（模式识别与智能系统专业论文）基于can总线技术的小电流接地保护装置研究与实现.pdf

摘要 小电流接地系统是企业供配电网的主要运行模式，该系统的监控保护是配电 自动化的关键环节。本论文在分析小电流接地系统各种故障保护原理的基础上， 采用多种先进技术建立了石化企业供电系统的监控保护网络。首先系统中采用较 为先进的16 位单片机8 0 c 1 9 6 鹏对底层信号进行采集，大大提离了信号的处理 速度。其次，通过现场总线技术将整个系统组成网络，实现了节点之间数据共享， 并且整个监控系统更加稳定可靠，现场控制性能更为出色。第三，采用自行设计 的p c c a n 接口卡，实现了上位机和底层数据采集之间的数据互联，充分利用上位 机强大的数据处理能力。再次，在上位机上设计了友好的人机用户界面，对整个 系统的管理更加方便。本系统的成功开发，在配电自动化及其它工业自动化领域 中均具有较大的实用意义和参考价值。 关键词配电自动化；小电流接地系统；c a n 总线；8 0 c 1 9 6 m c a b s t r a c t i h es m a l lc u r r e n tn e u r a lg r o u n d i n gs y s t e mi st h ep r i m a r yr u n n i n gm o d eo ft h ei n d u s t r i a l d i s t r i b u t i o ns y s t e m t h ec o n 订0 1a n dm e a s u r e m e n to f t h i ss y s t e m1 i e si nt h ei m p o r t a n ts i t u a t i o no f t h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i 0 1 1 如吐sp a p e ra n a l y s e sv a r i o u st h e o r i e so nt h ep r o t e c t i o no ft h es m a l l c u r r e n tn e u r a lg r o u n d i n gs y s t e m s e v e r a la d v a n c e dt e c h n o l o g yi su s e d t h e ni te x p a t i a t e so na p r a c t i c a ln e t w o r k t om e a s u r ea n dc o n t r o l 血ei n d u s t r l a if i e l do fd i s t r i b u t i o ns y s t e m f i r s t i 1 1t h i s s y s t e m , a d v a n c e d1 6 - b km i c r o p r o c e s s o r8 0 c 1 9 6 m c i su s e dt os a m p l es i g n a l sf r o mi n d u s t r yc e u s e t h i sm a k e si ti m p o s s i b l et oh a v eah i g h e rs p e e di nd a t ap r o c e s s i n g s e c o n d , ak i n do ff i e l d b u s - c a ni s a p p l y i n gt ob u i l dw h o l es y s t e mi n t oam o r er e l i a b l e ，a d v a n c e dr e a l - t i m ec o n t r o l n e t w o r k i tm a k e sd a t ai nn e t w o r kn o d e ss h a r e d ，t h i r d ，u s e das e l f - d e s i g n e dp c c a nc a r d ，a n i n d u s t r yp ca n dc a nn e t w o r ka r ei n t e r l i n k e d s a m p l e dd a t ac a r lb ep r o c e s s e dq u i c k l yi nt h i s p o w e r f i a lp c n e x t , af r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ei sa p p l i e di nt h eu p p e rc o m p u t e ra n d i tm a k e sam o r e c o n v e n i e n tm a n a g e m e n tt ot h ew h o l e s y s t e ma v a i l a b l e t h i sa c c o m p l i s h e dw o r k h a sh i 曲p r a c t i c a l v a l u ea n dr c f e r c n t i a ls i g n i f i c a n c ei nt h ea i e ao f d aa n do t h e ra u t o m a t i o n s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ；t h es m a l l c u r r e n tn e u r a lg r o u n d i n g s y s t e m ；c a n b u s 8 0 c 1 9 6 m c 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 1 绪论 本章介绍了国内外供配电自动化发展概况、石化企业供配电自动化技术改进的思 路以及本课题所做的工作。 