智能变电站保护与监控技术

1、变电站保护与监控技术（任课教师：穆大庆）§0继电保护原理知识综述§0-1中、低压线路的阶段式电流保护阶段式电流保护属于单端测量的过量保护，用于35kV及以下输电线路。由于35kV及以下电网为中性点非直接接地电网，因此电网中不存在单相接地短路，故阶段式电流保护仅作为反映线路相间短路的保护。注释：单端测量保护：由被保护元件一端所测电气量的情况来决定保护动作与否。双端测量保护：由被保护元件两端所测电气量的关系来决定保护动作与否。过量保护：反映所测电气量上升而动作的保护。低量保护：反映所测电气量下降而动作的保护。1、电流I段保护（电流速断保护）瞬时动作的电流保护。(1) 短路特性分

2、析：三相短路时d(3),流过电源到短路点间线路的短路电流：I(3)d =（Zs：等效电源的内阻抗；Zd：等效电源接入点到短路点之间的线路阻抗）Zd(l)Id（可见某设备保护所测短路电流的大小反映了故障点距该保护的远近）max为最大情况：最大运行方式下（即系统内阻抗Zs为最下的运行方式），三相短路。min为最小情况：最小运行方式下（即系统内阻抗Zs为最大的运行方式），两相短路。（某点两相短路电流与该点三相短路电流的关系：I(2)d=I(3)d=0.866I(3)d )(2)电流I段动作电流（动作边界）整定原则：按躲开下一条线路出口（始端）短路时流过本保护的最大短路电流来整定（以保证选择性）。II

3、dz.1= KkI·I(3) ； IIdz.2 = KkI·I(3)d.C.max （可靠系数KkI= 1.21.3）(3) 电流I段保护的主要优缺点主要优点：动作迅速； 主要缺点：不能保护本线路全长。（电流I段作为线路主保护的一部分）2、电流II段保护（限时电流速断保护）以较小的动作时限切除本线路全线范围内故障的电流保护。(1) 电流II段动作电流的整定保护范围延伸到下一条线路，但不超出下一条线路电流I段保护范围的末端。即躲开下条线路电流I段保护范围末端短路时（即流过下条线路的短路电流刚好为其电流I段保护整定值时），流过本保护的最大短路电流。即：本线路电流II段保护与下条

4、线路的电流I段保护配合。IIIdz.1= KkII·IIdz.2= KkII·KkI·I(3)d.C.max；IIIdz.2= KkII·IIdz.3= KkII·KkI·I(3)d.D.max可靠系数KkII = 1.11.2 （Id中非周期分量已衰减，故比KkI稍小）(2) 电流II段动作时限的选择为保证下条线路出口附近（即本线路电流II段保护与下条线路电流I段保护在下条线路首端附近形成的保护范围重叠区）发生故障时的动作选择性，动作时限按下式配合：tII1 = tI2 + DtDt（时阶Dt：0.3s0.5s，微机保护一般取0.3

5、s）(3) 电流II段保护的特点可保护本线路全长，但保护的动作具有一定的小延时（不能瞬时动作） 。（电流II段作为线路主保护的另一部分，即作为电流I段的补充）3、电流III段保护（定时限过流保护）主要作为后备保护：当由于干扰或短路点的过渡电阻等因素导致实际短路电流偏低而使电流I、II段拒动时，由该保护动作来切除故障。作为后备保护，对灵敏度要求高。灵敏度：一般用灵敏系数Klm来衡量，对电流保护：Klm =。可见保护的动作电流灵敏度(1) 电流III段动作电流的整定原则基本原则：按躲开流过本保护的最大负荷电流来整定：IIIIdz > Ifh.maxIIIIdz.1=KkIIII （可靠系数K

6、kIII取：1.151.25）由于负荷电流一般远小于短路电流，因此该保护整定值小，灵敏度高。（实际整定时，还要求本线路的III段保护范围不超出下条线路III段的保护范围：即：IIIIdz.1=KphIIIIIIIdz.2，配合系数KphIII取1.1）(2) 按选择性要求确定电流III段动作时限为保证各级线路电流III段保护动作的选择性，电流III段动作时限按“阶梯原则”整定。tIII1 =Max tIII2, tIII3, tIII4 + Dt(3) 电流III段的主要优缺点主要优点：灵敏度较高。主要缺点：保护的动作时限一般较长（越靠近电源的线路上发生故障时，此时短路电流Id越大,但电流II

7、I段保护的动作时限反而越长）。电流III段保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以作为主保护。4、多电源网的方向性电流保护(1) 方向性问题的提出（以双侧电源电网为例）E1单独供电：由保护1、3、5起线路保护作用E2单独供电：由保护6、4、2起线路保护作用E1、E2同时供电：（以B母线两侧保护2,3为例）d1点短路时，要求：2动作，3不动。 假设： 电流I段： IIdz.3 > IIdz.2电流III段：tIII3 >tIII2d1点短路时，要求：2动作，3不动。虽然此时可能满足选择性（3不误动）， 但若出现d2点短路，则：2误动 非选择性动作。规定保护正方向：保护安装处母线 被保

