（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的低压短线路保护的研究.pdf

摘要 继电保护装置是一种反应电力系统故障和不正常运行状态，并动作于 断路器跳闸和发出信号的设备。随着电力工业的发展，低压配电网络的结 构和用户性质都发生了很大的变化，对继电保护装置也提出了更高的要 求。传统的阶段式电流保护应用于低压短线路时，具有整定配合困难，容 易越级跳闸等缺点，很难满足现代电力系统发展的需要。 本课题在总结低压短线路保护研究现状的基础上，分析了低压短线路 故障的特点和目i i 应用于低压短线路的保护方式的优缺点，提出采用电流 起动的全阻抗继电器来解决低压短线路故障范围扩大问题。该保护方式系 利用电流继电器和全阻抗继电器的联锁构成线路保护。由于反应相差电流 的电流保护其灵敏度不受短路类型的影响，全阻抗继电器又具有良好的抗 过渡电阻能力，因此该保护装置在低压短线路中表现出良好的特性。 同时，本文还分析了国内现有微机保护硬件的现状，总结了其优缺点， 提出了适用于低压短线路的微机保护方案，并对数据采集系统进行了具体 的软硬件设计。由于d s p 芯片相对于8 位和1 6 位单片机，具有硬件资源 丰富，功能强大，开发平台先进等特点，可以极大的提高保护产品的性能。 本课题以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为微机保护主c p u ，用以实现 保护功能。 针对该芯片内置1 6 通道l o 位a d 转换器可由两个事件管理器进行触 发的特点，本文提出了一种提高芯片内置a d 转换器精度的方法，并对其 误差进行了分析。该方法将同一模拟信号经两个不同的变换器引入芯片内 的两个事件管理器( e v a 和e v b ) ，然后根据模拟输入信号的幅值判断由 某一事件管理器触发相应的排序器，选择模拟转换通道，进行模数变换后 输出。 在此基础上设计的低压短线路微机保护装置的数据采集系统，采用了 种能很好滤除衰减直流分量的算法：改进半波傅氏算法。在无需独立的 4 坠壅苎丝坠兰邕垒l 数字滤波和外接模数转换芯片的情况下，即可完成高精度的数据采集功 能，节省了设备投资，为将距离保护应用于低压短线路奠定了基础。该系 统经实验室验证，可满足工程要求，且硬件实现简单。 【关键词】微机保护 线路保护 距离保护数字信号处理 数据采集 a b s t r a c t r e l a yp r o t e c t i o ni s o n eo fd e v i c et o r e s p o n dt h ef a u l ta n da b n o r m a l c i r c u l a t es i t u a t i o no fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，t om a k et h eb r e a k e ra c t i o na n dt o s e n do u tt h es i g n a l w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e r i n d u s t r y ，t h e s t r u c t u r eo fl o w 。v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h ec u s t o m e rp r o p e r t i e s c h a n g eg r e a t l y t h et r a d i t i o n a ls t a g et y p ec u r r e n tr e l a yp r o t e c t i o nw h a ti s w i d e l yu s e di nl o w v o l t a g es h o r tt r a n s m i s s i o nl i n e ，i ss e t t i n gd i f f i c u l t ya n d e a s yt oa c t i o nw i t h o u ts e q u e n c e i ti sv e r yd i f f i c u l tt os a t i s f yt h ed e m a n do f t h em o d e r ne l e c t r i cp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t t h i st o p i ca n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w v o l t a g es h o r tt r a n s m i s s i o n l i n ef a u l ta n dt h em e t h o d so fr e l a yp r o t e c t i o nu s e di n t h i s f i e l do nt h e f o u n d a t i o no ft h er e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n ，a n dp r e s e n tan e w p r