越级跳闸解决方案

南京国辰技术方案南京国辰技术方案 南京国辰电气控制有限公司南京国辰电气控制有限公司 2009 5 8 1 首先非常感谢您给我们机会一起探讨 请您多提宝贵建议首先非常感谢您给我们机会一起探讨 请您多提宝贵建议 张红凯代表国辰公司祝您身体健康 工作顺利 张红凯代表国辰公司祝您身体健康 工作顺利 一 一 电力系统继电保护基础知识电力系统继电保护基础知识 1 什么是继电保护 当电力系统中的电力元件 如发电机 线路 或电力系统本 身发生了故障或危及其安全运行的事件时 需要有向运行值班人 员及时发出警告信号 或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令 以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备 实现这种自动化 措施 用于保护电力元件的成套硬件设备 一般通称为继电保护 装置 继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本的装备 2 继电保护在电力系统中的任务是什么 继电保护的基本任务 a 当被保护的电力系统元件发生 故障时 应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给距离故障元 件最近的断路器发出跳闸命令 使故障元件及时从电力系统中断 开 以最大限度地减少对电力元件本身的损坏 降低对电力系统 安全供电的影响 并满足电力系统的某些特定要求 如保持电力 系统的暂态稳定性等 b 反应电气设 备的不正常工作情况 并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同 例如有无经 常值班人员 发出信号 以便值班人员进行处理 或由装置自动 地进行调整 3 电力系统对继电保护的基本要求是什么 a 可靠性 电力系统正常运行时 继电保护装置应可靠的不 动作 当被保护元件发生故障或出现不正常工作状态时 继电保 2 护装置应可靠的动作 b 迅速性 是指继电保护动作的速度 可根据实际情况设定 延时时间 c 选择性 当电力系统出现故障时 继电保护发出跳闸命令 仅将故障元件切除 尽可能的使停电范围减小 保证无故障部分 继续运行 d 灵敏性 是指继电保护对设计规定要求动作的故障及异常 状态可靠的动作的能力 二 二 各类产品技术特点各类产品技术特点 GCS2321GCS2321 系列数字式高压保护测控装置技术特点系列数字式高压保护测控装置技术特点 1 采用双 CPU CPLD 设计结构 主 CPU 为为 32 位 DSP 数字处理器 既提高了通信速度 又提高了保护的可靠性 准确性 灵敏性 速 动性 2 保护定值均为无级数字整定 并按照一次值设定 各种保护功能 可单独投退 3 32K x 16 位片内 RAM 存贮器 64K x 16 位 EPROM 存贮器 存贮 固化程序 512 x8 位存储定值安全可靠 硬件冗余度高 方便功能 扩展 4 保护和测量回路采用独立通道采样 互不影响 测量回路采样精 度高于 0 2 保护回路采样精度高于 0 5 且在 20 倍额定电流的 情况下不饱和 所有采样值均按照一次值实时显示 5 保护装置具备计算电度功能 实时显示有功电度及无功电度 电 度精度高于 0 5 级 3 6 显示模块是基于 CPU CPLD 开发的人机界面 它可以提供 128X64 的宽温液晶 液晶的背光节电设计 支持 4 个 LED 位置显示灯分别 显示当前运行状态 显示模件可用于设备的人机交互 完成键盘处 理 液晶显示等功能 插件上的显示窗口采用 4 行 8 汉字的液晶 显示器 人机界面清晰易懂 同时还配置了丰富的灯光指示信息使 本装置的运行信息更为直观 RS485 通信接口采用屏蔽双绞线 显 示模块与主体模块之间的通信连接件采用专用接插件 使装置运行 更加可靠 7 输出继电器回路包括分励脱扣的保护动作出口 用于失压脱扣出 口 用于合闸的合闸控制出口以及其他信号出口等 对弹簧机构的 开关继电器采用进口密封固态日本松下继电器 对永磁机构的开关 采用光电继电器输出 动作速度更快 8 采用高精度 高抗饱和性的输入电流电压变换器 保证采样信号 不失真 所有 PT CT 零序互感器 能够相位补偿 精度为 0 05 度 9 路开关量输入 采用双级光电隔离 具有防颤抖功能 10 采用了多层印制板及表面封装工艺 外观小巧 结构紧凑 大 大提高装置的可靠性及抗电磁干扰能力 11 