微机保护课件第1章 概述

微型机继电保护技术,第1章微机继电保护概述,授课教师：王亭岭,2/29,2020/6/12,主要内容,1.1微机继电保护及其发展1.2微机保护系统的组成1.3微机继电保护装置的特点,3/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,1.1.1继电保护及微机继电保护1.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。2.继电保护装置在系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备切除，保证其它部分正常运行；在不正常工作状态时，可动作于发出信号、减负荷或跳闸。3.微机继电保护是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。,4/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,继电保护是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以也称继电保护。基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。,5/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：(1)电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。(2)电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。,6/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,(3)电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为6085，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180+(6085)。(4)测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。,7/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。,8/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,继电保护可按以下4种方式分类：按被保护对象分类，有输电线保护和主设备保护(如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护)。按保护功能分类，有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护；后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。,9/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类，有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。按保护动作原理分类，有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、纵联保护、瓦斯保护等。,10/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,一般情况而言，整套继电保护装置由测量元件、逻辑环节和执行输出三部分组成：1.测量比较部分测量比较部分是测量通过被保护的电气元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”“非”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。2.逻辑部分逻辑部分使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是应该使断路器跳闸、发出信号或是否动作及是否延时等，并将对应的指令传给执行输出部分。3.执行输出部分执行输出部分根据逻辑传过来的指令，最后完成保护装置所承担的任务。如在故障时动作于跳闸，不正常运行时发出信号，而在正常运行时不动作等。,11/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,发展历程：继电保护是随着电力系统的发展而发展起来的。20世纪初随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统的保护，这时期是继电保护技术发展的开端。最早的继电保护装置是熔断器。从20世纪50年代到90年代末，在40余年的时间里，继电保护完成了发展的4个阶段，即从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置、到集成电路继电保护装置、再到微机继电保护装置。随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，人工智能技术如人工神经网络、遗传算法、进化规模、模糊逻辑等相继在继电保护领域的研究应用，继电保护技术向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展。,12/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,研究现状：随着电力系统容量日益增大，范围越来越广，仅设置系统各元件的继电保护装置，远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统全局出发，研究故障元件被相应继电保护装置的动作切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复其正常运行等。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减到最短。此外，机、炉、电任一部分的故障均影响电能的安全生产，特别是大机组和大电力系统的相互影响和协调正成为电能安全生产的重大课题。因此，系统的继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉等设备的承变能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护，还应研究、推广故障预测技术。,13/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,发展趋势：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，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，随着计算机技术的飞速发展以及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。,14/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,1计算机化随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台pc机的功能。继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚需进行具体深入的研究。,15/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,2网络化计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用主要是切除故障元件，缩小事故影响范围。因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，还要保证全系统的安全稳定运行。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，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。,16/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,3智能化随着智能电网的发展，分布式发电、交互式供电模式对继电保护提出了更高要求，另一方面通信和信息技术的长足发展，数字化技术及应用在各行各业的日益普及也为探索新的保护原理提供了条件，智能电网中可利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控，然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后对数据进行分析。