o t e c t i o n s c h e m eb a s e do ni n t e r l o c k i n gb e t w e e ni m p e d a n c er e l a ya n d o v e r - c u r r e n tr e l a y t ot h e s c o p ee x t e n s i o np r o b l e m b e c a u s et h es h o r t c i r c u i tt y p ed o e s n t i n f l u e n c et h es e n s i t i v i t yo fo v e rc u r r e n t p r o t e c t i o nr e s p o n d i n gt h ep h a s e d i f f e r e n t i a lc u r r e n t ，a n dt h ei m p e d a n c et e l a yp o s s e s sw e l ls t a n d i n gr e s i s t a n c e a b i l i t y , t h i sp r o t e c t i o ns c h e m ee x p r e s sag o o dc h a r a c t e r i s t i ci nl o w v o l t a g e s h o r tt r a n s m i s s i o nl i n e a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h eh a r d w a r eo f e x i s t i n gc o m p u t e r r e l a yp r o t e c t i o n ，s u m m a r i z et h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h o s e ，t h e n p o t sf o r w a r dt h ec o m p u t e rr e l a yp r o t e c t i o ns c h e m eo fl o w - v o l t a g es h o r t t r a n s m i s s i o nl i n e ，d e s i g nt h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r eo fd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m b e c a u s ed s ph a sp r o l i f i ch a r d w a r er e s o u r c ea n de m i n e n tf u n c t i o n ， a n di t se x p l o i t i v ep l a t f o r ma r ea d v a n c e d ，a n di te n h a n c e st h ep e r f o r m a n c eo f p r o t e c t i o np r o d u c t sg r e a t l y ，t h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 c h i pp r o d u c e db y t i c o m p a n yi su s e dt ot h em a i nc p uo fc o m p u t e rr e l a yp r o t e c t i o n ，t or e a l i z et h e f u n c t i o n b e c a u s eb u i l d i n l6c h a n n e l sl0 - b i ta dc o n v e r s i o no ft h e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7c a nb es t a r t e db yd o u b l ee v e n tm a n a g e r t h i sp a p e rp r e s e n t sa d e s i g nm e t h o dw h i c he n h a n c e st h ep r e c i s i o no fb u i l d i na dc o n v e r s i o n ，a n d a n a l y z e st h ee r r o ro ft h en e wa dc o n v e r s i o n w i t ht h i sm e t h o d ，o n ea n dt h e s a m ea n a l o gs i g n a li se n t e r e di n t ot h ee v aa n de v bt h r o u g ht w oc o n v e r t e r s o fd i f f e r e n tv a r i a t i o nr a t e s t h ec p uj u d g e sw h i c hs e q u e n