2493995045一种新型高压线路微机保护的总体设计方案

1、摘 要高压输电线路是电力系统中最重要的电气元件，线路保护性能对电力系统的安全稳定运行有着十分重要的影响。近年来，随着我国高压电网建设的快速发展，电网自动化水平的不断提高，对高压线路保护性能提出了新的更高要求。与此同时，计算机技术的进步，特别是高性能dsp芯片的出现和应用，使得微机保护硬件平台资源更丰富，计算速度更快，为保护的功能完善提供了良好的硬件支持。因此，利用线路保护原理研究的新成果，以高性能硬件平台为基础，研究和开发性能更好的高压线路微机保护具有重要的理论和现实意义。论文首先对微机线路保护的发展历史和研究现状以及新进展进行了综述和分析，在此基础上，根据高压线路保护的运行特点和应用要求，提

2、出了一种新型高压线路微机保护的总体设计方案。文中系统介绍了总体方案的设计原则和保护装置的功能配置，并对保护系统的硬件结构和主要插件的设计特点进行了说明。保护原理是保护系统研究与开发的核心和基础。在保护方案设计中，借鉴和应用了近年来在保护原理研究中的新成果，主要包括基于序补偿电压模值比较的方向元件、三相电流综合突变量启动元件、新型故障选相元件等。文中对装置中采用的主要保护原理进行了介绍和分析。关键词：线路保护，方向纵联保护，距离保护，软件设计。abstaracthv transmission lines are the most important electric components in

3、electric powersystem,so the performance of line protection has great influence on the security andstability of power system.in recent years,with the hv electric networks developing and the degree of automation of electric networks improving,the higher and newer performance of protective relaying for

4、 hv transmission lines are requested.at the same time,with the progresses of computer,especially with the applications of dsp,the hardware resource of microprocessor protection get richer and the computing speed turn faster,which provides the powerful support for the improvement of the microprocesso

5、r protection functions.it is of great theoretical and practical significance to develop more advanced microprocessor based protective relaying set for hv transmission line based on the new theory of line protection.at first this thesis introduced the history and new directions of microprocessor base

6、d protective relaying for transmission lines.then the project design of protection is put forward according to the needs of hv transmission line.in this thesis,the design principles，the function settings，the hardware structure and the plug-ins designcharacteristic of the protection device are introd

7、uced.the software design is important work during the research of the device.compared to conventional software design based on flow chart,the protection software is developed based on relay function module,which leads to the separation of time sequence and logic.目 录摘 要. .1abstaract .2目 录. 31绪论. 51.2

8、输电线路微机保护的发展历史. 51.3输电线路微机保护的研究现状与新进展.61.4论文的主要工作和章节安排.82保护装置的总体设计方案与功能配置.92.1保护总体方案设计依据.92.2保护装置的功能配置.112.3装置的硬件结构与设计.132.4本章小结.163高压输电线路微机保护主要元件的基本原理.173.1方向纵联元件.173.2启动元件.203.3距离元件.233.4零序方向过流元件.283.5过流元件.293.7振荡闭锁元件.373.8重合闸及后加速.403.9其他的辅助功能.413.10本章小结.434距离保护程序的软件结构与设计.454.1引言.454.2基于继电器功能模块的软件设

9、计方法.454.3本章小结.465 全文总结. .47参考文献.491 绪 论本章在简述了高压输电线路继电保护发展历史的基础上，介绍了国内外高压输电线路继电保护的发展现状，综述了近年来高压输电线路微机保护技术的新进展，并讨论了今后的发展方向，最后对论文的主要工作和章节安排进行了说明。1.1引言输电线路保护作为保证电网运行安全的主要自动控制设备，其性能的改善和提高一直受到科研和运行部门的高度重视。近十多年以来，随着计算机技术的不断进步，特别是微机技术的成熟与应用，高压输电线路保护已由传统的电磁式保护、晶体管保护，集成电路保护进入到微机保护时代，成为继电保护系统发展的主要方向。微机继电保护技术的发

