PCS-931线路保护.ppt

PCS 931线路保护装置 南京南瑞继保电气有限公司 2011 12 一 PCS931概述二 PCS平台介绍三 PCS931硬件系统四 差动保护原理五 距离保护原理六 零序过流保护原理七 重合闸 目录 一 概述 PCS 900线路保护 PCS 900系列超高压及高压线路保护是在总结并发展RCS 900保护先进的原理与技术和成熟的运行经验的基础上 在硬件结构和软件方面作了较大改进 PCS 900系列保护全面满足目前传统变电站和数字化变电站的各种需求 支持传统电磁型TA TV以及ECVT 并支持各侧传统互感器和ECVT混用方式 支持61850规约后台通信方式 支持GOOSE跳闸方式 同时接线端子与国内广泛采用的RCS 900系列的保护基本兼容 装置采用了32位高性能的CPU和DSP 内部高速总线 智能I O 硬件和软件均采用模块化设计 具有插件 软件模块通用 灵活可配置 易于扩展 易于维护的特点 将为用户带来备品备件种类少替换方便的优点 UAPC平台按照具有长达10 15年的生命周期设计 装置插件根据需要可以在保持与平台兼容的情况下平滑升级 从而为用户的设备投资提供了长期稳定的保障 装置采用双重化设计 具有双重化的采样回路和完全独立的启动和保护DSP 可以有效保证装置动作的安全性和可靠性 装置具有友好的人机界面 液晶为320 240点阵 可以通过整定选择中文或英文显示 PCS900装置特点 具有完善的事件报文处理 可保存最新256次动作报告 64次故障录具有与COMTRADE兼容的故障录波 具有灵活的通讯方式 配有2个独立的以太网接口和2个独立的RS 485通信接口 支持电力行业通讯标准DL T667 1999 IEC60870 5 103 和变电站通讯标准IEC61850 装置抗干扰能力优越 达到了电磁兼容各项标准的最高等级 波报告 256次遥信报告 64次遥控记录 PCS 931系列保护包括以分相电流差动和零序电流差动为主体的快速主保护 由工频变化量距离元件构成的快速 段保护 由三段式相间和接地距离及多个零序方向过流构成的全套后备保护 PCS 931系列保护有分相出口 配有自动重合闸功能 对单或双母线接线的开关实现单相重合 三相重合和综合重合闸 PCS 931系列保护根据功能有一个或多个后缀 各后缀的含义如下 PCS931概述 PCS 931系列保护具体配置如下 PCS931概述 PCS931与RCS931比较 与RCS 931相比 PCS 931在数据采样 同步技术 互联和差动算法方面都作了较大改进 支持传统电磁型TA TV以及ECVT 并支持线路各侧传统互感器和ECVT混合使用支持61850规约后台通信方式 支持GOOSE跳闸方式 接线端子与RCS 931系列的保护基本兼容 支持RCS 931和PCS 931的互联 差动算法改进 电流差动继电器的变化 PCS 931与RCS 931相比 差动算法作如下改动 1 保护定值中不再设 差动高定值 差动低定值 改用一个 差动电流定值 方便整定 差动电流定值 差动保护的最低起动值 按躲最大负荷情况下的最大不平衡电流整定 建议整定 一次电流300A 600A 若 投电容电流补偿 控制字置0 即不投入电容电流补偿 可将此定值适当放大一点 建议一次电流500 800A 2 差动算法中加入新的异步法思想的抗TA保护判据 3 全新的差动同步技术 4 暂态电容电流补偿方案 5 纵联码功能把关 6 远跳远传功能经两侧差动压板把关 PCS931与RCS931比较 定值方面的主要区别 7 增加 本侧电抗器阻抗 本侧小电抗阻抗 对侧电抗器阻抗 对侧小电抗阻抗 8 增加 投电容电流补偿 电容电流不大的线路如220kV线路及500kV的短线路 80kM以内 可以不投入电容电流补偿 220kV特别长线路及500kV的长线 即使电抗器已经补偿大部分的电容电流 仍建议投入电容电流补偿 PCS931与RCS931比较 二 PCS平台介绍 LFP平台 上世纪90年代初 基于Intel80C196微控制器 开创了实时的保护并行计算 可靠的独立起动元件的保护控制设计理念 加速了微机保护全面国产化的历程 产品系列 高压线路及辅助保护 元件保护 变电站综合自动化系统 平台发展历史 LFP平台 RCS平台 本世纪初 基于Intel80C196 MotorolaMC68332微控制器 引入DSP数字信号处理器参与保护计算 大大提升了保护控制性能 交流保护占据了重要的市场份额 产品系列 高压线路及辅助保护 元件保护 变电站综合自动化系统 稳定控制系统 励磁控制系统 平台发展历史 RCS平台 PCS平台 基于MotorolaPowerPC微处理器 根据不同应用可选定点 浮点DSP 灵活配置的适应常规变电站 数字化变电站各种输入输出接口 统一的配置调试分析工具软件 满足当今各类形式的智能变电站的应用需求 产品系列 高压线路及辅助保护 元件保护 变电站综合自动化系统 稳定控制系统 励磁控制系统 故障录波器 PMU 直流保护控制系统 电子式互感器合并单元 智能终端等智能一次设备 SVC控制系统等等 平台发展历史 PCS平台 LFP RCS PCS 从名称看变化LFP LineFastProtection 从线路保护开始起家RCS RelayandControlSystem 继电器及变电站控制系统PCS