c es h o u l db es t a r t e d a c c o r d i n gt ot h eb r e a d t ho ft h ei n p u ta n a l o gs i g n a l ，c h o o s e st h ec o n v e r t i n g c h a n n e l s ，a n dt h e no u t p u t st h er e s u l ta f t e ra dc o n v e r s i o n t h ed a t aa c q u i s i t i o nd e s i g n e do nt h i sf o u n d a t i o na d o p t sa ni m p r o v e d h a l f - c y c l ef o u r i e ra l g o r i t h m w h i c hc a nf i l t e r d e c a y i n gd cc o m p o n e n t w i t h o u td i g i t a lf i l t e ra n da dc h i p ，t h ep r e c i s i o no ft h i sd a t aa c q u i s i t i o ni s h i g h b e c a u s et h es y s t e ms a v e st h ee q u i p m e n t si n v e s t m e n t ，t h i s d i s t a n c e p r o t e c t i o nc a nb eu s e dt ol o w v o l t a g es h o r tt r a n s m i s s i o n t h i ss y s t e mh a s a l r e a d yv e r i f i e da tl a b o r a t o r y t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sa c c u r a t ee n o u g ht o m e e tt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n ta n dc a p a b l eo fc o n v e n i e n th a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n 【k e yw o r d 】c o m p u t e rr e l a yp r o t e c t i o n ；l i n e p r o t e c t i o n ；d i s t a n c ep r o t e c t i o n ； d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ；d a t aa c q u i s i t i o n 7 符号说明 d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理 e p r o m ：用紫外线照射擦除的可编程只读存储器 e 2 p r o m ：用电压信号擦除的可编程只读存储器 s i r ：电源线路阻抗比 s ：变压器额定容量 p 。：变电所最大负荷 a d ：模数转换 s e q l ：排序器1 s e q 2 ：排序器2 e v a ：事件管理器a e v b ：事件管理器b ，。：电流互感器二次额定电流 玑：电压互感器二次额定电压 ，。：电流输入信号的最大值( 有效值) k ：电流输入信号的最小值( 有效值) e ：舍入误差 ；a d 转换器的不可调整误差 l s b ：最低有效位 d m a ：直接内存存取方式 s h ：采样保持 m u x ：多路转换器 z ：采样保持器的采样频率 1 1 概述 1 绪论 继电保护装置是一种能反应电力系统故障和不正常状态，并及时动作 于断路器跳闸或发出信号的自动化设备。通常所说的继电保护是指继电保 护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统。根据组成继电保护装 置的元器件的不同，继电保护装置可分为机电式、电磁式、整流式、晶体 管、集成电路和微机型继电保护。所谓微机继电保护就是基于微处理器和 基于数字信号处理技术的继电保护。 1 1 1 微机继电保护的发展历史 电力系统继电保护所研究的内容主要包括两个方面：一是指实现继电 保护的各种原理；二是指组成继电保护的各种装置。 纵观继电保护的发展历史可见，继电保护原理是伴随着电力系统的发 展而不断发展的。由于电力系统规模的扩大及电压等级的提高，为了保证 电力系统的安全可靠运行，必须研究动作速度快，灵敏度高，选择性好的 继电保护原理。因而继电保护原理从简单的电流保护逐步发展到复杂的距 离保护和高频保护。近年来反映突变量原理的继电保护得到了广泛应用。 目前，正在研究基于故障暂态分量的保护和将智能技术应用于继电保护 中。 继电保护装置的发展则依赖于构成继电保护装置的元器件技术的发 展。其发展初期，主要是由电磁型、感应型继电器构成的继电保护装置， 2 0 世纪6 0 年代由于半导体二极管的问世，出现了整流型继电保护装置； 伴随着半导体技术的进一步发展，7 0 年代出现了晶体管继电保护装置：大 规模集成电路的出现，又促成了8 0 年代集成电路型保护装置的盛行。