1 1 供配电监控自动化技术概述 随着我国改革开放事业的逐步深入发展，国民经济建设规模曰益扩大，生产范围 及产品品种不断发展更新，原有企业技术改造的要求更加迫切，因而合理用电、安全 用电、节约用电、高质量用电成为各行业建设、改造过程中必须考虑和解决的重要问 题之一。 石化企业的工厂电力系统具有特殊的运行特点，这类企业属于连续生产单位，对 供电的要求非常严格。目前随着企业生产规模的不断扩大，供电规模也随之增加。同 肘，由于生产工艺现代化及生产过程自动化的水平不断提高，更要求电力系统要尽可 能稳定可靠、故障反应速度快、突发事故恢复能力强。为此，建立适合该类企业的自 动化电力监测系统势在必行。 工厂电力监控自动化属于供配电自动化( d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，d a ) 的范 畴，下面对配电自动化的发展概况做一介绍。 1 1 1 配电自动化( d a ) 的概念 电力系统的分层结构，大体可分为输电系统和配电系统等。在现代电力系统中， 发电厂所发出的电能一般要通过高压或超高压输电网络送到负荷中心，然后在负荷中 心由电压等级较低的网络把电能分配到不同电压等级的用户。这种在电力网中主要起 分配电能作用的网络就称为配电网络。 配电系统实现自动化的观点很早就有人提出，但它的实现一直受到配电设各和计 算机技术的限制。随着计算机软硬件水平的提高和配电一次设备的成功开发，配电自动 化系统( d a s ) 在8 0 年代末首先由美国而后其他工业发达国家逐步发展起来。其内容 也在不断变化，目前还没有一个权威机构对配电自动化系统下过严格定义。一般说来， 配电自动化系统是对配电网上的设备进行远程实对监视、协调及控制的个综合集成 化系统，是现代计算机技术和通信技术在配电网监控领域中的综合应用。配电自动化 系统包括配电网通信系统、变电站自动化和馈电线自动化。 1 1 1 1 供配电系统的通信方式嘲 配电管理系统( d s m ) 中有一层量大面广、面向现场的f r t u ( f i e l d - r e m o t e t e r m i n a lu n i t ) ，用以对变电站中的各种电力设备进行监视与控制。监控信息的传送 i 绪论 需要借助适当的通信系统，实际工程中要根据配电系统的规模、复杂程度以及自动化 水平的要求合理选用通信方式。 用于配电自动化的通信系统应具有以下特征：通信可靠、成本低、满足当前和今 后数据率的要求、具有双向通信能力、电网停电或故障时不影响通信、易于操作和维 护等。 当前可供配电自动化使用的主要通信方式有：电力线载波、脉动( 音频) 控制、 过零技术( 工频控制) 、无线电微波、现场总线、互联网等等。本系统就是采用了先 进的现场总线技术。 1 i 1 2 变电站自动化【3 】 变电站在配电网中的地位十分重要。它既是高压配电网中的负荷，又是下一级配 电网的电源。变电站自动化是配电自动化的重点。也正因为如此，它已发展成一个相对 独立的技术领域。变电站自动化是指应用自动控制技术和信息处理与传输技术，通过计 算机软硬件系统或自动装置代替入工对变电站进行监控、测量、运行操作的一种自动 化系统。特别是变电站综合自动化以信号数字化和计算机通信技术为标志，进入传统的 变电站二次设备领域，使变电站运行和监控发生了很大的变化，取得巨大的经济效益。 其基本功能有：数据采集、数据计算和处理、越限和状态监视、开关操作控制和闭锁、 与继电保护交换信息、自动控制的协调和配合、与变电站其他自动化装置交换信息、 与调度控制中心或集控中心通信等项功能。这场变革是以高性能微处理器( 卿u ) 技术 进入传统的继电保护和远动领域而取代常规保护和r t u 为标志的。其主要特点是： 直接从线路、变压器等电力设备的c t 、p t 进行交流采样并分析，借助计算机控制 技术将重合闸、故障录波、故障定位等功能集成于同“保护单元”。 充分利用计算机软件资源，将各相电流电压数字波形等通过数值计算得出各相电流 电压的基波和谐波的有效值、以及各相的有功功率、无功功率、有功电度、无功电 度等测控参数。 保护单元与i o 单元相集成，可以根据t o 的接点位置信号，通过软件组合实现各 种条件下的监控和保护，从而全面实现了综合自动化系统对变电站的保护、测量和 控制功能。 变电站自动化都是按无人值班原则设计，再加上保护功能的综合，己超越了传统 的调度范围，目前该领域正日新月异地向前发展着。 1 1 1 3 馈电线路自动化1 4 j 广义讲馈线自动化是指配电网线路的自动化，涉及配电网的高压、中压和低压3 个电压等级。馈线自动化完成馈电线路的监测、控制、故障诊断、故障隔离、网络重 构。其主要功能有：运行状态监测、远方控制和就地自主控制、故障区隔离，负荷转移 及恢复供电、无功补偿和调压等。