特殊的工作电源设计 保证在交流失电情况下能够使保护可靠 动作 跳开开关 记录并上传故障信息 12 精确的事件顺序记录和故障录波功能 有助于迅速查找故障 大大缩短变电所停电时间 彻底避免故障后试合开关造成的多次顶 跳上级开关的烦恼 13 信号不复位时 闭锁远方遥控合闸和就地按钮合闸 14 远方遥控修改保护定值 遥控分合开关 更增加了操作的方便性 和安全性 15 采用我公司专用的零序电流变换器 零序电流采样精度高 能 准确接地选线 有效的防止单相接地误跳现象 16 具有先进的 CAN 总线通信接口 通信速度可达 1MBPS 通信距 4 离可达 2KM 可单独使用 也可联网使用 适用于电网改造的各个 阶段 17 能实时检测各回路对地绝缘电阻 根据绝缘电阻降低报警 提 前发现故障点 能有效的避免发生接地故障现象 18 具有先进的失压延时功能 能有效的防止电网瞬时失电造成开 关跳闸的事故发生 提高供电可靠性 19 具有模拟试验功能 在现场没有标准源的情况下 可通过软件 对硬件回路进行真正的电流试验 漏电试验调试 非常方便 20 装置具有强大的自检功能 能准确定位故障至芯片 方便现场 对保护设备维护 21 具有软件在线升级功能 方便现场软件升级 22 抗电磁干扰性能 承受 GB6162 规定的衰减振荡波干扰 承受 GB T 17626 4 1998 标准电快速瞬变脉冲群抗扰度 4 级试 验 承受 GB T 17626 2 1998 标准静电放电抗干扰 4 级试验 承受 GB T 17626 6 1998 标准射频场感应的传导骚扰度 3 级干 扰试验 GCS2322GCS2322 系列数字式低压保护测控装置技术特点系列数字式低压保护测控装置技术特点 1 采用双 CPU CPLD 设计结构 主 CPU 为为 32 位 DSP 数字处理器 既提高了通信速度 又提高了保护的可靠性 准确性 灵敏性 速 动性 2 32K x 16 位片内 RAM 存贮器 64K x 16 位 EPROM 存贮器 存贮 固化程序 512 x8 位存储定值安全可靠 硬件冗余度高 方便功能 扩展 3 保护系统采用的数据采集系统由高可靠性的高精度的 A D 转换器 及数字滤波回路组成 16 位 A D 转换芯片具有转换速度快 采样偏 5 差小 超小功耗及稳定性好等特点 本装置的采样回路可通过数字 调节采样精度具备高度的可靠性 4 显示模块是基于 CPU CPLD 开发的人机界面 它可以提供 128X64 的宽温液晶 液晶的背光节电设计 支持 4 个 LED 位置显示灯分别 显示当前运行状态 显示模件可用于设备的人机交互 完成键盘处 理 液晶显示等功能 插件上的显示窗口采用 4 行 8 汉字的液晶 显示器 人机界面清晰易懂 同时还配置了丰富的灯光指示信息使 本装置的运行信息更为直观 RS485 通信接口采用屏蔽双绞线 显 示模块与主体模块之间的通信连接件采用专用接插件 使装置运行 更加可靠 5 输出继电器回路包括分励脱扣的保护动作出口 用于失压脱扣出 口 用于合闸的合闸控制出口以及其他信号出口等 对弹簧机构的 开关继电器采用进口密封固态继电器 对永磁机构的开关采用光电 继电器输出 动作速度更快 6 采用高精度 高抗饱和性的输入电流电压变换器 保证采样信号 不失真 7 8 路开关量输入 采用双级光电隔离 具有防颤抖功能 8 采用了多层印制板及表面封装工艺 外观小巧 结构紧凑 大大 提高装置的可靠性及抗电磁干扰能力 9 特殊的工作电源设计 保证在交流失电情况下能够使保护可靠动 作 跳开开关 记录并上传故障信息 10 精确的事件顺序记录和故障录波功能 有助于迅速查找故障 大大缩短变电所停电时间 彻底避免故障后试合开关造成的多次顶 跳上级开关的烦恼 11 信号不复位时 闭锁远方遥控合闸和就地按钮合闸 12 红外 远方遥控修改保护定值 遥控分合开关 更增加了操作的 方便性和安全性 13 采用我公司专用的零序电流变换器 零序电流采样精度高 能 准确接地选线 有效的防止单相接地误跳现象 6 14 采用我公司专用的三相电流变换器 电流采样精度高 饱和度 高 0A 8000A 不饱和 不失真 并且具有电流试验绕组 与保护 装置配合 方便现场进行电流试验调试 15 采用我公司组合电抗器 可采集系统电压 出线三相电压 零 序电压等 16 具有模拟试验功能 在现场没有标准源的情况下 可通过软件 对硬件回路进行真正的电流试验 漏电试验调试 非常方便 17 具有先进的 CAN 总线通信接口 通信速度可达 1MBPS 通信距 离可达 