10、展与应用是近三十年来继电保护领域取得的最显著的成果。经过长期的研究和实践，现在人们已普遍认可了微机保护在高压、超高压电网保护中无可替代的优势。迄今，在国内广大科研工作者、制造商和运行部门工作人员的共同努力下，我国在高压、超高压电网微机保护装置的研究和应用中取得了骄人的成就，为我国的电网安全运行提供了有力的保障。1984年我国第一套微机距离保护通过鉴定，投入试运行。进入上世纪九十年代后，微处理机芯片的成熟和推广，极大加快了我国微机线路保护研究和应用的步伐，不断有新的保护产品推出。具有代表性的产品有北京四方公司的wxb-11型微机高压线路保护装置，其后的南瑞继电保护公司研制的lfp-900系列微机

11、成套保护装置以及国电南自公司推出的powerstar系列线路微机保护等。这些微机保护装置在电力系统的推广应用，极大的提高了我国电网继电保护系统的运行水平。近年来，随着我国国民经济的快速发展，电力建设的步伐也在不断加快。西电东送、南北互供、全国联网的格局正逐步形成。高压和超高压电网规模的不断扩大，网络结构日趋复杂，电网运行安全问题日益突出，对继电保护的性能提出了新的更高要求。与此同时，线路保护新原理研究的不断深入，运行经验的不断积累，以及计算机2技术的快速发展，使得研制开发功能更加完善、智能化水平更高的新型微机高压线路保护成为可能。因此，利用线路保护原理研究的新成果，以高性能硬件平台为基础，研究

12、和开发性能更好的高压线路微机保护是当前一项具有重要理论和现实意义的研究课题。1.2输电线路微机保护的发展历史自1901年第一代机电型感应式过电流继电器在电力系统应用以来，继电保护技术的发展已历经一个多世纪。随着人们认识的不断深入，不同的保护原理相继提出，如差动保护（1908年）、方向电流保护（1910年）、距离保护（1923年）、高频保护（1927年）等。在继电保护原理研究不断取得进展的同时，继电保护装置的实现技术也发生了重大的变革，经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微处理机式等不同的发展阶段。计算机在继电保护领域里的应用是继电保护发展史上一个重要的里程碑。微机继电保护的研究始于上个

13、世纪六十年代1。1965年初，英国剑桥大学的p.g.mclaren等提出利用采样技术实现输电线路的距离保护2。随后，澳大利亚新南威尔士大学的i.f.morrison等学者对计算机技术在保护和变电站控制领域的应用问题进行了探讨，并对相关保护算法进行了理论研究34。1969年前后，美国西屋公司的g.d.rockefeller等开始进行具体装置的研制56，并于1972年发表该装置的试运行样机的原理结构与现场实验结果。但自从六十年代计算机保护概念提出开始，到七十年代末，由于受当时计算机技术水平和价格的限制，计算机继电保护的研究重点主要是不同保护原理的实现方式和算法，除少量的试验装置外，计算机保护没有在

14、电力系统中得到广泛采用。随着计算机技术的不断进步，特别是微处理器技术的成熟和应用，极大地推动了计算机保护技术的发展。20世纪80年代，以微处理器为核心的微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟，微机保护开始在工业发达国家中得到推广应用。我国对微机保护的研究从20世纪70年代末开始。虽然起步相对较晚，但由于受到科研和运行部门的高度重视，因此，无论是在理论研究，还是在实现技术研究方面均得到了快速发展。1984年上半年，华北电力学院研制的第一套以6089(cpu)为基础3的保护样机投入运行。标志着我国继电保护的开发进入了重要的发展阶段。进入20世纪90年代以后，微机型保护在我国已得到大量应用，成为了

15、继电保护装置的主要形式。微机型保护具有强大的数字计算和逻辑判断能力以及优良的信息记忆能力，为传统保护原理的改善以及新原理的应用提供了良好硬件支持。此外，微机型保护易于实现较完善的硬件自检和软件自检功能，有助于提高其抗干扰能力和运行的稳定性。随着计算机技术、网络通讯技术的飞速发展，微机保护的智能化水平不断提高，故障录波、事件记录、故障测距以及数据通讯等辅助功能也得以在保护中实现，这极大地简化了保护的运行维护管理，同时也为事故分析和事故后的处理提供了极大方便。由于微机型保护装置具有的巨大优越性和潜力，因而已取代传统的模拟式保护，成为继电保护的主流形式17。1.3 输电线路微机保护的发展趋势微机继电

