变电站综合自动化系统间隔层装置.ppt

第二章变电站综合自动化系统间隔层装置 第一节间隔层装置简述 一 间隔层装置配置间隔层装置是面向电气间隔的配置 即对应于一次系统的每一个电气间隔 分别布置有一个或多个智能电子装置来实现对该间隔的测量 控制 保护及其他任务 这就是间隔层装置 通常把断路器或电气元件 如主变压器 母线等 作为电气间隔划分的依据 一个典型高压变电站内主要包括线路间隔 母联间隔 主变压器问隔 电容 电抗 间隔 站用变压器间隔 母线间隔等 间隔层装置优点 装置故障产生的影响被限定在本间隔范围内 不会波及其他电气间隔 监控对象由整个变电站缩小为某个电气间隔 减小了装置体积的同时也使装置安装方式更加灵活 间隔层装置功能 直接采集和处理现场的原始数据 通过网络传送给站控级后台计算机 同时接收站控层发出的控制操作命令 间隔层也可独立完成对断路器和隔离开关的控制操作 间隔层装置通常安装在各继电器小室 间隔层装置 或称为间隔层单元 即智能电子装置IED 大致可分成以下几类 1 保护装置 主要完成对该电气间隔设备的保护任务 如输电线路保护装置 变压器保护装置 母线保护装置 断路器保护装置等 有的保护装置除了完成保护功能外 还具有其他功能 如重合闸功能 故障录波及用于切除本线路的低频减载等功能 二 间隔层装置分类 2 测控装置 测控装置 主要完成该电气间隔的电气量的测量 设备控制 包括断路器 隔离开关 接地开关 有载调压变压器分接头调节等 等任务 3 保护测控综合装置 一般用于中低压 110kV以下 系统中 例如输电线路保护测控装置 变压器后备保护测控装置 电容器保护测控装置等 它们主要用于完成相应的电气间隔中设备的保护 测量及断路器 隔离开关等的控制等 降低了装置成本并减少了二次电缆使用数量 对于高压和超高压间隔 为保证保护功能的可靠性 目前仍采用保护和测控功能各自独立配置的模式 4 公共间隔层装置 在变电站中有一些公共信号及其测量值 如直流系统故障信号 直流屏交流失压 所用电切换信号 通信电源故障 火灾报瞥动作信号 保安报警信号等 需要一个或几个装置来进行相关信号的采集和处理 5 自动装置 如备用电源自动投人装置 电压无功控制装置等 6 操作切换装置以及其他的智能设备和附属设备 随着CPU运算能力和超大规模集成电路制造水平的不断提高 保护和侧控功能相互融合是大势所趋 将来保护测控合一装置也会逐步在高压 超高压电气间隔得到应用 三 间隔层装置箱体 保护与测控装置采用机箱式结构 每套装置由一个或几个箱体组成 面板上一般设置有液晶显示器 信号灯 键盘 插座和信号复归按钮等 其中 液晶显示器可以用来显示装置的菜单 电气接线 运行参数 开关状态等信息 信号灯用于发出装置动作 重合闸动作 告警等信号 键盘可以进行参数设定 控制操作 事件查询等操作 信号复归按钮用来复归程序 信号等 面板上的插座是一串行通信接口 用来外接计算机 机箱背面设有接线端子排 用于机箱与外部的连接 例如 交流输入端子 直流电源输人端子 网络接口 状态量输入 控制信号输出等端子 装置的内部是由一个个印制电路板组成的 在装置不带电的情况下 每个印制电路板一般可以插拔 因此把每个印制电路板也称为一个插件 装置内部各插件做成模块化 相互之间通过内部总线连接 实际应用中可以根据其体应用场合的需要增 减模块 同时软件功能也可灵活配置 为保证机械强度 提高电磁屏蔽能力和装置散热效果 保护 测控装置机箱一般都采用金属材质 由于铝合金具有质量轻 机械强度高 热传导效率高 成本低等优点 因此成为制造机箱的首选材料 