（电力系统及其自动化专业论文）750kv超高压母线保护的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u sr e s e a r c ho ne h v7 5 0k vb u s b 口p r o t e c t i o n i ti sak e yp r o j e c t 【2 0 0 21 2 3s h c h - 0 4 ，”r e s e a r c ho n7 5 0k vr e i a ya n ds t a b l ef a c i l i t i e sa n di t ss u b s t a t i o na u t o m a t i o n ”。p r o p o s e d b ys m m - g r i dn o r t h w e s tp o w e re l e c t r i cc o g u o d i a nn a n j i n ga u t o m a t i o nc o , e t g i sap a r t n e rr e s e a r c ho f t h i sp r o j e c t 1 1 m a i nr e a l - o p e r a t i o np r o b l e m so l lt h e7 5 0 k vb b r e l a ya r ec a u s e db ye x t e r n a lt r a n s m i s s i o n l i n ef a u l t s w i t l lt h e v o l t a g e l e v e lu p g r a d e dt oa h i g h e rl e v e li np o w e rs y s t e mi c o m p l e x e l e c t r o m a g n e t i cw a n s i e n tp r o c e d u r e ，l a r g e rs h o r tc a p a c i t y , l o n g - t i m ed c - d e c a y i n gp e r i o da n de a s i e rt a s a t u r a t i o nn m k er e l a yl e dt om a lf u n c t i o ne a s i l y c o n s i d e r i n gd i f f i c u l t ya n dc o m p l e x i t yo f7 5 0 k vp o w e rs y s t e ma n dc u r r e n t l yb u s b a rp r o t e c t i o n a p p l i c a t i o nw e a k n e s s e si nm a n yc o u n t i e s ，t h et h e s i sa n a l y z e de l e c t r i cp a r a m e t e r si m p a c to nt h eb u s b a r p r o t e c t i o t li td e v e l o p e dan e wc ta n t i - s a t u r a t i o nm e c h a n i s mt h a tc o ns a t i s f ya l ll e v e ll i n ef r o m1 1 0 k vt o 7 5 0 k v i ta l s od e v e l o p e daw o w t y p eo na r le m b e d d e x ld e v e l o p i n gp l a t f o r m 田”p r o p o s e db u s b a r p r o t e c t i o nt e c h n i q u ec a r lg r e a t l ys o l v ee x i t i n gp r o b l e m si na n du n d e r7 5 0 k vb u s b a ra f t e rf u l l yd y n a m i c e x p e r i m e n t sa n dt e s t s t h i sp a p e ra l s oh i g h l i g h m 黜a u x i l i a r yp r o t e c t i o nf u n c t i o n s s u c h b u s b a r - t i ed e a d - z o r m p r o t e c t i o n tt a t m s yc a b l e - b r o k e n , a d a p t i v ed u o - b u s e so p e r a t i o n , c t c n l ep a p e rp u t sf o r w a r ds o n i c n e wd i s c r i m