借助于馈电线路网络上的各种测量控制装置，监视 馈电线路运行工况，提高供电质量和保证供电的可靠性。其内容包括：线路运行参数 采集单元、配电自动控制单元、故障定位隔离和自动恢复供电系统等。馈电线路的自 2 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 动化是d a 技术的重要组成部分。 1 1 2 配电自动化发展概况 1 1 2 1 国外d a 技术进展状况【5 1 在一些工业发达国家中，配电自动化系统( d a s ) 受到广泛的重视，配电自动化 的发展取得了前所未有的成效。特别在美国和日本，配电自动化已经发展到较高阶 段，研究技术正在大力推广。美国注重配电系统的综合发展，日本从配电自动化元器 件开发起步，再配电自动化领域都取得了较大的成绩，在网架结构、营业管理、通讯 系统和计算机网络等方面都处于世界领先水平。目前已形成了集变电站自动化、馈线 分段开关测控、用户负荷控制等功能于一体的配电网管理系统( d m s ) ，功能多达1 4 0 余种。国外著名电力系统设备的制造厂家基本都涉足d a 领域，如德国西门子公司、法 国施耐得公司、美国c o o p e r 公司、摩托罗拉公司、英国a b b 公司、日本东芝公司等， 均推出了各具特色的d a 产品。 受新形势下用户对配电网供电可靠性和供电质量要求日益提高的影响，近年来国 际上d a 技术发展迅速。由于各国具体情况不同，开发的功能也差异较大。为更好地推 进该领域的发展，第十二届国际供电会议成立了专f q , j 组，对各国d a 技术的进展情况 进行调研。其工作报告中明确了若干基本的概念，提出数十项d a 标准功能，有力推动 了d a 技术向多功能纵深方向发展。 1 1 2 2 国内d a 技术应用现状 6 1 我国配电自动化的发展起步较晚，水平较低。长期以来，在电力系统的发电、输电 和配电三个环节中，我们只注重发电和输电，过分忽视了配电在电力系统生产中的重要 性，以往我国发电和配电投资比为1 ：0 1 2 ，而在许多发达国家发配电投资比为l ： 0 6 0 7 ，远高于我国。随着发电和输电技术的提高，落后的配电技术对电力系统的影 响日趋明显。进入9 0 年代后，配电自动化在我国逐渐得到各电力企业和研究单位的重 视，这种状况今后会很快得到改善。 9 0 年代以来，国内电力系统的3 5 k v 变电站逐步实现了四遥功能，配电自动化方面 的研究应用也逐步开展起来。上海、北京、沈阳、武汉等城市的供电局分别立项或进 行了一定规模的尝试，为我国d a 技术的发展积累了宝贵经验。 从设备制造水平的角度来看，国内不少企业已成功地研制出能够满足配电自动化 要求的产品，再加上我们目前已引进吸收的国外先进技术，我国已完全能够建立自己 的配电自动化系统。 同时我们应该看到，由于我国配电网点多、结构复杂、分布广，即使已经取得了 一定的成绩，配电自动化在我国的发展，乃至推广仍然有很大的困难。当前，限制我 国配电网自动化发展的主要因素有【4 】： 我国各研究单位和电力企业对配电网自动化研究尚未统一，自成一片，不相往 来，甚至连配电网自动化的含义都未达成致意见； 1 绪论 在我国，配电网自动化实施成功的记录不是很多，没有太多成功范例可以借鉴。 而且缺乏资金投入； 我国自行生产的一次设备，如：各种断路器、开关等，总体水平还较低； 许多研究单位缺乏科研资金，许多电力企业找不到合适的试点区域。 1 1 2 3d a 技术的发展趋势【5 1 近几年来随着大规模集成电路技术和通信技术的迅猛发展，给d a 技术水平的提 高注入了新的活力。1 6 位、3 2 位单片机的问世，i n t e r n e t 和现场总线的发展，给该领 域的技术创新提供了广阔的空间。因此，近几年来研究配电自动化进入了高潮，其功 能和性能也不断完善，配电自动化的发展主要面向以下几个方面： 配电管理系统接口规范仍然需要进行不断地充实和完普。 供电企业仍需不断地分析电网的运行性能、制定电网优化运行的方案，使得 配电网络能够更加优化地运行。 发展集成化、综合化、智能化的配电自动化。 采用电力线通信技术发展高速的配电线数字通信。 电能质量成为关注热点。 技术和经济手段综合利用，改善对用户服务。 1 1 3 工厂供配电与d a 技术 配电网络按电压等级来分类，可分为高压配电网( 3 5 1 1 0 k v ) 、中压配电网( 6 1 0 k v ) 、低压配电网( 2 2 0 3 8 0 v ) ；按供电区的功能来分类，可分为城市配电网、农村 配电网和工程配电网等【w 。我国石化企业等单位的配供电系统属于中压工厂配电网。目 前这些企业的配电自动化程度还很低，己不能适应现代化生产的需要，因此进行供配 电网络的自动化技术更新的要求已日益迫切。 本课题就是从石化企业的供电网监控保护入手，对供配电系统进行高技术改造更 新，下一步是向实现整个配电网络的自动化迈进。 1 2 供配电系统实现网络化的意义 国内的配电自动化系统主要有2 种模式【副研。一种是采用自动化开关设备动作配 合的配电自动化系统。这种模式是不能做到负荷重新分配和负荷均衡化的，也很难优化 配电网。另一种是采用s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统遥控 馈线开关的配电自动化系统。该系统实质是一种集中控制系统( t c s ) ，即底层节点的控 制功能均由配电网调度中心主站通过通信下达要控制命令来完成。