微机保护论文 浅谈微机保护的发展.doc

浅谈微机保护的发展 姓名：王新新 学院：电气工程学院 班级：08电自 学号：2008534123摘要：为了提高供电质量，维护电力系统安全、稳定运行，微机继电保护的研究发展至关重要。本文回顾了国内外电力系统继电保护技术发展的过程，概述了微机继电保护技术的成就，继电保护技术计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化。电力系统微机继电保护朝着高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和网络化、智能化发展。关键词：微机保护 优点 发展过程 发展趋势0引言随着国民经济持续快速发展以及人民大众生活水平的日益提高， 电力用户对电能的需求量越来越大，对供电质量要求也越来越高，同时电力部门又受减员增效的制约，在大规模发展建设电网同时，人员配备却没有相应增加，于是近几年无人值班变电站迅速发展起来，建成了一批能够实现“四遥”甚至综合自动化功能的局域性电网。即提高了供电质量，又节约相当的人力、物力成本，使电力企业创造出更佳的经济效益。但是，国内外的运行经验表明，电网在发生自然或人为故障时，如果故障不能得到及时有效的控制，电网将会失去稳定运行，甚至会瓦解，造成大面积停电，给社会带来灾难性的后果。因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运行，一直是一个永恒的主题。继电保护装置（包括安全自动装置）是保障电力系统安全稳定运行的重要装置之一，它们在电力系统中得到了广泛的应用。电力工业生产发展的需要和新技术的不断出现，是电力系统继电保护原理新技术不断产生的基本源泉。电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断的注入了新的活力，由于微机在继电保护中的应用，使继电保护发生了根本性的变化，并采用了很多新原理和新技术。从而使电力系统运行更加稳定，输电质量显著提高，为国民生产提供可靠的能源保障。1.微机保护的国内外历史及发展概况电力系统继电保护是指继电保护技术和由继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护装置在电力系统中承担重要的保护任务，在系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证非故障部分正常运行；在系统出现不正常工作状态时，可动作于发出信号、减负荷或跳闸。继电保护在技术上一般应满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性的基本要求。继电保护装置发展的初期，主要是由电磁型、 感应型继电器构成的继电保护装置；20世纪60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；70年代，由半导体技术的进一步发展，出现了晶体管继电保护装置；80年代，由于大规模集成电路的出现，又出现了集成电路型继电保护装置；20世纪80年代中期，由于计算机技术和微型计算机的快速发展，出现了微机型继电保护装置；电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与信息技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力1。电力系统微机继电保护是指以微型计算机和微型控制器作为核心部件，基于数字信号处理技术的继电保护，简称微机保护。1.1国外微机保护发展概况20世纪60年代末期国外提出用计算机构成继电保护装置的倡议。在1965年，英国剑桥大学的P.G.Mcalaran 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Sampling Techniques applied to derivation Letter的文章。1967年澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路的计算机控制的前景。1969年美国西屋公司的G.D.Rockefeller发表了Fault Protection with A Digital Computer的文章。早在50年前，美国著名学者J.L.Blackburn就提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是因为当时计算机的价格较高，同时无法满足继电保护高速的要求，最终没有应用到实际，但是却对继电保护的理论计算方法和程序结构做了很多研究，这也为继电保护后来的发展奠定了基础。1975年初，英国GEC公司应用微处理机于变电所的控制和自动重合闸上的情况己有报道。1979年，IEEE的教育委员会组织了第一次世界性的计算机保护研究班。之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种商业性微机保护装置，微机保护逐渐趋于实用。意大利专家V.Calderero在基于安全性和可靠性的基础上，提出自适应算法处理电网故障，并通过微处理器程序实现了反时限特性，曲线受微处理器温度、风速、辐射和光照的影响。在电力系统微机保护技术方面，日本、美国、英国、德国发展最快2。1.2国内在微机保护发展概况我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究，虽然起步较晚，但发展很快。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机/变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定，并投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过鉴定。这些微机保护装置各具特色，为电力系统提供了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代 开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代3。我国继电保护技术进入微机保护时代以来，微机保护在电力系统的各个方面及各种电压等级上均有较大的发展，如线路保护、发电机保护、变压器保护、励磁调节系统。1988年我国开始研究基于DSP的保护、控制、测量一体化微机装置4。采用32位微机芯片除了考虑精度之外，关键是32位微机芯片具有很高的集成度、工作频率和计算速度，同时芯片内部的寻址空间较大，外部的端口资源丰富，具有存储器管理功能、保护功能等，能够满足继电保护算法对芯片数据处理速度和精度的要求。2微机继电保护发展成就早期的研究工作以一台小型计算机来实现多个电气设备或整个变电站的保护功能。这种想法使装置的可靠性难以得到保障，因为一旦当该台计算出现故障时，所有的被保护设备将失去保护，同时，按照当时的计算机的接口条件和内部资源来说，实现这种设想还需努力。