵差保护的原理上，增加 自适应功能，自动调节保护的动作电流，因此可以保证外部故障不误动，同时对于内 部故障又有较高的灵敏度。 2 人工神经网络在继电保护中的应用 一般认为，人工智能大致包括以下几个方面：模糊数学和模糊集理论、专家系统 以及人工神经网络【9 】【1 0 】【l l 】。进人2 0 世纪9 0 年代以来，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，电力系统保护领 域内的一些研究工作也转向人工智能的研究【1 2 】。专家系统、人工神经网络( a n n ) 和 模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注人了活力。近年 来，有关a n n 在继电保护中的应用的研究异常活跃，相继出现了用人工神经网络与 模糊控制理论实现的变压器保护【1 3 】【1 4 】。 基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自 学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动 控制和非线性优化等问题。近几年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网 络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。文献 1 5 】提 出用c p n ( c o u n t e r - p r o p a g a t i o nn e t w o r k ) 模型对交直流混合输电系统的故障类型进行识 别；e m t d c ( e l e c l r o m a g n e t i c t r a n s i e n t si n c l u d i n gd c ) 仿真计算结果表明，c p n 模型能可 靠地进行故障类型的判别，并依据判别结果对直流控制器的参数进行调整，从而优化 交直流混合输电系统的动态运行特性。文献 1 6 】提出了一种基于人工神经网络的电力 系统故障诊断系统，该故障诊断系统利用电力系统中继电器和断路器的状态信息来进 行故障范围的估计。这一系统可应用于电力系统控制中心，辅助调度员对故障范围进 行判别，及时地采取措施对故障进行处理，以保证电力系统供电的安全性、经济性。 文献【1 7 】研究了用人工神经网络原理来实现高压输电线路的方向保护，提出用b p 模型 华中科技大学硕士学位论文 作为方向保护的方向判别元件。研究结果表明，该方向判别元件能准确、快速地判别 出故障的方向。文献 18 】阐述了基于神经网络的继电保护系统的优越性；论证了由单 层感知器网络或t h 网络可以实现最d x - 乘算法，这两种网络都可以在极短的时间( 数 纳秒或几百纳秒) 内完成全部运算；给出了电流继电器、圆特性以及四边型特性阻抗继 电器的神经网络模型，并证明了三种模型都具有很强的自适应性。文献【1 9 】介绍了一 种基于人工神经网络的智能型自适应继电保护原理，利用了比传统保护多得多的信息 量。它比传统保护能区分更多的故障类型，提高了继电保护的适用范围，从原理上解 决了经高阻抗的短路故障保护问题。文献【2 0 】提出一种利用人工神经网络实现自适应 电流保护的方法。该方法充分利用了人工神经网络所具有的强大的自适应能力、学习 能力和模式识别能力，实现对电力系统中的各种故障情况的识别，解决电流保护中的 灵敏度补偿和故障方向识别问题，使电流保护对正方向各种故障都有足够的保护范 围，而对反方向的各种故障实行闭锁，从而实现电流保护的自适应。 3 数字信号处理器在保护的应用 继电保护为了适应现代电力系统发展的需要，在快速性、灵敏性、选择性等各项 指标上必须有较大的提高，这无疑对微机保护中采样、计算等环节提出了更高的要求。 随着计算机技术的发展，c p u 的性能越来越高，速度越来越快，但是以通用微处理器 为核心的微机继保装置由于受器件、c p u 和总线性能的限制，其数据采集和计算难以 同时作到多通路、高速度和高精度，限制了保护装置性能的提高。