ProtectionandControlSystem 整个电力系统二次及一二次融合保护 控制系统 平台发展历史 内涵的变化 总体架构UAPC架构UnifiedAdvancedPlatformforControl Protection统一 先进的控制保护平台硬件 软件通用灵活 同时满足各种控制和保护的应用需求平台设计面向长生命周期 可持续发展的需求 PCS平台介绍 总体架构 硬件按不同接口 不同应用标准化 系统软件提供硬件平台与应用软件的标准化接口 继电保护等应用软件独立开发 不依赖于硬件 PCS平台介绍 总体架构 平台硬件架构所有插件采用标准化 模块化 可扩展理念设计 扩展能力强 支持分层分布式系统 具备广泛的外部接口兼容性 支持Ethernet IEC60044 8 TDM HDLC等通讯接口支持IRIG B IEEE1588 SNTP等对时接口 PCS平台介绍 硬件架构 采用自主设计的高速总线 HTM 实现装置内部高性能CPU插件的横向扩展 采用通用的CAN总线实现装置内部IO插件的横向扩展 可裁剪的特性 根据各种不同复杂程度应用的需求灵活选用扩展总线 PCS平台介绍 硬件架构 平台软件架构嵌入式系统软件提供与应用程序的标准接口 完成装置内部任务调度 报文管理 录波管理 定值管理 人机界面 后台通信等功能 可视化工具软件在PC端实现装置的输入 输出资源配置 保护功能逻辑编程 智能变电站工程文件配置 可视化调试等 PCS平台介绍 软件架构 嵌入式系统软件提供标准化的应用程序接口 屏蔽硬件差异 使得应用程序跨CPU兼容 不受制于元件生命周期的影响 PCS平台介绍 软件架构 管理CPU板系统程序 从CPU板系统程序 公用功能模块 可视化编程符号库等部分支持模块化编程 功能结构清晰 具有重用性 为可视化编程提供了基础 支持自动变量交换 为应用功能集中或分散在多个插件上执行提供了统一的环境 增加了应用的灵活性 应用功能在插件间可无缝扩展 进行分布式实时并行计算 PCS平台介绍 软件架构 可视化工具软件可视化逻辑编程 缩短开发周期 满足不同用户的需求 支持可视化的装置配置和IEC61850建模 实现保护配置与61850模型的同源维护 方便的硬件资源配置管理 工程配置可视化 满足智能变电站的灵活配置要求 支持在线可视化调试 PCS平台介绍 软件架构 可视化编程和工程化配置技术 复压闭锁 方向元件 过流加速 过负荷 过流一段 过流二段 过流三段 过流四段 PCS平台介绍 软件架构 高可靠性保障双重化冗余采样 起动元件独立的设计原则 PCS平台介绍 高可靠性保障 提供了完善的监视功能板卡级监视 电源 通信链路等 装置级监视 总线监视 异常统计等 系统级监视 平台自动闭环测试系统 PCS平台介绍 高可靠性保障 对比RCS基于软硬件解耦理念设计 应用软件独立于硬件开发 有利于提高应用软件的稳定性和产品生命周期 输入输出资源 软件处理能力扩展性强 更适应于海外等特殊应用的需求 满足更复杂的并行实时计算 研发周期短 能够提供可视化配置 可视化编程等工具手段 方便海外等用户自行配置硬件资源和保护逻辑功能的要求 齐全的常规及数字化站的过程层 站控层各种接口 原生支持IEC61850 支持智能变电站各种应用 面板LED LCD显示 人机对话操作界面更加友好 支持多语言切换 更加齐全的事件记录 更大容量事件存储和录波 更强的电磁兼容能力 PCS平台介绍 PCS平台优势 根据公司平台化产品研发的发展战略开发了PCS保护控制软硬件平台 实现了硬件标准化 软件开发模块化 可视化 填补了国内保护控制领域的空白 PCS平台产品涵盖了电力系统发 输 配 用各环节常规厂站 智能化厂站几乎所有的二次及一二次融合保护控制设备 主要保护控制设备鉴定结论居国际领先水平 PCS平台介绍 PCS平台优势 三 PCS931硬件系统 装置的正面面板布置图 PCS931可应用于基于传统型电磁互感器的变电站 也可应用于基于电子式互感器的智能化变电站 应用于传统变电站时 装置配置模拟量输入插件和出口插件 应用于智能化变电站时 装置直接通过多模光纤从合并单元接收数字信号 跳闸通过goose板光纤输出跳闸信号 PCS931应用于传统变电站系统图 应用于传统变电站时 装置配置模拟量输入插件NR1401 输入电磁型互感器的电压电流信号 应用于传统变电站的PCS931插件 应用于智能化变电站的PCS931系统图 应用于智能化变电站的PCS931插件 PCS931插件端子图 1 PCS931插件端子图 2 PCS931插件说明 1 CPU插件CPU插件由高性能的嵌入式处理器 FLASH SRAM SDRAM 以太网控制器及其他外设组成 实现对整个装置的管理 人机界面 通讯和录波等功能 CPU插件使用内部总线接收装置内其他插件的数据 通过RS 485总线与LCD板通讯 此插件具有2路100BaseT以太网接口 2路RS 485外部通信接口 PPS IRIG B差分对时接口和RS 232打印机接口 2 DSP插件1该插件由高性能的数字信号处理器 光纤接口 同步采样的16位高精度ADC以及其他外设组成 插件完成模拟量数据采集功能 与对侧交换采样数据 保护逻辑计算和跳闸出口等功能 当连接常规互感器的时候 插件通过交流输入板进行同步数据采集 当连接电子式互感器的时候 插件通过多模光纤接口从合并单元实时接收同步采样数据 