16、保护是一门综合性学科，并随着相关学科领域的不断进步而发展。新的保护原理将被不断地应用到计算机继电保护中，特别是故障暂态信息的挖掘和应用，人工智能技术和网络信息技术的应用受到了广泛的关注，并呈现出良好的应用前景。(1) 故障暂态信息的应用继电保护的任务就是检测故障信息、识别故障信号，并由此决定保护的动作行为。因此，故障信息的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础，不断发掘和利用故障信息对继电保护的进一步发展有着十分重要的意义20。基于故障分量的继电保护原理的研究和应用在继电保护技术的发展历程中一直占用重要地位。在模拟式保护中，以故障分量为基础的零序电流保护、负序电流保护以及差动电流保护得到了广

17、泛使用，并取得了良好的运行效果。在微机保护中，由于计算机具有的数据计算和存储能力，使得故障分量的获取更为方便，从而极大地推动了基于故障分量的保护新原理的发展。电网发生故障后，故障分量可以分解为故障暂态分量和故障稳态分量两部分。迄今，实用化的故障分量保护主要是利用故障稳态分量构成，而故障暂态分量一般作为噪声信号加以滤除。这种处理方式，虽然原理相对简单，实现技术难度低，但故障稳态分量的提取需要一定时间，限制了保护动作速度的提高。此外，故障暂态信号所包含的故障特征信息未能得到有效利用，也妨碍了保护性能的进一步改善。随着电力系统的不断发展，输电线路传输容量的不断扩大，对电力系统的安全稳定运行提出了更高

18、要求。快速保护作为提高电力系统稳定性的重要手段，其保护原理和实现技术的研究受到广泛的关注，其中，基于故障暂态分量的微机保护的研究尤其受到重视。行波保护作为故障暂态量保护的一种，在上世纪七十年代末已投入现场运行212223。其后，由于技术条件的限制以及对故障暂态分量特性认识的不足，使得暂态量保护的开发和应用未取得突出进展。近年来，随着计算机技术的快速发展，特别是高速采样技术和大容量数据存储技术的成熟，制约微机暂态量保护发展的硬件瓶颈已不复存在。在此背景下，基于故障暂态分量的微机保护的研究已成为当前继电保护研究领域的重要发展方向。利用故障暂态分量构成微机保护有不同的实现原理，具有代表性的是利用输电

19、线路两端的阻波器对暂态信号的滤波特性，来区分内、外部故障24。这种方法的突出优点是，保护动作仅基于单侧电量，无需通道，动作速度快。但在某些故障情况下，如经高阻接地故障时，保护灵敏度可能不足。此外，利用线路两端母线电容对高频暂态信号的滤波作用，通过检测高、低频故障信号的功率谱密度的差异，来判断内、外部故障，也可构成无通道全线速动保护。相关的研究也在不断深入25。(2)人工神经元网络技术的应用自上世纪80年代，人工智能技术的理论和方法取得了突破性进展，人工智能技术在继电保护领域的应用研究引起了人们的极大兴趣。人工智能就是由计算机来表示和执行人类的智能活动，如判断、识别、理解、学习、规划和问题求解等

20、。人工智能技术被广泛地应用于求解非线性问题，较之于传统方法有着不可替代的优势，迄今，国内外已开发出多种人工智能工具，包括：专家系统（es）、人工神经网络（ann）、模糊集（fs）、启发式搜索（hs）等26，相关技术在电力系统中的应用研究也逐步展开，其中人工神经元网络技术在继电保护中的应用研究受到了广泛关注。人工神经网络是一种非线性映射系统，具有很强的模式识别能力，可以对很复杂的状态或过程进行分类和识别。电力系统的继电保护涉及到许多可能发生的状态或过程，具有许多不可预知的影响因素，比如系统运行方式、故障点位置、故障类型、系统振荡、过渡电阻大小等。应用人工神经网络来构成保护或作为保护的辅助判断工具