虽然目前继保所用 微机的c p u 从八位到十六位，指令周期也越来越短，但仍然难以达到实时实数计算的 要求。 超大规模集成电路的飞速发展，出现了数字信号处理器 2 1 1 ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r d s p ) 。它是专为实时数字信号处理及其它精密计算的应用而开发设计的。它 具有丰富的软、硬件资源，其体系结构为哈佛结构，程序总线、数据总线和d m a 总线 分开，程序的提取，数据的存储，d m a 的操作可以并行地进行，芯片广泛采用流水线 技术以减少指令的执行时间，同时芯片内部具有硬件乘法器，使乘法运算可在一条指 令周期内完成，这些特点使其能够快速的数字计算。同时，由于其硬件内部集成了许 多高速信号处理算法如快速傅立叶变换、多种数字滤波器等等，从而使其具有极强的 4 华中科技大学硕士学位论文 实时处理能力。能够按照程序指令执行数据采集、运算等工作。正因为有如此强大的 功能，d s p 已被用于数字通信，图形、图象处理，高速控制等许多领域。可以想见，d s p 的出现，不但可以提高微机保护数据采样与计算的速度和精度，甚至可能改变往常微 机保护装置的设计思想。文献 2 2 】 2 3 】介绍了一套“开放式”的保护装置。该保护装置的 突出特点就是将d s p 模块作为插件安装在一台3 8 6 i 控机母板上，由d s p 模块承担数据 采集和运算任务；而工控机从d s p 模块中取得以处理好的数据后，只需经过简单的逻 辑运算就可以完成故障判别，驱动跳闸或发信。只要通过键盘、显示器或通讯网络， 修改工控机中的逻辑流程或定值，就可以很方便地实时改变保护的性能。该文献中讨 论了两种基于d s p 的硬件设计构思，以满足大型发电机组保护和录波系统的需求。其 基本思想是：采用高精度、高速度( 转换速度快，数据吞吐量大) 的a d 芯片进行模 数转换，而数据采集过程由d s p 直接控制，通过通信联络单元在d s p 总线与工控机总 线间实现数据和命令传递，由工控机完成保护功能及装置整体的管理，同时利用大容 量s r a m 用于故障录波数据的存储，从而使这种微机保护兼有录波和监视功能。 4 小波分析在保护的应用 微机继电保护是用数学运算方法以实现故障量的测量、分析和判断。我们常用的 各种数字信号分析工具，如f o u r i e r 变换、k a l m a n 滤波、最小二乘滤波等在对稳态信号 的处理中发挥了巨大的作用。但是，它们却不太适合于处理非稳态信号。以f o u r i e r 变 换为例，它能将信号的时域特性变换为频域特性来研究，并且这种变换是对称的，即 在相应的f o u r i e r 反交换的作用下，信号的频域特性也能方便地通过它所对应的时域特 性来研究。但是，由于f o u r i e r 变换中所用的基函数一正弦和余弦函数本身的特性， 决定了它不具备时一频局部化的作用，也就是说，若要得到某个固定频率的频谱信息， 就必须使用全部的时域信息进行f o u r i e r 变换：然而在继电保护中，对于一些突发性故 障，我们特别关心电量发生突变的时刻( 故障时刻) 以及在这一段局部时域中的频谱 特性。f o u r i e r 变换显然不适合这样的突变信号的时一频分析。 近年来发展起来的小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 为解决这一难题提供了完美的工 具。小波变换同傅里叶变换一样，都是一种积分变换。小波分析的特点在于：对于检 测高频信号，时窗会自动变窄，同时频窗交宽，使得它能包含丰富的频率分量；而在 华中科技大学硕士学位论文 检测低频信号时，时窗则会自动变宽，相应的频窗变窄。 文献【2 4 】提出利用小波分析提取励磁涌流的间断角特征，以间断角的有无来判别 励磁涌流。该文对变压器t a 的二次侧电流波形进行小波变换，对比对称性涌流和短路 电流的小波变换，励磁涌流经小波变换其波形中对应于间断角处的相邻两模极大值是 同号( 这一现象是由励磁涌流的间断角导致的) ，而故障电流恰好相反，对于非对称 性涌流则是对差分后的涌流波形进行小波变换，同样得出励磁涌流经小波变换，所得 的相邻模极大值是同号，而故障电流恰好相反。