根据不同的场合 配置不同型号的DSP插件 具体配置如下表所示 PCS931插件说明 3 DSP插件2该插件由高性能的数字信号处理器 光纤接口 同步采样的16位高精度ADC以及其他外设组成 插件完成模拟量数据采集 总起动元件的计算 实现开放出口正电源功能 当连接常规互感器的时候 插件通过交流输入板进行同步数据采集 当连接电子式互感器的时候 插件通过多模光纤接口从合并单元实时接收同步采样数据 DSP插件2也需根据不同的场合 配置不同型号的DSP插件 因为DSP插件2无需与对侧通信 与DSP插讲1相比 DSP2插讲无需单模光纤接口 PCS931插件说明 4 交流输入变换插件对于支持电子式互感器的保护装置 不配置该插件 该插件的槽号为4 5 交流输入变换插件 NR1401 适用在有模拟PT CT的厂站 PCS931插件说明 5 GOOSE插件该插件由高性能的数字信号处理器 两路百兆光纤以太网 两路百兆RJ 45以太网及其他外设组成 插件支持GOOSE功能和IEC61850 9 1规约 完成保护从合并单元接收数据 发送GOOSE命令给智能操作箱等功能 当不采用GOOSE功能时 该插件不需要配置 GOOSE发送功能和GOOSE接收功能需要通过配置发送模块和接收模块来完成 PCS 931装置最大支持配置8个发送模块 推荐配置一个发送模块 为方便现场调试 最大化配置了12个发送压板 当相应发送压板退出时 与之关联的GOOSE发送信息都是清零处理 每个GOOSE发送信息中 包含GOOSE发送信息和发送装置的 投检修态 开入信息 供接收侧判别接收信号是否有效使用 目前PCS 931中GOOSE发送的信息包括 跳A 跳B 跳C 重合 闭重 远传1 远传2和通道告警等信号 PCS931插件说明 6 光耦插件NR1502智能开入板同时监测25路开入 并将开入信息通过内部总线传给其它板卡 光耦插件的电源可选24V 110V和220V 当开入电压 额定工作电压的60 时 开入保证为0 当开入电压 额定工作电压的70 时 开入保证为1 PCS931插件说明 光耦回路 当开关量合上时 光耦发光二极管发光 光敏三极管导通 引脚为低电平 反之 当开关量断开 三级管截止 引脚为高电平 远跳 远传 PCS 931利用数字通道 不仅交换两侧电流数据 同时也交换开关量信息 实现一些辅助功能 其中包括远跳及远传 远跳 远传保护功能受两侧差动保护的硬压板 软压板和控制字控制 当差动保护不投入时 自动退出远跳 远传功能 但开入量中显示用的收远跳 收远传1 收远传2不受差动保护是否投入控制 远跳 装置开入接点826为远跳开入 保护装置采样得到远跳开入为高电平时 经过专门的互补校验处理 作为开关量 连同电流采样数据及CRC校验码等 打包为完整的一帧信息 通过数字通道 传送给对侧保护装置 对侧装置每收到一帧信息 都要进行CRC校验 经过CRC校验后再单独对开关量进行互补校验 只有通过上述校验后 并且经过连续三次确认后 才认为收到的远跳信号是可靠的 收到经校验确认的远跳信号后 若整定控制字 远跳经本侧控制 整定为 0 则无条件置三跳出口 起动A B C三相出口跳闸继电器 同时闭锁重合闸 若整定为 1 则需本装置起动才出口 远跳 对于220KV线路 双母或单母接线方式 如图示故障发生在TA和断路器之间 这时对931来说是区外故障 差动保护不动作 母差保护915动作跳本侧开关 同时915发远跳信号线931 去跳对侧开关 远传 装置接点827 828为远传1 远传2的开入接点 同远跳一样 装置也借助数字通道分别传送远传1 远传2 区别只是在于接收侧收到远传信号后 并不作用于本装置的跳闸出口 而只是如实的将对侧装置的开入接点状态反映到对应的开出接点上 远传实例 华东电网500KV系统3 2接线线路侧边开关失灵动作跳闸出口图 线路侧边开关失灵 921输出两付失灵起动节点 分别送给两套母线保护RCS915 送出两付远跳节点分别给两套线路的远跳回路 对侧925采用一取一方式跳对侧开关 另外直接跳中开关 CSC103为四方光纤差动 CSC125为四方远跳装置 四 PCS931差动保护 装置起动元件 电流变化量起动是相间电流的半波积分的最大值 为可整定的固定门坎 为浮动门坎 随着变化量的变化而自动调整 取1 25倍可保证门坎始终略高于不平衡输出 该元件动作并展宽7秒 去开放出口继电器正电源 零序过流元件起动当外接和自产零序电流均大于整定值时 零序起动元件动作并展宽7秒 去开放出口继电器正电源 位置不对应起动这一部分的起动由用户选择投入 当控制字 单相TWJ启动重合闸 或 三相TWJ启动重合闸 整定为 1 重合闸充电完成的情况下 如有开关偷跳 则总起动元件动作并展宽15秒 去开放出口继电器正电源 纵联差动或远跳起动发生区内三相故障 弱电源侧电流起动元件可能不动作 此时若收到对侧的差动保护允许信号 则判别差动继电器动作相关相 相间电压 若小于65 额定电压 则辅助电压起动元件动作 去开放出口继电器正电源 秒 当本侧收到对侧的远跳信号且定值中 远跳受本侧启动控制 置 0 时 去开放出口继电器正电源7s 电流差动保护 规定TA的正极性端指向母线侧 电流的参考方向以母线流向线路为正方向 光纤电流纵差保护原理 动作电流 差动电流 为 制动电流为 差流元件动作方程 如图示 区内故障时 