2KM 可单独使用 也可联网使用 适用于电网改造的各个 阶段 18 能实市时检测各回路对地绝缘电阻 根据绝缘电阻降低报警 提前发现故障点 能有效的避免发生接地故障现象 19 装置具有强大的自检功能 能准确定位故障至芯片 方便现场 对保护设备维护 20 具有软件在线升级功能 方便现场软件升级 21 抗电磁干扰性能 承受 GB6162 规定的衰减振荡波干扰 承受 GB T 17626 4 1998 标准电快速瞬变脉冲群抗扰度 4 级试 验 承受 GB T 17626 2 1998 标准静电放电抗干扰 4 级试验 承受 GB T 17626 6 1998 标准射频场感应的传导骚扰度 3 级干 扰试验 三 三 解决越级跳闸的技术方案解决越级跳闸的技术方案 网络保护网络保护 1 1 概述概述 7 随着电力事业的飞速发展 尤其是我国各地煤矿自动化建 设项目及城市陆续开工的城市地铁项目 电力系统中用户终端出 现了越来越多的中低压短线路 这些短线路若采用传统的电流保 护或距离保护 在整定值与动作时间上都难以配合 考虑到煤矿 井下的实际使用条件有限 有时架构光纤通道比较困难 因此采 用网络保护就成为一种必然选择 网络保护由于原理简单 运行 可靠 动作快速准确 能有效解决越级跳闸等诸多优点 使其在 线路保护中得到广泛应用 目前 网络通信技术已逐渐成熟 通 信误码率低 工作稳定 在安全性和可靠性方面完全满足要求 因此 利用通信网络的保护得到了越来越广泛的研究和应用 本方案分析了采用网络保护与普通微机线路保护在各种短路 情况下的灵敏度比较及配合 采用网络保护和常规线路保护相结 合方案的优点 2 2 网络保护的基本原理网络保护的基本原理 网络保护 就是利用某种通信通道将输电线路各端的保护装 置纵向连结起来 将输电线各端的故障信息量传送到网络中的没 一端进行比较 以判断出故障点位置 从而决定切除离故障点最 近的线路 网络保护就是将被保护线路故障信息量送至各端并进 行分析比较 从而判定本线路范围内是否发生短路故障的保护方 法 由于这种保护自动与相邻线路的保护在动作参数上进行配合 因而可以实现全线速动 目前已经广泛应用的网络保护通过高速 数据通信接口 实现快速传送故障信息 网络中的保护装置根据 8 各自收到的保护故障信息及地址编号 自动调整各级保护的动作 参数 从而实现准确快速有选择性的切除故障线路 保证非故障 线路安全可靠运行 如下图所示 当 1 号故障点短路时 4 开关 跳闸以切除故障点 1 2 3 开关保护由于收到 4 开关的保 护故障信息后 自动调整动作参数 仍能正常运行不会误动作 300A100A300A 2 1 4号故障点 300A100A300A 3 300A100A300A 4 3号故障点 2号故障点 1号故障点 9 2 1 网络保护与普通电流保护的灵敏度分析 网络保护的基本原理是 在故障时 30ms 之内把故障信息上送 到网络的每一节点 进行故障逻辑判断 寻找故障点 然后再切除 故障线路 对非故障点的保护 根据距离故障点的级差进行自动延 时 100ms 作为故障点保护的后备保护 而普通常规线路保护在故 障时 不进行故障逻辑判断 立即跳闸 因此经常会造成越级跳闸 3 3 结语结语 随着煤矿电力系统的发展和对煤矿电网的优化和改造工程的进行 尤其是煤矿井下项目的大量开工建设 几百米的低压短线路和短线 路群的出现 选择网络保护成为一种必然 本方案提出了一种包括 适用于低压网络保护方案 重点分析比较了网络保护与普通常规线 路保护在短路情况下的灵敏度 有效的解决了以往煤矿经常因电力 保护设备越级跳闸而造成故障面积扩大和瓦斯超限的苦恼 10 光纤纵差保护光纤纵差保护 1 概述概述 随着电力事业的飞速发展 尤其是我国各地煤矿自动化建设项目 及城市陆续开工的城市地铁项目 电力系统中用户终端出现了越来 越多的中低压短线路 这些短线路若采用传统的电流保护或距离保 护 在整定值与动作时间上都难以配合 因此采用纵联差动保护就 成为一种必然选择 电流纵差保护由于原理简单 运行可靠 动作 快速准确且不需要与相邻线路的保护进行配合 能有效解决越级跳 闸等诸多优点 使其在线路保护中得到广泛应用 对于距离较短的 输电线路可以采用短引线差动保护 但短引线差动保护二次回路由 于引线较长 TA 的二次负载较大 从而引起线路两侧的 TA 特性不 匹配 并且 TA 的二次回路接线也较复杂 这些都将直接影响差动保 护的动作特性和安全性 当然也可采用以导引线为通道的纵联差动 保护 但导引线通道易受外界干扰 抗干扰能力差 