8、护线路分析可知：被保护线路正方向短路时保护不会出现误动，但在反方向短路时，由对侧电源供给的短路电流可能造成该保护误动作。此时的功率方向：线路 母线为防止保护误动,增设功率方向闭锁元件GJ(装于误动保护上)正方向（母线线路）：GJ动作启动保护短路点位于 反方向（线路母线）：GJ不动闭锁保护增设GJ后,双侧电源网可以按单侧电源网的三段电流保护进行配合(2) 电流保护中GJ对于故障所在方向的判别方法及其接线方式GJ是通过其所测电压和电流的相位关系（即超前的角度J）来判别故障所在方向。考虑到正方向故障时，由于干扰、测量误差、不同故障类型等因素的影响，和的相位关系J有可能存在一定的变化，因此GJ往往设计

9、成当所测角度在某半个相位平面时动作，在另外半个相位平面时不动作。方向元件GJ的动作条件为：-90°<arg<90° 或写成： -90°<<90°（lm：GJ的最灵敏角，由于调整GJ的动作边界，其值由用户整定）实际系统为三相系统，GJ所采用的接线方式为：通过对90°接线方式的工作情况分析可得如下结论：在线路正方向各种相间故障情况下，故障相GJ的J是在以-(90°-d)为中心左右偏离不超过30°的范围内，而反方向各种相间故障时，故障相GJ的J是在以180°-(90°-d)为中心左右偏离

10、不超过30°的范围内。（相量平面） （角度J平面）为使正方向各种相间故障时GJ都能正确动作，GJ最灵敏角lm因尽量选：-(90°-d)§0-2小电流接地配电网单相接地特点及相应保护方式一、中性点接地方式1、系统中性点接地方式 2、单相接地故障时，不同中性点接地方式的特点 (1) 中性点不接地系统 无短路回路，无Id，只有经等效对地C形成的大容抗回路，故障点只有较小的IC，允许系统继续运行12h，保护不需跳闸，因此供电可靠性相对较高。 故障相对地电压降低，但非故障相对地电压升高（若为金属性接地故障，非故障相对地电压将由正常时的相电压升高为线电压），因此对系统中设备的

11、对地绝缘要求高。 * 接地相对地电压降低（金属性接地则降为0），非接地相对地电压降升高（金属性稳定接地则升高为倍相电压）* 非故障线路所测零序电流为本身的对地电容电流，方向为母线线路。* 故障线路所测零序电流为总电容电流减去本身的对地电容电流（即其他非故障设备对地电容电流的总和，方向为线路母线。（可采用零序电流大小或零序功率方向来进行接地故障选线）(2) 中性点直接接地系统 有短路回路，有很大的Id，不允许系统继续运行，保护必须立即切除故障，供电可靠性相对较低。 由于中性点对地电压被钳制为0，则各相对地电压不会超过相电压（或超过不多），因此系统中设备的对地绝缘要求不高。3、不同中性点接地方式的

12、应用特点 由于110kV以上系统，其设备费用将随着对地绝缘要求的提高而大幅增加，因此我国规定110kV以下系统采用中性点非直接接地系统（例如不接地系统）；110kV及以上系统采用中性点直接接地系统（其供电可靠性可通过其他措施来保证，例如采用双回线供电、环网供电等）。二、中性点不接地配电网单相接地的问题及采取的措施1、问题中性点不接地系统发生出现几率较高的单相间歇性电弧接地故障（非稳定性接地）时，尤其是当系统对地电容较大（如电缆线路）使得故障点对地间歇性电容电流IC较大时，间歇性电流不易熄灭，由于暂态过程中的积累效应（暂态谐振），系统中将产生高达3.54倍相电压的峰值过电压，危及设备绝缘，甚至扩

13、大为两相短路。2、措施(1) 采用中性点经消弧线圈接地系统 消弧线圈的作用及补偿方式由于电感电流与电容电流反相，使接地点电流减小（补偿电容电流），对于间歇性接地易于熄弧而恢复运行。消弧线圈不能采用完全补偿，因为系统对地总容抗与消弧线圈的感抗相等，系统正常运行时若出现串行零序电源（如某线路投入时由于三相不同时合闸或一相断线时的非全相或雷击某相线路等造成）将导致谐振过电压而危及设备绝缘。一般采用过补偿（过补偿度约为5%10%），当消弧线圈可自动跟踪调整时也可采用欠补偿。 中性点经消弧线圈接地方式的不足* 过补偿方式要对接地电容电流进行有效补偿难度较大，且消弧线圈仅仅补偿工频电容电流，而一些高频电流