21、，可以综合系统产生的各种信号所包含的故障信息，对实际故障情况做出更准确的判别。迄今，人工神经元网络在继电保护领域的研究涉及线路保护、元件保护以及故障选相、故障方向识别、故障定位等诸多方面2732。虽然目前取得了一些进展，但并不成熟，还有许多问题有待解决。但人工神经元网络具有的独特智能优势，为保护性能的改善和提高提供了一条新的途径。(3)信息网络技术的应用当代继电保护技术的发展，正在从传统的模拟式、数字式探索进入信息技术领域33。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，使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。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信息交互手段

22、。到目前为止，所有的继电保护装置只能利用被保护设备的一侧或多侧电气量信息、保护动作特性和定值，特别是后备保护的特性和定值大多是按预设的“最严重情况”考虑，因此，极大降低了保护在其它故障情况下的工作性能。尤其严重的是，一旦某处保护动作异常且相邻保护失去配合，或者系统发生连锁性复杂故障，可能导致整个电网保护系统的崩溃，造成全网性的重大停电事故，给国民经济和社会生活带来极大危害。为了从根本上解决上述问题，继电保护的设计与运行不应仅局限于被保护设备本身，而应从保证整个电力系统安全稳定运行的角度，构建具有全局性的“系统保护”。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

23、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。这在当前的技术条件下是完全可能的。微机保护的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。1.4论文的主要工作和章节安排论文工作主要围绕新型高压线路保护装置研制为中心展开，涉及总体方案设计、主要保护原理的分析与应用、保护系统的硬、软件开发以及装置的静态模拟试验等。论文的章节安排如下：第一章综述微机型线路保护的发展历史、研究现状以及发展趋势，介绍了课题的背景，明确了论文的主要工作。第二章从保护系统的总体

24、设计方案出发，介绍了保护功能的配置情况以及硬件结构。第三章系统地介绍了保护系统的技术方案，着重分析了保护方案中采用的各个元件的基本原理。第四章介绍了距离保护程序的软件结构与设计，重点介绍了采用基于“继电器功能模块”的软件设计思想及其具体实现技术。2保护装置的总体设计方案与功能配置本章阐述了保护总体方案设计的基本依据，以此为基础，对装置的保护功能和管理功能的配置情况进行了说明。介绍了装置的基本硬件结构和主要插件的设计特点。2.1保护总体方案设计依据在进行保护装置的总体设计方案时，需要综合考虑高压线路实际可能出现的故障情况和对保护的实际运行要求，同时应吸收以往高压线路保护的开发和运行经验，针对存在

25、的问题，加以改进和完善。2.1.1高压线路故障情况分析我国电力行业的行业标准电力系统继电保护产品动模试验，是继电保护工作者多年来现场工作经验的总结，其中所包括的线路继电保护检测项目应能代表多年来高压线路运行中遇到的基本故障形式，主要包括：1保护区内外金属性故障包括瞬时性与永久性的金属性单相接地、两相短路接地、两相相间短路、三相短路以及三相短路接地。2区内外经过渡电阻短路对高压输电线路，考虑区内外经0100的过渡电阻发生单相接地故障、025的过渡电阻（相间电弧电阻）发生两相短路接地、两相相间短路、三相短路和三相短路接地故障。3系统稳定破坏考虑因静稳破坏或动稳破坏而引起的振荡；振荡过程中再发生各种

26、区内外金属性故障。4线路空载合闸充电、合环以及手合带故障线路线路停电情况下，线路合于无穷大系统；构成环网的两平行线路，在一回线路运行的情况下，另一回线路两边先、后合闸。线路停电的情况下，分别将带各种金属性故障的线路手合于电源系统。需要考虑近端故障，中间故障以及末端故障。5ta断线考虑线路一侧ta单相断线以及断线后的区内外故障。6tv断线考虑线路一侧tv单相、三相断线保护的动作情况。7距离保护的暂态超越考虑几种典型的电源阻抗与线路阻抗比的情况下，在距离保护整定点附近发生各种金属性故障保护的动作情况。8弱馈侧故障考虑电源阻抗较大的情况下发生各种金属性故障以及经过渡电阻故障保护的动作情况。从上述行业