i n a t i o nm e t h o d sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d f o re x a m p l e t h ev r i n c i p l eb a s e do nt w o s e t so f l ac a ns o l v ep r o b l e mu i p p m gm o r et h a no n eb u s b a rw h e nf a u l t so c c u r i n gi nb u s b a r t i ed e a d - z o n e i tp i o p c db r a n c h - c u r r e n tm e t h o dc o m b i n i n gd i f f e r e n t i a lc u i t c n tt od e a lw i t hc a b l e - b r o k e nt al o c a t i o n i t a l s od e v e l o p e da na d a p t i v ed u p l i c a t e dm e c h a n i s md e t e c t i n gs w i t c h - i n p u ta n ds w i t c h - b a c k u pt d pw h i c hc a n d e c f c a s eb u s b a rr e l a y j u d g er i s k sb e c a u s eo f s w i t c he r r o r k s y w o r d ：e h vb u s b a rp r o t e c t i o n ；t aa n t i s a t u r a t i o n ；d i f f e r e n t i a lp r i n c i p l e ；a d a p t i v e 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书丽使用过的材料。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了谢意。 纽r 哆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：啦导师签名：蹲日期以i 哆 第一章绪论 第一章绪论 发电厂和变电站的母线是电力系统中最重要的电气设备之一，在母线上连接着发电机，变压器 输电线路。配电线路等垃备，母线i ：作的可靠性将汽接影响发电厂和变电站l ：作的可靠性甚至造 成整个电力系统瓦解。与输电线路故障相比，母线故障的机会较少，但造成的后果十分严重。母线 电压等级越高，故障造成的危害也越人。 1 1 本课题的研究意义 为了提高输电的经济性能，不断满足大容量和长距离输电的需求，超高乐输电成为首选。交流 超高压是指3 3 0 k v 及以上，1 0 0 0 k v 以f 的电压。就我国而言，超高压电网指的是3 3 0 k v 。5 0 0 k v 和7 5 0 k v 电网。7 5 0 k v 超高压电力系统在我国两北地区建网运行，将改进国家电网结构、整体提高超高压系 统长距离输送技术，同时对电力系统稳定、继电保护性能提出了更高的要求。7 5 0 k v 母线多采_ f i 一 个仁断路器接线形式，要求母线保护动作速度快、抗t a 饱和能力强、装置运行可靠、电磁兼容性好， 并且人机界面友好，通信、故障分析录波、打印等辅助功能完善强人。国内微机母线保护从上世纪 9 0 年代中期起陆续在5 0 0 k v l l o k v 系统中运行，对各种保护原理判据积累了较为成熟的保护原理、 功能试验、运行维护的经验，当前数字技术日新月异、突e 猛进，为数字母线保护实现新颖保护原 理、进一步提高保护装置电气性能提供了强有力的基础保证。 针对7 5 0 k v 及更高的电压等级的电力系统的特殊性，有必要开发研制出一套全新数字式母线保 护装置，以解决超高压电力系统对母线保护的各种要求。同时此套装置要考虑兼容应_ f j 剑7 5 0 k v 及 以卜的各超高压和高压电网( 通常指l l o k v 7 5 0 k v ) 。 1 2 母线保护的基本要求及现状分析 i 2 1 对母线保护的基本要求 1 2 1 1 母线保护的可靠性 母线保护如果动作，将跳开母线上所有开关，因此母线保护的可靠性影响到电力系统的安全运 行。提高母线保护的可靠性，要同时提高他们的安全性和可靠性。安全性是指在止常运行及外部短 路时。保证保护不误动，在保护自身出现问题时，也不麻误动，这个特性称为安全性。可信性是指 在母线故障时保证母线保护的可靠动作，防l t 拒动，这个特性被称为可信性。 i 2 i 2 母线保护的选择性 母线保护的选择性包括两点。一为能止确区分外部故障和内部故障的选择性。_ 二为在各种运行 方式卜发生故障时，止确区分故障母线的选择性。而在母线互联返行方式卜发生故障时，保护麻无 选择的将两条母线上的全部元件跳开。 