目前在配电自动化 系统中，自动装置之间大多数通过r s 一4 2 2 4 8 5 通信接口相连，实现监控系统与微机保 护和自动装置之间相互交换数据和状态信息。这种通信方式目前存在下述问题： 4 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 虽然r s - 4 2 2 4 8 5 可实现多节点互连，但允许的节点数一般不超过3 2 个，规模上 很难满足对配电网上分散的多节点测控需要；其次，这种接口的通信多为查询方式， 效率低，很难满足配电网上分散的多节点测控的实时性要求。再者，使用r s 一4 2 2 4 8 5 接口的通信网工作于主一从模式，主节点成为系统的瓶颈，一旦主节点出故障，会导致 整个通信系统的瘫痪。因此，这种模式的配电自动化系统可靠性很大程度上依赖于通信 系统的可靠性，其实时性也难保证。另外，由于r s 一4 2 2 4 8 5 接口通信规约缺乏统一标 准，不同厂家生产的设备很难互连，不适合开放系统的建设，因而需采用新的技术替 代这种通信方式。 配电自动化系统中曾经考虑采用计算机局域网，如引入n o v e l l 网、e t h e r 网、 t o k e nr i n g 网等。但这些局域网( l a n ) 一般适合于作数据处理的计算机网络，虽然传 输容量大，但实时性却不高。 以上这些问题不仅在供配电自动化系统中存在，在其他工控领域中也存在。基于 上述问题，国际上在8 0 年代中期提出了现场总线解决方案，并制定了相应的标准。比 较著名的有：德国制定的过程现场总线p r o f i b u s 标准、由现场总线基金会提出的f f 、 美国e c h e l o n 公司推出的l o n w o r k s 局域网络、德国b o s c h 公司推出的c a n 总线等等。 现场总线( f b ) 是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之 间的数字式、串行及多点通信的数据总线，是基于微机化的智能现场仪表，实现现场 仪表和控制系统与中央控制室之间通信的一种全分散、全数字化、双向、多变量、多 点多站的通信网络。其核心是总线协议，基础是数字智能现场装置，本质是信息处理现 场化。现场总线按国际标准化组织i s o 和开放系统互连o s i 提供了网络服务，具有可靠 稳定、抗干扰能力较强及通信速率快等特点，而且造价及维护成本低。 现场总线与计算机局域网( l a n ) 有些相似之处，但也有不少差别。局域网适用 于数据处理方面的计算机网络。而现场总线是一种现场测控网络，能够适应多个输入 输出及各种类型的数据( 突发性数据和周期性数据) 的传输，偏重于通信的周期性、 实时性、可确定性，并且能适应工业现场的恶劣环境，抗干扰性强。不同厂家的设备 可互连、互换，并可统一组态，因而现场总线组网的系统具有更广泛的适应性。 从国外配电自动化系统已采用的通信方式看，目前尚没有一种通信技术可以很好 地满足配电系统自动化所有层次的需要。在一个配电自动化系统中，往往由多种通信 技术组合成综合的通信系统，各个层次分别采用不同的通信方式。而现场总线对于配 电自动化是一种全新的通信技术，基于现场总线的强大功能及上面所述的优越性能， 无论是从经济效益，还是从系统的可靠性、先进性、安全性考虑，引入现场总线应该 是配电自动化发展的一个必然趋势。 c a n 总线是一种欧洲标准的现场总线，由于其卓越的性能、独特的设计机和较高 的性能价格比而被公认为最有前途的现场总线之一。将c a n 总线应用于企业电网的接 地保护，形成分布式监控保护网络，具有重大的推广价值。 i 绪论 1 3 本课题所做工作 根据前面所述，本课题针对工厂配电自动化发展趋势，开发了小电流接地系统监 控保护网络。其中重点研究并解决了如下几方面的问题： ( 1 ) 参照配电自动化( d a ) 技术思想对石化企业的小电流接地电网进行 实时监视与控制，提高了工厂供电的可靠性与安全性。 ( 2 ) 采用先进的工业现场总线( c a n 总线) 技术，组建供配电现场实时 控制网络。 小结：本章较为系统全面的分析了国内外配电自动化技术的现状及发展趋势， 并结合石化企业用电系统的实际情况，提出解决问题的可行性方案。并且明确了本课 题的主要工作任务。 6 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 2 小电流接地系统原理及监控系统设计方案 本章首先介绍了电力系统的中性点接地方式，分析了小电流接地系统的单相接地 故障监控原理，然后据此建立起监控网络系统的整体方案。 2 1 小电流接地系统运行方式 电力系统的中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。实际运行中电力系 统中性点有三种接地方式：中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接 地。前两种接地方式下运行的系统，称为小电流接地系统；而中性点直接接地系统， 称为大电流接地系统。由于电力系统中发生频率最高的故障是单相接地故障，这三种 接地运行方式在单相接地故障时的表现是不同的。 2 1 1 中性点不接地系统 中性点不接地系统等值电路图如图2 卜l 所示【1 3 】。