由 9 些壅兰羔堡量堕丝- _ 一 于计算机技术和微型计算机的快速发展，到了8 0 年代中期，出现了微机 型继电保护装置。 自从1 9 4 6 年涎生了世界上第一台计算机以来，伴随着半导体技术和 大规模、超大规模集成电路技术的发展，计算机的发展突飞猛进，计算机 被广泛应用于科学技术、生产和生活的各个领域。因此计算机被应用于电 力系统继电保护也是继电保护装置发展的必然趋势。 早在1 9 6 5 年，英国剑桥大学的p g m c l a r a n 及其同事就提出用计算机 构成电力系统继电保护的设想，并发表了s a m p l i n g t e c h n i q u e s a p p l i e d t o d e r i v a t i o nl e t t e r 的文章。1 9 6 7 年澳大利亚新南威尔士大学的 i f m o r r i s o n 预测了输电线路计算机控制的前景，1 9 6 9 年美国西屋公司 的g d r o c k e l e l f e r 发表了利用数字计算机实现的故障保护的文章。1 9 7 2 年美国西屋公司与g e 公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装 置，这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机继电保护装置，它具 备了计算机保护的基本组成部分。由于当时微型机尚未出现，因此该保护 装置是由一台小型计算机实现的。 自2 0 世纪7 0 年代初期出现大规模集成电路后，微处理器迅速发展， 从简单的4 位微处理器发展为8 位微处理器，例如英特尔公司的8 0 8 0 芯 片，摩托罗拉公司的6 8 0 0 芯片等，7 0 年代中期出现了单片微型计算机， 微处理器和单片机的出现使计算机应用于电力系统继电保护成为现实。 1 9 7 7 年日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置，完全代 替了原有保护，大大减少了控制室的占地面积，并于1 9 8 0 年发表了试运 行的结果。1 9 7 9 年，国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界 性的计算机继电保护研究班，对2 0 世纪7 0 年代以来的计算机保护的研究 成果进行了总结和交流。到2 0 世纪8 0 年代中期计算机保护在电力系统中 获得了广泛的应用。一f 3 j 1 1 2 国内微机继电保护研究现状 我国自1 9 7 9 年开始微机保护的研究工作。首先在高等院校和一些科 山东大学硕士学位论文 研单位开展了微机保护的研究工作，1 9 8 4 年4 月，华北电力大学研究的以 m c 6 8 0 9 c p u 构成的m d w i 型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行， 这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。从此，微机保护的研究工 作方兴未艾，如火如荼到目前为止，微机保护装置已经涵盖了常规保护 的所有领域，在1 2 0 k v 及以上电压等级的电网中微机线路保护的普及率达 到了9 0 以上。 我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段。 第一阶段是以单c p u 的8 位微处理器构成的微机保护装置。其主要 特点为：保护采用8 位微处理器m c 6 8 0 9 构成微机系统，由于m c 6 8 0 9 仅 仅是一个c p u ，因此需要在外部扩展许多硬件电路，所以总线必须引出插 件，保护的存储器容量较小，程序和保护的定值均存放在e p r o m 中，定 值的改写十分不方便，保护装置中仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟 便停止运行，硬件不具备数据远距离传输功能。由于仅有二个c p u ，所有 的保护功能只能集中由这个c p u 处理，可靠性较低。其代表产品为 w x b 0 1 微机高压线路保护装置。 第二个阶段是以多个8 位单片机组成的多微机系统。其主要特点为： 具有多个8 位单片机，由于采用了单片机，需要外部扩展的硬件电路较少， 因此可以作到总线不引出插件，保护装置的定值存放在e 2 p r o m 中，修改 十分方便。系统设有硬件时钟芯片，依靠备用电源的支持，装置直流电源 消失后，硬件时钟可继续运行，硬件上设计了进行远距离数据传输的串行 接口，由于硬件由多个单片机系统组成，因此一条输电线路的多种保护的 功能可分敖于不同的单片机系统，从而增加了保护装置的可靠性。其代表 产品为w x b 1 1 系列微机保护装置。 第三个阶段是以1 6 位单片机构成的多微机系统。例如以英特尔公司 的8 0 c 1 9 6 k b 构成的微机系统。有些单片机内部资源丰富，具有较大容量 的r a m 和e p r o m ，因而可做到不需在芯片外部扩展存储器，同时做到总 线不引出芯片。