利用这一特征来识别对称性涌流。 文献【2 5 】 2 6 】论述了傅里叶分析能将信号的时域特性变换为频域特性，但无法反映 局部时域信号在局部频率中的对应特性。该文建立了一个小波函数使该函数具有时间 窗和频率窗的性质( 即该函数及其傅里叶变换都具有快速衰减性) ，而且相应的时频窗 是可调的。由于励磁涌流常常伴随着严重的磁饱和过程，结果使得励磁涌流中含有较 多的三次谐波及更高次谐波分量，而与故障电流相伴的磁饱和程度相对较低，这种微 小的差异用常规的信号处理方法很难区分，用小波变换却可以将其放大，达到区分励 磁涌流和故障电流的目的。 综合以上文献可以看出，小波分析是对所给信号进行波形分析，提取信号波形在 不同频带下的特征量作为判别的依据。随着这门学科自身的不断发展和继保研究者对 它认识的不断深入，它必将在继电保护领域发挥更加重要的作用，为继电保护的发展 做出更大贡献。 1 3 微机保护的主要特点 研究和实践证明，与传统的继电保护相比较，微机保护有许多优点【3 0 1 3 1 1 ，其主要 特点如下： ( 1 ) 改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得 到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护：可引进自 动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其 运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。 ( 2 ) 可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附 6 华中科技大学硕士学位论文 加低频减载、自动重合、故障录波、故障测距等功能。 ( 3 ) 工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积 小，减少了盘位数量；功耗低。 ( 4 ) 可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使 用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主 要元件、部件的工况以及功能软件本身。 ( 5 ) 使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维 修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。 ( 6 ) 可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控 系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。 葛洲坝电厂运行已经有2 0 多年，它是国内大型的水力发电厂，机组数量多、型号 多，有鲜明的主接线方式，所以不管是从现代管理上还是从电力系统上都要求继电保 护使用可靠的保护装置。继电保护已经经历了从模拟保护到数字保护的改造历程，且 许多保护原理已经得到了很好的应用，如故障分量原理、白适应转子接地原理、采样 值差动原理都得到了成功的应用。现在改造后的微机保护运行稳定，正确动作率高， 可以说，微机保护为电厂带来了巨大的经济效益。 1 4 论文的主要工作和章节安排 论文以一个大型水电厂为载体，从分析它的典型继电保护配置开始，指出了双目 带旁母分段母差保护配置的不足，对母差保护提出了详细的改进方案，再用变压器保 护从模拟保护到数字保护的改造，论证微机双重化改造的成功，并对微机变压器保护 的某些回路进行了改进。 论文的具体章节安排如下： 第一章介绍了继电保护的发展及新技术的应用，介绍了微机型继电保护的主要特 点及在葛洲坝电厂的应用情况，最后介绍了论文的主要章节和工作安排。 第二章详细地分析了某大型水电厂发电机变压器组保护、3 2 接线方式保护及双 母带旁母分段接线方式保护的基本配置和基本原理，分析了大型水电厂一次设备的复 7 华中科技大学硕士学位论文 杂性，使得继电保护配置不能统一，及带来的管理、维修上的困难，同时也为我国各 种继电保护微机化改造，保护配置的标准化提供参考。 