陈树桓电力系统微机保护研讨会V82.ppt

电力系统微机保护 主讲 陈树恒chenshuheng scu 微机保护最新发展方向与趋势探讨微机保护的硬件结构 原理与故障应对措施微机保护的数字滤波与算法电力系统短路计算与振荡计算输电线路电流保护 距离保护 高频保护 光纤纵差保护变压器保护与发电机保护母线保护微机继电保护的各类保护装置常见故障案例分析 微机保护最新发展方向与趋势探讨 继电保护的定义 继电保护一词是指继电保护技术或者是由各种继电保护装置单元组成的继电保护系统 微机保护的基本任务 1 自动 迅速 有选择性地切除故障组件 使无故障部分恢复运行 使故障部分免遭破坏 2 发现电气组件的不正常状态 根据运行维护条件动作于发信号 减负载和调闸 电力系统继电保护的基本要求 选择性速动性灵敏性可靠性经济性 微机继电保护的特点 是变电站 发电厂 自动化系统的自动化装置之一具有输入信号采样和控制逻辑输出执行的接口保护控制逻辑就是通常的继电保护原理在变电站自动化系统中属于间隔层设备需要接收变电站自动化主站的管理和维护 微机保护的基本发展过程 1 第一阶段 60年代中期至70年代初期 理论探索 保护算法 数字滤波的研究早期样机及试验方案 单机集中保护方案 基本方案 单机集中保护方案使用一台中 小型计算机完成整个变电站的保护功能完成整个变电站的控制功能 主要问题 1 运算速度的限制要求完成整个变电站的保护控制功能 小型计算机难以胜任中型和大型计算机 性能价格比差 2 可靠性问题计算机软 硬件故障 整个变电站失去保护和控制功能软 硬件冗余 性能价格比差 2 第二阶段 70年代中期至80年代中期 实用化初期外部条件 计算机技术出现重大突破微型处理器 计算机得到广泛应用微型处理器 计算机价格大大下降保护算法 数字滤波的研究相对成熟 保护方案 研究重点 线路保护研究开发相对集中保护算法相对复杂研究成果用于元件保护相对容易保护方案单处理器 单片机方案采用单片微处理器 以后大都改用单片机 完成一条线路的全部保护功能 保护方案 分时方式故障起动后 循环执行相间距离保护 或相间电流保护 接地距离保护 或零序电流保护 重合闸保护功能程序故障分类方式故障启动后首先进行故障分类 再根据分类结果执行相应的保护功能算法 3 第三阶段 80年代后期至90年代中期 微机保护推广应用阶段外部条件 单片机价格大幅度下降单片机性能大幅度提升微机保护发展特点采用多 单片机 结构线路保护相对成熟元件保护进入实用化阶段硬件结构以及制造水平大大提高 装置的故障率显著下降 多 结构主要优点 保护的可靠性大大提高各 插件之间相对独立 某一 插件故障时可保留其它 插件的保护功能 保护的动作速度大大提高整套保护装置以多 并行方式完成全部保护功能计算 从而提高了保护的动作速度 4 90年代中期以来 微机保护进入成熟阶段外部条件 新型高性能单片机开始获得应用新型高性能DSP开始获得应用网络通讯技术的应用微机保护发展特点高压 超高压电网已经广泛使用中低压电网中开始广泛应用元件保护的发展迅速新技术 保护新原理与新算法的引入 新型高性能单片机 DSP的使用高性能32位单片机片内集成了各种通用硬件 大大简化硬件设计总线不出芯片 大大提高了装置的抗干扰性运算能力更强专用数字处理器DSP计算能力强 精度高 总线速度快专用硬件实现定点和浮点加乘 矩阵 运算为引入ANN 小波分析等信号处理算法提供方便 网络通讯技术的应用 现场总线网络接口的配置与变电站综合自动化接口现场总线的双网接口配置 互为备用接口A 与变电站综合自动化通信接口B 分散录波功能 录波数据传送 分布式保护的发展分布式母线保护的研究和应用分布式母线方向保护分布式母线差动保护广域后备纵联保护的研究ATM高速网络通讯技术 实现快速的广域后备 解决传统后备保护阶梯时限特性带来的问题 保护新算法研究自适应控制自适应电流保护的应用模糊控制变压器保护多判据的模糊逻辑控制小波变换理论基于小波分析的行波故障定位 保护新原理研究神经网络保护神经网络距离 变压器保护的研究暂态保护无通信暂态电流保护的研究 由于计算机网络提供数据信息共享的优越性 微机保护可以占有全系统的运行数据和信息 应用自适应原理和人工智能方法使保护原理 性能和可靠性得到进一步的发展和提高 使继电保护技术沿着网络化 智能化 自适应和保护 测量 控制 数据通信于一体的方向不断发展 1 高速数据处理芯片的应用 我国微机保护装置硬件设计已经历了从8位微处理器 16位微处理器到32位微处理器的几个发展阶段 为提高保护装置的抗干扰能力 提出了总线不安出板 总线不出芯片的设计思想 实际上 在20世纪90年代中后期 国外著名继电保护制造商GE ABB等公司已经在向保护测控装置网络化设计的方向发展 开始将网络设计思想引入到装置内部硬件设计中 2 微机保护网络化 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连接起来 亦即实现微机保护装置的网络化 全球卫星定位系统 GPS 和光纤通信技术对网络化的各微机保护装置实现同步相量提供了条件 GPS在各领域中已得到广泛应用 在电力系统中主要用于同步相量测量 3 保护 控制 测量 信号 数据通信一体化 每个微机保护装置不仅可以完成继电保护功能 而且在无故障正常运行情况下还可以完成测量 控制 数据通信的功能 亦即实现保护 控制 测量 数据通信一体化 4 