14、及阻性电流往往仍能维持接地点的间歇性电弧而不能有效熄弧。* 消弧线圈跟踪调整的欠补偿方式，当系统运行方式变化时，难以很好地跟踪而导致产生一定的谐振过电压。* 过补偿方式当系统发生单相接地故障时，故障线路与非故障线路所测基波零序电流的大小接近，方向一致，选线保护难以选择故障线路。(2) 采用消弧消谐器当出现单相间歇性电弧接地故障时，在母线处针对接地相人为制造一个稳定的金属性接地点，使故障接地点的电弧易于熄灭，经短延时后再切断人为接地点，若故障消失则恢复正常运行；若切断人为接地点后再次出现弧光接地故障，说明是永久性弧光接地，则再次投入人为接地点且不再断开，并发出告警信号。不足：无论单相接地故障是否

15、为金属性接地，由于人为制造金属性接地点，都将使非故障相对地电压升高倍，对设备绝缘有一定影响。由于并未实质上减小接地故障点电流（仅仅是旁路接地故障点），若系统对地电容较大，则人为接地点切断后，接地故障点容易重燃电弧。(3) 采用中性点经小电阻接地方式由于中性点是有效接地方式（大电流接地方式），当系统出现单相接地故障时将形成短路回路，形成稳定的短路电流，不会产生间歇性电弧过电压问题；且由于故障线路流过很大的短路电流，故不存在选线困难。但由于发生单相接地故障短路电流较大，保护必须切除故障线路，因此供电可靠性相对降低。§0-3线路的阶段式距离保护阶段式距离保护属于单端测量的低量保护，主要用于

16、110kV线路保护，也可作220kV及以上线路的后备保护。根据反映故障类型的不同，一般分为：相间距离保护（作为线路三相短路、两相短路及两相接地短路的保护）接地距离保护（作为线路单相接地短路、两相接地短路的保护）1、距离（阻抗）保护基本原理(1)距离保护基本概念距离保护：反映故障点至保护安装处之间的距离（阻抗），并根据距离的远近（阻抗的大小）而确定是否动作及动作时间的一种保护装置。测量阻抗ZJ > Zdz保护不动作ZJ < Zdz保护动作特点：* 故障时：即反映U,又反映IKlm* 系统运行方式变化时，ZJ不变，故不受运行方式变化的影响(2)三段式距离保护基本配置原则I段：ZIdz.

17、1=KIk·ZABZIdz.2=KIk·ZBC（KIk取0.80.85）tI 0sII段：ZIIdz.1=KIIk·(ZAB+ZIdz.2) (KIIk取0.8)tII1= tI2+tIII段：ZIIIdz < Zfh.mintIII按阶梯原则配合(3)三段式距离保护基本逻辑框图2、距离（阻抗）元件ZKJ动作特性 三种常用的圆特性ZKJ（测量阻抗ZJ落在圆内则动作）：（Zzd：ZKJ的整定阻抗，由用户整定）动作判据（以方向阻抗ZKJ为例）：|ZJ -Zzd |<|Zzd| 即：|-|<|或：270°>arg>90°

18、 即：270°>arg>90°方向性四边形特性ZKJ（设测量电阻为Rm，测量电抗为Xm）定值：Xzd，Rzd（或：Zzd，jlm，Rzd）1(15°30°)：保证出口经过渡电阻Rg短路时能可靠动作。2(15°)：保证高压线路金属性短路且有测量角误差时仍能可靠动作。3( lm=d一般取45°或60°)：躲区内短路的过渡电阻。4(7°10°)：防末端区外经Rg短路时可能出现的超越误动。动作判据：Rm·tg|1| Xm XzdRm·tg|4|Xm·tg|2| Rm Rz

19、d + Xm·ctg|3|*三段距离保护电阻定值Rzd皆相同，各段电抗定值Xzd各不相同：XIzd<XIIzd<XIIIzd（电阻定值应考虑躲过可能的最大负荷情况并具有1.5倍以上的裕度：二次值：额定电流5A时：Rzd<=7，额定电流1A时Rzd<35）3、距离（阻抗）元件的接线方式(1) 相间距离保护ZKJ接线方式: 0°接线方式：ZKJ1： , ZKJ2： , ZKJ3： , (2) 接地距离保护ZKJ接线方式零序电流补偿接线方式：ZKJ1： , + KZKJ2： , + KZKJ3： , + K其中零序电流补偿系数：K= （Z1、 Z0：线路单

20、位正序、零序阻抗）§0-4线路的纵联保护属于双端测量保护，可实现全线速动，作为220kV及以上线路的主保护。1、线路纵联差动保护基本原理差动电流；制动电流(1) 正常运行及外部故障时，则：，保护不动作。(2) 线路内部短路时，则：，保护动作。（由于经济性与可靠性问题，只适用于短线路）2、输电线的高频保护(1) 高频保护基本概念高频保护：利用输电线路本身作为保护信号的传输通道，在输送50Hz工频信号的同时叠加传送50300KHz的高频讯号（保护测量信号），以进行线路两端电气量的比较而构成保护。由于高频信号受干扰较大，且衰耗较大，因此高频保护只传送电气量的状态信息（不传送全信息）。高频保