例如保护 测控装置主要由主CPU模件 模拟量输入模件 开关量输入模件 开关量输出模件 人机接口模件 MMI 电源模件 母板模件 通信接口模件等组成 四 间隔层装置典型硬件结构 一 主CPU模件一般由CPU 存储器 定时器 计数器 Watchdog 外围支持电路 输入 输出控制电路组成 主要完成数据采集及计算 数据处理 控制命令的接收与执行 逻辑闭锁 GPS对时等 二 模拟量输入 输出模件来自变电站测控对象的电压 电流信号等是模拟量信号 即随时间连续变化的物理量 微机系统是一种数字电路设备 只能接受数字脉冲信号 所以就需要将这一类模拟信号转换为数字信号 同时 为了实现对变电站的监控 有时还需要输出模拟信号 去驱动模拟调节执行机构工作 这就需要模拟量输出回路 三 开关量输入 输出模件开关量输入 输出模件由并行口 光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成 主要用于人机接口 跳合闸信号 动作信号 告警信号以及闭锁信号等 四 人机对话接口模件人机对话接口模件主要包括显示 键盘及信号灯 打印 音响或语言告警等 其主要功能用于人机对话 五 通信模件通信回路的功能主要是完成自动化装置间通信及信息远传调度 或控制 中心 六 电源模件提供整套保护与测控装置中各功能模块所需要的直流稳压电源 一般利用交流电源经整流后产生不同电压等级的直流 以保证各个装置的可靠供电 第二节模拟量的采集与处理 一 模拟量输入电路原理简述根据模数变换原理的不同 自动化装置中模拟量输入电路有两种方式 一是基于逐次逼近型A D转换方式 ADC 是直接将模拟量转变为数字量的变换方式 二是利用电压 频率变换 VFC 原理进行模数变换方式 它是将模拟量电压先转换为频率脉冲量 通过脉冲计数变换为数字量的一种变换形式 二 基于逐次逼近式A D变换的模拟量输入电路主要包括电压形成电路 低通滤波电路 采样保持 多路转换开关及A D变换芯片五部分 一 电压形成电路电流互感器 TA 和电压互感器 TV 二次侧电流或电压不能适应模数变换器的输入范围要求 故需对它们进行变换 其变换原理图如图2 7所示 一般采用中间变换器将由一次设备电压互感器二次侧引来的电压进一步降低 将一次设备电流互感器二次侧引来的电流变成交流电压 然后再经低通滤波器及双向限幅电路变成后面环节中A D转换芯片所允许的电压 一般模数转换芯片要求输人信号电压为士5V或士lOV 由此可以决定上述各种中间变换器的变比 一 电压形成电路电流互感器 TA 和电压互感器 TV 二次侧电流或电压不能适应模数变换器的输入范围 士5V或士lOV 要求 故需对它们进行变换 一般采用中间变换器将由一次设备电压互感器二次侧引来的电压进一步降低 将一次设备电流互感器二次侧引来的电流变成交流电压 然后再经低通滤波器及双向限幅电路变成后面环节中A D转换芯片所允许的电压 电压形成电路除了起电量变换作用外 另一个重要作用是将一次设备的电流互感器TA 电压互感器TV的二次回路与微机A D转换系统完全电气隔离 提高杭干扰能力 图2 7电路中的稳压管组成双向限幅 使后面环节的采样保持器 A D变换芯片的输人电压限制在峰一峰值士lOV 或士5V 以内 图2 8所示为典型的线路保护装置电压形成回路三相电流 三相电压 零序电流及输电线路抽取电压等的输入 UL为重合闸中检无压 检同期元件用的线路侧抽取电压输入 如重合闸不投或无同期问题时 该电压可以不接入 1 连续时间信号的采样 微机处理的都是数字信号 必须将随时间连续变化的模拟信号变成数字信号 