第三章用一次故障实例，通过分析机组保护和母差保护装置在一次系统故障中的 动作情况，解析了i 母母差保护动作的原因，i i 母母差保护拒动的原因，由此得出母 差配置的不完善及现有r d a s s s 型母差保护的不足，并对母差保护提出切实可行的 改造方案。 第四章利用现场的第一手资料详细地介绍了整个变压器保护微机化改造的工程 实施，通过分析变压器保护在现场运行中由于干扰误动的具体情况，提出了可行的技 改方案，此改进对今后变压器微机保护的抗干扰问题及继电保护的有关回路设计、元 器件的选型提供了实践依据。 第五章对全文工作进行总结。 华中科技大学硕士学位论文 2 继电保护基本配置及原理 本章详细地分析了某大型水电厂发电机变压器组保护、3 2 接线方式保护及双母 带旁母分段接线方式保护的基本配置和基本原理，分析了大型水电厂一次设备的复杂 性，使得继电保护配置不能统一，及带来的管理、维修上的困难，同时也为我国各种 继电保护微机化改造，保护配置的标准化提供参考。 2 1 电厂保护概述 葛洲坝电厂是一个投产有2 0 多年的大型水力发电厂，它的机组数量多、型号多， 有鲜明的主接线方式，所以不管是从现代管理上还是从电力系统上都要求继电保护使 用灵敏的、可靠的保护装置。现在继电保护已经经历了从模拟保护到数字保护的改造 历程，且许多保护原理已经得到了很好的应用，如故障分量原理、自适应转子接地原 理、采样值差动原理都得到了成功的应用。由于电厂一次设备的复杂性，为了微机保 护能适应现场的需要，须对保护微机进行改进，并且保护配置也存在多样性，维修、 管理上都非常困难。但是改造后的微机保护运行稳定，动作正确率高，它为电厂带来 了巨大的经济效益。 下面详细地介绍发电机变压器组保护、3 2 接线方式保护及双母带旁母分段接线方 式保护的基本配置和基本原理。 2 2 发电机变压器组保护基本配置及原理 2 2 1 主接线介绍 此电厂主接线是采用联合扩大单元接线，如图2 1 每个单元有两台3 0 0 m v a 的升压 变压器，其高压侧约经l 公里的架空线到变电所，变电所侧为一个半断路器接线。两 个变压器低压侧共有六个分支：每一个都接有两台发电机，并且一个接制动电阻，另 一个接厂用变压器。由于其地理因素的制约，变压器的高压侧没有装设断路器。当从 一个半断路器接线到变压器低压侧之间发生故障，为了将故障与系统隔离开，保护动 9 华中科技大学硕士学位论文 作应该将与变压器低压侧连接的发电机等电气元件跳开( 即跳开6 个断路器) ，并且断 开和5 0 0 k v 一个半开关相接的断路器( 即跳开2 个断路器) 。 图2 1 电厂主接线图 2 2 2 发电机变压器组保护配置 发电机和变压器保护为分体式配置，现发电机保护使用的是w b z - 0 2 1 型和 w b z - 0 1 型发交组微机保护装置。变压器保护使用w b z - 3 c 型和w b z 5 0 0 h 型两种微机 变压器保护型号。 1 发电机保护配置情况 发电机保护配置为不完全双重化配置，由三个子系统组成，包括子一系统、子二 系统、管理机及出口层。具体配置情况如下： l o 华中科技大学硕士学位论文 a ) 子一系统 ( 1 ) 纵差保护 ( 2 ) 过电压 ( 3 ) 转子过流 ( 4 ) 串并变过流 ( 5 ) 低压过流i ( 6 ) 低压过流 ( 7 y r a 断线 ( 8 ) 转子过负荷 ( 9 ) 定子过负荷 ( 1 0 ) 定子接地 b 1 子二系统 ( 1 ) 不对称故障 ( 2 ) 失磁保护 ( 3 ) 负序过流i ( 4 ) 负序过流 ( 5 ) t v 断线 ( 6 ) 负序过负荷 ( 7 ) 定子接地 c ) 出口层 ( 1 ) 水机事故 ( 2 ) 励磁事故 2 变压器保护配置情况 变压器保护配置有w b z 5 0 0 h 型和w b z 3 c 型两种保护型号， 有不同。 