两侧实际短路电流都是由母线流向线路 和参考方向一致 都是正值 差动电流就很大 满足差动方程 差流元件动作 区内故障示意图 区外故障时 一侧电流由母线流向线路 为正值 另一侧电流由线路流向母线 为负值 两电流大小相同 方向相反 所以差动电流为零 差流元件不动作 区外故障示意图 差流元件分类 稳态I段差动继电器稳态II段差动继电器变化量相差动继电器零序差动继电器 稳态 段相差动继电器 动作方程 为差动电流 即为两侧电流矢量和的幅值 为制动电流 即为两侧电流矢量差的幅值 为 1 5倍差动电流定值 整定值 和4倍实测电容电流的大值 当电容电流补偿不投入时 为 1 5倍差动电流定值 整定值 4倍实测电容电流和的大值 实测电容电流由正常运行时未经补偿的差流获得 稳态 段相差动继电器动作方程 当电容电流补偿投入时 为 差动电流定值 整定值 和1 5倍实测电容电流的大值 当电容电流补偿不投入时 为 差动电流定值 整定值 1 5倍实测电容电流和的大值 定义同上 稳态 段相差动继电器经25ms延时动作 对于瞬时动作的差动保护其起动值的取值要比理论计算的和正常运行时实侧的电容电流值大若干倍 以保证空载合闸和区外短路切除时保护不会误动 但起动电流定值的提高必将影响内部高阻接地短路的灵敏度 所以一般的做法是设高 低两个定值的差动保护 高定值的瞬时动作 定值躲空载合闸和区外短路切除时的电容电流 低定值的差动保护带一短延时 其定值只躲正常运行时的电容电流 因为经过短延时后高频的暂态分量电容电流已衰减 变化量相差动继电器动作方程 为工频变化量差动电流 即为两侧电流变化量矢量和的幅值 为工频变化量制动电流 即为两侧电流变化量的标量和 定义同上 工频变化量的物理解释 I IK IN 零序差动继电器对于经高过渡电阻接地故障 采用零序差动继电器具有较高的灵敏度 由零序差动继电器 通过低比率制动系数的稳态差动元件选相 构成零序差动继电器 经40ms延时动作 其动作方程 为零序差动电流 即为两侧零序电流矢量和的幅值 为零序制动电流 即为两侧零序电流矢量差的幅值 定义同上 无论电容电流补偿是否投入 均为 差动电流定值 整定值 和1 25倍实测电容电流的大值 输电线路电流纵差保护的主要问题 1 电容电流的影响 电容电流是从线路内部流出的电流 因此它构成动作电流 所以线路投运空载合闸 区外短路 和区外短路切除时 由于高频分量电容电流与工频电容电流叠加使暂态电容电流增大很多 最容易造成保护误动 解决方法 提高起动电流定值但这将降低内部短路的灵敏度 加一个短延时 使高频分量电容电流衰减 这将影响快速性 必要时进行电容电流补偿 在软 硬件设计中滤除高频分量电流 稳态补偿法 RCS 931 在超高压长线路中 电容电流较大 影响差动的灵敏度 为提高差动保护灵敏度 在零序差动继电器中设有电容电流补偿功能 可以提高经大过渡电阻故障时保护的灵敏度 电容电流补偿由下式计算得到 电容电流补偿算法 以上电容电流的补偿公式只能补偿稳态时的电容电流 不能补偿暂态电容电流 在空载合闸 区外故障及切除等暂态过程中 暂态电容电流比稳态电容电流大很多 稳态补偿法无法补偿 因此 原来的差动I段中 只能通过较高的门槛值来躲过暂态电容电流 这是以牺牲灵敏度为代价 差动II取较低门槛 这是以牺牲动作时间为代价 因此 对于超高压长线路 特别是特高压长线路 为提高差动保护的动作速度和灵敏度 需要采用能补偿暂态电容电流的差动算法 电容电流补偿算法 算法思想 由上式可知通过电容的电流与电压频率成正比 在暂态状态下线路电压有很多高频分量 它将会产生更大的高频电容电流 严重影响差动保护的正确工作 既然不同频率的电容电压 电流之间都存在上式关系 可考虑利用它来计算暂态电容电流 这就是暂态电容电流补偿的思想 电容电流补偿算法 暂态补偿法 不带并联电抗器时线路的II型等效图 带并联电抗器时线路的II型等效图 表2 2各种电压等级下每百公里线路的正序及零序容抗值和额定电压下的工频电容电流值 注 零序容抗约为正序容抗的1 5倍 电流纵差保护的主要问题 2 TA断线 差动保护会误动 此时满足差动方程 引起差动保护误动 防止TA断线误动的措施 防止TA断线误动的措施是 差动保护要发跳闸命令必须满足如下条件 本侧起动元件起动 或I0 I0ZD 本侧差流元件动作 收到对侧 差动动作 的允许信号 这样当一侧TA断线 由于电流有突变或者有 零序电流 起动元件可能起动 差动继电器也可能动作 但对侧没有断线 起动元件没有起动 不能向本侧发 差动动作 的允许信号 所以本侧不误动 保护向对侧发允许信号条件 保护起动 差流元件动作 长期有差流 信号 满足下述条件发 长期有差流 信号 差流元件动作 差流元件的动作相或动作相间的电压大于0 6倍的额定电压 满足上两条件达10秒钟 第一个条件证明有差动电流 动作电流 第二个条件证明系统没有短路 于是经延时发告警信号 需要指出 在TA断线或装置内的某相电流数据采样通道故障时都可满足上述条件 故发的是 长期有差流 信号 当TA断线时无论是断线侧还是未断线侧 在主程序中如果有压差流元件动作 10秒后都可发出 长期有差流 的告警信号 长期有差流 的装置异常信号 装置报 长期有差流 或 TA断线 的信号后如果 TA断线闭锁差动 控制字则闭锁差动保护 以防止TA断线期间其它线路短路时误动 如果 TA断线闭锁差动 控制字则不闭锁差动保护 