21、护分类：高频通道构成原理：阻波器（L、C组成的并联电路）对高频：并联谐振，呈大阻抗，不能通过，限制在本段输电线内。对工频：无谐振，呈小阻抗，能顺利通过，不影响工频电量传输。结合电容器其电抗Xc = 1 / (C) ，通高频，阻工频。同时起到隔离高压线路与高频收、发讯机的作用。连接滤波器（由可调空心变和高频电缆侧电容组成）*结合电容器+连接滤波器带通滤波器（提取所需高频信号，滤除其余高频干扰）*接地刀闸6用于检修连接滤波器。高频电缆高频收、发讯机*发讯机：由保护控制。两种发讯方式：故障发讯；长期发讯。*收讯机：可收到本端和对端发讯机所发高频讯号。按所收高频信号的性质可分为：闭锁信号；允许信号；跳

22、闸信号。(2)闭锁式方向高频保护原理（平时无讯，外部故障时发闭锁讯号）主要组成：* 启动元件：启动发讯机及保护；（启动元件可采用：相电流突变量启动元件、负序或零序启动元件、无方向性的距离III段元件等）* 功率方向元件（正方向元件、反方向元件）：正向停信并开放本端保护，反向不停信。（功率方向元件可采用：负序或零序方向元件、突变量方向元件、带方向的距离II段或带方向的距离III段元件等）工作情况：外部故障时，近故障点端为反方向，不停闭锁讯号，两端被闭锁。内部故障时，两端皆为正方向，皆停发闭锁讯号，两端保护动作。时间元件：展宽t1=60100ms：为防止外部故障d2点短路被切除后，两端保护返回时间

23、存在误差使近故障点端保护先返回而远故障点端的保护后返回，从而导致远故障点端保护误动（t1应大于两端保护返回时间差）。延时t2=7ms：考虑到线路对讯号传输的延迟，为防止外部故障时，近故障点端的闭锁讯号尚未到达远故障点端而导致远故障点端的保护误动，需推迟开放跳闸时间。特点：保证在内部故障并伴随通道破坏（输电线接地或断线）时，保护仍能正确跳闸。(3)允许式高频保护特点（存在内部故障通道可能阻塞的问题）（一般采用相-相耦合双频制，针对单相接地故障不会出现通道阻塞）正常时无允许信号，故障后当判断方向为正时则驱动TXJ发允许信号，否则不发信。内部相间故障时若高频通道阻塞（刚好用于高频通道的两相短路）保护

24、拒动措施：设置监频信号（导频信号）。*正常时，发监频信号（监频信号采用单频制），对通道进行监视；*故障启动且判为正向时，停发监频信号而改发允许信号（停监发允）*故障启动且判为反向时，监频信号不停，也不发允许信号，故始终有监频信号（有监无允），保护处于闭锁状态（监频信号实际上可看成一种闭锁信号，内部故障时，停监发允，相当于保护解除闭锁而动作。因此这种有监频信号的允许式也称为“解除闭锁式” ）允许式采用相-相耦合双频制，对单相接地故障不存在通道阻塞，只有相间故障才有通道阻塞，故只在相间故障时采用“解除闭锁式”。具体工作情况：故障启动后收到对端允许信号时（通道无阻塞），每端保护必须满足以下两个条件并

25、经延时确认后出口动作：*收到对端允许信号*本端正方向动作故障启动后收不到对端允许信号时（通道可能有阻塞），在100ms内投入“解除闭锁式”（100ms后退出），每端保护必须满足以下四个条件并经20ms延时确认后出口动作。*相间故障*本端正方向动作*收不到允许信号（或是通道阻塞，或是外部故障）*监频信号消失（相当于闭锁信号消失，说明不是外部故障）§0-5变压器纵联差动保护（主保护）1、变压器纵差保护特殊问题（不平衡电流Ibp较大）变压器高、低压两侧额定电流不同（变压器存在变比nT），故需适当选择高、低压侧TA的变比：nTA.L/ nTA.H= nT(1) 励磁涌流问题变压器的励磁电流I

26、lT原、副边电流折算到同侧后不相等Ibp）当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，IlIly IbpIly的特点：*包含很大成分的非周期分量*包含大量的高次谐波（以二次谐波为主）*波形之间出线间断（间断角为a）防止Ily影响的措施*采用具有速饱和铁心的CJ*利用二次谐波制动*利用波形间断制动或波形不对称制动（正半波与负半波不对称）(2) Y/D-11变压器纵差保护两侧电流相位校正问题Y/D-11接线的变压器： 正序：T的D侧超前U侧：30°；负序：T的D侧落后U侧：30°相位校正措施：T的D侧：三个二次电流：；T的U侧：三个二次电流：；负序分量分析与正序类似，同样可起到

27、相位校正作用。一次侧零序电流只存在于变压器Y侧，而Y侧两两相减，故二次无零序电流。对于微机保护，在保护内部进行相位校正（即在内部实现两两电流相减并乘以的处理）。（对于常规保护，T的D侧三个TA接成Y形，T的Y侧三个TA接成D形，并将该侧电流互感器的变比增大倍）。(3) 计算变比与实际标准变比不符 Ibp计算变比：n=；n=（为保证二次实际额定电流不超过5A，选择实际标准变比接近但不小于计算变比）计算变比实际标准变比变比配合关系nTA.L / nTA.H= nT不满足Ibp对微机保护，采用内部比例系数调平衡：若高压侧选为基本侧：高压侧平衡系数KH= 1；低压侧平衡系数KL=若低压侧选为基本侧：低