易受线路故障 影响 影响差动保护的安全可靠运行 目前 光纤通道技术已逐渐 成熟 由于光纤传输不受电磁干扰的影响 通信误码率低 工作稳 定 在安全性和可靠性方面与导引线通道相比有显著优势 同时 光纤通道频带宽 容量大 可以缓解电力系统的通道拥挤问题 因 此 利用光纤传输的微机线路纵联差动保护得到了越来越广泛的研 11 究和应用 本方案分析了采用电流综合量微机光纤纵差保护与普通微机线 路保护在各种短路情况下的灵敏度比较及配合 采用复式比率电流 综合量差动保护和常规线路保护相结合方案的优点 2 2 纵差保护的基本原理纵差保护的基本原理 纵联差动保护 就是利用某种通信通道将输电线路各端的保护 装置纵向连结起来 将输电线各端的电气量传送到对端进行比较 以判断是本输电线路内部故障还是外部故障 从而决定是否动作切 除本线路 电流纵联差动保护就是将被保护线路各端电流的大小和 相位送至对端并进行比较 从而判定本线路范围内是否发生短路故 障的保护方法 由于这种保护无须与相邻线路的保护在动作参数上 进行配合 因而可以实现全线速动 目前已经广泛应用的光纤纵差 保护通过高速数据通信接口 实现线路两侧数据同步采样 同步采 样的原理就是将线路两侧装置中的一侧作为同步端 另一侧作为参 考端 以同步方式交换两侧信息 参考端采样间隔固定 并在每一 采样间隔中固定向对侧发送一帧信息 为提高纵联差动保护可以利 用的数据采样密度 一般为每个周波 12 点采样 就必须压缩线路两 侧需要交换的数据量 为此可以采用电流综合量的纵联差动保护 这样需要传输的数据量就很小 而且使用电流综合量 还可以提高 故障时常规线路保护的灵敏度 根据煤矿井下供电的特点 我公司 的纵差保护单元最大能以一进对三出的接线形式实现纵差保护 如 下图所示 当 1 号故障点短路时 1 2 3 4 开关同时跳闸以 12 切除故障点 当 2 号故障点短路时 由于区外故障 纵差保护不动 作 4 开关的短路保护将把故障点切除 而 1 2 3 开关仍正常 运行不会误动作 300A100A300A 2 3 4 1 GCS232 GCS232 GCS232 GCS232 1号故障点 2号故障点 13 14 2 1 纵差保护与普通电流保护的灵敏度分析 纵差保护的基本原理是 在故障时 采用的电流量为 I N I1 6I2 I1为正序电流 I2为负序电流 而普通常规线路保护在 故障时 采用的电流量为 I Ig Ig为故障电流 下面给出光纤纵差 保护与普通常规线路保护在各种短路情况下的灵敏度分析 2 1 1 对于三相短路故障 可以看出在三相故障时 使用电流综合量的继电器和普通常规线路 保护具有同等的灵敏度 2 1 2 对于 BC 两相短路故障 由于故障电流往往远大于负荷电流 故可以忽略故障时的负荷 电流 以 A 相作为参考 则有 IB IC IA 0 对于普通的常规线 路保护 I Ig IB 15 2 1 3 对于 CA 两相短路故障 由于故障电流往往远大于负荷电流 故而忽略故障时的负荷电 流 以 A 相作为参考 则有 IC IA IB 0 对于普通的常规线路 保护 I Ig IC IA 对于光纤纵差保护 因此比较普通的常规线路保护 使用光纤纵差 保护灵敏度可提高约 2 785 倍 2 1 4 对于 AB 两相短路故障 由于故障电流往往远大于负荷电流 故而忽略故障时的负荷电 流 以 A 相作为参考 则有 IA IB IC 0 对于普通的常规线路 保护 I Ig IA 比较不同的两相短路故障 可以看出 不同相别的两相故障 电流综合量的灵敏度提高倍数也不一样 其原因是在求解序分量的 时候都是以 A 相作为参考 不同相别故障 所得到的序分量的相位 不一样 造成了电流综合量的幅值和相位也随着故障类型的变化而 变化 但这只是灵敏度倍数的改变 16 对于中低压小电流接地系统的短线路保护 常规线路保护可能 采用 A C 两相星形接线方式 因此对于在 AB 和 BC 相间短路时 普 通的电流保护只能有一个常规线路保护动作 而对于光纤纵差保护 而言却无影响 由于小电流接地系统中电流互感器一般仅装在 A C 两相 小电流接地系统中的正 负序量的算法 可以简述如下 总体来说 对于两相短路故障 使用纵差保护比普通常规线路 保护灵敏度提高较多 2 1 5 对于单相接地短路故障 对于中性点不接地系统或小电流接地系统 单相接地故障电流 因不构成回路 不会产生短路电流 仅为电容电流 差动保护不动 作 本方案中考虑到煤矿的供电系统一般为小电流接地系统 因此 