继电保护的智能化 a 自适应保护 b 暂态保护 5 广域保护 广域保护依赖于广域测量系统的发展 广域测量具有数据采集量大 时间分辨率高和具有电力系统暂态同步观测的能力 具有反馈远方的广域信号 可以更科学 更可靠的进行电力系统进行保护控制 低周减载 6 规范化和开放式的研制保护装置 该部分工作依赖于IEC61850变电站网络与系统规范的应用 IEC61850在2004年公布 正在逐渐的被采用 通过该规范 作为间隔层设备的保护装置将更具有开放性的接口 微机保护装置的硬件结构与计算原理 变电站自动化系统及其与微机继电保护的关系 变电站自动化系统的组成 保护测控装置规约转换器远动工作站后台监控系统 规约转换器 对于一套变电站自动化系统而言 系统中的保护设备可能来自第三方厂家 规约转换器通过规约上的转换将第三方设备接入 远动工作站 对间隔层设备进行集中管理 并实现对集控中心的连接 属于站控层部分 主站监控系统 对采集的变电站进行数据监视 控制 并对保护装置进行管理 保护测控装置 该部分属于间隔层部分 直接执行保护控制原理 同时保护装置还存在与站控层进行数据交换 接收站控层对保护设备管理 硬件组成的功能分析 现场信号输入 前置处理测量部分 DSP数据采样逻辑部分 保护原理的实现执行部分 出口信号的实现 微机保护装置的结构尺寸 微机保护装置通常是安装在屏柜上自动化装置 其长度通常一若干U来计算 微机继电保护装置的硬件结构 开关量输入回路的原理 开关量输入电路的工作原理是 当外部接点接通时 光电隔离导通 其集电极输出低电位 当外部接点断开 光电隔离不导通 其集电极输出高电位 读并行口该位的状态 即可知道外部接点的状态 开关量输出电路图 并行口B的输出口线驱动两路开出量电路 PB 7经过与非门后和PB 6组合 再经过7400与非门电路控制光电隔离芯片的输入 光电隔离的输出驱动三极管 开出电源24V经告警继电器的常闭接点AXJ 光电隔离 三极管驱动出口继电器CKJ1 24V电源经启动继电器的接点QDJ控制 增加了开出电路的可靠性 正常运行时 由软件通过并行口发出闭锁开出电路的命令 即PB 7 1 PB 6 0 PB 5 0 从而光电隔离不导通 出口继电器均不动作 保护装置的对外接口 端子排接口 与站控制层 相关装置通讯 维护程序 现场信号 液晶显示屏 输入键盘 中央信号 打印端口 主从式微机继电保护装置的特点 系统存在两个处理器 DSP和MCU DSP主要用于进行数据采样 MCU主要用于逻辑处理及通讯 DSP和MCU之间的数据交换主要是通过双口RAM来实现 MCU与站控层的接口可以是RS232 也可以是以太网 保护装置的板件组成 主控制板 DSP采样 保护逻辑的计算 数据通讯 输入信号转换与隔离板 通过低压变压器将输入信号由0 100伏范围变换到0 5范围 直流电源板 根据系统中公共直流电源 变换出应用于不同集成电路的低压直流电源 出口继电器板 控制信号通过继电器实现的电路闭合 面板 键盘 液晶显示屏和中央信号 数字信号处理的四个基本工作 信号滤波 滤除高频部分信号 提高计算精度 数据计算 计算出基波幅值和相位 保护逻辑计算 执行保护逻辑原理数据通讯 与变电站自动化系统之间进行数据通讯 微机保护数字滤波 采样定理 对连续时间信号x t 进行采样时 周期频率fs必须大于被采样原始信号x t 的最大截止频率fc的两倍 才能从离散的数字信号xs t 中完全恢复出原始信号x t 采样 将连续时间信号转换成与之对应的离散信号的过程 数字滤波器的概念定义 滤波根椐希望的指标和要求 对原始信号的频谱进行修正和处理滤波器实现滤波过程的信号处理系统实现方式 频域实现设计滤波器频谱函数H 与输入信号的频谱X 相乘 获得输出信号的频谱Y 时域实现设计滤波器冲击响应函数h t 与输入信号x t 作卷积运算 获得输出信号y t 分类方法处理信号的不同类型 连续 离散信号 分类 模拟滤波器和数字滤波器就使用元件的情况分类 无源滤波器和有源滤波器频率特性分类 高速 低通 带通和带阻滤波器用函数逼近法设计时 就频率特性向理想特性的逼近方式不同分类 巴特沃斯 切比雪夫滤波器 椭园滤波器和贝塞尔滤波器等 数字滤波器的表示方法 数字滤波器具有数字系统的一般特点 因此可用以下方法表示 差分方程其中系数ak bk为常数 x n y n 分别为系统的输入 输出序列 传递函数 单位冲激响应是数字滤波器最基本的表示方法 它是输入单位冲击时间序列时的滤波器输出序列 已知数字滤波器的单位冲击响应以后 可以求出在任意输入信号时的数字滤波器输出 数字滤波器分类 按频率特性划分 低通 高通 带通和带阻等按冲激响应划分 1 无限长冲激响应 IIR 2 有限长冲激响应 FIR 微机保护中数字滤波器的实现 卷积 交叉相乘再相加 卷积 交叉相乘再相加 数字滤波器的经典设计方法 一 IIR滤波器的经典方法基本方法按给定技术指标设计模拟滤波器 相应设计方法成熟 设计成果丰富 按一定变换关系将其转换为满足预定指标的数字滤波器设计关键将模拟滤波器的系统函数Ha s 映射为数字滤波器的系统函数H z 映射要求稳定的模拟滤波器系统映射为具有相同幅频特性的稳定的数字滤波器系统 即S平面的虚轴j 映射为Z平面的单位圆 Z 1S平面的左半平面Re s 0映射到Z平面的单位圆内基本映射方法脉冲响应不变法双线性变换法 一 脉冲响应不变法 脉冲响应不变法原理由滤波器的脉冲响应出发 