27、标准规定的动模试验项目看，高压线路可能发生的故障形式复杂，工况多，在保护原理选择与功能配置上，要有针对性地进行统一规划、合理配置、系统集成。2.1.2高压线路保护功能配置要求对于高压输电线路保护来说，一般采用阶段式保护，包括iii段式相间距离保护、iii段式接地距离保护、iv段式零序方向电流保护等。对于某些重要线路或特殊线路（如短线），也需考虑装设纵联保护的应用要求。因此，在微机保护方案设计中，保护功能配置应涵盖实际可能的各种应用需要，并且，各种保护功能应能根据现场的实际情况进行灵活的投退控制34。对于超高压输电线路，主保护为纵联保护，且一般采用双重化配置。阶段式距离保护和零序电流保护主要作为

28、后备保护使用，其作用相对弱化。当输电线路发生内部故障时，对阶段式保护的动作灵敏度和速动性的要求可适当降低。但对于高压输电线路，由于阶段式距离保护和零序电流保护是其主要保护形式，因此，改善和提高阶段式保护的性能具有重要作用，这也是在保护功能配置和原理选择上应注意的问题。对于距离保护，可考虑在传统距离i段的基础上，增设快速i段，以加快保护对出口严重故障的切除速度。对于高电阻接地短路这种非严重故障，由于故障电流不大，对系统的影响相对较小，此时不应过分强调保护速动性的要求，以避免保护超越误动。而需注意灵敏度的选取，防止发生特高阻接地故障时(如110kv线路经100过渡电阻单相接地)，由于保护灵敏度不足

29、而导致保护拒动。对于高压输电线路，弱馈端保护是在保护系统设计中面临的突出问题。当线路发生故障时，由于弱馈端系统正、负序阻抗较大，正、负序短路电流较小，给保护动作、故障选相等带来了非常不利的影响，需要采取措施进行特殊处理。2.1.3其它功能配置要求除保护功能外，为了便于运行人员的维护管理，保护系统还应具有良好的人机交互接口。此外，保护装置应能提供尽可能详实的故障数据记录、事件记录以及保护动作流程记录等基础信息，以满足运行现场事故分析与处理以及保护动作行为分析的需要。保护装置硬件应具有高度的可靠性，且资源丰富，为保护功能的实现以及未来功能的扩展提供良好的硬件支持。同时，应配置多样化的通讯接口，以满

30、足就地pc机调试以及与变电站综合自动化系统互连的应用要求。2.2保护装置的功能配置2.2.1保护功能配置方向纵联元件在电力系统中，某些高压输电线路在系统中承担联络线的功能，传输功率相对较大，对保障系统安全运行起着非常重要的作用，常用的阶段式保护一段不能够保护线路的全长，二、三段动作会需比较长的延时，如果线路末端发生故障且装置仅配置距离保护，必将经过一定延时才能切除故障，对系统稳定可能造成很大的影响。此外，对于短线路，受测量精度的限制，距离元件保护范围将缩短，其动作性能将明显下降。为了高压线路保护的不同应用要求，装置配备了全线速断保护方向纵联保护4546。方向纵联保护是根据线路两侧

31、的方向元件对故障方向的识别结果，进行比较判断后决定是否跳闸。为了提高方向纵联保护的性能，采用了基于序补偿电压模值比较方式构成的新型方向元件。距离元件除三段式距离保护外，增设了突变量距离i段。突变量距离元件的设立，是为了给整个保护装置提供快速动作的保护元件，以加速切除诸如出口性短路等类型的严重故障。它仅作用于故障发生后的初始时间段内(一般作用时间是故障起始至在故障发生后40ms时间内)。之所以选择突变量距离元件作为快速保护元件，是基于如下考虑：1该元件灵敏度高，耐受过渡电阻能力有所增大，且由于采用故障分量，不受负荷电流的影响。2采用比幅式动作方程实现保护功能，便于在微机保护中采用快