28、压侧平衡系数KL= 1；高压侧平衡系数KH=分析：高压侧TA二次实际额定电流：IH.II.N =低压侧TA二次实际额定电流：IL.II.N =若高压侧选为基本侧：即高压侧平衡系数KH= 1，则：低压侧平衡系数KL=(4) 两侧电流互感器实际误差 Ibp单个TA实际误差：最大为fi =10% 两侧TA同型时，两侧TA实际误差Ktx·fi =5%（即：Ktx =0.5）两侧TA不同型时，两侧TA实际误差Ktx·fi =10%（即：Ktx =1.0）该误差较小，也难以消除，在整定时考虑躲过其影响。(5) 变压器带负载调压 Ibp调压（调分接头）nT变化变比配合条件nTA.L /

29、nTA.H= nT不满足 Ibp该误差较小，也难以消除，整定时考虑躲过（引入分接头调整相对误差）。(6) 变压器纵差保护的最大不平衡电流计算（采取各种措施后）Ibp.max = (Ktx·fiDU)·I/nTAfi：TA最大误差，取10%，即0.1DU：带负载调压引起的相对误差，取调压范围的一半I/nTA：外部故障的最大短路电流折算到二次基本侧的值（nTA为基本侧TA的变比）2、具有比例制动和二次谐波制动的纵差保护及整定计算(1) 比率制动特性的工作原理比率制动特性：其中：差动电流Icd=|I+II | （对三卷变：Icd=|I+II +III |）制动电流Izh=|III

30、 | （对三卷变：一般取Izh=max|I|、|II|、|III|）变压器正常运行或外部短路时：I=II差动电流Icd0很小，制动电流Izh=|I|=|II|较大，保护不动。变压器内部短路时：I与II基本同相差动电流Icd=Id.n/nTA很大，制动电流Izh很小，保护动作。比率制动特性动作条件：Icd > Idz.min当IzhIzh.min时Icd > Kzh( Izh - Izh.min) + Idz.min当Izh> Izh.min时(2) 比率制动特性整定计算最小启动电流Idz.min原则：躲过最大负荷状态下的差动不平衡电流。一般按经验公式：Idz. min=(0.

31、40.5) Ie.2 （Ie.2：二次额定电流）拐点电流（最小制动电流）Izh.min原则：在额定负荷状态下不需制动，大于额定负荷电流后才需制动一般取Izh.min=(0.50.7) Ie.2 （中小容量变也可取Izh.min=(0.81.0) Ie.2）（考虑到轻微外部故障由于测量误差导致所测制动电流可能小于额定电流，而此时由于暂态影响而有一定差动电流，希望引入制动作用，故拐点电流应适当取小一点）制动特性斜率Kzh：躲过外部短路的最大不平衡差动电流。最大不平衡电流为：Ibp.max =(Ktx·fi+DU)·Id.w.max /nTA最大制动电流为：Izh.max =Id

32、.w.max /nTA则：制动特性斜率Kzh=(Kk·Ibp.maxIdz.min)/(Izh.maxIzh.min)为简单起见，当Izh.min <<Izh.max时，可直接取：Kzh =Kk·Ibp.max /Izh.max =Kk·(Ktx·fi+DU)一般按经验公式：Kzh =0.40.5(3) 二次谐波制动励磁涌流二次谐波闭锁保护闭锁（制动）条件：Icd.2/ Icd.1 > K2Icd1、Icd2：差动电流的基波、二次谐波模值，K2：二次谐波制动比（定值），K2的选取： 距电源较近的中小型T：13%15% 容量较大的T：16

33、%18% 大型发-变组：18%20%(4) 差动速断的整定接于超高压长线路（或附近有无功补偿设备）的变压器内部某些不对称短路及变压器严重内部短路时短路初期有较大二次谐波分量而制动保护延误保护动作。采用差动速断加速差动保护动作：差动电流大于最大可能的励磁涌流时则取消二次谐波制动而立即出口跳闸。差动速断动作电流：Idz=Kk Ily.max/nTA （Ily.max：最大励磁涌流，Kk：可靠系数，取1.151.3）一般经验公式：大型发-变组：Idz = 4倍Ie.2，大容量变：Idz=(46) Ie.2中小容量变：Idz=(810) Ie.2§1智能变电站中保护测控综合单元硬件系统

34、67;1-1 分层分布式系统结构的应用1、分布：地理空间上的分布（下位机按一次设备间隔分布）将每个一次设备安装间隔（如断路器间隔、电压互感器间隔）的数据采集、保护、测控等二次功能由一个或多个安装在相应设备屏柜上（即户内间隔）或相应户外间隔附近的智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）即俗称的下位机来完成，各智能电子设备由网络总线相连。2、分层：功能上的分层，分为三层。(1) 设备层（过程层）功能上传：实时电气量及设备状态量的监测（TA、TV；QF、QS的辅助接点）。下达：操作控制的执行与驱动（QF、QS的操纵机构；变压器分接头调节控制机构；电容、电抗器投