使数字滤波器的单位冲击响应序列h n 模仿模拟滤波器的冲击响应序列ha t h n ha nTs 将h n 作为ha t 的离散采样 则离散采样信号的频谱H ej 即数字滤波器频率响应 为连续信号频谱Ha ej 即模拟滤波器频率响应 的周期延拓 采样序列的Z变换与模拟信号的拉氏变换之间有以下关系 它是先对Ha s 作周期延拓 然后经关系z esTs映射到Z平面上 因此 数字滤波器的频率响应是模拟滤波器频率响应的周期延拓 由采样定理 只有当模拟滤波器的频率响应带限于折叠频率以内时 才能使数字滤波器的频率响应不失真地重现模拟滤波器的频率响应 实际上模拟滤波器的频率响应不可能是真正带限的 频谱的混叠必然引起失真实际应用的变换方式 使滤波器增益不随采样频率变化 2 脉冲响应不变法的实现 在模拟滤波器的传递函数可以表示为分部分式的形式时 脉冲响应不变法实现的数字滤波器的传递函数具有较为简单的形式 若其拉氏反变换为其中u t 是单位阶跃函数 采样 得数字滤波器的单位冲击响应序列取Z变换 有滤波器H s 在sk处的极点被变换为H z 在zk eskTs处的的极点Sk 0时 zk在单位园内 即 模拟滤波器稳定时 数字必然稳定一般的情况下变换较为复杂 因此往往采用CAD辅助设计 MATLAB辅助设计 在MATLAB信号处理工具箱中 专门提供了脉冲响应不变法实现数字滤波器设计的函数 模拟滤波器的传递函数为 脉冲响应不变法实现数字滤波器设计的函数为 bz az impinvar b a fs b a是模拟滤波器的传递函数分子 分母的系数 fs是采样频率 bz az是数字滤波器的传递函数分子 分母的系数 脉冲响应不变法主要特点频率坐标的线性变换模拟滤波器带限于折叠频率内时 变换所得数字滤波器特性不失真模拟滤波器具有线性相位特性时 变换所得数字滤波器也具有线性相位特性频谱的周期延拓适用于带限的模拟滤波器变换 高频端衰减很多的低通 带通高通与带阻高频端不衰减 不能使用脉冲响应不变法设计 二 双线性变换法 1 双线性变换法的基本原理脉冲响应不变法的主要缺点由S平面到Z平面的标准变换出是多值对应关系 使滤波器频谱产生混叠效应双线性变换方法 单值变换 消除混叠效应变换过程 正切映射 将 平面压缩到的横带里 用脉冲响应不变法的变换关系进行二次映射 正切映射当从时 从因此 有变换关系二次映射因此 有变换关系 主要优点 不会出现频谱的交叠所产生的混叠效应频率非线性频率严重的非线性变换关系 即模拟频率与数字频率有非线性关系 由正切映射 有设计 计算简单直接从模拟域传递函数变换得到数字域传递函数 对应的频率响应为 2 MATLAB辅助设计在MATLAB信号处理工具箱中 专门提供了双线性变换法实现数字滤波器设计的函数 如果模拟滤波器的传递函数的一般形式为 则双线性变换法实现数字滤波器设计的函数为 zd pd kd bilinear z p k fs 其中 z p k是模拟滤波器的传递函数的零点 极点与传递函数增益 fs是采样频率 而zd pd kd是数字滤波器的传递函数的零点 极点与传递函数增益 当模拟滤波器的传递函数的一般形式为 则双线性变换法实现数字滤波器设计的函数为 bz az bilinear b a fs 其中 b a是模拟滤波器的传递函数分子 分母的系数 fs是采样频率 而bz az是数字滤波器的传递函数分子 分母的系数 三 IIR滤波器的直接设计方法前述方法称为IIR滤波器的典型设计方法 优点是可以将任意给定的模拟滤波器变换为数字滤波器 Matlab信号处理工具箱给出了另一类设计方法 称为IIR滤波器的直接设计方法 给定滤波器频域指标 通带边界频率 截止频率 c阻带边界频率 通带衰耗Ap阻带衰耗A 选择滤波器阶次N选择滤波器类型 Butterworth ChebyshevI ChebyshevII Elliptic直接给出结果设计 二 FIR滤波器的设计方法 一 FIR滤波器的基本性质FIR滤波器的单位冲击响应在有限区间内只有有限个抽样点 可表示为 或 其转移函数为FIR滤波器的输出等于其输入与滤波器单位冲击响应的卷积 由于FIR滤波器的单位冲击响应是有限长序列 其Z变换在整个Z平面收敛 因此不存在稳定性问题 此外 采用FIR滤波器 计算误差小 对参数量化效应不敏感 FIR滤波器得到了广泛的应用 前述简单滤波单元及全零点滤波器也都是FIR滤波器 常用的FIR滤波器设计方法 加窗法 频率采样法和等波动逼近法 微机保护算法 对微机保护算法的理解 进行保护决策计算必需的前提各种保护原理以此计算为输入执行保护决策在整个微机保护数据处理环节中 紧跟数字滤波环节计算的内容包括基波电压电流的幅值 相位 阻抗 负序分量 零序分量和三次谐波电流电压分量 算法分类 基于正弦函数模型的算法基于周期函数模型的算法 1 半周绝对值积分算法 基于正弦信号模型 如果输入保护系统的信号为正弦信号 其在半周内的积分为 在输入保护系统的信号为离散正弦信号时 将其用绝对值求和 矩形积分 表示 式中 S 在半周内的采样值之和 ui 第个采样值 且 输入信号的初相角 N 2 半周内的采样点数 由于用采样值求和代替积分 因此会带来误差 令误差与输入信号的初相角相关误差与采样频率有关 在每基频周期采样点数分别为N 12和N 24时 分析误差随初相角变化的情况 K 随初相角 变化的情况如图所示 2 采样和导数算法 基于正弦信号模型 假定电流 