32、速算法。3在系统中有成熟的运行经验，易于现场接受。接地短路时由于各种因素的影响，可能会存在较大的过渡电阻，如何尽量减少过渡电阻对保护动作性能的影响是装置必须考虑的问题。为此，将三段式距离元件分为相间距离元件和接地距离元件。对于三相短路、两相短路、两相接地短路等都采用相间距离元件，利用故障相电流、电压差进行阻抗测量，以消除两相接地短路时，对地过渡电阻的影响。对于单相接地故障，采用接地距离元件进行保护。由于相间测量阻抗不反映对地电阻，只需考虑较小弧光电阻的影响，而单相接地短路时可能存在较大的接地电阻。为保证距离继电器正确动作，对相间距离元件和接地距离元件，必须考虑不同大小过渡电阻的影响。相间距离元

33、件选用的是圆特性阻抗继电器，而接地距离元件采用耐过渡电阻能力很强的四边形特性阻抗继电器。四边形的接地距离元件和圆特性的相间距离元件动作特性分别如图2.1和图2.2。当手合和重合时，为保证出口故障时装置能可靠动作，且考虑到手合或者重合故障多为本线故障，此时四边形特性和圆特性距离继电器自动切换成带有一定的偏移特性。 图2.1接地距离继电器特性图 2.2相间距离继电器特性零序过流元件零序电流保护简单、快速、灵敏度高，可作为接地故障的主要保护形式。装置还配置了vi段式的零序过流保护，分别为不灵敏零序段、零序段、零序段、零序段、零序段，各段是否带方向都可以经控制字整定。不灵敏段是按照躲过非

34、全相运行时的最大零序电流来整定，对于高压输电线路，不灵敏段可以加快手合或重合接地故障时零序电流保护的动作速度。零序段主要用于反应高阻接地故障。由于其灵敏度高，整定值低，为提高保护动作的安全性，可采用较长延时。为满足运行现场的不同应用要求，还配置有反时限零序电流保护，供用户选择。过流元件当tv断线时，装置必须退出所有与电压量有关的保护。由于高压线路保护一般不采用双重化配置，为了保证tv断线时，线路不失去保护。增设了不带方向的零序过流保护以及相过流保护。上述两种保护在tv断线后，投入使用。其它功能配置为保证线路发生瞬间故障后，能够恢复正常供电，装置配备有三相一次重合闸功

35、能。可以根据控制字选择是否投入、选择检无压或检同期或不检等不同重合方式。此外，保护还设置有后加速功能，保证手合或者重合闸后再次故障能够快速切除。加速方式可根据需要灵活选择，阻抗保护可选择瞬时加速阻抗段、瞬时加速阻抗段、经1.5s加速阻抗段，零序保护可以瞬时加速零序段、瞬时加速零序段。为保证距离保护在振荡期间不发生误动，装置设置有振荡闭锁功能。为了加快系统振荡期间发生故障时保护的动作速度，装置设置了振荡解闭元件，包括对称故障开放元件和不对称故障开放元件。装置还具有ta、tv断线检测功能。如果检测到tv、ta断线，将闭锁相关的保护元件，并给出告警信号。此外，保护装置还具有较完善的硬件自检功能，一旦

36、发现装置异常，将根据具体故障情况，给出异常告警或闭锁保护装置。为便于事故分析和保护动作行为分析，设置有较详细的故障数据记录、事件记录以及保护动作逻辑记录等。2.2.2运行管理功能配置管理模件是微机型保护系统与使用者之间的信息桥梁，它一方面接受使用者输入的整定值和控制命令，以执行对保护系统的人工操作、调试以及数据信息获取；另一方面则通过内部通讯对保护系统的工作情况及系统本身状态进行实时监测并能通过指示灯和人机界面及时反映故障讯号。为了更好地满足现场运行维护管理的要求，设置有如下主要管理功能： 系统设置：完成装置主要运行参数的设置，包括系统时间、密码、通讯接口参数、cpu选择等； 定值管理：包括定

37、值查询、定值打印、定值修改、定值区调整等。由于保护装置涉及的定值数较多，为便于管理，根据定值的应用特点采用了分类管理模式。保护定值主要分为三种基本类型，即厂家定值、i类用户定值和ii类用户定值。厂家定值不对用户开放，主要包括与保护装置硬件相关的参数以及保护内部使用的一些控制 参数；i类用户定值指保护对象的系统参数，如电压/电流一二次额定值，线路长度、单位长度正序/零序阻抗/容抗等定值；ii类用户定值为保护软件中各类判据的整定值。此外，软压板投退状态及系统运行方式亦属于定值范围。使用人员可分区域查询定值列表，列表的显示内容由内部通讯从下层系统即时获得；为了保证定值的安全性，修改定值需要输入密码确