但是将差动继电器的定值抬高到 TA断线差流定值 该定值应按躲最大负荷电流整定 弱电侧电流纵差保护存在的问题 3 当有一侧是弱电源侧或无电源侧 在线路内部短路时 无电源侧起动元件可能不起动 例如无电源侧变压器中性点不接地 短路前线路空载 短路后由于既无电流突变量又无零序电流 起动元件不动作 起动元件不动作 程序在正常运行程序 此时无电源侧不检查差动继电器是否动作 不会向对侧发允许信号 导致电源侧电流纵差保护拒动 为解决该问题 931保护中增加一个低压差流起动元件 低压差流起动元件 除两相电流差突变量起动元件 零序电流起动元件和不对应起动元件外 931保护再增加一个低压差流起动元件 低压差流起动元件起动条件 差流元件动作 该差流元件就是选相用的稳态分相差动继电器 TV未断线时差流元件的动作相或动作相间电压 或在TV断线的情况下对侧电流大于本侧电流的4倍并延时30ms 收到对侧的允许信号 三相同时差流元件也动作时发允许信号的作用 4 在N侧断路器处于三相跳闸状态下线路上发生短路 N侧所有起动元件都不会起动 故而N侧无法向M侧发允许信号 导致M侧电流纵差保护拒动 为此采取当三相 同时差流元件也动作 则发允许信号的措施 这样当线路上发生短路时 对侧电流纵差保护就可以动作 差动联跳继电器 5 当线路上发生短路 本侧装置内任何保护发出跳闸命令同时向另一侧发一个分相跳闸命令 另一侧装置接收到对侧的分相跳闸命令后 用本侧的高灵敏度的差动继电器作为就地判据跳对应相 装置显示 差动保护动作 高灵敏度的差动继电器就用零差中的选相用的经电容电流补偿的分相差动继电器 本跳闸命令受差动保护压板控制 电流纵差保护的主要问题 6 在线路一侧发生高阻接地短路时 远离故障点的一侧各个起动元件可能都不起动 造成两侧差动保护都不能切除故障的后果 由于零序差动保护有较强的保护过渡电阻的能力 为了使近故障点的一侧保护能先动作跳闸 零序差动保护增加了一条跳闸路径 在线路一侧发生高阻接地短路时使零序差动保护可靠动作的措施 其跳闸条件为 起动元件起动 零序差动继电器 段或 段 及故障相的差流选相元件动作 3U0 3V或3U2 3V 三相相电压U 40V 这样当线路一侧发生高阻接地短路时 近故障点的一侧可由此跳闸路径先选相跳闸 并向远离故障点的一侧发 差动动作 的允许信号 近故障点的一侧先跳闸后短路电流重新分配 远离故障点的一侧起动元件再起动 又检查到零序差动继电器及差流选相元件动作 再加上收到对侧 差动动作 的允许信号 也可相继发跳闸命令 输电线路电流纵差保护的主要问题 7 两侧采样不同步 造成不平衡电流的加大 线路纵差保护与主设备保护中用的纵差保护不同 线路纵差保护两侧电流是由不同装置采样的 如果两侧电流采样时间不一致 使动作电流不是同一时刻的两侧电流的相量和 这将加大区外故障时的不平衡电流 解决方法 采用采样时刻调整法达到采样同步 931保护采用在同步端小步幅调整采样周期达到两侧采样同步 测通道延时Td 主机 从机 tmr tms tss tsr 采样时刻调整法 从机采样时刻调整 主机 从机 采样时刻调整法 通道连接方式 1 装置可采用 专用光纤 或 复用通道 在纤芯数量及传输距离允许范围内 优先采用 专用光纤 作为传输通道 当功率不满足条件 可采用 复用通道 专用光纤的连接方式如图所示 64kbit s复用的连接方式如图3 4 4所示 2048kbit s复用的连接方式如图所示 双通道2048kbit s两个通道都复用的连接方式如图所示 双通道差动保护也可以两个通道都采用专用光纤 或一个通道复用 另外一个通道采取专用光纤 这种情况下 通道A优先选用专用光纤 通道连接方式 2 纵联标识码 为提高数字式通道线路保护装置的可靠性 保护装置提供纵联标识码功能 在定值项中分别有 本侧识别码 和 对侧识别码 两项用来完成纵联标识码功能 本侧识别码和对侧识别码需在定值项中整定 范围均为0 65535 识别码的整定应保证全网运行的保护设备具有唯一性 即正常运行时 本侧识别码与对侧识别码应不同 且与本线的另一套保护的识别码不同 也应该和其它线路保护装置的识别码不同 保护校验时可以整定相同 表示自环方式 保护装置根据本装置定值中本侧识别码和对侧识别码定值决定本装置的主从机方式 同时决定是否为通道自环试验方式 若本侧识别码和对侧识别码整定一样 表示为通道自环试验方式 若本侧识别码大于等于对侧识别码 表示本侧为主机 反之为从机 保护装置将本侧的识别码定值包含在向对侧发送的数据帧中传送给对侧保护装置 对于双通道保护装置 当通道A接收到的识别码与定值整定的对侧识别码不一致时 退出通道A的差动保护 报 纵联通道A识别码错 纵联通道A异常 告警 纵联通道A识别码错 延时100ms展宽1S报警 通道B与通道A类似 对于单通道保护装置 当接收到的识别码与定值整定的对侧识别码不一致时 退出差动保护 报 纵联通道识别码错 纵联通道异常 告警 在通道状态中增加对侧识别码的显示 显示本装置接收到的识别码 若本装置没有接收到正确的对侧数据 对侧识别码显示 符号 五 PCS931距离保护 一 PCS931线路距离保护基本概念 基本概念 输电线路是金属导体 输电线路的长度和阻抗成正比关系 当线路发生故障 根据保护安装处测量的电压和电流 由欧姆定理即可计算出故障点到保护安装处的阻抗 称为短路阻抗 用这个短路阻抗和整定的阻抗比较 