电压均为正弦波形 即 u Um sin t i Im sin t 利用电流 电压的采样和导数值可以计算电流 电压的幅值 相位等可用的算法 一次微分法和二次微分法 一次微分法计算电流 电压的一次微分 有 u Um cos t i Im cos t 从而u Um cos t i Im cos t 与u i正交 由其正交性 可方便地计算Um Im 同时也可求得阻抗与相角 tg u u u 即 u t tg 1 u u tg i i i 即 i t tg 1 i i u i tg 1 u u tg 1 i i 将电流和电压写成复数形式 U Um cos t jUm sin t u j u I Im cos t jIm sin t i j i 求得阻抗如下 Z U I u j u i j i R jX Z U I u j u i j i u i u i i i I 2 j u i u i i i I 2 R U I cos u i u i i i I 2 X U I sin u i u i i i I 2 或L 1 u i u i i i I 2 利用采样数据的数值差分近似计算一次微分考虑可得 式中 和分别为电压 电流的连续三个采样值利用一次微分法计算电流 电压的幅值 相位等电量时 只需使用连续的三个采样值 算法的时间窗为2Ts给出在输入信号为正弦信号 时 计算输入信号幅值的算例 一次微分法算例 使用一次微分法经过连续的三次计算 就可以计算出输入信号的幅值 有利于提高保护动作速度 由于用采样值差分代替微分 因此带来计算误差 分析指出 对于50Hz的正弦量 只要采样率大于1000Hz 则差分近似求导引入的误差约1 是可以接受的 提高采样频率可以减少幅值计算误差 如上例中 每周采样点数N 12时 幅值计算的波动明显大于N 24时的幅值计算波动 一次微分法的算法误差分析 采样值差代替微分时 计算值为可求得 因此有 3 全波傅氏算法 基于周期函数模型 傅氏算法的基本原理是利用正弦 余弦函数的正交函数性质来提取信号某一频率的分量 例如 对电压信号u t 进行傅氏分解 有 其中m次谐波 m 1时为基波分量 向量的实部 虚部分别为因此可求信号的幅值 相角及向量表达式 常常将向量的实部 虚部用傅氏正弦 余弦系数表示 Us URe Uc UIm对于离散数字信号 将积分改为求和 如果每周波采样N点 则第k点傅氏正弦 余弦系数分别为类似可求电流信号的傅氏正弦 余弦系数及其幅值 相角 将其用于距离保护时 利用基频分量的傅氏正弦 余弦系数 可以方便地计算相量的相位 从而实现各种比相式保护判据的计算 常用的比相式保护判据有两种形式 余弦比相方程和正弦比相方程 考虑比相相量A B及C D对余弦比相方程 有2700 Arg A B 900 即 cos A B cos Acos B sin Asin B 0 利用基频分量的傅氏正弦 余弦系数计算 Acos A Bcos B Asin A Bsin B 0即 Ac Bc As Bs 0对正弦比相方程 有3600 Arg C D 1800 即 sin C D sin Ccos D cos Csin D 0利用基频分量的傅氏正弦 余弦系数计算 Csin C Dcos D Ccos C Dsin D 0即 CS DC CC DS 0 傅氏算法的频率响应 傅氏算法可以完全滤除直流分量和各整次谐波分量 但不能滤除非整次谐波分量 不同初相角的情况下傅氏算法对于基波 直流分量和各整次谐波分量的频率响应相同 但对非次谐波分量的频率响应有较大的差别 用傅氏算法计算幅值 相角或阻抗 比相式保护判据 可以完全消除直流分量和各高次谐波分量的影响 但不能消除衰减直流分量的影响 算法的数据窗是一个周波 因此它是以较长的数据窗来换取良好的滤波效果和计算的准确性的 4 半波傅里叶算法 基于周期函数模型 全波傅立叶算法的滤波效果是比较好的 但是数据窗需要一个周波 为了加快响应速度 将数据窗缩短到半个周波 则电流 电压基频分量的余弦系数和正弦系数分别为 半波傅氏算法的频率响应 半波傅立叶算法的滤波效果不如全波付立叶算法 不能滤去直流分量和偶次谐波分量和非整次谐波分量 针对全波傅里叶算法和半波傅里叶算法在响应速度和精度二方面相互制约的关系 一些距离保护方案中提出了变动数据窗的方法 在故障起动以后 先调用半波傅立叶算法程序 同时距离保护的整定值减小10 当故障后一个周波时时 调用全波傅立叶算法程序 这时距离保护安定值也复原 当故障发生在保护区0 90 范围以内时 阻抗测定很快就越于稳定值 精度虽然不高 但判为区内故障仍是正确的 当故障发生在90 范围以外时 仍以全波傅里叶算法的计算给果为准 保证了精度 5 消除衰减直流分量影响的傅里叶改进算法工程实际中 傅里叶算法得到了广泛的应用傅里叶算法只能消除直流分量和整次谐波分量输入信号包含衰减直流分量时 典型的非周期信号 对应的频谱为连续谱 从而与信号中基频分量的的频谱混迭在利用傅里叶算法计算出输入信号的基频分量时将产生很大的误差实际应用时必须进行改进 设输入信号为衰减直流分量 基频分量其整倍次谐波分量之和 其中 n n 1 n为正整数 则第k次采样值为其中 ika为交流分量 考虑交流分量一周波积分为零 因此有求得 1 经过一个采样间隔后 有求得 2 式 1 式 2 求得由付氏算法求输入信号的正弦分量时 有 则输入信号中周期信号的正弦分量为 类似求输入信号中周期信号的余弦分量为 