38、认。 报告管理：报告管理主要包括启动报告（启动/未发跳闸令）、故障报告（启动/发跳闸令）以及事件报告等。各种报告分类管理，并可根据需要选择上传。 状态监测：可在线检测线路当前的主要运行参数以及各开关量工作状态； 调试管理：包括模拟量通道调试、开入量通道调试以及开出通道调试等。当进入 调试管理时，将自动闭锁所有保护功能，以防止装置调试引起的保护误动。2.3装置的硬件结构与设计2.3.1装置的基本硬件结构根据保护装置总体设计方案的功能特点，在硬件系统设计中采用了分层、多cpu并行工作的结构模式。保护装置采用了两个独立的数字信号处理器（dsp）插件构成保护单元。两个dsp插件硬件结构完全相同，公用模

39、拟量和开关量输入信号，其启动元件接点串连于跳闸插件的电源回路，只有当两块dsp插件均发出启动跳闸信号时，装置才能对外给出跳闸接点信号。采用这种方式，可有效防止dsp硬件故障导致保护误跳闸。每块dsp插件配置有相同的保护程序，可独立完成ad转换、数据处理、保护启动、故障判断、逻辑出口等功能。装置人机交互以及对外通讯通过管理单元插件完成。管理单元与保护单元之间仅通过串口通讯方式互连，且管理单元故障不影响保护单元的正常工作。这种分层式结构有助于提高保护单元工作的可靠性。除保护单元插件和管理单元插件外，装置还包含有交流输入插件、信号板插件、跳闸板插件、电源插件以及母线电压切换插件等辅助插件。整个装置采

40、用6u的背插式结构，各插件之间通过母板上的at96总线实现互连，实现强弱电的分开，有效增强了系统的抗干扰性能，提高了保护的可靠性。装置的机箱结构如图2.3所示。跳闸板插件信号板插件电源管理板插件dsp板1dsp板2交流输入插件电压切换箱图2.3机箱结构框图2.3.2主要插件的选型与设计1保护单元插件（dsp板）保护单元插件是微机型保护系统的核心，主要实现装置的保护功能。微处理器的性能直接决定了保护装置的性能，在充分考虑电力系统应用领域的特殊要求和当前工控机发展趋势的基础上，保护装置选用了ktdsp5081型号的dsp板构成保护单元。该板具有结构紧凑、资源丰富、扩展性好、抗干扰能力强及运行可靠等

41、优点，可较好满足高压保护的开发应用要求。ktdsp5081是一块专用智能型dsp板，cpu采用ti公司的tms320vc33数字信号处理器，板上带有32路16位模拟量输入通道，24路开关量输入以及30路开关量输出；34k×32位的高速片内ram存储器和256k×32位的片外高速ram存储器；128k×8位的只读存储器eprom，用于存放保护程序，16k×8位字节的串行eeprom，用于存放定值，1m×8位的带电保持nvram存储器，用于存放故障报告和事件记录等。板内各类存储器、定时器、串口、中断等所有硬件资源按照存储器访问方式统一进行编址。为便

42、于调试和与管理板进行数据交互，dsp板配置有rs232、rs422/485串口。2管理单元插件17管理单元是微机型保护系统与使用者之间的信息桥梁，它一方面接受使用者输入的整定值和控制命令，以执行对保护系统的人工操作、调试以及数据信息获取；另一方面则通过内部通讯对保护系统的工作情况及系统本身状态进行实时监测并能通过指示灯和人机界面及时反映故障讯号。考虑扩展性和可靠性的缘故，管理板插件的处理核心选用的是美国z-world公司和rabbit半导体公司合作的产品rcm2200。rcm2200模块采用了rabbit 2000微处理器，具有256k的flash及128k的sram，4个串口，26个i/o口