35、切控制机构等）。(2) 间隔层（下位机层）功能汇总本间隔过程层实时数据信息。实施对一次设备的保护与控制功能。实施本间隔防误操作闭锁功能、同期功能及其他控制功能。承上启下（上、下层之间）的通信功能。(3) 站控层（上位机层）功能汇总全站的实时数据信息、刷新实时数据库、登录历史数据库。将有关数据信息送向调度或控制中心。接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、设备层执行。全站防误操作闭锁控制功能。站内当地监控，人机联系功能（如显示、操作、打印、报警，甚至图像，声音等多媒体功能）。对间隔层、设备层各个设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能。变电站故障自动分析和操作培训功能。§1-2

36、不带铁芯的互感器 电子互感器（光电互感器）1、常规互感器铁芯的饱和问题 测量误差；铁磁谐振。* 一次电流为正弦波，二次磁通为平顶波，且存在波形畸变。* 测量用TA的工作区（线性区）考虑正常运行的额定电流；保护用TA的工作区考虑短路后的短路电流；因此常规TA，测量与保护一般不能公用2、电子互感器（ECT、EVT）(1) 有源电子互感器（半常规电子互感器）传感器仍为电、磁传感方法；信息下送采用光纤传输。罗科夫斯基（Rogowski）线圈式ECT（无铁芯线圈） （经积分变换后正比于一次电流ip(t)）电容分压式（或阻容分压式）EVTR足够小（R<<），则(2)无源电子互感器（传感器采用光

37、传感）法拉第效应（磁光效应）光电流互感器OCT（optical current transducer）光子振动方向与传播方向垂直：一般自然光为非偏振光，在与传播方向垂直的振动面上沿各个方向振动。线偏振光：自然光经偏振片（偏振器）后，仅在一个方向振动，即为线偏振光。法拉第效应（磁致旋光）：线偏振光束在均匀介质中沿磁场方向传播时，振动面发生旋转的现象（旋转的角度与磁场强度及传播距离成正比）。普科尔斯效应（电光效应）光电压互感器OVT（optical voltage transducer）双折射：光束入射到各向异性的晶体，分解为振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的两个折射方向的偏振光。普科尔

38、斯效应：一些透明光学介质在没有外加电场时是各向同性的，而在外加电场作用下，晶体变为各向异性的双轴晶体而产生双折射现象，一束光变为两束相位不同的偏振光，两束光的相位差与外加电压大小成正比。§1-3智能电子设备IED硬件的基本构成数据处理主系统：装置的核心系统。数据采集系统：最复杂的I/O系统。开关量输出系统：对可靠性要求最高的系统。（IED一般没有模拟量输出系统）一、数据采集系统1、数据的采集由IED外部与电子TA、TV相接的合并单元MU（Merging Unit）将所测模拟量进行离散化（即量化）：合并单元MU将变成数字量后的等间隔采样值与断路器QF、隔离开关QS的状态信息综合成报文传

39、送给IED。2、存放采样数据时的更新与排队（解决速度与空间的矛盾）采样数据RAM中的数据缓冲区（最新采样数据取代最早采样数据）数据排队（使取数时更为方便、快捷）：由于存数只有一次，而取数往往多次，为加快保护处理速度，使取数方便，宁可在存数时麻烦（在缓冲区内存数据按采样时间顺序排列）。1、简单的数据排队（设需要保留n个采样点的数据）：问题：需对n-1组数据进行搬移，所需时间较长。2、暂存区扩展法将排队缓冲区的空间扩大为所需保存数据空间的2倍3、字节地址偏移循环存取法一般每采样点的数据不止1个，设每采样点有k个数据，每个数据占2个字节，则存数地址为：A=AB+2k·BO取数地址为（若要取

40、前i点数据）：A= AB+（2k·BO-2k·i）（若2k·BO-2k·i <0，则取其补码）二、开关量输出系统开出系统（跳闸出口）提高可靠性的措施：* “相异”输出闭锁：防止装置工作电源初投或掉电时，由于芯片工作不稳定使芯片出口状态不定（但一个口的8位是一致的，或都为高，或都为低）导致保护误发跳闸出口信号。* 光电隔离：抗干扰。* 开出反馈：用于开出回路的自检。在装置投入之初，在不发启动信号的前提下（确保跳闸信号并不真正跳闸），从跳闸出口端发一个跳闸信号，若跳闸回路完好，则反馈到PC0端为低电平。* 出口小继电器上并联续流二极管（或续流电阻）：防