如果比整定阻抗小 则故障发生在区内 如果比整定阻抗大 则故障发生在区外 如图所示 假设线路MN全长100KM 全线路阻抗为40 以40 做为整字值 即 当故障点K在线路MN区内时 保护装置计算出的短路阻抗 将ZK和整定阻抗Zset比较 即可判断故障是在区内还是区外 二 PCS931线路距离保护基本公式 距离保护分单相接地距离元件和相间距离元件PCS900单相接地距离公式 如图所示的系统中 线路上K点发生短路 保护安装处的相电压应该是短路点K的该相电压与输电线路上该相的压降之和 输电线路上该相的压降是该相上的正序 负序 和零序压降之和 对于输电线路 其正序阻抗等于负序阻抗 保护安装处相电压的计算公式为 1 1 PCS931线路距离保护基本公式 所以 公式中 K 零序电流补偿系数 定值 流过保护的该相的正序 负序 零序电流 短路点到保护安装处的正 负 零序阻抗 短路点的该相电压 PCS931线路距离保护基本公式 相间距离保护公式 保护安装处的相间电压可以认为是保护安装处的两个相电压之差 考虑到如 1 1 式所示的相电压的计算公式后 保护安装处相间电压的计算公式为 三 PCS900线路距离保护配置 距离保护配置综述 在PCS900保护中 距离元件可以分为 1 常规距离元件 2 低压距离元件 3 电抗距离元件 4 负荷限制距离元件 5 工频变化量距离元件 当正序电压大于10 UN时 采用常规距离元件 常规距离元件极化电压不带记忆 当正序电压低于10 UN时 采用低压距离元件 原因是当线路发生母线出口处三相短路时 由于正序电压很低 幅值接近0的相量无法进行相量的计算 此时常规接地距离和相间距离动作圆过零点 正方向故障继电器会拒动 反方向会误动 为此PCS900保护装置配置一个低压距离保护元件 其极化电压带记忆 为了防止故障时过渡电阻造成保护误动 又加上电抗距离保护元件 对于距离远负荷重的输电线路 为保证距离继电器躲开负荷测量阻抗 装置设置了接地 相间负荷限制继电器 PCS931线路距离保护配置 PCS900常规距离继电器 常规距离保护分相间距离保护I段 II段 III段和接地距离保护I段 II段 III段 1 距离I段和II段 A 距离I段和II段采用正序电压为极化电压 极化电压不带记忆 B 距离I段和II段带偏移角 偏移角可以整定 分别为0度 15度和30度 C 距离I段和II段加电抗型继电器 防止过渡电阻造成保护误动作 距离继电器和电抗继电器组成与的关系 2 距离III段 A 距离III段采用正序电压为极化电压 极化电压不带记忆 B 距离III段做为后备保护 配置应尽量简单 不带偏移角 C 距离III段不加电抗型继电器 PCS931线路距离保护配置 PCS900低压距离继电器 针对三相出口处短路 正序电压低于10 UN时 采用低压距离继电器 低压距离继电器也分I段 II段 III段 A 低压距离元件采用正序电压为极化电压 极化电压带记忆 B 低压距离元件的极化电压UP加上插入电压Uins C 低压距离III段为后备保护 在反方向出口处也有动作区 会误动 靠时限去躲 低压距离保护只应用于一种情况 即线路出口处三相短路 此时正序电压很低 稳态情况下阻抗动作圆过零点 此时正方向故障容易拒动 反方向故障容易误动 低压距离继电器极化电压UP带记忆 同时极化电压UP中加入插入电压Uins 解决了稳态情况下的问题 由于三相短路时三相是对称的 所以低压距离继电器采用单相接地距离的公式 5 1PCS931线路常规距离继电器相量分析 PCS931线路常规距离继电器相量分析 PCS900相间阻抗继电器的动作特性分析 相间阻抗继电器用来保护各种相间短路 它的工作电压 极化电压以及动作方程分别为 极化电压 工作电压 动作方程 PCS931线路常规距离继电器相量分析 一 常规距离继电器正向两相短路稳态动作特性分析 设发生BC相间短路 假设短路前空载 下面各式中的电流都是故障分量电流 用上图所示系统图里的参数来表达工作电压和极化电压 工作电压 2 1 PCS931线路常规距离继电器相量分析 考虑到短路以前空载 短路前保护安装处的电压等于保护背后电源电势 因此极化电压为 2 2 以上公式用到了BC两相短路时 PCS931线路常规距离继电器相量分析 将式 2 1 和式 2 2 代入动作方程 消去分子分母中的2IB得 为保护背后电源的等值正序阻抗 上式动作方程对应的动作特性是以 和两点的连线为直径的圆 如图所示 该圆向第 象限带有偏移 PCS931线路常规距离继电器相量分析 常规距离继电器正向两相短路的稳态动作特性分析 由于座标原点位于动作特性之内 所以正向出口两相短路没有死区 不必采取其它措施 与传统的以Zset为直径 动作特性经过座标原点的方向阻抗继电器相比 由于在R方向有较多的保护范围 所以保护过渡电阻的能力比传统的方向阻抗继电器强 PCS931线路常规距离继电器相量分析 为了进一步提高其保护过渡电阻的能力 可将极化电压相量向超前方向转 角 即极化电压为 这样动作方程为 亦即 将前述工作电压和极化电压代入 动作方程变换成 该动作方程对应的动作特性是以 和 两点的连线为弦的圆 PCS931线路常规距离继电器相量分析 当时 该圆向 R方向偏移 如图1 1中的的圆2所示 该动作特性由于在R方向上有更多的保护范围 所以保护过渡电阻的能力提高了 