为此 首先要对模拟量进行采样 采样是将一个连续的时间信号X t 变成离散的时间信号x t 采样过程可用图2 9所示 二 低通滤波器与采样定理相邻两个采样时刻的时间间隔称为采样周期 通常用TS表示 采样周期的倒数就是采样频率fs 由于被采样的信号x t 主要是工频50Hz信号 通常以工频每个周期的采样点数来间接说明采样周期TS或采样频率fs 例如若工频每个周期采样点数为12次 则采样周期是TS 20 12 5 3 ms 采样频率fs 50X12 600Hz 1 采样定理 若要不丢掉信息地对输入信号进行采样 就必须满足fS 2fo这一条件 若输入信号x t 含有各种频率成分 其最高频率为fMAX 若要对最高频率fMAX不失真地采样 采样频率必须不小于2fMAX 也就是说 为了使信号被采样后不失真还原 采样频率必须不小于2倍的输入信号的最高频率 这就是乃奎斯特采样定理的基本思想 2 低通滤波器的设置 对电压或电流中所有的高次谐波成分均不失真地采样 很难实现 故可以在采样之前将最高信号频率分量限制在一定频带内 即在采样前用一个模拟低通滤波器 ALF 将fs 2以上的频率分量滤去即可 模拟低通滤波器可以做成无源或者有源的 例如 当采样频率是1000Hz时 则要求模拟低通滤波器必须滤除输人信号大于500Hz的高频分量 而采样频率是600Hz时 则要求必须滤除输人信号大于300HZ的高频分虽 三 采样保持器是指把输入模拟信号的瞬时值采集并记录下来 并按所需的要求准确地保持一段时间 供模数转换器A D使用 对于采用逐次比较式模数转换器A D的数据采集系统 因模数转换器A D的工作需要一定的转换时间 因此 需要使用采样保持器 四 摸拟量多路转换开关 MPX 在实际的数据采集模块中 被测量往往可能是几路或几十路 为了共用A D转换器而节省硬件 可以利用多路开关轮流切换各被测量与A D转换电路的通路 达到分时转换的目的 即每次只选通一路 接至A D转换器 五 模 数变换 A D A D变换器主要有以下几种类型 逐次逼近型 积分型 计数型 并行比较型等 在微机监控和微机保护中最常用的是逐次逼近型原理实现的 三 基于V F转换的模拟量输入回路 一 VFC型A D变换简述电压一频率变换技术 VFC 的原理是将输入的电压模拟量线性地变换为数字脉冲式的频率f使产生的脉冲频率正比于输入电压的大小 然后在固定的时间内用计数器对脉冲数目进行计数 使CPU读入 四 模拟量数据的前置处理 计算机采集的模拟量种类繁多 通过A D转换器变换成数字量后送计算机后 还要进行一系列简单处理 即前置处理 然后存入数据库保存 数据前置处理流程如图2 17所示 1 标度交换进入A D的信号一般是电平信号 但其意义却有所不同 例如同样是5V电压 可以代表900变压器温度 也可以代表500A电流或110kV电压等 因此 经A D转换后的同一数字最所代表的物理意义是很不相同的 所以要由计算机乘上不同的系数进行标度变换 把它们恢复到原来的量值 2 数据的有效性检验其目的是判断采入的数据是否有明显的出错或人为干扰信号等 可根据物理量的特性来判断 例如 1 变化缓慢的参数 可用同一参数前 后周期的变化从来判断 2 利用相关参数间的关系互相校核 3 对于一些重要参数 可以用两个测点或在同一测点上装两台变送器 用它们之问的差值进行校核 4 限制判断 各种数据 当超过其可能最大变化范围时 该数据为不可信的 3 线性化处理有的变送器的输出信号与被测参数之间可能是非线性关系 为了提高测量精度 可采取线性拟合措施 