例如以日本三菱公司的m 7 7 芯片构成的微机系统，单片机 内部有2 4 k 的r a m 容量，3 2 1 2 0 k 的e p r o m 或闪存和8 个定时器， 山东大学硕士学位论文 两个串行口，因此不需要用总线扩展外部存储器。保护装置的硬件设计除 具有硬件时钟外，还具备接收g p s 全球定位系统秒脉冲的接口，具备较完 善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中，其代表产品为c s l 系列微机保护装置和l f p - 9 0 0 系列微机保护装置。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，到目前为止，我国的微机保护已经历了 近2 0 年的发展历史。输电线路的微机保护从用于超高压5 0 0 k v 系统的保 护装置到用于低压1 0 k v 线路的微机保护装置均有相应的产品。根据2 0 0 1 年全国电力系统继电保护动作情况的统计数据，2 0 0 1 年我国2 2 0 k v 以上 电网的继电保护的正确动作率达到了9 9 1 3 ，元件保护的正确动作率也 达到了9 0 3 。这些成果无疑与微机保护的成功应用是分不开的。1 4 1 1 7 】 1 2 本课题研究背景及研究意义 1 2 1 研究背景 随着国民经济的发展，对电能需求量在不断增加，用电负荷的性质也 在不断发生变化，电力系统电网的结构，特别是城市和大中型工矿企业的 供配电电网的结构也都进行了较大的调整。 1 0 k v 低压配电线路相对于1 1 0 k v 及以上的高压输电线路而言，其最 主要的结构特点是一致性差，如有的为用户专线，只接带一、二个用户， 类似于输电线路；有的几十台甚至上百台变压器t 接于同一条线路的各个 分支上；有的线路短到几百米，有的线路长到几十k m ；有的线路由3 5 k v 变电所出线，有的线路由1 1 0 k v 变电所出线；有的线路上的配电变压器很 小，最大不过1 0 0 k v a ，有的线路上却有几千k v a 的变压器；有的线路属 于最末级保护，有的线路上设有开关站或用户变电所等。这就为1 0 k v 低 压配电线路的继电保护配置工作增加了难度。同时，1 0 k v 、3 5 k v 配电变 电站的供电半径逐步变小，配电线路的长度相应变短，所传送的负荷量不 断增加，这是供配电网络结构近年来的又一大变化。 1 2 幽盔盔堂亟堂僮诠窒 随着电力工业的发展，中低压配电网络的结构，用电负荷性质和用户 对供电的要求都发生了很大的变化，这也对继电保护工作提出了更高的要 求。 1 2 2 国内低压短线路保护研究现状 在我国1 0 k v 配电线路的相间保护中，首先考虑的是电流保护，一般 由无时限电流速断保护( 保护i 段) 、限时电流速断保护( 保护i i 段) 、过 电流保护( 保护i i i 段) 及三相一次重合闸构成或由阶段式电流保护的其 中两段构成主保护。对于特殊线路结构或特殊负荷线路保护，当无时限电 流速断保护的灵敏度不能满足要求时，可考虑采用其他保护方式，如：电 流电压联锁速断保护等。 由于配电线路长度变短，当采用传统的分段式电流保护时，线路末端 短路时的短路电流与首端短路电流的差值变小，使无时限速断保护的保护 区大大缩小，甚至变为零，这样线路上大部分区段上的故障要靠延时0 5 秒的i i 段保护或延时更长的i i i 段保护来切除( 有些配电线路不设i i 段保 护) ，故障持续时间大大加长。 故障切除时间的延长，一方面会导致故障设备及相连设备的进一步损 坏，对设备造成较大损害；更为严重的是，会使相关母线上的电压在较长 时| 日j 内严重降低，使接于这些母线上的电动机转速大大降低，在故障切除 后，电压趋于恢复正常，但此时转速已经降低的电动机要自起动，在线路 上产生较大的压降，使电压难以恢复，有时甚至反而会进一步降低，最终 导致大量电机低压保护动作跳闸，使大量无故障线路上的负荷被甩掉。【9 】 这种传统的时限配合式继电保护在应用于煤矿井下低压电网和石油 钻井平台的供电系统的过程中，遇到了很多问题。在这些系统中，大型电 机的起动电流特别大，可达到额定电流的5 8 倍。但由于其供电系统的 特殊性，正常起动电流与线路末端短路电流十分接近，使得整定困难。若 整定值偏小，易造成大型电机起动时误动；若整定值偏大，保护末端短路 时易拒动。由此可见，仅以电流值的大小来区分起动电流和短路电流是非 。 1 3 山东大学硕学位论文 常困难的。本文将对这些问题进行深入分析，在此基础上提出可行的技术 方案，并进行探讨。 1 2 3 低压短线路保护研究的意义 近二十年束，我国电力工业发展迅速，现已投入运行的总装机容量居 于世界前列，至2 0 0 4 年年底，统调装机容量达2 9 9 7 0 万千瓦。低压电网 密布全国各市、县、乡镇，且电网单支有时超负荷运行。在厂矿、油田， 由于大容量电热设备和大容量电动机的迅猛增加，用电设备自身的短路故 障及其供电线路的短路故障屡屡发生，由于继电保护装置不能及时、准确 的切除故障，导致故障范围扩大的情况也时有发生。 山东省的胜利油田、齐鲁石化公司等多地的电网曾多次出现这种情 况，特别是在胜利油田，一次延缓切除的故障可能会影响到邻近的多个变 电站，致使大片抽油、注水等设备停运，带来了非常严重的后果，造成了 极大的经济损失。 鉴于短线路的特殊性，目前短线路保护主要有导引线纵差保护和光纤 纵差、光纤方向保护。无论是国内还是国外，导引线保护一般都存在下列 问题： ( 1 ) 保护装置的性能受导引线参数和使用长度的影响。