当该阻抗继电器运用在短线路上时 由于整定值较小 圆比较小 为了增强保护过渡电阻的能力 角度可取大一些 而当该阻抗继电器运用在长线路上时 由于整定值较大 圆也比较大 已经有较强的保护过渡电阻的能力 所以角可取小一些 或取零度 角度的调整范围 装置中设置了0度 15度 30度三档 当应用在短线路上时由于动作特性圆小 角度可取大一些 应用在长一些的线路上时由于动作特性圆大 角度可取小一些 建议 角的取值是 00 150 300需要指出 正向两相短路时的稳态动作特性虽然在第 象限有保护范围 但并不意味着在反方向两相短路时该继电器要误动 因为前面在推导动作方程时用的是正方向短路系统图里的参数 所以该动作方程只能用来分析正向两相短路时的动作性能 PCS931线路常规距离继电器相量分析 二 常规距离继电器反向两相短路稳态动作特性分析分析BC相间阻抗继电器 假设短路前空载 下面各式中的电流都是故障分量电流 用系统图里的参数来表达工作电压和极化电压 工作电压为 PCS931线路常规距离继电器相量分析 极化电压为 将上述两式代入动作方程 消去分子分母中的2IB得 PCS931线路常规距离继电器相量分析 动作方程对应的动作特性是以和两点的连线为直径的圆 如图所示 该圆向第 象限上抛 远离了座标原点 当反方向发生两相短路时 继电器的测量阻抗落在第 象限 即使在反方向出口或母线发生短路 过渡电阻的附加阻抗是阻容性的话 测量阻抗进入第 象限也进入不了圆内 所以在反向两相短路时该继电器有良好的方向性 5 2PCS931线路低压距离继电器相量分析 PCS931线路低压距离继电器相量分析 PCS900低压距离元件是针对出口处三相短路设定的 三相短路时三相是对称的 所以在低压距离中采用接地阻抗继电器即可 低压距离继电器的构成方法是 工作电压 极化电压 动作方程 因为是三相短路 所以工作电压中没有3I0项 极化电压固定带记忆 继电器在没有动作之前插入电压Uins的符号取成与工作电压UOP的符号相反 相位相反 而在继电器动作之后将插入电压Uins倒置 即Uins的符号取成与UOP的符号相同 相位相同 插入电压Uins取为0 06UN PCS931线路低压距离继电器相量分析 一 正方向三相短路时PCS900低压距离继电器的暂态动作特性工作电压 极化电压 设故障前为空载状态 暂态时 极化电压是记忆量 即故障前的电压Es 这个电压远远大于插入电压Uins 所以插入电压可以忽略 极化电压为 将上两式代入动作方程 分子分母消去I 得 PCS931线路低压距离继电器相量分析 正方向三相短路时PCS900低压距离继电器暂态动作特性如图所示 正向出口三相短路时继电器无死区 正向近处短路不会拒动 保护过渡电阻的能力强 而且该能力也有一定的自适应能力 因为该圆的下端ZS的位置随运行方式的变化是变化的 低压距离继电器在正向出口处三相短路暂态特性 PCS931线路低压距离继电器相量分析 二 反方向三相短路时PCS900低压距离继电器的暂态动作特性工作电压 极化电压 设故障前为空载状态 暂态时 极化电压是记忆量 即故障前的电压ER 这个电压远远大于插入电压Uins 插入电压可以忽略 所以极化电压为 将上两式代入动作方程 分子分母消去I 得 PCS931线路低压距离继电器相量分析 该动作方程对应的动作特性是以 两点连线为直径的圆 图中所示的暂态动作特性是向第 象限上抛的圆 远离座标原点 在反向发生三相短路时 测量阻抗落在第 象限 继电器不会误动 即使在反向出口或母线上发生三相短路 过渡电阻附加阻抗是阻容性时 测量阻抗进入第 象限 继电器也不会误动 所以该继电器的暂态动作特性在反方向短路时有良好的方向性 低压距离继电器在反向出口处三相短路暂态特性 PCS931线路低压距离继电器相量分析 三 PCS900低压距离继电器的稳态动作特性前面介绍了低压距离继电器的暂态动作特性 即短路刚发生时 由于极化电压UP的记忆作用 在正方向故障时动作圆包括圆点 保护无死区 反方向故障时动作圆为上抛圆 保护不会误动作 但是记忆作用消失后 极化电压为正序电压 其值很小 这时动作圆过零点 保护可能会不正确动作 低压距离继电器为了解决稳态状态下的问题 极化电压UP加入差入电压Uins Uins 0 06UN 大于过渡电阻上的压降 其 段接地阻抗继电器的构成方法是 工作电压 极化电压 动作方程 继电器在没有动作之前 插入电压的符号取成与工作电压UOP的符号相反 相位相反 而在继电器动作之后将插入电压倒置 即与工作电压UOP的符号相同 相位相同 PCS931线路低压距离继电器相量分析 PCS900低压距离继电器的稳态动作特性分析 正方向出口处三相故障时 由暂态特性可知 此时低压距离继电器可靠动作 继电器动作后 插入电压取与工作电压同相位 记忆作用消失后 正序电压很小 极化电压UP主要为插入电压Uins 而此时插出电压与工作电压同相位 动作方程满足 保护继续动作 反方向出口处三相故障时 由暂态特性可知 此时低压距离继电器可靠不动作 插入电压与工作电压相位相反 记忆作用消失后 正序电压很小 极化电压UP主要为插入电压Uins 而此时插出电压与工作电压反相位 动作方程依然不满足 保护可靠不动作 5 3PCS931线路电抗距离继电器相量分析 PCS900相间电抗继电器是这样构成的 工作电压极化电压动作方程式中 模拟阻抗 其阻抗角为 