令K Kc jKs 其中 从而求得补偿系数为 由于对补偿系数进一步化简 得 在进行以上推导时 假定输入信号只含基频分量 衰减直流分量和各整次谐波分量 实际上故障暂态信号中还含有大量的非整次谐波分量 用以上傅里叶改进算法计算基频分量时仍然会产生一定的计算误差 微机保护软件程序设计 微机保护软件的一般结构 主要部分 主程序 包括自检循环程序和故障处理功能程序 和采样中断处理程序 保护装置正常运行时 微机保护在完成系统初始化和初始化自检后 开放中断 并根据是否满足故障起动条件而进入自检循环程序或故障处理程序 在相应的循环程序中 按同步采样周期接受采样中断请求进入采样中断程序 主程序流程保护装置接通电源或整组复位时 CPU响应复位中断 进入主程序入口 主程序执行系统初始化功能 包括微机系统初始化 整定值加载 输入输出口的置位与复归等 初始化自检 初始化自检就是对系统硬件进行全面自检 通过自检 可以迅速发现保护装置软 硬件故障 发出警告信号并闭锁保护出口 自检正确 主程序进行运行方式判别 否则告警并闭锁保护 等待专业人员检查 自检循环程序中 如果检测到故障起动标志 则进入故障处理程序 进行各种保护的算法计算 跳闸逻辑判断与时序处理 告警与跳闸出口处理等 其中 保护的算法计算是完成微机保护功能的核心模块 其主要内容有 采样数据的数字滤波 故障特征量计算 保护的动作判据计算等 在故障处理程序完成保护跳闸和重合闸等全部故障处理任务 整组复归时间到后 执行整组复归操作 保护装置返回到故障前的状态 为下一次保护动作做好准备 采样中断程序流程 在自检循环程序和故障处理程序中 都需要响应采样中断 执行采样中断程序 采样中断程序中主要进行模拟量采集与起动判据的计算等功能 采样中断程序中 在响应采样中断后 执行数据采集任务 完成各通道模拟量的采样保持和A D转换 并将获得的采样数据按一定规则存入数据缓冲区 便于故障处理程序取用 在完成数据采集后 根据故障起动标志确定是否进入故障起动判据程序 如果故障起动标志未置位 则需运行起动判据计算程序后中断返回 如果故障起动标志已置位 直接中断返回以节约计算机时 单侧电源电网相间短路的电流保护 概念 电流继电器 电流元件 是实现电流保护的基本元件以P代表继电器动作的逻辑状态继电器动作 P 1 逻辑 1 继电器返回 P 0 逻辑 0 电流继电器动作电流 Idz j电流继电器返回电流 Ifh j 一 电流速断保护 I段 反应于电流增大而瞬时动作的电流保护整定动作值选择性条件实际整定 引入可靠系数 速断保护不能保护线路全长 需满足选择性条件 2 短路电流变化规律 1 短路距离故障离电源越远 短路电流越小 2 故障类型根据电力系统故障分析 相间短路时 3 系统运行方式最大方式 通过保护的短路电流为最大的方式 最小方式 通过保护的短路电流为最小的方式 最大运行方式下三相短路通过保护的短路电流为最大最小运行方式下两相短路时通过保护的短路电流最小两种方式下分别有最大 最小保护范围 4 最大 最小短路电流曲线 2 校验保护范围对保护A要求 1 图解法直接利用最大 最小短路电流曲线进行校验 2 解法析令解得 3 电流速断保护的特点简单可靠 动作迅速 因而获得广泛应用不能保护线路的全长保护范围直接受系统运行方式变化的影响 系统运行方式变化很大时 速断保护可能没有保护范围被保护线路的长度很短时 速断保护可能没有保护范围没有保护范围时 需采用其它性能更好的保护 电流闭锁电压保护 略 微机 距离保护 二 电流定时限速断保护 II段 切除本线路速断范围以外的故障 保护本线路的全长作为速断的后备动作原理保护范围延伸到下一条线路为保证选择性 必须使保护的动作带有一定的时限为了使动作时限尽量缩短 考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围其动作时限比下一条线路的速断高出一个时间阶段 2 整定动作值选择性条件实际整定 引入可靠系数 3 保护装置灵敏性的校验校验条件 系统最小运行方式下 线路末端发生两相短路 即最不利情况下 动作最不灵敏 不能满足要求时 考虑进一步延伸限时电流速断的保护范围 使之与下一条线路的限时电流速断相配合 4 II段 延伸 整定动作值选择性条件实际整定 II段动作时限特性 三 定时限过电流保护 III段 保护本线路及相邻下条线路的全长本线路I II段保护的近后备 装置故障 相邻线路的保护的远后备 装置故障及开关失灵 工作原理起动电流大于 躲开 最大负荷电流起动电流大于 躲开 最大自起动电流保护定值不能保证选择性为保证选择性 必须使保护的动作带有一定的时限相邻线路动作时限配合关系 阶梯时限特性 2 整定动作值 1 自起动电流故障切除后电压恢复时 电动机有一个自起动的过程 且自起动电流大于正常工作电流 2 动作值整定 引入可靠系数 整定条件 返回电流大于最大自起动电流 Kfh越小 则保护的起动电流越大 其灵敏性就越差 因此要求电流继电器应有较高的返回系数 3 动作时间整定保护动作值不能保证选择性 故障电流流过保护时过电流继电器均起动 按阶梯时限特性整定动作时间 单侧电源网络中过电流保护动作时限的选择说明 3 保护装置灵敏度的校验校验条件 系统最小运行方式下 线路末端发生两相短路 即最不利情况下 动作最不灵敏 1 近后备 校验点取本线路末端 2 远后备 校验点取相邻线路末端 4 过电流保护的特点 