导引线愈长， 分布电容愈大，保护的安全可靠性愈差； ( 2 ) 存在着电磁感应电压以及零电位引入的过电压入侵问题。由导 引线引入的过电压不但会引起保护误动作，损坏设备，而且还可能危及人 身安全，因此需采取隔离措施； ( 3 ) 为了监测引导线是否完好，需装设专用的监视或监测装置。 用光纤通道取代导引线通道的短线路保护，就不存在过电压问题，因 而不会危及人身安全和损坏设备。但它与目前普遍采用的高频闭锁保护旁 路代线时的接点切换不同，由于是光耦之间的电位关系，是允许式跳闸， 故在旁路代线时，如果线路中既有中长线又有短线，则旁路保护既要与中 长线路保护收发信机之间接点切换，又要与短线路保护之间电位切换，显 1 4 坐二叁耋坠苎坠垒二一 然这使旁路保护本身的配置变得复杂。若将旁路保护专门设计为两套，一 套为短线路保护( 电位联系) ，另一套为中长线路保护( 接点联系) ，以适 应两种代线方式的需要，这样，线路进出线越多，旁路保护屏就越多，对 扩建工程又会带来一定困难。【l o j 同时，对于是在原有系统中进行的改建和扩建工程，特别是对于海上 石油平台的供电系统而言，由于开始建设时没有敷设用于保护的光纤，在 进行技术改造时，再次为保护系统单独敷设光纤，是极为不现实的。 本文所提出的基于d s p 的低压短线路保护方案采用功能弱化的距离 保护装置解决短线路越级跳闸的问题，首先考虑的是在利用原有设备基础 上，以较少的经济投入换回较高的经济收益，因此具有较高的推广价值。 1 3 本文所做的主要工作 ( 1 ) 总结了电力系统微机继电保护的发展历史和研究现状，综述了 低压短线路保护的研究现状，分析了本课题的研究意义和价值。 ( 2 ) 分析了低压短线路故障的特点和目前应用于低压短线路的保护 方式的优缺点，提出采用电流起动的全阻抗继电器来解决低压短线路故障 范围扩大问题。 ( 3 ) 分析了国内现有微机保护硬件的现状，总结了其优缺点，提出 以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为微机保护c p u ，用以实现保护功能。 ( 4 ) 本文针对t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片内置1 6 通道1 0 位a d 转换器可 由双通道进行触发的特点，独创性的设计了微机保护装置的数据采集系 统。 ( 5 ) 提出了基于d s p 芯片构成的应用电流起动的全阻抗继电器实现 的低压短线路微机保护的软硬件实现方案。 2 继电保护装置工作原理分析 2 1 本文所采用的系统分析模型 随着电网的发展，短线路大量增加。从继电保护的观点看，短线路主 要有2 个特征：一是线路阻抗很小；二是电源线路阻抗比( s i r ) 很大。 短线路给距离保护的运行带来许多特殊的问题。例如，由于线路阻抗很小， 距离保护抗过渡电阻能力大大下降：由于s i r 很大，线路末端故障时保护 安装处的残压很小，测量电压的相对误差变大，容易造成保护的超越。 根据胜利油田海上石油平台供电系统及其低压短线路供电网络的特 点，特将其网络模型抽象为以下由单电源供电的辐射网络，系统末端主要 负荷为电动机负荷，如下图2 1 所示。 图2 1 系统分析模型 在该系统模型中，供电线路厶、工：的长度一般为在1 0 k m 以内，甚至 部分线路的长度在3 k m 左右。因此线路阻抗与最大运行方式系统阻抗之比， 即方式系数= 生较小，根据其实测参数，该值在绝大多数运行情况 口p m m 下小于0 5 。 同时，海上石油平台供电系统是由陆地电网供电，其系统运行方式随 海上平台负荷变化很小，所以保护安装处最小运行方式与最大运行方式系 统阻抗差别较小，方式系数巧= 等竖1 5 k s 的最小值为l 。 口s l l l l k m 在下文对于继电保护的分析计算均是基于上述系统模型进行的。 6 些坠兰堡| 巳兰丝匕l 2 2 阶段式电流保护动作情况分析 瞬时电流速断保护使用在单电源辐射线路上，为了保证其动作的选择 性，起动电流必须大于保护线路未端在最大运行方式下发生三相短路时的 电流l t 整定公式为 j c b ：k k l a 一, “t 焘( 2 - i ) 式中k 一一电流速断的一次定值( a ) ： e 一一系统等效电源的相电势； 毽一一可靠系数； 乙。一系统最大方式下，保护装置背后正序短路阻抗； 乞“一一被保护线路的正序阻抗。 保护灵敏度好坏的主要标志是保护区的大小。对电流保护而言，最小 保护区按最小运行方式下两相短路计算，分析最小保护区即可阐明其保护 灵敏度。继电保护整定计算用的运行方式，是在电力系统确定好运行方式 的基础上，在不影响继电保护的保护效果的前提下，为提高继电保护对运 行方式变化的适应能力而进一步选择的，特别是有些问题主要是由继电保 护方面考虑而决定的。l l 】【1 3 】 确定运行方式变化的限度，就是确定最大和最小运行方式，它应以满 足常见运行方式为基础，在不影响保护效果的前提下，适当加大变化范围。 其一般原则如下： ( 1 ) 必须考虑检修和故障两种状态的重叠出现，但不考虑多种重叠； ( 2 ) 不考虑极少见的特殊方式。因为出现特殊方式的几率较小，不 能因此恶化了绝大部分时问的保护效果。必要时，可采取临时 的特殊措施加以解决。 在系统最小运行方式下，保护区末端发生两相短路故障时，故障电流 等于保护定值，即 坠垄垒塾堡兰丝l 怯= 警每= 丘 协z ， 式中怯一一系统最小运行方式下，保护区末端两相短路电流： 互。