1 2 1 3 母线保护的灵敏性 母线发生内部故障时筹动保护应该具有足够的反麻故障的能力，一般以灵敏度的人小米衡鼙。 1 2 1 4 母线保护的速动性 东南人学硕i 学位论文 母线发生故障后，要求保护尽快的动作切除故障部分。如切除母线短路故障的时问过长，有 可能造成电力系统火稳共至解州事故。因此母线保护快述切除母线短路故障，是保证电力系统安全 运行的重要手段。 此外，在发生母线外部短路故障时。流过故障元件的电流值很人，尤其是当一次短路电流中包 含幅值较夫，衰减较慢的商流分昔时将会使该元件的电流互感器铁芯迅速饱和，电流互感器二次 电流和波形会发生严重的畸变。_ 二次电流畸变有可能导致母线保护误动作。但是铁芯饱和总需要一 定的时问，如果母线保护动作速度十分迅速，其i ：作特性就可不受或少受电流互感器的影响，并在 发生外部短路时能很快地f j j 锁保护 i 2 2 母线保护的基本原理 母线保护按最为通用的原理可以分为两种：电流差动式原理和电流相位比较式原理。 1 2 2 1 电流差动式原理 由基尔霍夫电流定理可知：对于一个无源节点，无论网络的结构如何变化，也无论电流变化的 频率有多大，在任意一个确定时刻，流入节点的电流与流出节点的电流的总和总是为零的。对丁母 线而言，由于它仅是其上各联接元件的汇流点。于是，它便可以看为是满足条件的这样一种符点， 母线上e 常i ：作或其保护外部故障时，由1 二其内部没有分流，冈而，此定理总成立。对f 内部故障情 况f ，母线上的各同出线的电流都通过连接点流入，使得此刻的电流之和不再为零。差动保护就是 利_ f j 此原理特点实现的。差动保护可以止确地区分被保护元件的内部和外部故障，因而，在母线保 护中得到广泛的应用。 按照电流差动保护原理，其基本判据为： ，o l l 其中：i 为母线支路电流：n 为支路数；i o 为定值。 实际上，简单的电流著动母线保护是将各个连接元件的电流互感器_ 二次侧的同极性端联在一起， 然后接入电流差动继电器。 在i e 常运行和外部故障情况卜。流入筹动继电器的电流和为备电流互感器的励磁电流之和，当 穿越电流很人时，此不平衡电流是很人的。而且，为了防i r 某一t a 的_ 二次侧断线引起保护误动作， 以及避越母线最人负载的不平衡电流，使得电流著动继电器的定值麻抬得很高，故而，降低了保护 的灵敏度。单独虑埘以上判据存住着两个明显的缺点：灵敏度低、适戍母线运行方式的能力差，容 易引起人为的误跳闸。 为了解决上述问题，使起动元件动作电流能随外部短路电流的变化而变化，引入了带制动特性 的保护原理。目前，常用的主要宵以f 二种形式： ( 1 ) 绝对值之和制动方式：以儿个引出线电流的绝对值之和为制动电流，其动作条件可表述 如f ： 2 第一章绪论 式中：= j i + l 厶j + + i 厶 一i ( i 2 ) 此判据提高了外部故障时的制动作，增人了在外部故障时不动作的可靠性。同时，在内部故 障时，降低了动作的灵敏度。当故障且有5 0 的电流流出时，可能引起灵敏度不够，使得保护拒动。 ( 2 ) 最人值制动方式：从全部连接元件中取出屠夫的电流为制动电流。其动作方程可表述 为： 一k + 。厶 = l卢l 式中：。= m a x d i ，i ，2 i ，一，l l i c ：为制动系数 ，0 ：为筹动保护最小动作系数 ( 1 3 ) 此类继电器在避越外部故障的性能不如绝对值电流制动方式，这是由丁二它的制动鼍不人，而在 母线发生区内故障时，最大通过电流制动母线保护具有较高的灵敏度，即使对故障有5 0 电流流出 情况，亦可可靠起动 ( 3 ) 综合制动方式：其动作方程表述如f ： mnn l j - - k i + i 卜如+ + 厶 ，；l，i i扣1 ( 1 4 ) 式中：k 1 ，k 2 为制动系数 大括号右上角的“+ ”号表示大括号内只取正值，如其为负，则取零绝对值之和制动方式和最 人值制动方式在发生母线区内故障及区外故障时均存在制动昔，综合制动发生可以保证在母线区内 故障时制动鼙为零，而在母线仄外故障时有很火制动龋。当继电器具有较小的制动系数k i 、k z 值时。 有较好的适应母线故障有电流流出的性能，保证母线区内故障有电流流山时，也能可靠动作。冈此， 它的制动特性和适虑母线故障时故障电流流出的能力是较强的。但是，我们看剑，此方法计算复杂， 增加了常规保护装置接线的复杂性，因此，就目前而言，采川较多的仍然是前面( 1 ) ( 2 ) 介绍的两种 方法。 1 2 2 2 电流相位比较式原理 电流相位比较式的基本原理是比较流出与流入l i 三流问的相何关系来确认是区内还是区外故障。 一 r ，川 女一 r 。闩 东南人学硕i 擘位论文 此类保护的原理如上图1 - 1 ( a ) 图卜1 电流相位比较式原理 在正常运行或母线外部故障k l 时，i - 、i ：与i ，相位相反如图1 - 1 ( b ) ，而在母线内部故障j ( 2 时， i - 、i z 与i 。相位基本相同如图1 - 1 ( c ) ，由此而构成相位比较式母线保护。 相位比较式母线保护只与电流的相位有关，而与电流幅值的人小无关。