限于计算机硬件的制造水平以及价格过高，当时还不具备商业性生产这类保护装置的条件。2.1大规模集成电路技术的发展促进微机保护发展20世纪70年代末，比较完善的微机保护的样机开始投入到电力系统中试运行，微机继电保护产品的实用化开始出现。大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格大幅度下降，可靠性、运算速度大幅度提高的微型处理器为微机继电保护的发展和实际应用奠定了物质基础；数据采集、数字滤波和保护算法方面深入的理论研究为微机继电保护的发展提供了理论基础。从而，促使微机继电保护的研究出现了高潮。因而无论在技术上还是经济上，已具备一台微型机来完成一个电气设备保护功能的条件。1972年美国西屋公司与GE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保护装置，它具备了计算机保护的基本组成部分。1977年日本投入一套以微处理器为硬件的控制与继电保护装置，全部替代了原有保护，大大减少了控制室的占地面地，并于1980年发表了试运行结果。20世纪80 年代中期，微机保护在硬件结构和软件技术方面趋于成熟5，在电力系统中获得了广泛的应用。发展较快的是日本，据日本有关部门预计，1987年微机保护装置的订货可能达到继电保护设备总产值的70%。微机保护装置所具有的优越性和潜力，受到生产和运行人员的欢迎。2.2微机保护采用多CPU结构20世纪90年代中期，由于单片机价格的大幅度下降，微机保护采用了多CPU（单片机）结构6，通常使用多个下层不同子系统分担不同的保护功能。例如线路微机保护中由不同的CPU完成距离保护、高频闭锁保护、零序电流保护及重合闸保护功能，并采用单独的上层管理CPU系统对多个下层CPU子系统进行管理和数据交换，并完成人机对话和网络通信管理功能。采用多CPU结构使保护的可靠性和速动性大大提高。在单CPU结构保护中，CPU插件故障会使整套装置失去保护功能。采用多CPU方案后，由于CPU插件之间相对独立，某一CPU插件故障时只失去相应的某一保护功能，其它CPU插件仍可以正常工作，因此可以保留其它的保护功能，提高保护的可靠性。在多CPU结构中，由于保护功能分配给不同的CPU插件进行处理，因此，整套装置以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。2.3微机保护的快速发展20世纪90年代中期以来，一些新型高性能单片机开始获得应用，同时微机保护也采用了一些新技术，使保护的性能与装置的可靠性大幅度提高，微机保护的应用更加广泛。 新型高性能32位单片机内集成了多种通用硬件，因此无需使用片外总线扩展存储器、I/O端口等，不但大大简化了微机保护的硬件设计，而且由于总线不出芯片的设计，大大提高了装置的抗干扰性。专用数字信号处理器DSP的突出优点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大7，尤其是采用专用硬件实现定点和浮点运算，速度非常快。将数字信号处理器应用于微机保护，极大地缩短了数字滤波、和傅氏算法的计算时间，不但可以完成复杂的信号处理功能，还可以完成以往主要由单片机CPU完成的保护运算功能，甚至完成完整、独立的继电保护功能。网络通信技术在微机保护中的应用使继电保护出现了网络化的特点。自20世纪90年代中后期开始，国外著名继电保护制造商如GE、ABB等公司的产品就已经向保护测控装置网络化的方向发展，开始将网络设计思想引入装置内部硬件设计中。ABB公司生产的数字式保护就是基于通用标准化硬件设计的理念，采用了B448C总线作为保护内部各模块之间通信的方式。并且ABB公司于1998年推出的系列数字式保护装置就是具有代表性的网络化新一代继电保护装置2。随着变电站综合自动化的发展，微机保护配置现场总线网络接口已经成为一种基本的方式，并且新型微机保护大都提供现场总线的双往往接口，互为备用。另外，基于网络通信技术的分布式保护也得到了研究和应用。 3.微机保护的现状传统的继电保护装置，调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护。微机具有高速运算、逻辑判断和记忆能力，微机保护是通过软件程序实现的，具有极大的灵活性，也因而微机保护可以实现很复杂的保护功能，也可以实现许多传统保护模式无法实现的新功能。目前，微机保护的平均无故障时间长达十万小时以上，这说明了微机保护是十分可靠的。微机保护经过近20年的应用、研究和发展，已经在电力系统中取得了巨大的成功2，并积累了丰富的运行经验，产生了显著的经济效益，大大提高了电力系统运行管理水平。近年来，计算机软硬件技术、网络通信技术、自动控制技术及光电子技术日新月异的进步，现代电力系统不断发展的新形势，对微机保护技术的发展提出了许多新的课题及挑战。特高压输电线和直流输电在国内的建设、大容量紧凑型输电技术的应用、 FACTS技术的发展，变电站自动化技术的成熟以及集成智能化电力设备（智能开关及组合电器）、电子或光电式互感器的投入运行都对微机保护技术的发展提出了新的课题，他们对保护运行的可靠性、抗干扰能力、快速性、灵敏性，保护的构成方式，保护动作行为的改进，保护装置的高速通信能力以及保护新原理研究等方面提出了更高的要求。在新的硬件和软件基础上，这些性能需求能够得到更好的满足和实现。 微机保护在现场的普遍应用已经为现场继电保护人员带来了无可比拟的优越性，不仅保护的正确动作率大大提高，而且由于其调试的方便性使调试工作量大为减少，从而缩短了调试时间。4.微机保护的发展趋势电力系统对微机保护的要求不断提高，除了实现继电保护的基本功能外，还需要保护装置具有存放故障报告和各种电参量的存储空间、高速和准确的数据处理功能、可靠的通信能力以及与其它继电保护装置联网共享数据、信息的能力，能够运行C/C+等高级语言的程序代码。4.1微机保护装置的网络化微机继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要能保证全系统的安全稳定运行，能够及时判断电网出现的故障，启动相应的保护动作，这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，避免出现误动作或是拒动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现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联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化2。继电保护装置能够通过网络得到的故障信息越多，根据软件算法的分析，就能越准确地判断所发生故障的性质、位置和距离并启动保护动作。微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋势。在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测