因而可将改写成 PCS931线路电抗距离继电器相量分析 PCS931线路电抗距离继电器相量分析 正向相间短路PCS900电抗继电器动作特性分析 设发生BC相间短路 假设短路前空载 下面各式中的电流都是故障分量电流 用上图所示系统图里的参数来表达工作电压和极化电压 工作电压 PCS931线路电抗距离继电器相量分析 极化电压 将工作电压和极化电压代入动作方程得 动作方程为 即 对应的动作特性是经过点 沿 R方向与R轴夹角为的一条直线 如下图中的直线所示 直线的下方 阴影区 是动作区 PCS931线路电抗距离继电器相量分析 由于相间短路时 过渡电阻就是电弧电阻 其值不大 因此 该电抗特性下倾12 使送电端的保护受对侧助增而过渡电阻呈容性时不致超越 以上方向阻抗与电抗继电器二部分结合 增强了在短线上使用时允许过渡电阻的能力 5 4PCS931线路负荷限制距离继电器 PCS931线路负荷限制距离继电器 为保证距离继电器躲开负荷测量阻抗 PCS900装置设置了接地 相间负荷限制继电器 其特性如下图所示 继电器两边的斜率与正序灵敏角 一致 RZD为负荷限制电阻定值 直线A和直线B之间为动作区 当用于短线路不需要负荷限制继电器时 用户可将控制字 投负荷限制距离 置 0 5 5PCS931线路工频变化量距离继电器 PCS931线路工频变化量距离继电器概述 对继电保护从原理上划分有反应稳态量的保护和反应暂态量的保护两大类 最早研究并使用的都是反应稳态量的保护 例如通常的电流 电压保护 零序电流保护 用上面分析的阻抗继电器构成的距离保护 以及原先应用的纵联保护等都是反应稳态量的保护 反应暂态量的保护有反应工频变化量的保护 反应行波初始特征的行波保护 反应电气量中的暂态分量保护等 反应工频变化量的保护是由我国工程院院士沈国荣首先提出并付诸实现的 上个世纪八十年代初 沈国荣院士首先提出工频变化量的阻抗继电器和工频变化量的方向继电器的理论 同时立即将它们应用在微机保护中 这些保护取得了良好的业绩 为电力系统的安全稳定运行做出了积极的贡献 工频变化量继电器等凡是反应暂态分量的继电器的理论基础都是重叠原理 如图所示 设线路在F点发生短路 短路后状态 a 原理图可以分解为正常负荷状态 b 和短路附加状态 c 的和 图 c 即我们所需要的工频变化相电路图 a 短路后状态 b 正常负荷状态 c 短路附加状态 PCS931线路工频变化量距离继电器基本原理 假设输电线路在F点发生经过渡电阻的短路 在短路点人为的加上两个电压源 UF 两个电压源大小相等 方向相反 串联后等效电位还是0 对电路没有什么影响 由叠加原理可得 U UK Ul分别为母线的工频变化量电压 负荷电压 短路后故障电压 在PCS900线路保护装置中 电压电流都是以采样量来计算的 以电流为例 如下图所示 设在T1时刻线路发生故障 则工频变化量电流即为故障后电流减去故障前一个周波的电流 PCS931线路工频变化量距离继电器基本原理 工频变化量动作方程为 Uop为保护范围末端电压 代表保护范围末端电压变化量 对相间阻抗继电器对接地阻抗继电器为动作门槛 取故障前工作电压的记忆量 PCS931线路工频变化量距离继电器相量分析 PCS931线路工频变化量距离继电器相量分析 一 正方向短路时工频变化量距离元件的动作特性正方向短路时的短路附加状态如图所示 加在工频变化量阻抗继电器上的电压和电流是阻抗继电器接线方式中规定的电压 电流 其正方向为传统规定的方向 由等效电路得 正方向短路时短路附加状态图 PCS931线路工频变化量距离继电器相量分析 将上述两式代入动作方程 消去电流得 将上述比幅式动作方程转化为比相式动作方程得 该动作方程对应的动作特性是以 两相量的端点的连线为直径的圆 如下图中的圆1所示 相量位于圆内继电器动作 该圆向第 象限有很大的偏移 正方向故障时工频变化量阻抗继电器的动作性能 1 继电器有很强的保护过渡电阻的能力 而且该能力有很强的自适应功能 工频变化量阻抗继电器在R方向上有更多的保护范围 所以在区内经过渡电阻短路不易拒动 保护过渡电阻的能力很强 2 区外短路不会超越由于过渡电阻是电阻性的 和R轴平行 所以当区外发生经过渡电阻故障 测量阻抗不会落入动作圆内 保护不会误动 3 正方向出口短路没有死区 因为正方向短路的动作特性是向第 象限有很大偏移的圆 座标原点在动作特性内 因而正方向出口短路无死区 近处故障也不会拒动 不必采取任何其它措施 4 系统振荡时或者系统运行中电流 电压有波动时工频变化量阻抗继电器不会误动 因为系统振荡时振荡周期最长以1 5S计 产生的工频变化量很小 工频变化量保护几乎不受影响 所以保护不会误动 PCS931线路工频变化量距离继电器相量分析 PCS931线路工频变化量距离继电器相量分析 二 反方向短路时工频变化量距离元件的动作特性反方向短路时的短路附加状态如图所示 加在工频变化量阻抗继电器上的电压和电流是阻抗继电器接线方式中规定的电压 电流 其正方向为传统规定的方向 由等效电路得 反方向短路时短路附加状态图 PCS931线路工频变化量距离继电器相量分析 将上述两式代入动作方程 消去电流得 将比幅式动作方程转化为比相式动作方程 该动作方程对应的动作特性是以 两相量端点的连线为直径的圆 如图所示 该圆向第 象限上抛 相量位于圆内继电器动作 反方向故障时保护测量的阻抗是 处于第 象