因此在此保护中无需 考虑不平衡电流的影响，也不要求采用同一础号和相同变比的电流互感器。从而提高了保护的灵敏 度和使j f j 的灵活性。但是，此原理不适麻于母线内部故障且有电流流出的情况，不能刚下3 2 断路 器或环形母线中。另外，如果在母线倒闸过程中发生故障，由于母联断路器中电流方向的不确定性， 可能引起保护误动。 1 2 3 几种常规母线保护的特点 按照母线保护装置地输入装置地输入阻抗值大小，可以分为低阻抗型母线保护( 一般为几欧 姆) ，中阻抗礁母线保护( 一般为儿白欧姆) ，高阻抗型母线保护( 一般为几千欧姆) 。 低阻抗璎母线电流著动保护接线简单，装置可靠，造价低，易维护，适_ f 于众多对母线故障切 除时间要求不十分严格的场合，但是对t a 特性要求高，当母线外部故障发生且t 饱和时母线著动 继电器中会出现较大不平衡电流。可能使母线保护误动作。高阻抗喇母线电流保护较好地解决了 这一阀题，但在母线内部故障时，电流互感器二次侧u r 能f i l 现过高电压，对继电器可靠i ：作不利， 且要求t 的传变特性完全一致，变比相同，这对丁需扩建的变电站来说较难做剑。 中阻抗删母线电流若动保护，将高阻抗的特性和比率制动特性两者有效结合，显著降低了母筹 网路的负载阻值较好地保证了区外故障t a 饱和不误动，区内故障正确快速动作。它以电流瞬时值 作测龉比较，测苗元件和尊动元件多为集成电路或整流型继电器，当母线内部故障时，动作速度极 快，约为l 3 m s 。而在1 4 周期以前t a 不会完全饱和，能较好地传变一次侧电流因此对t a 无特 殊要求t a 变比可以不一致。中阻抗掣母筹保护性能优越，目前仍是国内各电 【呵的可考虑的选择。 在我国电力系统中使h j 的国外公司母筹保护产赫有a b b 公司的r e b l 0 3 型，6 e 公n j 的b u s t 0 0 0 型和 两j 子公司的7 s s l 0 型等，国内符人厂家也有类似的产品。 第一牵结论 1 2 4 微机型母线保护的特点 随着微机线路保护的成功开发和应用促进了微机母线保护的开发与研制l ：作。微机母线保护 基于如卜i 考虑选择差动原理作为保护装置的基本原理。 计算机的优势是在数学计算逻辑判断，记忆锋方面，而在波形生成和相位处理等方面，计算 机丁常规方法相比并没有优越性。在常规保护方面，相位比较式保护比筹动保护优越之处在丁：对 t a 变比不要求统一和灵敏度高，差动保护的这些不足，用微机实现很容易弥补。在动作速度，防l e t a 饱和影响等方面差动保护具有明显优越性。由差动原理构成的保护装置，有较好的运行表现和运 行经验。 备专业厂家相继推出的微机母线保护，最主要的特点是充分利h j 计算机进行数字计算的能力 方便地实现带比率制动特性的电流瞬时值差动原理，复式比率筹动原理等。微机母差对t a 饱和具有 独特的检测方法，抗t a 饱和能力强，国外的几个厂家采用波形判别或补偿法来消除t a 饱和的影响， 即利, q - i1 4 周期前t a 线性传变的采样点，用一定的算法进行波形处理或判别，以保证保护的选择性。 国内的做法，多朋同步识别法来克服t a 饱和的影响，通过判别若动动作与故障发生是否同步来识别 饱和的情况。具有自适戍能力，可识别母线运行方式，从理论上可省略引入隔离开关辅助触点的麻 烦( 对双母线接线而言) 。通过软件补偿的办法来解决t a 变比不一致的闯题，减少辅助t a 的设置。 同时微机母筹保护具有自检功能，可招性进一步得到提高。更重要的是微机母线保护具有通信接口， 可方便地与监控系统互联，完成信息地传送与远控，实现自动化。当然微机母线保护具有调试整定 方便地优点是不言而喻的。冈此母线保护同线路保护一样，采用微机犁的保护是趋势和方向对于 采用分层分布式自动化系统的变电站，分布式的微机母线保护更能与其结构相适麻。 目前，微机型母线保护的主要产品有如国外公司a b b 公司的r e b 5 0 0 分布式微机母线保护。三 菱公司的f l b p - d 型微机母线保护等和国内部分厂家的产品。 1 3 论文的主要工作 本文所要致力解决的问题分为两个部分，即超高压母线保护方案的整体设计和t a 饱和的检测。 超高压电力系统对母线保护的影响及国内外应h 现状分析。 对现有的母线保护进行分析比较，设计出超高压母线保护的整体方案。 对母线保护中t a 饱和的检测的问题进行研究。 对系统出现的一些小概率事件进行分析研究，并对传统保护提出自己独到的新解决方案。 以卜本论文各章l i 了的主要内容： 第一二章着重分析了超高压电力系统在电气参数上对母线保护的影响。介纠了目前超高压电力系 统继屯保护国内外的麻_ i j 现状。 第二章针对超高压电力系统可能出现的运行特点，结合母线保护在我国3 3 0 k v 和5 0 0 k v 电力系 统上多年的麻用经验，提出r 超高压电力系统中母线保护的配置方案。通过对t a 饱gj o l 理的深入 研究从而克服其对母线保护的影响提出了超高压母线保护的主保护著动原理弗对技术特点进行 了详细的分析。 第四章对其他保护功能，如母线断路器火灵保护，母联保护，母联火灵保护，母联死区保护。 