一一系统最小运行方式下，保护装置背后正序短路阻抗； z j 2 ) 一一两相短路时的保护区正序阻抗； 将式( 2 - 1 ) 代入( 2 - 2 ) ，得 芒参= k 志 ， 由于电磁型保护应用最多，取可靠系数墨= 1 3 为例，解式( 2 - 3 ) 得 霉2 = 0 6 6 6 z “+ 0 6 6 6 z , 。一z ，。 保护区以线路阻抗的百分值表示时为 p o s e s + o 6 a s 荨一每 ( 2 - 4 ， k ，一0 6 6 6 7 。0 6 6 6 一t 式中k ，一一方式系数。表示运行方式或系统阻抗变化大小， k r = 号2 t 疋一一长度系数，表示线路阻抗( 与线路长度成正比) 相对于 系统阻抗的大小，蜒= 号址； f 2 1 两相短路时电流保护最小保护区百分值； 同理，三相短路时，电流保护最小保护区计算为 野k = b = 屯 协s ， 将式( 2 - 1 ) 代入( 2 - 5 ) ，得 p - o ，s 啦半 协6 ， 式中玎3 ) 一一三相短路最小保护区百分值，以3 = z j 3 z 。 些童坠兰堡| l 兰丝垒坠 根据电力系统对电流速断保护的最低要求，保护区应不小于线路全长 z 则式4 ，为。5 ) = 0 6 6 6 一与竽蚴， 则 憋2 4 1 6 足，- 1 4 2 9 ( 2 - 7 ) 本文所采用的系统模型，是在胜利油田海上石油平台实际供电系统上 抽象而来的。多个海上石油子平台之间的距离近，6 k v 供电电缆较短 ( 3 k m ) ，短路阻抗小。陆地变电所到中心平台的3 5 k v 海底供电电缆相对 较长。对于海上石油平台而言，线路阻抗与最大运行方式下系统阻抗之比 k = 害生较小，一般小于o 5 。 同时，海上石油平台供电系统是由陆地电网供电，子平台的负荷变化 对系统运行方式的影响较小，所以保护安装处最小运行方式与最大运行方 式系统阻抗差别较小，方式系数巧= 等2 1 5 ，k 的最小值为l 。 由式( 2 - 7 ) 可以得出，当足，取最小值1 时，不等式的右边取最小值 为o 9 8 7 。此时可以看出，即使当疋取最大值o 5 时，也无法满足( 2 - 7 ) 式的关系。因此，当阶段式电流保护应用于海上石油平台供电系统的低压 短线路保护时，其灵敏性无法满足要求，因此我们考虑应用电流起动的全 阻抗继电器解决该问题。 2 。3 电流起动全阻抗继电器原理 在我国，变电所微机监控系统迅速发展，集成电路和微机构成的保护 装置也日益增多，在这些系统中，保护方式的选择和配置仍沿用传统的方 法。中低压输电线路的相间保护，首先考虑的是电流保护。当无时限电流 速断保护的灵敏度不能满足要求时，采用电流电压联锁速断保护。若还不 能满足要求时，就要考虑距离保护了。由于距离保护装置复杂，价格远高 于电流保护和电流电压联锁保护，所以一般不在中低压系统中使用距离保 护。在本装置的研制过程中，我们采用的是一种新的保护方式一一电流起 1 9 与通用的距离保护装置相比，部分功能是可以简化的，因此我们研制的新 距离保护方案在原理和机构上，并不比电流电压联锁保护复杂，而性能却 优于电流电压联锁保护。 2 3 1 两相电流差的特性 以图2 2 所示的单电源辐射电网为例进行故障分析图中，乙- 、乙2 、 z s o 分别为系统正序、负序、零序阻抗；z ，- 、z ，：、z f o 分别为保护安装处 至短路点f 之间的线路正序、负序、零序阻抗。 图2 2 电力系统示意图 用对称分量法对图2 2 的电网进行故障分析，可做出a 相的正序、负 序、零序序网图如图2 3 所示。 由图2 3 可知： u f z i 【， 图2 3 故障序网图 诉。= 邑一五。( z s + z v - ) d = 一j 2 ( z s 2 + z f 2 ) u f o j ( 2 8 ) 坐二垒皇坠量兰垒垒塞一 以o 。= - i o ( z ，。+ z ，o ) 假设电力系统的正序阻抗等于负序阻抗，即z 。l = z s ：、z ，= z 。：可求 出短路点f 处的a 相电压为： u 一2 7 ，- 一+ u ，“t - u f o a ( 2 9 ) = e 一( l + 3 k s t o ) z s l - ( i + 3 k ，o ) z f i 黼舻一等；小一等 同理，可求得短路点f 处的b 相电压与c 相电压 o q = l - 一t ib + 3 k s l o z s t o8 + 3 r a 0 1 z n 【7 w = e c 一( 丘+ 3 糍厶) 么l 一( t + 3 k o ) z v t ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 在( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 式之间进行两两相减可得到短路点f 处的相间 电压， u m b = e 口一，8 ( z “+ z f i ) u w = e r i c i n c ( z s l + z v l ) d m t = 丘_ 一t _ ( z s l + z f l ) ( 2 - 1 2 ) 整理后可以得到两相电流差电流，简称为相差电流。其表达式为： l = 等等 。等等( 2 - 1 3 ) 屯= 等 同理可以推出两相电流差更为一般的表达式。