1 需与电流速断和限时电流速断来作为本线路的主保护 以过电流保护来作为本线路和相邻线路的后备保护 构成三段式电流保护协同工作 2 电网终端的保护 过电流保护动作时限并不长 可以作为主保护兼后备保护 而无需再装设电流速断或限时电流速断保护 3 故障越靠近电源端时 短路电流越大 切除故障的时限反而越长 是其主要缺点 四 阶段式电流保护的特点电流速断和限时电流速断作为本线路的主保护 故障可在0 5s以内的时间予以切除以过电流保护作为本线路和相邻线路的后备保护 在主保护或断路器拒动时跳闸I 段组成的阶段式电流保护 简单 可靠 且一般也能够满足快速切除故障的要求 在电网中特别是在35kV及以下的较低电压的网络中获得了广泛的应用缺点是受电网的接线及电力系统运行方式变化的影响很大 三段式电流保护接线图 电网的距离保护 距离保护的基本概念 暂不考虑测量电流 电压的变比关系 距离保护的作用原理线路单位长度的正序阻抗为 短路距离为时 测量阻抗与短路阻抗关系为距离保护反应故障点至保护安装处的距离 或阻抗 并根据距离的远近而确定动作行为距离保护动作行为不受运行方式影响 由测量阻抗的大小决定 距离保护的时限特性距离保护的时限特性距离保护的动作时间与保护安装点至短路点之间距离的关系为了满足速动性 选择性和灵敏性的要求 目前广泛应用具有三段动作范围的阶梯型时限特性 称为距离保护的I II III段与电流速断 限时电流速断以及过电流保护相对应 距离保护的保护范围距离保护I段 速断 反应于阻抗降低而瞬时动作 不能保护本线路的全长距离保护II段 限时速断 切除本线路速断范围以外的故障 保护本线路的全长 作为速断的后备 距离保护III段保护本线路及相邻下条线路的全长作相邻线路保护和断路器拒动的远后备作本线路I II段的近后备保护定值不能保证选择性 必须使保护的动作带有一定的时限相邻线路距离III段动作时限配合关系 阶梯时限特性起动阻抗躲开正常运行时的负荷阻抗 距离保护的主要组成元件 1 起动元件在发生故障的瞬间起动整套保护 并作距离保护的III段 与I II段与逻辑出口 提高可靠性2 方向元件保证动作的方向性 防止反方向故障时保护误动作 方向元件可采用单独的功率方向继电器 但更多采用方向阻抗继电器3 距离元件 阻抗继电器 测量短路点到保护安装地点之间的距离4 时间元件按照故障点到保护安装处的远近 根据时限特性确定动作的时限 保证保护动作的选择性 全阻抗继电器1 动作特性全阻抗继电器的动作特性是以原点 继电器安装点 为圆心 以整定阻抗为半径的圆 无方向性 1 幅值比较方式阻抗比幅方程电压比幅方程即 2 相位比较方式阻抗比相方程电压比相方程比相电压为工作电压 比相电压为极化电压 即比相参考电压 2 全阻抗继电器的构成原理 方向阻抗继电器1 动作特性方向阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗为直径的过原点 继电器安装点 的圆 1 幅值比较方式阻抗比幅方程电压比幅方程 2 相位比较方式阻抗比相方程电压比相方程比相电压为工作电压 比相电压为极化电压 即比相参考电压 3 方向阻抗继电器的动作特性正方向故障时 继电器的起动阻抗随测量阻抗角变化 当时 继电器的起动阻抗最大 为整定阻抗对应的阻抗角为最大灵敏角反方向故障时 测量阻抗位于阻抗平面的第三相限 继电器不动作 其方向性明确 2 方向阻抗继电器的构成原理 距离保护保护整定计算原则 一 距离保护I段 速断 反应于阻抗降低而瞬时动作 不能保护本线路的全长对线路AB的距离保护I段 有保护范围为线路全长的80 85 不受系统运行方式变化的影响动作时间 二 距离保护II段 限时速断 与相间电流保护类似 需考虑分支系数的影响1 与相邻线路I段配合 2 躲开线路末端变压器低压侧出口短路实际整定值取保1 2计算值中的最小值3 动作时间 4 灵敏度校验距离保护II段保护本线路全长 则校验点为本线路末端 5 不满足要求时 与相邻线路II段配合动作时间为 三 距离保护III段1 按躲开最小负荷阻抗整定与相间电流保护III段类似 在考虑电机自启动时保证距离III段可靠返回注意整定 2 灵敏度的校验 1 近后备 校验点取本线路末端 2 远后备 校验点取相邻线路末端 在校验灵敏度时 取 使灵敏系数减小的最不利情况 变压器容量很小时 很大 难以满足远后备灵敏度要求 允许3 用方向阻抗继电器提高灵敏度按躲开最小负荷阻抗条件整定时 高于全阻抗继电器线路阻抗角大于负荷阻抗角整定 4 动作时间 保护动作值不能保证选择性 需按阶梯时限特性整定动作时间 四 精工电流对三段式距离保护各段 考虑其保护范围末端最小短路电流 要求满足 对距离保护的评价 可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性保护范围和灵敏度比较稳定 距离I段保护线路全长80 85 不受运行方式的影响其它两段受运行方式的影响比较小在220kV及以上电压的网络中不能作为主保护模拟式保护中接线复杂 调试困难 可靠性较低 数字式微机保护无此问题 高 低压网络中均广泛使用 基本已取代模拟式距离保护 高频载波保护 高频保护的基本原理一 概述220KV以上线路中 为保证系统运行的稳定性 要求保护无延时切除故障可使用双侧电量的差动保护关键 双侧电量的传送导引线传送 构成导引线差动保护高频信号传送 构成高频载波保护微波 