在方案中特别配置了有华北电力大学研制的小电流接地选线装置来 判别单相接地选线故障 并把该套接地选线装置有机地融合到我公 司的煤矿电力控制自动化系统中 实现无逢连接 但是对于大电流 接地系统的单相接地故障 采用上述同样的分析方法 可以得出对 于 A 相接地故障 B 相接地故障和 C 相接地故障时 光纤纵差保护 17 的灵敏度分别提高到 2 333 倍 1 856 倍和 1 856 倍 不同相别 的单相接地故障 电流综合量的灵敏度提高倍数也不一样 其原因 仍然是因为在求解序分量的时候都是以 A 相作为参考 不同相别故 障 所得到的序分量的相位不一样 造成了电流综合量的幅值和相 位也随着故障类型的变化而变化 但这只是灵敏度倍数的改变 总 的来说 对于单相接地故障 使用光纤纵差保护比普通常规线路保 护灵敏度提高较多 综上所述 在单相接地短路 仅对大电流接地系统 小电流接地 系统有另外解决方案 和两相短路故障中 使用电流综合量可以大大 提高常规线路保护的灵敏度 对于三相故障 灵敏度没有提高 在 电力系统中 绝大部分的线路故障都是单相 仅对大电流接地系统 和两相故障 约占所有故障的 90 以上 因此 使用电流综合量可 以较大地提高常规线路保护的灵敏度 3 结语 随着煤矿电力系统的发展和对煤矿电网的优化和改造工程的进 行 尤其是煤矿井下项目的大量开工建设 几百米及十几公里的中 低压短线路和短线路群的出现 选择光纤纵差保护及短线路纵差保 护成为一种必然 本方案提出了一种包括适用于中低压短线路的复 式比率电流综合量差动保护原理的纵差保护方案 重点分析比较了 电流综合量常规线路保护与普通常规线路保护在各种短路情况下的 灵敏度 采用电流综合量的纵差保护不仅可以提高灵敏度 而且可 以减少纵差保护两侧需要交换的数据量 可实现用两侧电流综合量 18 取代传统的分相电流差动 本方案还分析了具体的煤矿井下及井上 一体化电力自动化控制系统的各级保护配合问题 有效的解决了以 往煤矿经常因电力保护设备越级跳闸而造成故障面积扩大和瓦斯超 限的苦恼 四 四 解决漏电选线技术方案解决漏电选线技术方案 1 国内外研究现状 国外对接地保护的处理方式各不相同 前苏联的小电流接地系统 采用中性点不接地方式和经消弧线圈接地方式 主要采用零序功率 方向和首半波原理 日本的小电流接地系统中高阻抗和不接地方式均有采用 但电阻 接地方式居多 其选线原理较为简单 不接地系统主要采用功率方 向继电器 电阻接地系统则采用零序过电流保护瞬间切除故障线路 近年来 在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面作了不少 工作 并已将人工神经网络应用于接地保护 美国由于历史原因 电网中性点主要采用电阻接地方式 也利 用零序过电流保护瞬间切除故障线路 但是 故障跳闸仅用于中性 点经低阻接地系统 对高阻接地系统接地时仅有报警功能 法国过去以低电阻接地方式居多 采用零序过电流原理实现接 地故障保护 随着城市电缆线路的不断投入 电容电流迅速增大 故已开始采用自动调谐的消弧线圈以补偿电容电流 为解决此系统 的接地选线问题 提出了利用 Prony 方法和小波变换以提取故障暂 态信号中的信息 如频率 幅值 相位 以区分故障与非故障线路 19 的保护方案 但还未应用于具体装置 挪威一公司采用测量零序电压与零序电流空间电场和磁场相位 的方法 研制了一种悬挂式接地故障指示器 分段悬挂在线路和分 叉点上 加拿大一公司研制的微机式接地故障继电器 也采用零序 过电流的保护原理 其软件算法部分利用了沃尔什函数 以提高计 算接地故障电流有效值的速度 我国配电网和大型工矿企业的供电系统大多数采用中性点不接 地或经消弧线圈接地的运行方式 近年来 一些城市电网改用电阻 接地的运行方式 矿井 6 10 kV 电网过去也一直是用中性点不接 地方式 随着井下供电线路的加长 电容电流增大 近年来消弧线 圈在矿井电网得到了推广应用 并主要采用消弧线圈并 串电阻的 接地方式 国内从 50 年代就开始了对接地保护原理和装置的研究 并相继 推出了几代产品 目前国内的选线装置主要基于零序电流原理 零 序功率方向原理 首半波原理 谐波电流方向原理和 信号注入法 原理 在选线方案上 除常规的绝对定值保护方案外 还有群体比 幅比相方案 最大 Isin 或 Isin 方案 2 接地选线保护原理 2 1 零序电流原理 该原理是基于故障支路零序电流大于非故障支路零序电流的特 点 区分出故障和非故障线路 从而构成有选择性的保护 这种原 20 理在电网的电容电流较小 