在正常运行时，网络各相对地 电压对称，大小为相电压；各相对地电容电流平衡( 大小相等，相位相差1 2 0 。) ，三 相电容电流向量和为零；中性点对地电压v n = o 。 爹霈i 藤。! 下 “n 图2 1 - 1 中性点不接地系统电路图 f i g2 1 1n o n e - n e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e mc i r c u i t 中性点不接地系统发生单相接地短路故障时，由于线间电压不变，系统可继续供 电。但继续运行时间一般不应超过2 小时。此时，单相接地短路电流的大小与网络电 压和各相对地电容大小有关，若电流达到一定程度，对地放电电弧就不能熄灭，而形 成稳定性电弧或间歇性电弧。这种电弧一方面可能会烧坏绝缘层，引起两相、三相短 路；另一方面可能使电网电容、电感形成震荡回路，产生弧光接地过电压，从而危及 电器设备的绝缘。 7 2 小电流接地系统原理及监控系统设计方案 2 1 2 中性点经消弧线圈接地系统 为解决中性点不接地系统单相接地电流大、电弧不能熄灭的问题，工程中往往采 取在中性点安装消弧线圈的措施。消弧线圈是一个具有稳定电抗值的电感线圈，中性 点经消弧线圈接地系统的等值电路图如图2 卜2 所示。 撰 囊 鎏褡 图2 卜2 中性点经消弧线圈接地系统等值电路图 f i g2 1 2c i r c u i to fn e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e mb ya r cs u p p e s s i n gc o i l 该系统正常运行时，中性点电位为零，消弧线圈没有电流流过。当某相( 如a 相) 发生单相接地时，作用在消弧线圈两端的电压则为相电压，此时会有电感电流 通过线圈和接地点。该电流滞后于电压9 0 。，与接地点电容电流方向相反，相互补 偿、抵消。接地点，d 电流是这两种电流的向量和。因此，如果适当选择消弧线圈电 感，可使接地点的电流变得很小，甚至为零。这样，接地点电弧会很快就熄灭。 根据消弧线圈的电感电流对接地电容电流补偿程度不同，有全补偿、欠补偿和过 补偿三种方式。在实际工程应用中，考虑到系统串联谐振等问题，经权衡普遍采用了 过补偿方式，即i i d ，接地处有多余的电感性电流。但电感性电流也不能超过规 定值，否则电弧也不可能可靠地熄灭。 2 1 3 中性点直接接地系统 防止单相接地故障不能自动熄弧的另一种办法，就是将系统的中性点直接接地。 在这种系统中发生单相接地时，故障相经过地形成单相短路回路。由于单相短路电流 很大，继电保护装置立即动作，将接地相线路切断，不会产生稳定电弧或间歇电弧。 同时中性点接地，其零电位不变，非故障相对地电压不会升高，仍为相电压。 2 1 4 小电流接地系统的优势 小电流接地系统与大电流接地系统相比，有如下特点： ( 1 ) 小电流接地系统在发生单相接地时，可以在两小时之内带故障运行，不必立 即切断线路。这段时间里可以进行故障定位并采取必要的措施。丽大电流接地系统在 发生单相接地时，无论是瞬态还是永久故障均须切断故障线路，即便可用自动重合闸 适当进行补偿，但供电可靠性仍比小电流接地系统低。 ( 2 ) 大电流接地系统接地故障时，接地电流对邻近的通讯线路干扰大，感应电压 一一。黔靛 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 可能危及工作人员安全且引起信号装置误动作，因此电力线与通讯线路之间必须保持 一定的距离。而小电流接地系统则无此问题。 ( 3 ) 大电流接地系统单相接地时，有时会引起系统电压剧烈下降，导致系统稳定 被破坏，而小电流接地系统则不会出现这类情况。 由上分析可见，小电流接地系统主要特点是供电可靠性高、无通讯干扰问题，对 设备绝缘水平要求高：而大电流接地系统则恰好相反。在我国实际电力系统中， 3 8 0 2 2 0 v 电网、1 l o k v 以上电网采取中性点直接接地运行方式，而6 k v 3 5 k v 电网均 采取小电流接地方式。石化企业供电使用6 k v 电网，一般采用小电流接地系统的运行 方式。 2 2 小电流系统单相接地故障保护原理 单相对地短路是电网中出现频率最高的一种故障。由上一节的分析可知，小电流 接地系统对电网电缆的绝缘水平要求很高，因此小电流接地系统的单相接地故障的盟 控保护非常关键，对工厂企业的安全生产具有重要意义。下面对小电流接地单相接地 故障的特点、故障监控及保护原理傲一介绍。 2 2 1 小电流接地系统单相接地故障特点 2 2 1 1 中性点不接地电网单相接地故障特点 中性点不接地系统存在多条线路。正常工作时，由于系统三相线路及设备的对称 性，各元件电容电流也对称。系统无零序电流电压产生。 ，i 。i - f 一 ii ，m i 一一l 生 1 ，n 1i ”击善， 圭措k ，州 _ ，h1 _ - hli 。址。工工工d t l t c 。 。_ d 圭_ 圭r 圭r 紫- 耳亩 cb 图2 2 - 1 中性点不接地系统单相接地电容电流流向图 f i g2 2 - 1d i r e c t i o no fc a p a c i t a n c ec u r r e n to fn o n en e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e m 9 2 小电流接地系统原理及监控系统设计方案 如果发生单相接地故障，如图2 2 1 所示。