以消除传感器或转换过程引起的非线性误差 4 数字滤波输入的信号中常混杂有各种频率的干扰信号 而数字滤波器可以对极低频率的干扰信号进行滤波 弥补了RC滤波器不足 数字滤波就是在计算机中用一定的计算方法对输入信号的量化数据进行数学处理 减少干扰在有用信号中的比重 提高信号的真实性 这是一种软件方法 对滤波算法的选择 滤波系数的调整都有极大的灵活性 因此在模拟量的处理上广泛采用 第三节开关量的输入与输出 在数据采集系统中 除模拟信号外 还有大量的开关量信号 如断路器 隔离开关的状态 某些数值的限内或越限 以及人机联系的功能键的状态等 开关量输入电路的基本功能就是将这些开关量信号引入微机系统 输出电路主要是将CPU送出的数字信号或数据进行显示 控制或调节 如断路器跳闸命令和光字牌 报警信号等 一 开关量分类开关量输入也称为状态量输入或数字量输入 其基本原理是将来自被监控对象的各种无源触点信号经过光电耦合电路隔离后变为二进制信号 测控装置采集的开关量信息主要有 1 单位置信号 主要指被监控对象产生的一些告警信号 如弹簧未储能 断路器SF6泄露 变压器瓦斯告警 保护装置和自动装置的动作或告警信号 交直流屏的告警信号等 2 双位置信号 一个遥信量由两个相反的状态信号表示 一个来自动合触点 另一个来自动断触点 用两位二进制代码来表示 10 和 01 为有效代码 分别表示合位和分位 11 和 00 为无效代码 比单位置信号多1倍的信息量 增加了抗干扰能力和传输过程中的可靠性 目前高压 超高压电气间隔的断路器 隔离开关 接地开关的位置信号均采用双位置触点采集 而在中低压系统中 除了断路器仍采用双位置信号外 隔离开关和接地开关可采用单位置信号 以节省测控装置须配备的开入点数 3 编码信号 该类信号在变电站使用较少 一般仅用于变压器或消弧线圈挡位信号的采集 档位信息多采用BCD编码方式 每位BCD码用4位二进制信号表示 变压器档位一般不会超过19挡 用5个二进制位即可准确表示档位数 占用5个开入量 例如6挡 12挡 18挡用BCD编码表示分别为00110 10010 11000 4 脉冲量输入 脉冲量输入一般采集统计电能量 用于接收脉冲式电能表的脉冲输出 并累加后上送至变电站综自的站控层 由于存在脉冲易丢失 且丢失后须人工置效校正等诸多缺陷 脉冲量输入方式和脉冲式电能表基本被淘汰 取而代之的是智能型电能表 通过RS 485串行通信方式读取电能量 二 开关量输入电路配置图 1 滤波消抖电路与信号调节电路当开关量作为输入信号 因长线及空间产生干扰信号时 可能会使状态发生错误 为此 需增加滤波消抖电路与信号调节电路 消除噪声的影响 2 光电隔离技术的应用 1 光电隔离 最常用的是利用光电耦合器作为开关量输入计算机的隔离器件时 当有输入信号时 二极管导通 发出光束 使光敏三极管饱和导通 于是输出端U0表现一定电位 在光电耦合器件中 信息的传递介质为光 没有电的直接联系 它不受电磁信号干扰 所以隔离效果比较好 2 继电器隔离利用现场断路器或隔离开关的辅助触点去启动小信号继电器 然后将小信号继电器的触点输入至微机系统 三 开关量变位的检测 变电站断路器的状态平时一般很少变动 没有必要重复发送给变电站层或调度端 但是 一旦变电站故障或其他原因使断路器动作 其状态发生变化 必须及时传向变电站层或调度端 因此 开关量信息一般可采用无变位时不发送 一旦发生变位 则插入传送的方式 检查设备状态是否变位 常采用软件定时扫查和变位触发 在软件扫查方式中 CPU不断扫查各断路器的状态 如发现有变位就予以处理 