光纤 信号传送 构成微波 光纤 电流差动保护 1 高频载波保护将线路两端的电气量 电流方向或功率方向 转化为高频信号以线路为载波传送通道实现高频信号的传送完成对两端电气量的间接比较 实现差动保护2 分类高频方向保护 以方向距离或功率方向元件判别故障方向相差高频保护 比较线路两端电流的相位 方向 二 载波通道构成原理1 类型 相 地 制 经一相导线与大地构成高频信号的传送回路投资少 节省通道 其余两相可作调度或远动通道 高频信号衰减大 高频信号使用方式受限制 多用于220KV系统 相 相 制 经两相导线构成高频信号的传送回路高频信号衰减小 用于500KV系统 采用复用载波通信方式 2 相 地 制载波通道的构成 3 高频加工设备实现高频信号传送的设备 包括阻波器 单频并联谐振于工作频率 对工作频率信号表现为高阻抗 对工频频率表现为低阻抗 0 04 两侧使用阻波器后 将工作频率信号限制在被保护线路内 以减少分流衰耗 也可防止对其它线路高频保护的干扰可用高频频率范围为45KHz 500KHz 通道及频率资源紧张 考虑同一通道传送多路高频信号时 改用宽频阻波器 宽频阻波器的原理图宽频阻波器的阻抗特性曲线 藕合电容器 完成高频信号到输电线路的传送隔离工频高压接合滤波器与藕合电容器构成四端带通网络 允许工作频率信号通过实现阻抗匹配 线路 高频电缆阻抗 400 100 减少高频损耗高频电缆连结户外接合滤波器与户内收发讯机 完成高频信号的传送 三 高频通道工作方式短时发讯方式正常不发讯 仅线路故障时发讯优点 减少干扰 延长发讯机寿命缺点 需定时手动发讯 以检查通道完好性长时发讯方式正常发讯优点 加快保护动作速度 可实时检测通道完好性缺点 对其它通讯干扰强 对发讯机性能要求高 混合方式正常时只发小功率监频讯号 实现对通道完好性的检测线路故障时增大发讯功率 发出跳频信号应用广泛的复用载波机均采用混合方式工作优点 减少干扰 延长发讯机寿命自动检查通道完好性 四 高频信号的作用方式1 按讯号的比较方式分类 1 直接比较方式将两侧电气量直接传送到对侧在两侧保护装置内部完成两侧电气量的直接比较传送完整的交流电气量很困难 微波 光纤数字通道除外 实际使用的高频保护中只传送电流相位 实现高频相位差动保护 2 间接比较方式两侧保护装置只反应本侧电气量各侧保护装置单独对故障方向进行判别 再将判别结果传送至对侧在两侧保护装置根据两侧保护的故障判别结果完成故障方向的间接比较故障方向判别结果以逻辑状态表示 实际使用的高频信号简单 以高频信号的 有 无 代表逻辑状态的 是 非 2 按讯号的作用方式分类 针对间接比较 保护动作 P 1 收讯动作 GSX 1保护动作跳闸 L 1 1 跳闸讯号常以一端的电流速断 零序速断 距离I段启动发讯 则收讯即可跳闸收讯为跳闸的充分必要条件 L P GSX 2 允许讯号常以一端的电流 零序 距离II段配合允许讯号工作 收讯为跳闸的必要条件 L P GSX 3 闭锁讯号常以一端的方向零序 距离III段配合闭锁讯号工作 停讯为跳闸的必要条件 高频闭锁方向保护一 基本原理保护区内故障 两侧保护方向元件S 动作 均不发讯 保护动作跳闸保护区外故障 近故障侧保护方向元件S 不动作 启动发讯 闭锁对侧保护 二 电流启动方式的高频闭锁方向保护1 原理框图 2 元件功能说明故障起动元件I I 灵敏度不同I为灵敏电流元件 起动发讯I 为不灵敏电流元件 开放功率方向元件区外故障时 远故障侧I动作时 近故障侧I 必然动作 可靠起动发讯闭锁对侧S 保护正方向故障时动作的功率方向元件区内故障 两侧S I 动作后停讯 经t2延时后出口跳闸区外故障 近故障侧S 不动作 I 动作后起动发讯闭锁对侧 延时t1作用 区外故障切除后 近故障端保护继续发讯t1以闭锁对端保护用于防止近故障端保护I先返回 停止发讯 远故障端S I 后返回时引起的误动延时t2作用 通道配合延时区外故障时 远故障端S I 动作 需经t2延时才能出口 以保证可靠收到对侧闭锁信号 三 功率方向元件启动方式的高频闭锁方向保护1 原理框图 S 保护反方向故障时动作的功率方向元件 2 动作过程说明区内故障 两侧S 元件动作 S 不动作 经t2延时后出口跳闸区外故障 近故障侧S 不动作 S 动作后起动发讯闭锁对侧要求 S 动作灵敏度高于S 保证区外故障时近故障侧S 可靠发讯 四 高频闭锁方向的功率方向元件1 基本要求 1 可反应所有类型的故障 2 没有电压死区 3 振荡时不误动分析900接线功率方向元件有电压死区 振荡时可能误动零序功率方向元件只能反应K 1 K 1 1 都不能满足要求 2 负序功率方向元件的特点 1 可反应所有不对称故障 增加电压记忆后 也可反应三相对称故障 2 没有电压死区 保护区外故障时 近故障侧负序电压 功率 高于远故障侧负序电压 功率 容易实现灵敏度配合 3 振荡时三相对称 不存在负序分量 负序功率方向元件不误动因此 负序功率方向元件在高频闭锁保护中得到了广泛的应用 3 两相运行对负序功率方向元件的影响第三章中对纵向不对称故障进行了分析 引用其分析结果 可作出负序等效网络和负序电压分布向量图如下 结论使用母线侧电压互感器 两相运行时A B端负序功率方向元件均判断为区内故障 高频闭锁方向保护误动作使用线路侧电压互感器 两相运行时A 端负序功率方向元件判断为区外故障 B端负序功率方向元件判断为区内故障 高频闭锁方向保护不会误动作 