利用这些信息可对运行状况进行监测，实现对保护功能和保护定值的远程动态监控和修正。另外，对保护装置而言，保护功能除了需要本保护对象的运行信息外，还需要相关联的其它设备的运行信息。一方面保证故障的准确实时识别，另一方面保证在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。,17/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,保护、控制、测量、数据通信一体化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、测量、数据通信一体化。,18/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,1.1.2微机继电保护的发展现状1.国外微机保护发展简况:20世纪70年代输电线路的计算机保护装置问世，是世界上第一套较完整的计算机保护装置。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，在电力系统中广泛应用。c.20世纪90年代中期，微机保护采用多CPU结构和数字信号处理器，可完成复杂的信号处理功能及独立的继电保护功能。保护性能与装置可靠性提高。,19/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,英国剑桥大学的P.G.Mclaran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SamplingTechniquesappliedtoderivationLetter的文章。,澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison预测了输电线路计算机控制的前景。,美国西屋公司的G.D.Rockefeller发表年了利用数字计算机实现的故障保护的文章。,1965年：,1967年：,1969年：,20/29,1.1微机继电保护及其发展,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。,日本投入了一套以微处理机为硬件的控制与继电保护装置，全部代替了原有保护，大大减少了控制室的占地面积，并于1980年发表了试运行的结果。,国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研究班，对70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流。到80年代中期计算机保护在电力系统中获得广泛应用。,1972年：,1977年：,1979年：,21/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,2.国内微机保护发展简况:,1984年4月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP1型微机线路保护装置。并在河北马头电厂投入试运行。这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。1986年，全国第一台微机高压线路保护装置研制成功，并在辽宁省辽阳供电局投入运行。,22/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,2.国内微机保护发展简况:我国微机保护的发展从硬件上看，分为三个阶段：a.以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置，其主要特点为：1）采用8位微处理器MC6909CPU构成硬件系统。2）数据、地址、控制总线须引出插件外部。3）数据采集系统采用逐次逼近式A/D芯片构成。4）存储器的容量较小。5）保护的程序和定值都存在EPROM中，定值的修改十分不便。6）仅有软件时钟，当直流电源消失后，时钟停止运行，直流电源恢复后须重新校时。无接受GPS的接口。7）不具备数据远传功能。8）所有保护功能均由一个CPU处理，可靠性低。9）代表产品为WXB01型微机保护装置。,23/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,通用微机体系结构：硬件系统的五大部分加上电源，通过系统总线有机地连在一起。系统总线是各个部件之间传输信息的公共通道。一般有三组总线：地址总线、数据总线和控制总线。典型的微机系统总线结构如下图所示。典型的微机系统总线结构,24/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,2.国内微机保护发展简况:我国微机保护的发展从硬件上看，分为三个阶段：b.以多个8位单片机组成的多微机系统，其主要特点为：1）硬件为五个8位单片机组成的多微机系统。2）数据、地址、控制总线不引出插件。3）数据采集系统为VFC（电压频率转换器）系统。4）保护装置的定值存在EEPROM中，定值修改十分方便。5）设有硬件时钟电路，装置直流电源消失后，依靠备用电池可使时钟继续运行。6）设计了与上位机通信的串行接口电路。7）具有液晶显示电路。调试方便。8）保护功能分散在各CPU中，可靠性高。9）代表产品为WXB11微机保护装置。,25/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,2.国内微机保护发展简况:我国微机保护的发展从硬件上看，分为三个阶段：c.以多个16位单片机组成的多微机系统，其主要特点为：,1）硬件是以16位单片机构成的多微机系统。（80C196KB、M77）。2）以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统，可以做到总线不引出芯片。,3）保护装置的硬件设计除了有硬件时钟外，装置还具备接受GPS全球定位系统的秒脉冲的接口。,4）数据采集系统为VFC方式，最高转换频率为4MHZ。（VFC110）,5）时钟芯片和EEPROM芯片均为串行方式。,6）具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中。,7）具有友好的人机接口界面。,8）采用多层印刷电路板和表贴技术，增强了抗干扰能力。,9）保护装置具备录波功能。,26/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,1.1.3微机继电保护的发展动态1.高速数据处理芯片的更新应用我国微机保护装置硬件设计经历了从8位、16位、32位微处理器的发展阶段。研制出以32位数字信号处理器为硬件基础的保护、控制、测量、一体化的微机保护综合控制装置。高性能32位单片机片内集成了各种通用硬件，无需使用片外总线扩展存储器，I/O端口等。专用数字信号处理器DSP的应用，极大缩短了数字滤波、滤序和傅里叶算法的计算时间。,27/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,冯诺依曼结构采用单存储空间，即程序指令和数据共用一个存储空间，使用单一的地址和数据总线，取指令和取操作数都是通过一条总线分时进行。微处理器的哈佛结构采用双存储空间，程序存储器和数据存储器分开，有各自独立的程序总线和数据总线，可独立编址和独立访问，可对程序和数据进行独立传输，使取指令操作、指令执行操作、数据吞吐并行完成，大大地提高了数据处理能力和指令的执行速度，非常适合于实时的数字信号处理。,28/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,29/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,外部管理数据总线,外部管理地址总线,数据总线,数据地址总线,程序数据总线,程序地址总线,外部管理数据总线,外部管理地址总线,数据总线,数据地址总线,程序数据总线,程序地址总线,30/29,2020/6/12,1.1微机继电保护及其发展,2.微机保护的网络化全系统主要设备的保护装置与计算机网络连接，即微机保护装置的网络化。全球卫星定位系统和光纤通信技术对网络化的微机保护装置实现同步矢量测量提供了条件。3.继电保护的智能化出现了人工神经网络、模糊理论来实现故障类型的判别、故障距离的确定、方向保护、主设备保护等新方法，可提高故障判断精确度，使传统算法难以识别的问题得到解决。4.广域继电保护的研究广域保护利用广域信息改进和提高传统继电保护的性能。,31/29,2020/6/12,1.2微机保护系统的组成,微机继电保护系统由硬件系统和软件系统组成。1.硬件系统：图1.1硬件原理框图2.软件系统：实现继