在硬件变位触发中断方式中 以专用的硬件对断路器位置状态进行监视 如发现变位就申请中断 由CPU进行处理 开关量定时扫查模式 如果采集的开关量大 同时要求分辨率高 则会加重CPU的负荷 影响CPU对其他中断的响应速度 通常采用智能开关量采集 即用一CPU专门负责开关量采集 构成多CPU系统结构 第四节间隔层装置软件常用算法介绍 间隔层的智能化装置的功能主要靠软件实现 本节以微机保护装置为例描述软件结构及常用算法 一 微机保护的程序结构 程序的整体结构主要包括主程序 采样中断服务程序和故障处理程序 正常时运行主程序 同时每隔5 3ms采样间隔时间 每周期采样12点 执行一次采样中断服务程序 在采样程序中进行模拟量采集与滤波 开关量的采集等 并判断相电流差突变量启动元件是否动作 如果启动元件不动作 采样中断程序执行完后 正常返问主程序 如果启动元件动作 采样中断程序执行完后转入执行故障处理程序 在此过程中 依然每隔5 3ms采样间隔时间执行一次采样中断服务程序 直到保护整组复归 返回正常运行的主程序 另外 微机保护装置软件系统除实现各种继电保护功能以外 还具有其他功能 1 测量功能 包括电流 电压 相电压频率 有功和无功以及电能和功率因数等 2 控制功能 包括断路器和隔离开关的控制 可调节设备的状态控制 自动重合闸功能等 3 状态监测 包括操作计数 气体压力监测 断路器跳合闸 电气老化监测 断路器运行时间记录等 二 算法概念 所谓算法 就是计算机将连续型的电压 电流等模拟信号经过离散采样和模数变换成为可用计算机处理的数字量后 对这些数字量进行分析 计算 从而得到所需电气参数 并实现各种保护和监控功能的方法 研究算法的作用主要有两个 第一是提高运算的精确度 运算精度的研究 保证自动化装置的判断和动作的准确性 第二是提高运算的速度 保证自动化装置的动作速度 然而提高运算速度和提高运算精度是一对矛盾的 往往需要在速度与精度之间进行权衡 三 保护和监控装置常用算法介绍 1 基于正弦函数模型的算法 半周积分算法半周积分算法的依据是一个正弦量在任意半周期的绝对值的积分是一常数S 并且积分值S和其相角a无关 积分的起始点无论从0或从a角开始 积分半周期的绝对值总是常数 据此 半周期的面积可写为 只要采样点数N足够多 用梯形法近似积分的误差可以做到很小 半周期积分算法本身具有一定的高频分量滤除能力 因为叠加在基波上的高频分量在半周期积分中其对称的正负半周互相抵消 剩余的未被抵消部分占的比重就很小了 但这种算法不能抑制直流分量 可配一个简单的差分滤波器来抑制电流中的非周期分量 直流分量 半周积分算法用求和代替积分 因此必然带来误差 不能满足监控系统测量精度的要求 但在微机保护中 利用其运算量少的特点 可作为微机保护的启动算法 例如微机距离保护的电流启动元件常常采用半周积分法计算的 2 基于周期函数模型的算法 傅氏变换算法 1 傅氏变换算法的基本原理 半周积分算法的局限性是要求采样的波形为正弦波 当被采样的模拟量不是正弦波而是一个周期性时间函数时 可采用傅氏变换算法 傅氏变换算法来自于傅里叶级数 即一个周期性函数i t 可以用傅里叶级数展开为各次谐波的正弦项和余弦项之和 计算式为 基波分量可表示为一般表达式表示为 a1和b1可以根据傅氏级数的逆变换求得 计算机求a1 b1 如果采样点选N 12 在算出a1和b1后 2 傅氏变换算法的滤波特性 傅氏算法能完全滤除各种高次谐波和纯直流分量 但实际上电流中的非周期分量不是纯直流而是按指数规律衰减的 由于它的非周期性 