t a 断线笛进行了研究。尤其在埘联死i 保护_ 手i it a 断线中提出了一些新的判别方法。 5 东南人学硕卜学位论文 第五章对烈母线的远行方式白适麻进i r 了研究详细【嘲述了刀闸出错的原冈及影响，提出了刀闸 补入与刀闸补跳的舣重补救措施。可将月闸出错对母线保护的影响降为零。 6 第一审超商肤i 乜力系统对母线保护的影响及田内外应用现状 第二章超高压电力系统对母线保护的影响及国内外应用现状 2 1 电气参数的变化对保护的影响 2 i 1 谐波分鬣的影响 国内外研究资料表明，7 5 0 k v 电力系统故障电流中3 、5 、7 次谐波分颦会有较大幅度增加。而 故障电流中的谐波分颦对输电线路保护、变压器保护和母线保护都会产生一定的影响，因而有必要 研究并采取措施减小这种影响。 数字式保护都是通过对一定采样频率卜的离散信号进行数值变换后获得与被保护设备( 或线路) 相戍的电压或电流鼙的测龉值，国内目前普遍采_ j 的数字式保护的采样频率人约是6 0 0 1 0 0 0 次秒， 对于3 次及以上备次谐波的测耸精度较低，在采用短数据窗的计算方法时( 数字式保护通常都采用 短数据窗的计算方法以提高保护的动作速度) ，谐波分晕将进一步增加保护的测昔误芹，为满足7 5 0 k v 电力系统得要求，有必要在提高数字式保护模数转换精度的同时提高其采样频率以获得更高的测鼙 精度。 通过对7 5 0 k v 官厅到兰州东( 1 4 6 1 d 1 ) 、2 0 0 6 年兰州东到关中( 5 2 0 枷) 的线路，5 0 0 k v 长度为 5 2 0 的线路，经过r i d s 数字仿真，在线路末端发生故障时，暂态谐波占基波的百分比如卜表 表2 - 1 谐波比 电压等级线路妖基波二二次谐二次谐四次学五次谐人次谐 ( k v ) 度( k m ) ( ) 波( ) 波( )波( ) 波( )波( ) 7 5 01 4 61 0 07 9 82 8 00 4 80 4 80 7 0 7 5 05 2 0 i o o4 6 24 3 86 4 09 4 31 5 9 5 0 05 2 01 0 03 7 33 1 93 2 33 4 35 5 2 2 1 2 分布电容的影响 众所周知，目前，“泛采用的输电线路电流差动保护的基本判据是在忽略输电线路分布电容所产 生的电容电流的情况f 提出的。为防l ：由丁测鬣误筹和电容电流的影响而引起芹动保护误动作，通 常在电流差动保护中采用比例制动特性并设置差电流起动i j 槛。但这一措施在提高保护安全性的同 时也牺牲了保护的灵敏度，7 5 0 k v 电流系统中这种可靠性和灵敏度之间的矛盾将更为突出，为保证 筹动保护在线路经电阻接地故障情况f 有足够的灵敏度，需要电流差动保护中采取电容屯流的补偿 措施。 仿真结果如f ； 表2 - 2 电容电流表 电乐等级( k v )线路k 度( k m )基波( ) 7 5 0 1 4 6 1 0 0 7 5 05 2 0 1 0 0 5 0 05 2 01 0 0 2 1 3 故障后非周期分昔的影响 由丁数字式继电保护通常都采取滤波锋法，可有效地减小有1 周明分蜮的影响。7 5 0 k v 电力系 统故障后1 f 周期分域衰减常数的增人容易导致t a 暂态饱和的产生，对输电线路电流筹动保护、母线 7 东南大学颂i ：学位论丈 筹动保护，变乐器蓐动保护都会产生随接影响，冈此需要相麻地提高7 5 0 k v 电力系统荇种筹动保 护的抗t a 饱和性能，例如，对j ：母线筹动保护应防j h 区外故障3 m s 以后发生t a 饱和时引起差动 保护误动作。 2 1 4 暂态过电压和操作过电压的影响 根据国外研究资科，7 5 0 k v 电力系统暂态过电压与3 3 0 k v 或5 0 0 k v 电力系统相比有很人提高， 除采用并联电抗器、断路器带合闸电阻、安装避宙器等措施外，保护装置应增没过电压保护。过电 压保护即可测鼙保护安装处的电压，也可通过光纤通道得剑线路对侧的电压，并均可作用丁跳闸。 当本侧断路器已断开而线路仍然过电压时，可通过光纤蔫动保护发送远方跳闸信号线路对侧断路器。 2 i 5 电磁兼容环境的变化及其对保护的影响 7 5 0 k v 示范1 二程建于我国_ 两北地区，除了电压等级提高产生的影响外，高海拔的地理因素和多 尘埃的气象条件，对继电保护设备运行环境产生很人的影响，因此，7 5 0 k v 电力系统对继电保护可 靠性要求更高。研究表明，目前的嵌入式系统设计技术可以在满足继电保护所要求的大资源配置( 包 括数据采集、计算、存储等) 的同时，符合国际最新电磁兼容标准的最高等级要求。 2 2 超高压电力系统继电保护国内外应用现状 采用超高鹾电力系统的目的是为了提高输电的经济性能，不断满足远距离人容茸输电的要求。 世界上第一条7 0 0 k v 以上电压等级的电力系统输电线路是1 9 6 5 年在加拿大建成的，迄今为i p ，世界 上已经有十几个国家的网架结构以3 3 0 k v 和5 0 0 k v 为主，到目前为j t 尚无5 0 0 k v 以上的超高压电力 系统。