a ) w b z 5 0 0 h 型微机变压器保护配置情况 针对每个单元主变压器的实际情况，根据保护装置双重化原则， 两种型号配置稍 如图2 2 ，采用 华中科技大学硕士学位论文 三个柜来完成单元主变保护配置，柜a 为第一个变压器的保护，柜b 为第二个器的 保护，柜c 为迸线短线差动保护。 机组电气量机组电气鼍 后备保护l后备保护2 第一套主变保护 第二套主变保护 非电量保护 打印机 出口连片 柜a 机组电气壁机组电气鼍 后备保护1后备保扩它 第一套主变保护 第二套主变保护 非电量保护 打印机 出口连片 开关失灵i 开关失灵 电气量保护日电气量保护2 第一套短线保护 第二套短线保护 通讯管理机 打印机 出口连片 柜b柜c 图2 - 2 柜体布置图 具体保护配置情况如下： 主变保护功能配置一w b z 一5 0 0 h 微机主变保护装置两套 ( 1 ) 主变差动； ( 2 ) 零序差动； ( 3 ) 高压侧过流； ( 4 ) 高压侧零序过流； ( 5 ) 主变过激磁及反时限过激磁保护； ( 6 ) 低压侧过流( 包括三个分支) ； ( 7 ) 低压侧零序过压； ( 8 ) 过负荷； ( 9 ) t a 断线； f 1 0 ) t v 断线； 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 非电量保护； ( 1 2 ) 外部电气量保护； 进线短线差动保护功能配置一四侧差动保护两套 ( 1 ) 进线短线差动( 四侧差动) ； ( 2 ) 差流越限； ( 3 ) t a 断线； ( 4 ) 外部电气量保护； b ) w b z 3 c 型微机变压器保护配置情况 此保护配置是根据葛洲坝电厂现场条件和主接线方式进行研制的新型微机变压 器保护【3 2 】【3 3 1 1 3 4 1 ，保护柜体布置情况图2 3 ，柜a 为大差( 八侧差动) + 短线差( 四侧) ， 柜b 、c 为主变差( 四侧) 及其后备保护功能，且具备全厂时钟同步对时、数据与状态 量上传、数据记录及在液晶屏上进行故障波形回放等辅助功能。 八侧大差、v 4 0 子系统1 四侧短线差、v 4 0 子系统2 4 8 6 管理机 操作层 出口连片 四侧变差、v 4 0 子系统1 后备保护、v 4 0 子系统2 4 8 6 管理机 操作层 出口连片 四侧变差、v 4 0 子系统1 后备保护、v 4 0 子系统2 4 8 6 管理机 操作层 出口连片 柜b柜c 图2 3 柜体布置图 华中科技大学硕士学位论文 具体保护配置情况如下： ( 1 ) 八侧大差( 采用二次+ 五次谐波制动原理) ； ( 2 ) 四侧短线差( 采用比例制动原理，考虑t a 饱和特性) ； ( 3 ) 四侧主变差( 采用新原理：虚拟三次谐波制动) ； ( 4 ) 后备保护：主变零序过流、主变过激磁、复合过流、过负荷、负序过流、1 3 8 k v 绝缘监视 ( 5 ) 非电量保护：重瓦斯、轻瓦斯、小电抗瓦斯、冷却器全停、温升、压力释放 2 2 3w b z 5 0 0 h 型微机变压器保护介绍 在第四章中将介绍w b z - 5 0 0 h 微机双重化改造及保护的改进，下面就详细介绍 w b z - 5 0 0 h 型微机变压器保护的硬件及其基本原理。 1 装置概述 w b z - 5 0 0 h 型微机变压器保护是在w b z 5 0 0 基础上发展起来的新一代微机变压器 保护。装置采用背插式机箱结构和多c p u 技术，在保持原有成熟的保护原理及算法的 基础上，大大提高了保护的处理速度和抗干扰能力。本保护吸取w b z - 5 0 0 型保护多年 的运行经验，设计合理、实用性强。 本装置适用于5 0 0 k v 及以下各电压等级的各类型变压器保护，整套装置由差动保 护、后备保护、非电量保护三个独立单元组成。各单元在电气和结构上相对独立，必 需联接处均经光电隔离。各保护功能均由软件实现。 本装置特点是： ( 1 ) 采用大屏幕液晶显示，人机界面全部汉化，采用菜单式命令，操作简单。 ( 2 ) 显示、打印采用单独的c p u 控制，主c p u 只进行保护运算，提高了主c p u 的运 算处理速度，显示与主机采用代码通讯，提高了显示速度。 ( 3 ) 跳闸方式可由控制字整定，方便灵活。 ( 4 ) 保护配置灵活，可以通过控制字和压板投退保护。