电力变压器保护 电力变压器的故障和异常运行状态1 油箱内的故障 1 变压器绕组匝间短路 2 中性点直接接地的单相短路 3 相间短路 异地两点接地短路 4 铁心烧损以上故障后果严重 产生电弧 引起绝缘物剧烈气化 可致油箱爆炸 2 油箱外的故障变压器套管和引线发生相间短路和接地短路3 变压器异常运行状态 1 系统发生相间短路引起的过电流 2 中性点直接接地系统接地短路引起的过电流 中性点非直接接地系统接地故障引起的中性点过电压 3 过负荷 4 漏油引起的油面下降 5 变压器各部分过热和冷却系统故障 6 过励磁 电力变压器的保护配置1 瓦斯保护油箱内的各种故障使箱内产生气体 瓦斯 少量气体和油流速度较小时 轻瓦斯动作于信号故障严重 气体量大 油流速度高时 重瓦斯瞬时动作于跳闸瓦斯保护是铁心烧损的唯一保护 对各种内部短路也有保护作用动作速度不及差动保护800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器均应装设瓦斯保护 2 电流速断保护容量在6300kVA以下的厂用工作变压器与并列运行的变压器10000kVA以下厂用备用变压器和单独运行的变压器后备保护时限大于0 5s时 应装设电流速断整定以变压器副方短路保护不动作为整定条件校验按保护安装处最小短路电流校验 Klm 2 3 纵差保护6300kVA及以上的厂用工作变和并列运行变压器10000kVA及以上的厂用备用变和单独运行变压器2000kVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器电压为330kV及以上的变压器 可装设双重纵差对于发 变组单元接线 当发电机与变压器之间有断路器时 变压器应装设单独的纵差保护对于大型发 变组 即使发电机与变压器之间没有断路器 也应装设变压器单独的纵差保护 4 零 序 差 动 保护变压器中性点直接接地的Y绕组发生单相接地故障时 纵差保护的灵敏度较低可以采用零差保护提高接地故障的灵敏度空载合闸的激磁涌流和调压分接头的调节不增加零差保护的不平衡电流零差保护灵敏度较高 5 相间故障的后备保护 1 过流保护用于降压变压器 2 低压闭锁过流保护用于过流保护灵敏度不足的降压变压器 3 复压启动的过流保护用于过流保护灵敏度不足的降压变压器和升压变压器 4 负序过电流保护用于大容量升降压变压器和系统联络变压器 6 接地故障的后备保护110kV及以上中性点直接接地系统 变压器中性点可能接地 也可能不接地应装设带或不带方向的零序电流 电压保护 1 变压器分级绝缘 中性点接地运行设置两段式零序电流保护 分别与相邻线路零序电流I段和后备段配合以两段时限跳闸 第一时限动作于跳开母联开关 第二时限跳开变压器两侧开关作母线 线路后备时Klm分别大于1 5 1 2 2 变压器分级绝缘 中性点可能接地 不接地运行变压器中性点装设放电间隙两段式零序电流保护 整定同 1 增设反应零序电压和间隙放电电流的零序电流电压保护为中性点不接地运行时的保护变压器中性点不装设放电间隙两段式零序电流保护 整定同 1 增设中性点无零序电流和母线有零序电压的零序电流电压保护为中性点不接地运行时的保护 7 变压器过励磁保护 1 变压器过励磁变压器感应电压为U 4 44fWBS变压器工作磁密为B U 4 44fWS K1 U f K为常数 与变压器绕组匝数W 铁芯截面S有关 过励磁倍数为n B Be U Ue f fe 电压升高 甩负荷 和频率下降 机组跳闸后减速而灭磁开关拒动等 都将引起过励磁 铁芯严重饱和 励磁电流大大增加铁芯严重发热 绝缘迅速老化 2 变压器过励磁保护Uc U nynLH 2 fRC 2 1 1 2 K2U f KB 2 fRC 1 给定允许过励磁倍数曲线n t时 过励磁保护按n t反时限特性整定也可按定时限特性整定 n 1 1 1 2 t 5s发信号 n 1 2 1 4 t 120s跳闸 变压器纵差保护 一 变压器纵差保护的基本原则1 变压器纵差保护的原理接线 2 变压器纵差保护的基本原则各侧电流额定电流不同 需适当选择各侧电流互感器变比各侧电流相位不同 需适当调整各侧电流相位LH励磁特性不同产生的不平衡电流需考虑稳态不平衡电流变压器差动保护 包含磁路藕合需考虑暂态不平衡电流 二 变压器纵差保护的主要特点1 变压器纵差保护的暂态不平衡电流差动保护的基本特点 是被保护线路 设备正常运行或区外故障 满足节点 割集电流定律 有 Ii 0变压器差动保护 包含磁路藕合 Ii Iu Iu为变压器励磁电流 一侧空载合闸时的励磁涌流 Iu 10Ie B Ie B为变压器额定电流 不满足节点 割集电流定律 2 变压器的励磁涌流励磁涌流远远大于稳态不平衡电流 是影响变压器纵差保护工作的主要因素 1 产生励磁涌流的原因正常工作时 磁通 滞后于工作电压U的角度为900变压器空载合闸或外部固故障切除 电压恢复时 如果工作电压瞬时值为0 应有 m磁通 不能突变 出现幅值 m的非周期分量磁通考虑铁芯剩余磁通 s出现最大磁通 max 2 m s 铁芯严重饱和 产生励磁涌流 2 单相变压器的空载合闸工作磁通为 m s mcos t t 0时合闸 s t 1800时合闸 max 2 m s铁芯严重饱和 产生很大的励磁涌流Iu max 4 20Ie B 3 三相变压器的空载合闸在任何时刻空载合闸 至少两相出现励磁涌流可能出现对称涌流 两相涌流差不含直