又存在长线路的情况下较难满足选择性 的要求 同时 当接地点存在电阻时 易发生拒动现象 2 2 零序功率方向原理 零序功率方向保护原理是利用故障线路零序电流滞后零序电压 90 非故障线路零序电流超前零序电压 90 的特点来实现的 目 前采用这一原理实现的装置在实际电网中应用较多 但对中性点经 消弧线圈接地的系统此原理无效 2 3 首半波原理 该原理是基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设 它利用故障线路中故障后暂态零序电流第一个周期的首半波与非故 障线路相反的特点实现选择性保护 但该原理不能反映相电压较低 时的接地故障 且受接地过渡电阻影响较大 同时也存在工作死区 2 4 谐波电流方向原理 由于电力电子传动装置在供电网中的推广应用 以及电源变压 器铁芯非线性的影响 电网中除存在基波成分外 必然还包含一系 列谐波成分 故可利用 5 次或 7 次谐波电流的大小或方向构成选择 性接地保护 对于中性点经消弧线圈接地系统 因消弧线圈的作用 是对基波而言的 5 次或 7 次谐波电流的分布规律与中性点不接地 电网一样 故该原理仍然可行 但由于 5 次或 7 次谐波含量相对基 波而言要小得多 且各电网的谐波含量大小不一 故以此原理构成 的保护其零序电压动作值往往很高 灵敏度较低 在接地点存在一 21 定过渡电阻的情况下将出现拒动现象 3 零序电流有功分量方向原理 为克服现有各种原理存在的不足 本文提出一种新的保护原理 零序电流有功分量方向原理 为说明该原理 先以中性点经电阻接 地的系统为例进行说明 当此系统发生接地故障时 零序等效网络 可见 流过故障线路始端的零序电流可分 2 部分 中性点电阻 器 RN 产生的有功电流 相位滞后于零序电压 90 流过非故障线路 的零序电流只有由本支路对地电容产生的容性电流 相位超前零序 电压 90 由于有功电流只流过故障线路 与非故障线路无关 因此 只 要以零序电压作为参考矢量 将此有功电流取出 就可十分方便地 实现接地选线保护 这就是零序电流有功分量方向保护的基本原理 有功分量的取出 可采用软件或硬件相敏整流的方法即可方便实现 对中性点经消弧线圈接地系统 目前主要采用消弧线圈并 串 电阻运行的派生接地方式 且消弧线圈本身的有功成分较大 实测单 相接地时其有功电流达 2 3A 当此系统发生接地故障时 故障线 路始端所反映的零序电流除增加一部分电感性电流外 其余二部分 与电阻接地系统相同 因此上述原理仍然可行 对于中性点不接地系统 当发生接地故障时 流过故障和非故 障线路的零序电流皆为容性 且方向相反 此时 可采用移相的方 22 法 使故障 非故障线路的零序电流分别与零序电压反相位 同相 位 相当于将它们变成了有功电流 因此 对于中性点不接地系统 该保护原理实质上是零序功率方向原理的延伸 但经过上述处理后 相当于将原有的零序电压 零序电流比相范围从原有的 90 扩大到 180 从而创造了更好的选线条件 可见 采用此种保护原理 可满足各种中性点接地方式下的接 地选线保护问题 以此原理研制成功的接地选线保护装置 目前已 在我国大部分矿井电力网得到应用 收到了很好的保护效果 4 接地选线保护装置的动作参数分析 接地保护的动作参数主要包括电网零序电压 零序电流和动作电 阻 日本对 6 10kV 电网各种单相接地状态下的故障点电阻做过一些 实测和统计 他们认为单相接地保护能检测出 1k 以内的故障即可 对于高阻值接地故障一般可以不予考虑 而对消弧线圈系统 则定 义故障点电阻在 4k 以下为接地故障 对应的零序电压动作值设定 为 10 25V 因当采用消弧线圈接地方式后 和不接地系统相比 在同样的接地点电阻值下 零序电压都将有较大幅度的提高 从而 能反映较高阻值的接地情况 由于中压电网的接地保护不保护人身安全 因此 可不将接地点 电阻作为动作值要求 而将零序电压作为装置起动整定值 笔者在 设计接地保护装置时 通过对有关项目论证并结合煤矿电网特点 23 对中性点不接地系统 零序电压动作值取为 10V 左右 采用消弧线 圈后 其动作值则取为 20V 左右 对于零序电流动作值 可采用群体比幅方案 避免 绝对定值 方案带来的整定麻烦 电网的自然不平衡电压虽较低 经我们对全 国几十个矿井的测量 6 10kV 电网的自然不平衡电压大多在 1V 以 下 但当出现电压互感器高压熔断器熔断的情况时 在开口三角处 将出现约 100 3V 的电压 此时若再碰上电网的少量不平衡电流 据 实测有时可达 