设集中电容c o f 、c 0 1 、c o i i 表示 发电机变压器、线路i 、线路i i 的分布电容，线路i i 中a 相出现接地。若忽略线路 阻抗的压降，则全系统a 相对地电压为零，因而a 相对地电容电流为零，同时b 相、c 相的对地电压和电容电流均升高订倍，可表示为： 厂u j d = 0 弋：小卺揪j c 扭q l u ：i 左。e 一5 酽 l ，s 。u 肋j c o c 。 故障点的零序电压： u 。= ( 打肋+ 砂丑d + d c d ) = 一言一 中性点不接地系统单相接地时，零序电压与各线路零序电容电流的相互关系有如 下特点：发生单相接地时全系统都将出现零序电压；非故障线路中有零序电流，其数 值为本身的电容电流，容性无功电流方向由母线流向线路；故障线路中的零序电流为 全系统非故障元件对地电容电流的总和，容性无功方向由线路流向母线。 2 ，2 1 2 中性点消弧线圈接地电网单相接地故障特点 采用消弧线圈后，单相接地时的电流分布将发生某些变化。当线路i i 上a 相接地 时，电容电流的分布与不接消弧线圈时是一样的，不同之处是在接地点又增加了一个 电感分量电流，t ，如图2 2 - 2 所示。 图2 2 - 2 消弧线圈接地电网单相接地电流分布 f i g 2 2 - 2d i s t r i b u t i o no fc u r r e n to fn e u t r a lg r o u n d i n gs y s t e mb yr r cs u p p r e s s i n gc o i l 1 0 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 此时接地点流回的总电流： id = i l4 - i c z i l = 一e a f j 0 ) l 式中：i c , 一全系统的对地电容电流； ，一消弧线圈中的电流。 由于i c z 和j 的相位大约相差1 8 0 0 ，因此，d 将因消弧线圈的补偿而减小。 根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈有完全补偿、欠补偿和过补偿三种方 式。在实际应用中一般采取第三种补偿方式。此时i ， 矗，补偿后的接地电流是电 感性的。 据分析可知：与中性点不接地系统相同，经消弧线圈过补偿方式接地的系统出现 单相接地故障时，电网也会出现零序电压和零序电流；由于补偿的结果，零序电流减 弱；零序无功功率的方向也不再固定。 2 2 2 小电流接地系统线路的接地保护 单相接地是小电流按地系统中最容易出现的故障。在石化企业电网中，一旦出现 故障，就要求准确可靠地找出故障回路，并启动备用线路供电，保证生产不受影响。 现在小电流接地系统保护选线原理，按照采用的信号可分为利用接地故障电流的 稳态分量、谐波分量、暂态分量和注入信号寻迹等方法f 1 4 1 。 2 2 2 1 稳态分量法 稳态分量法又分为零序电流幅值、零序电流方向、零序电流有功分量等方法。 根据前面讨论，小电流接地系统单相接地时系统会出现零序电压，因而监测变压 器母线零序电压便可达到监视单相接地故障的目的。 工程上采用三相五柱式电压互感器来实现这一功能。如图2 2 3 所示，这种互感 器每相有三个线圈：一个一次线圈，两个二次线圈。二次线圈中除基本线圈外还有一 个辅助线圈，接成开口三角形，用以监测零序电压。 ：l 涎 图2 2 3 三相五柱式电压互感器结构图 f i g 2 2 3c o n f i g u r a t i o no f c t 正常运行时，电网三相电压对称，没有零序电压，基本线圈输出值为相电压 ( 3 5 k v 系统约2 0 k v ，1 0 k v 系统约6 k v ) 。当母线上任一根线路发生接地故障时，接地 2 小电漉接地系统原理及监控系统设计方案 相对地电压为零，而其他两相对地电压升高为线电压，同时在开口三角形接线开口处 出现较高的感应电压：据此可知电网己发生接地故障，以及接地的相别；但若要知道 是哪条线路故障，还须依次断开支路进行查找。因此，这种保护方式属于无选择性保 护。 零序电流保护原理，是利用故障线路始端零序电流大的特点，实现供电网有选择 性地故障保护。 这种保护方式适用于出线较多的电网。这类电网故障线路始端零序电流比非故障 线路始端零序电流大得多，故障定位容易：同时对于出线多、结构复杂的电网，用其 它非选择性绝缘监视装置查找故障线路，实现困难且代价较高。 这种保护一般用在有条件安装零序电流互感器的线路上( 如电缆线路或经电缆引 出的架空线) ，借助计算机监控系统对电网支线零序电流进行采样分析，自动实现单 相接地故障定位。 零序电流有功分量法利用线路、消弧线圈对地电导的存在，故障电流中含有有功 分量的特点。非故障线路和消弧线圈产生的有功分量方向相同且都经过故障点返回， 因此利用故障线路有功分量比非故障线路有功分量大且方向相反的特点，可区分故障 线、相。缺点是故障电流中有功分量非常小，易受零序电流过滤器中不平衡电流等因 素的影响，必须取得零序电压信号。 2 2 2 2 反应谐波分量的接地保护 在经消弧线圈接地的网络中，补偿作用使故障时系统零序电流交小，这类电网通 常采用分析五次谐波分量的方式进行有选择性的保护。 研究表明，小电流接地系统中发生单相接地故障时，由于电源电动势中存在高次 谐波分量以及负荷的非线性，使接地故障电流中存在着丰富的谐波成分。