使得傅氏算法虽然对这些分量有一定的抑制能力 但不能完全滤除这种按指数规律衰减的非周期分量包含的低频分量及非整次高频分量 因此傅氏算法还必须辅以前级差分滤波 才能具有较高的精确度 3 基于傅氏变换算法的功率算法 根据傅氏变换算法求出的电流和电压相量的实部与虚部来计算有功和无功功率 功率因数等 4 基于傅氏变换算法的滤序算法 在微机保护系统和监控系统中 除了要计算电流 电压的正序分量外 还要计算出负序或零序分量 微机保护可利用负序 零序分量的大小来启动保护装置 监控系统可监视系统不对称程度或不平衡程度 在利用傅氏变换算法计算出三相电流或电压基波分量的实部与虚部后 可以方便地得到负序和零序分量 1 零序分量计算 2 负序分量汁算 3 解微分方程算法 1 基本原理 解微分方程算法仅用于计算阻杭 以应用于线路距离保护为例 它假设被保护线路的分布电容可以忽略 因而从故障点到保护安装处的线路阻抗可用一电阻和电感串联电路来表示 于是在短路时下列微分方程成立 4 突变量电流算法 在目前使用的高压输电线路的微型机保护装置中 使用突变量电流元件来启动微机继电保护的故障处理元件 1 启动元件算法 在高压输电线路的微机型继电保护装置中采用两相电流差的突变量作为启动元件的 其算法是 利用相电流差即线电流突变量启动方法有以下两种好处 1 提高了启动元件对于各种相间故障动作的灵敏度 2 提高了抗共模于扰的能力 即两相电流差可抵消在两相的模拟量数据采集通道上的共模干扰 四 数字滤波器及其应用 所谓滤波是从含有噪声的信号中提取有用信号的过程 模拟滤波器是应用无源或有源电路元件组成的一个物理装置或系统 数字滤波器是将模数转换后的数字量 进行某种数学运算去掉信号中的无用成分 采用数字滤波器可以极大限度的抑制各种非工频分量 以提高计算精度 所以微机保护几乎毫无例外地采用了数字滤波器 数字滤波器与模拟滤波器相比具有如下优点 1 因其不需要物理元件 故不存在着元件特性的差异 2 具有良好的可靠性 稳定性 频率范围宽 不存在元件老化问题 温度变化对数字滤波器特性没有影响 3 具有相当好的工作灵活性 当要改变滤波特性时 只要改变程序中的算法或某些滤波系数即可实现 4 因其不需要物理元件 将不存在阻抗匹配的问题 5 提高保护的精度 采用数字滤波器可以极大限度的抑制各种非工频分量 数字滤波器和算法的有机结合可以使继电保护的性能得到提高 6 易于实现小型化 集成化 标准化 3 数字滤波器的构成 按数字滤波器的构成方式可把它分成两类 1 递归式数字滤波器 该种数字滤波器的输出值不但取决于输入值和过去的输入值 而且还取决于过去的输出值 2 非递归式数字滤波器 该种数字滤波器的输出值仅取决于输入值 4 几种常用的数字滤波器 1 差分滤波器 减法滤波器 其数据窗长度为K 或KTS 它表明该滤波器与前行输出无关 所以这种滤波器是非递归型数字滤波器 差分滤波器有如下特点 1 因任两点采样值中所含的直流成分相同 不考虑衰减 故差分后对应的直流输出为零 因此 差分滤波器能消除直流分量 2 差分滤波器能滤除m次及m的整倍数次谐波 当m 1时 能消除基波及各次谐波 若输入信号中含有直流 基波及基波的整倍数次谐波 则在稳态输入时 滤波器的输出为零 这一特点在保护中常被用作增量元件 在电力系统正常时或故障进入稳态后 滤波器的输出为零 在故障后的KTS时间内 滤波器有输出 此时输出的是故障后的参数与故障前的负荷参数之差 这就是故障分量 其输出持续20ms 工频一周 3 当采用差分滤波器滤除短路电流中的谐波分量时 必须在短路发生后 经过KTS