压板投退均输出报告。 ( 5 ) 整定值( 除个别控制字外) 均采用十进制显示，操作简单快捷、直观，精度高、 范围广。整定值一经整定便复制三份永久保存，上电时以三取二方式自我校核。直至 下次被修改。正常运行时，对整定值将不时的检查，确保无误。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 差动保护满足多侧制动要求。 ( 7 ) 采用相电流突变和零序电流稳态量启动方式，灵敏度高，抗干扰能力强。 ( 8 ) 后备保护配置全面，拥有完善稳定的软件继电器库，保护功能可通过对各继电 器库的调用方便准确的组合。 ( 9 ) 带电池保持的存储器和时钟，可保持l o 份带录波数据的报告、事件，且最近一 次跳闸报告不允许被非跳闸报告冲掉。 ( 1 0 ) 通讯方式灵活选择，可采用r s 2 3 狐s 4 8 5 瓜s 4 2 2 口与变电站综合自动化系统 配合，可实现远方定值修改，事件记录上传等。 ( 1 1 ) 装置采用背插式结构和特殊的屏蔽措施，能通过i e c - 2 5 5 - 2 2 - 4 标准规定的i 级 ( 4 k v ：t ：1 0 ) 快速瞬变干扰试验、i e c 2 5 5 2 2 2 标准规定的级( 空间放电1 5 k v ，接 触放电8 k v ) 静电放电试验。装置具有高可靠度。 2 硬件说明 虽然变压器保护的保护配置不同，原理各异，但主保护及后备保护的硬件系统模 式确完全相同。图2 _ 4 为装置系统框图，依次包括交流输入模件( a c ) 、模数转换模件 ( a d ) 、保护功能模件( 主c p u ) 、电源模件( p o w e r ) 、信号模件( s i g n ) 、出口 跳闸模件( t r 口) 、开关量输入模件( d i ) 、打印管理模件( p i l 酣t ) 、显示模件 ( s c r e e n ) 。非电量单元则由中间继电器，时间继电器出口继电器组成 机箱结构： 本装置外型为1 9 英寸4 u 标准机箱结构，采用整面板、背插式结构。 整面板上包括大屏幕液晶显示器，全屏幕操作键盘，信号指示灯。 背插式结构即插件从装置背后插拔，各插座间的连线在整母板上，母板位于机箱 前部。 该结构具有以下优点： 各插件自带可插拔端子，母板上只有保护内部使用的5 v 、1 5 v 和2 4 v 电压等级回 路连线，强电弱电完全分开，可大大减少外部电磁干扰在弱电侧的耦合。增强装置抗 干扰能力，提高其可靠性和安全性。 母板连线按总线方式布置，使装置在功能装置上具有很强的灵活性，可以根据用 华中科技大学硕士学位论文 户需要扩充或更改装置的功能。 图2 - 4硬件框图 a c 交流输入模件： w b t - 1 0 1 t - e 型：包括1 2 个电流互感器； 。 w b t - 1 0 1 t - f 型：包括6 个电流互感器，6 个电压互感器( 1 0 0 v ) ； w b t - 1 0 1 t - g 型：包括6 个电流互感器，6 个电压互感器( 3 个1 0 0 v ，3 个3 0 0 v ) ； w b t - 1 0 1 t - h 型：包括6 个电流互感器； w b t - 1 0 1 t - t 型：包括2 个电流互感器，2 个电压互感器( 1 0 0 v ) ； w b t - 1 0 1 t - x 型：包括2 个电压互感器( 1 0 0 v ) ，2 个电流互感器； w b t - 1 0 1 t - x 型：包括4 个电流互感器( 1 0 0 v ) ： a d 转换模件： 本模件包括滤波、采样与模数转换电路，设有可以调节零漂和幅值的电位器。 w b t 1 0 3 t c 型：1 4 路无源滤波，通过j p 2 、j p 3 可将通道选为1 2 路或1 4 路。 w b t 一1 0 3 t d 型：8 路有源滤波。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 主c p u 模件： 主c p u 集成了中央处理器( c p u ) 、g p s 对时、硬w a t c d o g 功能、运行灯控制功 能、光电隔离复位、四串口通讯功能。 