5 0 0 k v 电网输电及支撑能力不强，网架结构也相对比较薄弱。 在继电保护技术方面，由于国外( 特别是北美地区) 有几十年的超高压系统运行经验，与之相 应的超高压继电保护技术也基本成熟。国外继电保护曾经在我国5 0 0 k v 系统上大鼍使用。但是过去 几十年的运行经验表明，由丁网架结构的差异，这些进口保护运行业绩难以令人满意冈此近年来 5 0 0 k v 继电保护国产产化率逐年提高并以逐渐成为商业界的共识。即便如此，借鉴国外超高压电力 系统继电保护的成功运行经验对于我国7 5 0 k v 示范一i ：程乃至今后特高压系统继电保护的运行仍然具 有十分重要的参考意义。 2 3 小结 我国能源与生产力发展毕逆向分布，能源丰富地区远离经济发达地区。在负荷中心建发电厂虽 然可以缓解当地电力需求，但电煤需要远距离运输，甚至多次转运，造成电煤价格较高，增加发电 成本。建设远距离，人容颦的超高压，共至特高压输电系统趋我国电力发展的必然。 因此，我国需要建设更加坚强的电网以适应经济快速增长的需要，保障国家能源安全和经济安 全。 超高压电力系统尤其是7 6 0 k v 系统的建设对母线保护提出了更高更迫切的要求。 8 第三章超岛限母线保护方案 第三章超高压母线保护方案 3 1 保护方案及其特点 继电保护装置的主要功能是实时分析判断所保护的电力设备的运行状态，在电力设备发生故障 时发出跳闸命令将电力设备从系统中切除并在系统允许时等故障消失后发重合命令让电力设备重 新投入运行。要实现上述功能，保护装置f 每包括数据采集部分、计算和逻辑处理部分和出口执行部 分另外还要包括监控和通信部分以管理、设置和监视装置。 超高压母线保护采_ f j 嵌入式系统平台，考虑剑母线保护的各种接线方式对软硬件的要求人不相 同，故采用了可伸缩的软硬件架构、人资源高速3 2 位c p u 系统，图形化逻辑编程等。软件开发人员 在使用此平台开发保护软件时仪需进行软硬件配置、绘制保护逻辑和编制保护算法程序。 平台的主控制模件使用串行接口与若干块i o 模件通信，通过改变i o 模件的种类和数颦即可 满足不同母线保护装置的需求。在一层机箱的模拟量输入通道或开关量输入输出通道数不够时，还 可扩展一层机箱以增加通道数目 平台选用主频达3 0 0 h i t z 的r i s c 处理器，3 2 m b y t e 2 5 6 m b y t e 的随机存储器，1 6 船y t e 5 1 2 髓y t e 的非易失存储器，以满足高性能继电保护的需求。 特殊的开关量输入电路，可直接接入2 2 0 v 开关摄。 平台的通信模件同时提供三个1 0 伽i 伽以太网接口、r s 2 3 2 接口和r s 4 2 2 4 8 5 接口以满足信 息化时代对继电保护的通信需求。 平台采用6 4 0 x 4 8 0 分辨率的彩色显示器、触摸屏和类w i n d o w s 操作界面。使基于平台的保护装 置拥有可与p c 机媲美的人机界面。平台还同时开发了p c 机调试软件，在完成基本的人机交互功能 的同时，还提供保护高级分析功能。 平台还提供装置软硬件配置、绘制逻辑图和编制算法程序等：i ：具软件，以降低装置开发的难度， 提高装置开发的效率和质鬣。 超高压母线保护软件融合多种新原理与专利技术，弗对于可能导致母线保护装置误动的小概率 因素亦加以多方研究 保护采用“筹电流变化鼍起动”和“常规差电流起动”双起动原理，对系统发生的金属性或非 金属故障、短路容量的筹异所产生的不同故障特征，均能快速起动，并进入卜一级保护判别。此原 理的起动灵敏度商，自适应能力强，有效地解决了不同容量的系统在不同负荷条件卜发生故障时， 多数母线保护起动灵敏度不能完全适应的问题。 采用新硝抗t a 饱和的“筹电流动态追忆法”和“轨迹扫描法”措施，确保母线外部故障t 饱 和时不误动，而区内故障或故障由k 外转为区内时可靠动作。 3 1 1 硬件方案及其特点 总体结构如f ： 9 东南人学硕i 学位论文 图3 - 1 母线保护装置构成图 嵌入式系统平台构成装置的总体结构如图3 - 1 所示。 模拟簧变换模件的功能是把备种模拟链输入信号转换成一5 v + 5 v 的电压信号。 主控制模件是整个保护装置的核心，它完成模数变换、计算、逻辑削断等功能。主控制模件把 从模拟晕变换模件传来的模拟信号转换成1 6 b i t 的数字晕，并从i 0 控制总线接收i o 模件采集的 开关鼙输入，汇总成装置的输入昔。主控制模件对输入颦计算和分析，并根据定值划断装置麻该作 出的动作行为，通过i 0 控制总线把命令发送剑i 0 模件执行。为了提高可靠性，主控制模件输出 一路起动开关量去控制i o 模件，以避免重要开关域输出误动作。在最重要得场合，还呵增加一个 冗余t 控制模件用它来控制起动开关域输出，进一步提高町靠性。另外主控制模件还要存储定值， 事件信息和录波信息等输入输出信息。 监控模件负责处理装管信息的输入输出并提供监视、调试和设置界面。监控模件j h 土控制模 什通信总线与士控制模什交换信息。一方面把主拄制模件的i ：干1 ：状态、输入、输出、定值、事件记 录、录波锋信息搜集转换扁传输给后台监控系统和远方调度系统。