0 3 0 5A 保护装置势必会误动 因此除群体比幅 方案外 还应给零序电流设一定动作值门槛 此门槛值一般取为 0 5 1A 5 小结 现有的小电流接地系统接地选线保护原理 皆有一定的局限性 而采用零序功率方向或零序电流有功分量方向保护原理后 可较好 地适用于不同中性点接地方式下的接地保护 接地选线保护装置应 由零序电压起动 其动作值对不接地系统取在 10V 左右 对消弧线 圈接地系统则应有所提高 选线方案应采用 群体比幅 加零序电 流动作门槛的方法 五 五 CAN 和和 RS485 网络通信比较网络通信比较 CAN 总线是国际上应用最广泛的现场总线之一 最早是由德国 Bosch 公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协 议 CAN 总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络 24 广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信 现场 总线领域中 CAN 总线得到了计算机芯片商的广泛支持 他们纷纷 推出直接带有 CAN 接口的微处理器 MCU 芯片 CAN 是一种多主 方式的串行通讯总线 基本设计规范要求有高的位速率 高的抗电 磁干扰性 而且能够检测出产生的任何错误 CAN 网络具有如下特 点 网络上任意一个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点 发送信息 而不分主从 采用非破坏性总线仲裁技术 当两个节点同时向网络上传送信 息时 优先级低的节点主动停止数据发送 而优先级高的节点可不 受影响地继续传输数据 具有点对点 一点对多点及全局广播传送接 收数据的功能 通讯距离最远可达 10 5kbps 通讯速率最高可达 1Mbps 40 网络节点数实际可达 110 个 每一帧的有效字节数最 多为 8 个 这样传输时间短 受干扰的概率低 通讯介质采用廉价的 双绞线即可 无特殊要求 每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施 数据出错率极低 可 靠性极高 在传输信息出错严重时 节点可自动切断它与总线的联系 以使总线上的其它操作不受影响 CAN Controller Area Network 属于现场总线的范畴 它是一种 有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络 较之目前 RS 485 基于 R 线构建的分布式控制系统而言 基于 CAN 总线的分布式控 25 制系统在以下方面具有明显的优越性 1 CAN 控制器工作于多主方式 网络中的各节点都可根据总线访 问优先权 取决于报文标识符 采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总 线发送数据 且 CAN 协议废除了站地址编码 而代之以对通信数据 进行编码 这可使不同的节点同时接收到相同的数据 这些特点使 得 CAN 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强 并且容易 构成冗余结构 提高系统的可靠性和系统的灵活性 而利用 RS 485 只能构成主从式结构系统 通信方式也只能以主站轮询的方式进行 系统的实时性 可靠性较差 2 CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 82C250 的两个输出端 CANH 和 CANL 与物理总线相连 而 CANH 端的状态只能是高电平 或悬浮状态 CANL 端只能是低电平或悬浮状态 这就保证不会出 现象在 RS 485 网络中 当系统有错误 出现多节点同时向总线发送 数据时 导致总线呈现短路 从而损坏某些节点的现象 而且 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 以使总线上其他 节点的操作不受影响 从而保证不会出现象在网络中 因个别节点 出现问题 使得总线处于 死锁 状态 3 CAN 具有完善的通信协议 可由 CAN 控制器芯片及其接口芯 片来实现 从而大大降低了系统的开发难度 缩短了开发周期 这 些是只仅仅有电气协议的 RS 485 所无法比拟的 特性 RS 485 CAN bus 26 单点成本低廉稍高 系统成本高较低 