41、止小继电器动作完毕后，由于小继电器线圈中的剩磁导致其不能可靠返回。§2微机保护算法§2-1 微机保护基本算法算法计算输入信号采样值保护所需各种电气参数（如电流、电压幅值和相位等）一、正弦模型算法（设被采样信号为纯正弦信号）1、导数算法（只需2个或3个采样点）(1) 一阶导数算法（Mann-Morrison算法）设u = UmSin(t+u) 则：u' = UmCos(t+u) 故：Um2=u2+(u'/)2用采样值进行计算：u=uk； u'/= uk'/ （差分近似代替微分）或: u； u'/= uk'/ （若s=N·

42、;，则Ts=2/N）若再设：i = ImSin(t+i) 则：Im2 =i2+(i'/)2且：R=(Um/Im)·Cos(ui)=(u'/)(i'/)+u·i/i2+(i'/)2X=L =(Um/Im)·Sin(ui)=u·(i'/)(u'/)·i/i2+(i'/)2(2) 二阶导数算法（Prodar-70算法）设u = UmSin(t+u) 则：u' = UmCos(t+u)；u''=2UmSin(t+u)故：Um2=(u'/)2+(u''

43、/2)2用采样值进行计算：u=uk；u'/= uk'/；u''/2= uk''/2 （若s=N·，则Ts=2/N）若再设：i = ImSin(t+i) 则：Im2 =(i'/)2+(i''/2)2且：R=(Um/Im)·Cos(ui)=( u·i''u'·i' )/( i·i''i'2 )X=L =(Um/Im)·Sin(ui)=( u'·iu·i' )/( i·

44、i''i'2 )由于用差分近似代替微分，导数算法本身有误差。2、采样值积算法（算法本身无误差）(1) 两采样值积算法设t1时刻的采样值为：u1 = UmSin(t1+u)，i1 = ImSin(t1+i)另一时刻t2时的采样值为：u2 = UmSin(t1+T)+u，i2 = ImSin(t1+T)+i其中T = t2 - t1两采样值的时间间隔则：Um2= u12 + u22 - 2 u1 u2 Cos(T)/Sin2(T)Im2= i12 + i22 - 2 i1 i2 Cos(T)/Sin2(T)tg(ui)=(u1 i2 - u2 i1)Sin(T)/u1 i1

45、 + u2 i2 (u1 i2 + u2 i1)Cos(T)此算法只需要两个采样值，但运算量较大（2次平方，2次乘法，1次除法，2次加减）为减少运算量，可选取T=T/4，即：T = /2，则：Um2 = u12 + u22 ， Im2 = i12 + i22 ，tg(ui)=(u1 i2 - u2 i1)/(u1 i1 + u2 i2)且测量阻抗为：R=(Um/Im)Cos(ui)=(u1 i1 + u2 i2)/(i12 + i22)X=(Um/Im)Sin(ui)=(u1 i2 - u2 i1)/(i12 + i22)(2) 三采样值积算法t1时：u1 = UmSin(t1+u)，i1 =

46、 ImSin(t1+i)t2时：u2 = UmSin(t1+T)+u，i2 = ImSin(t1+T)+it3时：u3 = UmSin(t1+2T)+u，i3 = ImSin(t1+2T)+i则有：Um2= u12 + u32 2 u22 Cos(2T)/2Sin2(T)Im2= i12 + i32 2 i22Cos(2T)/ 2Sin2(T)选取T=T/12，即：T = /6，则：Um2 = 2( u12 + u32 u22 )， Im2 = 2( i12 + i32 i22)且阻抗为：R=(u1 i1 + u3 i3 - u2 i2)/( i12 + i32 i22)，X=(u1 i2 -

47、 u2 i1)/( i12 + i32 i22)三采样值算法可有不同的计算式（具有表达式非唯一性），例如另一种计算式：Um2 = (u22 u1 u3)/Sin2(T)， Im2 = (i22 i1 i3)/Sin2(T)（亦可算出相角和阻抗值）与信号频率无关的三采样值算法：利用t1、t2两采样值有：Um2= u12 + u22 - 2 u1 u2 Cos(T)/Sin2(T)利用t2、t3两采样值有：Um2= u22 + u32 - 2 u2 u3 Cos(T)/Sin2(T)Cos(T)=(u1+ u3)/(2u2)，Sin2(T)=1-(u1+ u3)2/(2u2)2则：Um2 = (u

48、22 u1 u3)/Sin2(T) = 4u22 (u22 u1 u3)/4u22 - (u1+ u3)2可见此算法Um与输入信号的频率无关。（此算法不足：计算量大）二、周期模型算法（设被采样信号为周期信号，不一定是正弦信号）富氏算法：设周期函数（周期为T）的输入信号为u(t)，则其富氏级数的形式为：u(t)= 其中：；第n次谐波的幅值为：Un=；相角为：n = arctg算法：用采样值计算（采用梯形法则，用连和代替积分）：；其中：s=N·1，即1Ts=；uk为第k个采样值由求Un，n以计算基频的算式（n=1）为例，设：N=12 则：=2(u12u6) + (u2u8u4 + u10