其中，幅值 最大的是五次谐波。 经消弧线圈接地的网络中，消弧线圈对五次谐波分量的感抗比基波分量大五倍， 而线路电容对五次谐波分量的容抗比基波分量小五倍，所以消弧线圈不能补偿五次谐 波电容电流。当发生单相接地故障时，故障线路五次谐波零序电流等于全部非故障线 路五次谐波电容电流之和，而非故障线路五次谐波零序电流基本上等于本身的五次谐 波电容电流。因此，可以通过分析零序电流五次谐波成分的大小进行自动选线。 2 2 2 3 其他接地保护方式 目前还有人提出了零序能量函数法、零序电压互感器开1 2 1 注入信号法等新的技术 思路，这对于提高小电流接地系统接地保护技术是有益的探索和推进。 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 2 3 监控系统整体方案设计 本课题需要实现大型石化企业电网的自动监控保护。这类企业用电量大、电网结 构复杂、可靠性安全性要求高。其供电网结构为：企业接受厂外发电站或自己发电站 2 2 0 k v 的高压供电，然后在总变电所经两级变电减压为6 k v ，向各车间输送。厂区内的 6 k v 输电网采取经消弧线圈接地的运行方式。根据供配电自动化技术改造的要求，我们 要建立一套能可靠实现整个电网的接地故障监控、故障定位、备用回路自动切换、电 网状态信息共享等多项功能的分布式自动化供电监控系统。 工厂的总变电所有多台变压器进行变压供电，每台变压器的负载可达十几条回 路。所以单相接地保护首先应包括各变压器母线的绝缘监视，以便于支路出现单相接 地故障时保护系统采取迸一步措施；其次是针对出现故障的变压器负载电网进行选 线，通过可靠手段找出故障支路；最后是断开故障支路，将备用支路投入使用。 根据上节分析的接地保护原理【15 1 ，可以采用三相五柱式电压互感器监测各台变压 器母线的零序电压，同时在每条支路安装零序电流互感器，各监测节点连接到控制机 上。发生接地故障时，采取分析零序电流5 次谐波的方式进行故障选线，并且完成备 用回路的自动切换。 在本课题中，采用了华北电力学院提出的“谐波电流大小和谐波电流方向综合判 断原理”对零序电压和零序电流进行分析判断分析。装置由零序电压启动后，先找出 几条谐波电流较大的线路( 通常选三条谐波电流最大的线路) ，再比较这几条线的谐 波电流方向，从而找出故障线。 由于监测节点位置比较分散、工作现场电磁干扰比较严重，监测节点之间的数据 通信特别适合用现场总线解决。本系统所采用的是技术先进、性能价格比高的c a n 总 线，建立了分布式现场实时监控网络，承担起各节点之间以及节点与上位机进行可靠 的数据通信的任务。 为了与整个供配电自动化系统相结合，考虑到现场的工作环境十分复杂，采用一 台工控机作为整个监控网络的上位机。一方面，充分利用了其强大的数据处理能力； 另一方面，设计出友好的人机界面，功能扩展方便，能够实现数据库操作，并且满足 实时控制的要求。由于工控机内部的总线接口多为i s a 总线和p c i 0 4 总线，采用了自 己设计的基于i s a 总线和p c i 0 4 总线标准的c a n 总线p c 适配器，实现与现场控制网络 的连接。 小结：本章较为详细地阐述电力系统常见的几种主要运行方式并且对其优缺点作 了对比，分析了单相接地故障现象及保护原理，介绍了现在常用的单相接地保护方 法，确定了设计的监控系统所采取的保护措旌。并且结合石化企业供配电现场实际情 况，介绍了系统的整体方案及所采取的各项关键技术。后面将根据这一整体框架分层 实现这个实时监控网络系统。 3c a n 总线控制网络原理及实现 3 c a n 总线控制网络原理及实现 随着单片机技术的发展，测控系统逐渐趋向复杂化和大型化。在实际应用中多 单片机之间的串行通信问题，尤其是远距离串行通信成为其中的一个重要环节( 串行通 信因其众所周知的原因而被广泛采用) 。然而，由于单片机本身所设置的串行口所发出 的r r l 电平信号无论在驱动能力还是在抗干扰能力方面都使之只能局限在几米之内，不 足以实现远距离通信；而且，各通信的单片机之间有主从之分，这样大大影响了实际的 通信效率。因此，供配电自动化系统中引入现场总线是必然趋势。 3 1c a n 总线概述 3 1 1c a n 总线概念及特性 c 州是c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的缩写，是控制局域网的意思。c a n 总线是全数 字式现场工业互连总线，它能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，是8 0 年代初b o s c h 公司为解决现代汽车中众多测控仪器间的信息交换而开发的一种数据通 信协议。c a n 总线是一种多主总线，其适用范围遍及高速网络和低成本多线路网络，特 别适合工业自动化领域。目前c a n 协议已纳入i s o 标准( i s o l l 8 9 8 ) i l 叫l l ”。 c a n 总线采用差分驱动，可在高噪声干扰情况下使用。它以两条物理线路的电平 之差传送数据位，其总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”，分 别表示逻辑“0 ”和逻辑“1 ”。显性和隐性位同时发送时，最后总线数值将为显性。 在隐性状态下，两条物理线电平被固定于平均电压，电平差近似为0 。而显性状态则以 两物理线电压之差大于某阈值的方式来表示。 ；q 自电压电哥句 厂，可、厂一一 一山l l n 瞳隆位 显雌瞪隆时呼 图3 1 - 1c a n 总线位的数值表示 f i g3 1 一i v a l u ed i a g r a mo fc a nf i e l db u s c a n 总线有以下一些主要特征： c a n 总线实现了全分布式多机系统，无主从机之分，网络上任何节点均可在任 意时刻主动地向其它节点发送信息，通信方式十分灵活。 1 4 萋于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 c a n 总线采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发送消 息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可以不受影响地 继续发送信息，有效避免了总线冲突。按节点类型分成不同的优先级，可以满 足不同的实时要求。 c a n 总线可以实现远程数据请求。通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以 请求另一节点发送相应的数据帧，该数据帧和对应的远程帧以相同的标识符 i d 命名。 c a n 总线报文传输不含目标地址，以全网广播为基础，各个接收站根据报文中 反映数据性质的标识符过滤报文，决定是否接收。其优点在于可实现在线上网 ( 下网) 、即插即用和多点接收。 c a n 采用了监视总线( 发送器对发送位电平与总线上监视到的位电平进行比 较) 、循环冗余检验、位填充和报文格式检查等措施，因此保证了极低的信息 出错率。 c a n 节点有能力识别永久性故障和短暂扰动，且故障节点在错误严重时会自动 切断与总线的联系。 c a n 总线中已损报文由检出错误的任何节点进行标定。这样的报文将失效，并 自动进行重新发送。 c a n 每帧数据信息为o 8 字节，具体长度由用户决定。 c a n 总线用户接口简单，编程方便，配置灵活，很容易构成用户系统。 3 1 2c a n 总线分层结构 3c a n 总线控制网络原理及实现 图3 i - 2c a n 的分层结构 f i g3 1 2h i b e r a r c h yo fc a nf i e l db u s c a n 遵从0 s i 模型。按照0 s i 基准模型，其结构划分为两层：数据链路层和物理 层。数据链路层划分为逻辑链路控制( l l c ) 和媒体访问控制( m a c ) 。物理层又划分 为物理信令( p l s ) 、物理媒体附属装置( p m a ) 和媒体相关接口( m d i ) 。其结构功能 见图3 i - 2 。 3 i 2 1 逻辑链路控制层 ( 1 ) 功能： l l c 子层( 在c a n 技术规范中又称为目标层) 提供的功能包括：帧接收滤波、超 载通告和恢复管理。帧接收滤波是指在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操 作与先前的帧跃变无关。帧内容由标识符命名。标识符并不指明帧的目的地，而是描 述数据的含义，每个接收器通过帧接收滤波确定此帧是否有关。超载通告是指若接收 器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远程帧，则通过l l c 子层开始发送超载 帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。恢复管理是指发送期间 对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自动重发功能。在发送成功完成前，帧 发送服务不被用户认可。 ( 2 ) l l c 子层结构： l l c 数据帧由标识符场，数据长度码( d l c ) 场和l l c 数据场。数据帧 允许的字节范围为0 8 。 l l c 远程帧由标识符场和d l c 场组成。标识符格式与l l c 数据帧相同。 d l c 的数值为对应的数据帧的数据长度场。 3 i 2 2 媒体访问控制层( m a c ) ( 1 ) 功能： c 子层 十 上 发送数据封装接恤醋静磁 j 捌渊蝴问鞠il 接蝴j 嘲l 对物理接口访问 0上 发送数据噼码接收炊曙蛹b 图3 ，1 - 3媒体访问控制管理功能 f i g3 1 3m a n a n g ef u n c t i o no fm a c 基于c a n 总线的小电流接地保护装置研究与实现 m a c 子层( 在c a n 技术规范中又称为传输层) 分为发送部分和接收部分，m a c 功能 模型如图3 1 - 3 。发送部分功能包括发送数据封装和发送媒体访问管理。发送数据封装 包括接收l l c 帧和接口控制信息、c r c 循环计算和通过l l c 帧附加其它的控制位构造 m a c 帧。发送媒体访问管理是指m a c 串行化、应答、校验、确认超载条件、错误检测、 构造和发送超载及出错帧和输出串行位流至物理层等服务。接收部分的功能包括接收 媒体访问管理和接收数据卸装。它们与发送部分功能是相对应的。 ( 2 ) m a c 帧结构： m a c 数据帧由七个场构成，分别为帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c