升同时提供装置人机界面供就地 监视。另一方面，监控模件将后台和人机界面的控制、坟置和渊试信息传送给土控制模什。监控模 1 0 第二帝超岛k 母线保护方案 件还提供实时时钟和g p s 对时输入接口，作为整个装置的时钟源。 面板模件作为监控模件与人交互信息的接口。包括显示设备( 液品屏和指示t ，) 和指点输入设 备( 触镁屏) 。面扳模块还提供一个u s b 转换器。把监控模件的p c 机通信接口转换为u s b 接口，p c 机可通过该接口与监控及通信模块通信，提供更高级的调试和分析功能。 i 0 模件是通用输入输出模件的总称，模件执行特定的输入输出功能，通过i 0 控制总线送出 输入晕和接收输出命令。理论上装置所有的输入输出都可以由i o 楔件实现，但受i 0 控制总线的 带宽限制，保护功能用的模拟蛙采集只能由主控制模件自身完成。由丁| 部分开关舒输入和开关锚输 出的实时性要求很高。有的延时其至不能人丁i r e s 。阏此i o 控制总线必需是确定性网络，且传输 延时小fl m s 。根据这个要求，i o 控制总线设计为时分多路复用的s p i ( 串行处理器界面) 网络， 主控制模件作为主机。若干i o 模件作为从机。主机每0 5 m s 于所有i o 模什通信一次，交换5 个 字节信息。这样主控制模件和每个i 0 模件均建立一个带宽为l o k b y t e ，传输延时小于l m s 的虚拟 信道，可以高度实时地交换信息。 另外平台还包括电源模件和母板模件。电源模件将输入电源转换成其他模件需要的各种电压。 提供给荐模件，并提供多种电源保护功能，如过压保护、欠压保护和过流保护等。所有模件都插在 母板模件上，模件问的电联系均通过母板模件。 机箱结构采用6 u 1 9 5 英寸背插式机箱，机箱深度约2 5 0 m m 。 由1 二机箱容龟和主控制板模拟鼍输入通道数的限制，一个机箱最多能容纳4 0 个保护用的模拟帚 输入通道和8 0 个开关量输入输出通道。但最人化母箨保护需要8 0 个模拟鼙输入通道和近2 0 0 个开 关鼍输入输出通道。为满足最大化母幕保护的需求，主控制模件上设计了一个数据采集和i 0 扩展 接e 1 和一个仅负责数据采集和开关鼍输入输出的机箱连接，便可把模拟昔通道数扩展剑8 0 个。开 关量输入输出数扩展剑1 9 6 个。扩展的机箱和主机箱硬件上基本一致，只是将监控模件取消，更换 为i 0 模件，软件则很简单，仅完成数据采集和i o 功能，完全受主机箱控制。 3 1 1 1 主控制模件 - - l ：t 空$ j j 模件完成实时模拟数据的采样和处理、保护算法的实现，与监控模件及i o 模件通信等 基本功能。主要由数据采样系统、c p u 及通信系统两大功能模块组成。 a d 转换系统的基本框架是：r c 无源滤波一 多路开关一 运放- a d 转换器一) d s p 。r c 无源滤波的 截l p 频率为3 0 0 h z ，多路开关可实现2 5 us 的通道间快速切换，a d 转换器采肘a d i 公司的a d 7 6 6 5 信噪比为9 0 d b ：o s p 采埔t i 公r 习的t m s 3 2 0 v c 3 3 ，l ：作频率为7 5 m h z 。本模块不仅可以实现采集分辨 率1 6 b i t ( 实际精度超过1 4 b i t ) 、采样速率7 2 k h z ( 1 4 4 点，5 0 6 0 h z ) 、通道数最多为4 0 通道的模 拟馥采样和转换而且可以对采样数据进行组织和预处理，并通过舣口r a m 提交给c p u 。 c p u 采j hm o t o r o l a 公司的p o w e r q u i c ci i 系列的m p c 8 2 5 5 ，其核心“i ：作频率最快为3 0 0 m l t z 。集 成了丰富的外设。包括动态内存接口、片选子系统、d m a 接口，l o o m i o m 以太网、s p i 、s c i 、i2 c 和 h d l c 接口。完成保护算法的实现和通信等j j j 能，通过l o o b a s e f l 以太网与其他装置( 包括光t a 、 光1 3 ) 通讯获取更多通道的模拟髓三l l 线路埘端的模拟域，也可把本装茂采集的模拟域和跳闸命令通 过光纤接u 送剑其他姨管，以实现集中式母莘、分布式母莘、线路纵筹等保护；通过高速同步串行 总线从i 0 模块读取1 旰入鬣，井向i o 模块麓送开出命令：通过高速串j r 总线与监控模什通讯。 东南人学顾i j 学位论文 为满足僻筹保护的需求，土控制模付上设计了一个a d 及1 1 0 扩展接口，和一个仅负责数据采集 和开关鼙输入输出的机箱连接，便u r 把模拟精通道数扩展剑8 0 个开关封输入输出数扩展剑1 9 6 个。 扩腱的机箱和保护装置幢件上基本一敛只是将监控模1 ，i ：取消更换为l l o 模件，软件则很简单， 仪完成数据采集和i l o 功能，完全受保护装置控制。土机箱向扩展机箱件发送同步信号，保让阿个 机箱数据采集的同步性。 