43、。在rcm2200模块的基础上，配置有汉化的液晶显示器、九键的操作面板、时钟芯片、多样化的通讯接口，使管理板功能强大，操作简单方便。管理板插件对内完成与dsp插件的通信管理，对外实现dsp插件主要数据显示以及外部通信功能，主要功能包括通过485总线与两块dsp板进行通信，接受现场运行人员或远程控制终端发出的控制命令，实现对保护装置的操作、调试以及数据信息获取，对保护装置工作状态以及对保护对象进行实时监测，控制液晶模块的界面显示等。基本硬件结构如图2.4所示。图2.4管理板的功能3交流输入插件保护装置的交流输入插件主要用于对输入模拟量信号的隔离、变换。通过电压、电流变换器将电压互感器提供的二次电

44、压，电流互感器提供的二次电流进一步变换，以适应弱电元件的要求；同时，输入变换器还担负着在二次回路与继电保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽的作用，以保障人身及保护装置内部弱电元件的安全，减少来自高压设备对弱电元件的干扰7。针对微机型线路保护的需要，模拟量输入接口部件提供了三相电压、零序电压、线路电压共5个电压信号变换通道和保护用三相电流、测量用三相电流共6个电流信号变换通道。4信号板插件信号板插件为继电保护装置输入输出的开关量提供带隔离的传输通道，同时用于驱动相关的信号继电器和指示灯。为了提高装置的抗干扰能力以及便于与外部开关量输入信号互连，所有的外部开关量输入信号不直接接入保护单元，而

45、首先通过信号板进行光电隔离，经过隔离后的信号提供给保护单元插件。由保护单元给出的各类告警信号接入信号板插件，驱动相应的信号继电器动作。信号继电器的一对常开接点用于控制面板信号灯，另一对常开接点作为接点信号输出。此外，信号板上还安装有两个启动继电器，由两块保护单元插件分别控制，两个启动继电器的常开接点串接于跳闸板插件的24v电源回路，用于开放跳闸电源，以实现两块保护单元的互闭功能。5其他插件跳闸插件是一组中间继电器，它的功能是接受dsp板的一部分开出信号，通过相应的中间继电器驱动断路器跳闸线圈，完成跳闸操作。电源插件用于为微机保护装置提供正常工作所需的各类电压源。电源插件输入电压为交直流两用22

46、0v，输出电压为5v、+15v、-15v、+24v供保护装置使用。母线电压切换插件主要用于当线路所接母线进行倒换操作后，自动对输入装置的电压信号进行切换。此外，保护装置的液晶模块、键盘以及打印机口作为人机接口的组成部分均安装在面板上以方便操作，由管理板插件通过保护装置母板上的at96总线对其进行控制。2.4本章小结本章介绍了保护系统的总体设计方案以及装置的基本硬件结构和特点。保护方案功能配置齐全，可较好满足高压线路保护的应用要求。装置硬件平台采用分层、多cpu并行工作模式，运行可靠性高，适应性强。保护单元以数字信号处理器为核心构成，计算速度快，存储容量大，可为保护功能的实现提供良好的硬件支持。

47、管理和通讯功能由单独的管理模件完成，资源丰富，便于功能扩展。3高压输电线路微机保护主要元件的基本原理为适应高压输电线路运行的需要，装置配备了多种原理的保护，本章主要介绍了高压线路保护装置的各保护功能模块的方案原理。3.1方向纵联元件在某些特殊应用场合，高压输电线路要求保护全线速动，为此，装置配备了方向纵联保护作为全线速动保护。方向纵联保护是由线路两侧的方向元件分别对故障的方向做出判断，然后对两侧的故障方向判别结果进行比较以决定是否跳闸。为了改善方向纵联保护的性能，采用了基于序补偿电压模值比较的新型故障方向识别元件来构成方向纵联保护。序补偿电压方向元件包括正序突变量方向元件、负序方向元件和零序方向元件。3.1.1基于补偿电压的正序突变量方向元件基于补偿电压的正序突变量方向元件是利用正、反方向故障时正序补偿电压突变量与母线正序电压突变量之间的幅值变化来判断故障方向11。正序突变量在各种故障情况下都存在，具有一定抗振荡的能力，这种方向