四串口通讯( 其中三个为光电隔离) ，一个为r s 4 2 2 4 8 5 2 3 2 ( 与上位机通信) ，一 个为r s 4 2 2 4 8 5 ( 与l c d 通信) ，一个为r s 2 3 2 ( 与打印机通信) ，一个为r s 2 3 2 ( 非电 隔离，与模拟终端通信。信号模件： 每块信号模件可提供3 组，每组6 个信号，通过选用不同的继电器型号，可实现信 号的保持与不保持选择。 出口跳闸模件： 每块出口跳闸模件提供4 组每组2 付；2 组每组l 副，共1 0 付节点用于出口跳闸。另 用一付不经过启动元件的节点用于启动通风，闭锁调压等功能。 打印管理模件： 通过一块打印管理模件的4 个r s 2 3 2 通讯口可连接4 个c p u ，实现多个保护之间的 打印管理与共享。 显示模件： 采用大液晶显示信息容量多，独立c p u 控制，与主c p u 采用r s 4 2 2 串口通讯，减 少干扰。 3 保护原理 启动算法 微机保护为了加强对软、硬件的检查，提高装置的动作可靠性，往往采用检测扰 动的方式决定程序是进行故障处理还是进行自检等工作。本装置采取多种方式，确保 及时的捕捉到扰动。 相电流突变量启动方式： 利用扰动时，相电流会发生突变的特征，判断系是否发生扰动。 相电流突变采用周周比较，其表达式： i 【i ( k ) i ( k - n ) i ( k - n ) i ( k 2 n ) 】i2 8( 2 - 1 ) 这里，1 1 为每工频周期采样点，k 为当前采样点。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 该启动元件具备以下特点： 能够反映各种故障； 不受负荷电流的影响： 不反映故障电流的直流分量： 具有较强的抗干扰能力； 零序及差流启动方式： 针对变压器故障主要为接地故障，也为防止转换性故障、多条线路相继故障及小 匝间故障等情况下，相电流突变量启动方式可能失去重新启动能力，为此增加零序及 差流启动方式，作为相电流突变量启动方式的补充。 差动保护 ( 1 ) 差动速断保护 差动速断保护主要是为了在交压器差动区内发生严重故障时快速切除变压器，以 确保变压器的安全。其动作判据为： i d i d o ( 2 - 2 ) 其中：i d 为变压器差动电流 i d q 为差动电流速断保护动作定值 高压 侧 i a l b i c y 侧t a 按接入 y 侧t a 按y 接入 图2 - 5 变压器模型 ( 2 ) 差动保护 差动电流算法 对于如图2 5 所示y 0 y 0 d 1 1 变压器模型，对于变压器y 侧( 以a 相为例) i a i b i c 华中科技大学硕士学位论文 假设t a 仍然按常规三角形接法接入则对应差流为 i d a = i l a + 1 2 a x k h + b a x k m + 1 4 a k l 假设t a 全部y 型接入，贝i j 对应差流为 i d a = ( i l a - 1 1 b ) + 0 2 a 4 2 b ) 1 7 3 2 x k h + ( 1 3 a - 1 3 b ) 1 7 3 2 x k m + 1 4 a ) ( k l a ) - 段折线式比率制动特性判据 ( 2 3 ) ( 2 4 ) j 5 l i z 图2 - 6 比率制动特性曲线 b ) 二次谐波制动判据 当变压器空载投入( 差动区内无故障) 或差动区外故障切除后的恢复时间，均会 产生励磁涌流。本判据利用计算差流中的二次谐波与基波幅值比k 2 1 = 1 2 1 1 是否大于整 定值，不小于则制动差动。k 2 1 可任意整定，一般不大于2 0 。通常取1 5 。 c ) t a 断线闭锁保护 t a 断线判据用于判别变压器正常运行时1 a 回路状况，发现异常情况发告警信号， 并可由软件控制字投退来决定是否闭锁差动保护。 常规差动保护为了保证y 接法变压器差流的平衡，一般将y 侧t a 接成型，而 将侧t a 接成y 型。y 型接法t a 断线判别比较简单，而接法t a 断线类型较多，有 的难以与故障区别开，判断十分复杂。对微机保护而言，y a 变换完全可由数学运算 完成而不必将t a 接