主控制模件的小面板示意幽如图3 - - 2 。 图3 - 2 主控制模件小面板示意图 监控模件负责处理装置信息的输入输出，并驱动面板模件提供监视、调试和殴置的人机界面。 一方面把主控制模件的r 作状态、输入、输出、定值、事件记录，录波等信息搜集整理后传输 给后台监控系统和远方调度系统，并同时提供装置人机界面供就地监视和打印。另一方面，监控模 件将后台和人机界面的控制、设置和调试信息传送给主控制模件。监控模件还有硬件时钟和6 p s 对 一，ji ! m 3 i 7 软件方案及其特点 图3 - 3 监控模f l ：d 面板示意图 2 。u川叫8 圈 第帝超离胜母线保护方案 ( 1 ) 采州比率制动著动保护原理。分设人筹功能及再段罐线小筹功能，将聿4 个烈母线作为破保护 组什的人芹功能用丁判别母线区内故障，仪将每段母线作为被保护组件的小差功能h j1 ：选择故障段 母线。 ( 2 )设置两套筹动保护：常规的全电流筹动保护和新型的电流变化鼙莘动保护。技术成熟。抗过 渡电阻的能力强，受故障前系统功角的影响小。 ( 3 ) 采_ j 瞬时值差电流算法，保护动作速度快，整组动作时间小r1 5 s ( 4 ) 采用“差屯流变化鼙起动”和“常规差电流起动”双起动原理，对系统发生的金属性或非金 属故障、短路容鼙的著异所产生的不同故障特征，均能快速起动，并进入卜一级保护判别。双起动 原理的起动灵敏度高，白适应能力强，有效地解决了不同容昔的系统在不同负荷条件卜发生故障时， 多数母线保护起动灵敏度不能完全适应的问题。 ( 5 ) 研究开发采用新犁抗t a 饱和的“筹电流动态追忆法”和“轨迹扫描法”措施，确保母线外部 故障t a 饱和时不误动，而区内故障或故障由区外转为区内时可靠动作。 ( 6 ) 不同电压等级的电力系统具有不同的特点，线路的感抗、容抗、阻抗角不同。非周期分鼙和 谐波分鼍的时间常数也不同，保护考虑研究了i l o 7 5 0 k v 各电压等级中最严重的情况，通过采取各 种有效措施加以克服，抗御非周期分量和睹波分量的能力强，因而对各电压等级的母线具有最广泛 的适应性。 ( 7 ) 对于可能导致母线保护装置误动的小概率冈素，例如，由于接入母线保护的各单元t a 的特性 不一致，在区外故障切除、不对称冲击负荷、系统解合环、并网、投切负荷等造成的不平衡筹电流： t a 断线造成的差电流；区外故障t a 在2 个周波以后再饱和造成的差电流等情况，研究从多方位采 取预防为主的措施，确保不误动； ( 8 )自动适应母线的备种运行方式。例如在双母线上倒闸操作时不需退出保护，能根据隔离开关 能置信息的改变，通过软件完成：运行方式的t l 动识别、各段母线小差保护计算的自动调整及出口 跳闸命令的自动切换。 ( 9 ) 内含补偿措施，允许母线上各连接单元t a 的变比不一致，并考虑可由刚户设定 ( 1 0 ) 照顾到用户的运行习惯，可独立设置复合电压闭锁功能，以可靠防i t 差动保护的误动。 ( i i ) 研究开发了基f 新原理的t a 断线报警功能，低值报警，高值闭锁筹动保护，可靠防i pt a 断 线引起著动保护的误动。 3 2 母线保护的配置 3 2 i 根据母线接线要求可以选择配置以f 保护： ( i ) 母线筹动保护。对丁所有的母线保护均配置此保护对丁单母线和3 2 接线方式的母线保护， 只配置个筹动保护；其他接线方式按母线多少配置相成数鼙的小著和个人差。 东南人学硕i ：学位论史 ( 2 ) 母联充电保护。对r 母线接线方式中有埘联或分段开戈的缺省配置，充电保护为外置时。此 保护不投入远i ，即可。 ( 3 ) 母联过流保护。对1 ：母线接线方式中有母联或分段开关的可选配置。 ( 4 ) 母联断路器失灵和死区保护。对丁母线接线方式中有母联或分段开关的缺省配置。 ( 5 ) 断路器失灵保护。对于1 l o k v 及以上的母线保护按需配置。 ( 6 ) 母联断路器非全相保护。对f 母线接线方式中有母联或分段开犬的可选配置。 ( 7 ) 复合电压闭锁功能。对丁母线接线方式为3 2 接线方式且应用电压等级为2 2 0 k v 及以上的缺 省不配置；其他为缺省配置。 ( 8 ) 运行方式识别功能。对于母线接线方式为非同定接线方式的( 如单母线，单母线分段等) 缺 省不配置；其他( 如双母线，双母线单分段等) 为缺省配置。 3 2 2 各具体接线配置 考虑剑实际母线接线方式的多样性，以及日后母线保护真上e 丁程化生产后的可扩展性，在保护 研制的过程中充分考虑此点，故保护配置一般按最大化选配，每一种保护均设置控制字可投入与退 出。 ( 1 ) 对丁，双母线配置保护如下： 母线差动保护 母联充电保护 母联过流保护 母联断路器失灵和死区保护 断路器失灵保护 母联断路器1 # 全相保护 复合电压闭锁功能 运行方式识别功能 t a 与t v 断线识别功能 ( 2 ) 对丁单母线分段配置保护如f 母线若动保护 4 第一三帝超扇h 母线保护方案 母联充电保护 母联过流保护 母联断路器失灵和死区保护 断路器失灵保护 母联断路器非全相保护 复合电压闭锁功能 t a 与t v 断线识别功能 ( 3 ) 对于单母线配置