如果线路上任意一测量 点m 处的相问电压分别是叱。、玩。、d 。；测量点m 至短路点f 之间 的正序阻抗为z u v ，：则测量点m 处的两相电流差为 厶：些乒k 2 l 山东大学硕学位论文 ，旷坠乒随 ( 2 1 4 ) l m i i 屯：监纽 z m i 同时，由于以上各式的推导过程中，没有涉及具体的短路类型与短路 相别。所以，不论什么类型的短路，也不论是否故障相，以上备式都是成 古的1 1 4 1 2 3 2 电流起动的全阻抗继电器 全阻抗继电器的动作方程为 阢z 耐i u ( 2 1 5 ) 其中以、，一通入继电器的电压和电流； 乙一一继电器的整定阻抗。 全阻抗继电器的动作特性如图2 4 所示。从图2 4 可知：全阻抗继电 器有很强的抗过渡电阻能力，但因为没有方向性，电压互感器断线时继电 器可能误动，因此全阻抗继电器应用不广。1 1 5 1 j x _ 、z 。 ： ： l& f 吲寸4 l 一7 图2 4 全阻抗继电器动作特性 电流起动的全阻抗继电器的动作原理系在全阻抗继电器的基础上，增 加电流继电器，当电流继电器和全阻抗继电器都动作时，保护才动作。以 图2 5 所示的单电源辐射网络为例。电流继电器的动作方程为： 陟l k l ( 2 一1 6 ) 式中：乙一一电流继电器的动作定值 乞值按下式整定 2 2 坐二叁兰坠苎兰垒垒垄二一 ，：k 垒 ( 2 - 1 7 ) 。 z ，m + z “ 式中，z 。一一最小运行方式下的系统阻抗； 一一相日j 电压： k 一一可靠系数，取0 8 5 ： 2 4 电流起动全阻抗继电器动作特性分析 在本装置中采用的电流继电器反映的是两相电流差l 。、g - 、屯的大 小，而不是相电流i 。、i 。、厶。在单电源辐射网络中，同一点发生相问短 路，不论是三相、两相短路，还是两相接地短路，其相差电流总是一样的。 因此，反应相差电流的电流保护，其灵敏度不受短路类型的影响。 由于通过电流继电器的电流与通过全阻抗继电器的电流是同一种相 差电流，所以通过电流继电器的电流与通过全阻抗继电器的电流都用l 表 示。 mn 图2 5单电源辐射网络 图2 5 中的曲线1 、2 、3 分别为最小运行方式下，主要运行方式下， 最大运行方式下的短路电流曲线。整定阻抗z 。一般为保护线路阻抗z 赫的 o 8 o 8 5 倍。从图2 5 可见，当线路m n 发生区内短路时，不论是上述的 哪种运行方式，短路电流皆大于电流继电器的动作值，电流继电器动作。 测量阻抗小于全阻抗继电器的整定阻抗，全阻抗继电器动作。所以，不论 是什么运行方式，区内短路时，电流起动的全阻抗保护都能动作跳闸。 区外短路时，电流继电器可能动作，也可能不动作。而根据全阻抗继 2 3 山东大学硕士学位论文 电器的动作方程可知，全阻抗继电器不动作。所以。不论什么运行方式下， 区外短路时，电流起动的全阻抗保护不动作。如果线路m n 是两侧电源的 联络线，当反方向出口短路的最大短路电流小于电流继电器的动作值，电 流继电器不动作，则电流起动的全阻抗保护不会误动。当反方向出口短路 的最大短路电流大于电流继电器的动作值时，电流继电器在反方向短路时 可能误动作，则电流起动的全阻抗保护失去方向性。可是，电流起动的全 阻抗保护的方向性是靠电流继电器来保证的。当方向性能不能满足要求 时，需加装方向继电器，这与电流电压联锁保护的原理是一样的。 从以上分析可知，电流起动的全阻抗保护具有灵敏度和保护区不受短 路类型影响，也不受运行方式影响的优点，其方向性能等同于电流电压联 锁保护。 全阻抗继电器虽然属于阻抗继电器的范畴，但是，它与方向阻抗继电 器有很大的不同。全阻抗继电器没有相量的加减，所以电气量相位方面的 误差，对装置性能没有影响。并且其动作方程可以变为下式： 如川 l u j l ( 2 - 1 8 ) 也就是说，只要r 。的模与z 一的模相等，就可以用电阻r 。来替换阻抗 z 。这样，可以简化装置的电路。 用r “乘以式( 2 - 1 6 ) 得： r ：a l u m m l ( 2 - 1 9 ) 电流起动的全阻抗继电器的动作判据变成式( 2 一1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 。而式、 ( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 相当于一个动作值受电压控制的电流继电器。这个继电 器有两个量，一个是按一定比例放大的电流量，作为继电器的动作量；另 外一个为制动量i 当i u i i 【，。i 时，由i u i 来制动继电器；当l u ，i l u 。i ， 由l l 来制动继电器。当动作量大于制动量时，保护动作。 在电流电压联锁保护中，也有两个电气量，一个是电流量，一个是电 压量。当电流量大于某定值，电压量小于另一定值时，保护动作。于是， 电流起动的全阻抗继电器的结构不会比电流电压联锁保护装置复杂。 山东大学硕士学位论文 一 2 5 距离保护的整定计算 对于应用于低压短线路的距离保护的配置与整定计算，与应用于高压 输电线路的距离保护是有区别的。因为基于上述分析模型的系统，线路长 度很短，如果在设胃保护的时候依然按照传统相间距离保护的i 、i i 、i i i 段进行配置，将造成保护间配合问题复杂化，且经济性较差。在对系统分 析模型的保护配置中，采用的是由速动阻抗继电器和i i 段电流继电器组成 速动