总线利用率低高 网络特性单主网络多主网络 数据传输率低高 容错机制无 可靠的错误处理 和检错机制 通讯失败率高极低 节点错误的影响导致整个网络的瘫痪无任何影响 通讯距离 1 5km 可达 10km 5kbps 网络调试困难非常容易 开发难度标准 Modbus 协议 标准 CAN bus 协 议 后期维护成本高低 南京国辰的保护在通信方面采用如下特点 终端保护设备主机与显示部分采用 RS485 通信方式 主机和显示 器由两个完全独立的 CPU 控制 互不影响 有的厂家采用主机一个 CPU 控制显示部分 因显示部分与主机分体安装 控制数据总线及微 机工作电源 DC5V 要外引 外界电磁干扰很容易串扰到 CPU 的数据 总线及微机工作电源 DC5V 上 从而导致保护因电磁干扰而误动作 27 终端保护设备与上位机采用 CAN 工业总线通信方式 有的厂家则 采用 RS485 通信方式 二者的差别见上述 CAN 与 RS485 的通信比较 CAN 通信的优越性十分明显 终端保护设备与上位机通信采用国际标准的 103 通信规约 完全 通明 很容易与各厂家不同的上位机实现无逢连接 更为将来扩充以太 网口做好传输准备 而有的厂家在与上位机通信方面根据自身的特点 编制自己的规约 不完全透明 与其他厂家的上位机连接困难 六 六 井下测控分站井下测控分站 1 井下测控分站的构成井下测控分站的构成 井下测控分站主要完成保护装置与地面监控系统之间的 数据交换 实现辖区当地监控 与综合保护一起 实现单相 接地选线功能 井下测控分站主要由高性能工业嵌入式通讯服务器 后 备工作电源 光纤接续盒等组成 支持多规约 多波特率 多通讯方式 软件内核部分采用嵌入式实时多任务操作系统 通讯及监控软件采用外挂式软件模块 可方便地进行功能扩 充 2 主要功能主要功能设计设计 a 完成保护装置与地面调度监控系统之间的数据交换功能完成保护装置与地面调度监控系统之间的数据交换功能 1 能接收并贮存地面调度中心的命令 2 根据地面监控主站的命令 采集高压防爆开关综合保 护器的遥测量 遥信量 事件顺序记录 录波数据等 并向中心站传输 3 具有按地面调度中心的命令控制高压防爆开关的合闸 分闸功能 28 4 与保护通讯 采用简化的 IEC870 5 103 规约 与地面 监控主站通讯 采用简化的 IEC870 5 104 网络版规约 b 具有当地集中监控功能具有当地集中监控功能 1 具有开关状态监视功能 2 具有电流 电压等参数的实时显示功能 3 具有带时标的事件记录显示功能 c 局域选择性选漏功能局域选择性选漏功能 与综合保护配合 实现辖区变电所单相接地选线功能 以事 件记录和信号的形式表示出接地的线路和接地相 d 具有时钟同步功能具有时钟同步功能 实现与上级调度主站和下级综合保护器的时钟同步功能 主站每半小时与分站对时一次 分站每 15 分钟与综合保护对时 一次 确保时钟一致 分站实时监测综合保护的投入运行情况 一旦有新安装的 保护开机运行 分站就会主动与保护对时 e 规约转换功能规约转换功能 外挂式规约扩充模块 可以方便地接入第三方智能设备 f 远程维护功能远程维护功能 可以远程监视通讯状态 远程进行软件升级 远程进行数 据维护 远程下载录波数据 用 Telnet 和 ftp 可登录到分站的通 讯服务器上 进行应用程序升级 录波文件下载等 g 失电数据保持功能失电数据保持功能 在系统掉电的情况下 能够保证系统的各种信息存储及传输 h 各保护器通讯状态监视各保护器通讯状态监视 当保护器通讯中断时 产生保护通讯中断的事件记录 除自己显示外 还能够传输到地面调度监控中心 i 实时监视各种控制操作实时监视各种控制操作 来自主站的定值修改命令 在固化命令下发到综合保护器 29 且综合保护器已固化成功后 分站将产生一命令修改定值的事件 记录 来自主站的开关控制命令 在综合保护执行后 分站也将产 生一命令遥控开关的事件记录 j 录波文件存储功能录波文件存储功能 当综合保护有录波数据时 分站将录波数据从保护器提出 且生成三个录波文件 hdr cfg dat 并存储在分站中 分站能 够存储 32 次的录波文件 当多于 32 次时 最早的录波文件将被 删除 k 网络交换功能网络交换功能 通过 1000M 矿用防爆 工业以太网 交换机 可构成光纤 以太环网 l 后备电源后备电源 内置后备电源 可在电网停电后 提供 3 小时的供电 3 主要特点主要特点 强大的工业级 32 位嵌入式微处理器 低功耗 无风扇 可靠 性高 通讯方式灵活