49、) +(u1u7u5 + u11)=2(u3u9) + (u1u7 + u5u11) +(u2u8 + u4u10)三、R-L物理模型的微分方程算法（不求u，I幅值，而直接由采样值求R，L）（设输电线由电阻、电感串联组成）1、相间金属性短路由于短路点电压为0，则有：u = R1·i +L1 (di/dt)（反映相间短路时，u、i采用0º接线方式，例如：u=uab，i=ia-ib）写成离散形式：uk = R1·ik+L1 (ik+1ik-1)/(2Ts)对输电线有：R1/X1 = R1/L1 =(常数)，故：X1 =L1= uk/·ik +(ik+1ik-

50、1)/(2Ts)；R1 =·X1若未知的算法：对k点有：uk = R1·ik+L1 (ik+1ik-1)/(2Ts)对p点有：up = R1·ip+L1 (ip+1ip-1)/(2Ts)则： R1 =；X1 =L1 =2、相间短路考虑过渡电阻Rg的算法u = R1·i +L1 (di/dt) + Rg·p·i （p=i/i：电流分配系数，取决于系统结构及参数）R1/L1 = 写成离散形式：uk =·ik+ (ik+1ik-1)/(2Ts) L1+ pRg·ik= Dk·L1+ pRg·ik另取一

51、计算点有：uk+1= Dk+1·L1+ pRg·ik+1可解得：L1=(uk+1·ikuk·ik+1)/(Dk+1·ikDk·ik+1)3、经过渡电阻Rf单相接地短路设A相接地短路，母线A相电压各序分量为：u1 = uf1 + R1·i1 + L1(di1/dt)u2 = uf2 + R2·i2 + L2(di2/dt)u0 = uf0 + R0·i0 + L0(di0/dt)且R1= R2；L1= L2则：u= uf + R1 i+ i0(R0 - R1)/R1+ L1 d i+ i0(L0 - L1)

52、/L1/dt令：KL=(L0 - L1)/(3L1)= (l 0 - l1)/(3 l1) ；KR=(R0 - R1)/(3R1)= (r0 - r1)/(3r1)（r1，l 1：线路的单位正序电阻、电感；r0，l 0：线路的单位零序电阻、电感）有：u=R1 ( i + KR ·3i0 )+ L1 d( i + KL ·3i0 )/dt+ uf写成离散形式：（ 设：R1/L1 = 常数 ）uk =L1( ik + KR ·3i0k )+ (ik+1ik-1) + KL ·(3i0k+13i0k-1)/(2Ts)+ ufk =L1·Dk + uf

53、k其中Dk =( ik + KR ·3i0k )+ (ik+1ik-1) + KL ·(3i0k+13i0k-1)/(2Ts)对单相接地短路，由序网分析可知：if 1 =if 2 =if 0则：if =3if 0故：uf =if ·Rf = 3if 0 ·Rf = i0 ·(3Rf /Kf 0) （if 0：故障点零序电流；i0：保护安装处零序电流；Kf 0：零序电流分配系数）因为零序网络结构一定，故零序电流分配系数Kf 0为常数由：uk=L1·Dk + i0k ·(3Rf /Kf 0) 及uk+1 =L1·Dk+

54、1 + i0k+1 ·(3Rf /Kf 0)联立解得：L1=； R1 =·L1§2-2微机保护应用算法一、启动元件1、相电流突变量启动基本原理：本采样点相电流与前一周期相应采样点相电流的差值作为判断量:ik=|ikik-N| > （为启动定值）实际应用：为防止频率偏移造成的影响，实际判断条件为：ik=|ikik-N|ik-Nik-2N| > 2、负序（及零序）电流突变量启动为防止振荡周期很小相电流突变量元件误启动，可采用相电流突变量启动ik与负序（及零序）电流启动i2k相结合的方式负序分量计算方法：方法：写成离散形式：ua2(k)=ua(k)+ub(k

55、-)+uc(k+) (设每基频周期N点采样)此算法数据窗为：+1方法： 短数据窗算法：；离散式：ua2(k)=ua(k)ub(k) + ub(k-)uc(k-)此算法数据窗为：+1零序分量计算方法：离散式：3u0(k) = ua(k)+ub(k)+uc(k)二、方向判别元件设两交流相量：UJ= Umeju= Um·Cosu+ j Um·Sinu= UR+jUIIJ= Imeji= Im·Cosi+ j Im·Sini= IR+jII其中：UR，UI，IR，II可由富氏算法、采样值积算法、导数算法等算出。若方向元件动作条件为：-90°<ar

56、g<90° （lm为方向元件的最灵敏角）即：Cos(u-i)lm> 0即：Cos(u-i)·Coslm+ Sin(u-i)·Sinlm > 0即：(Cosu·Cosi+Sinu·Sini)·Coslm+(Sinu·Cosi-Cosu·Sini)·Sinlm> 0即：(UR·IR+UI·II)·Coslm+ (UI·IR-UR·II)·Sinlm> 0三、故障类型与相别判断为了减少测量阻抗的计算量，在阻抗判别之前，预先进行故障类型和故障相别的判断，从而只要取相应故障相的测量阻抗进行判别。1、接地故障判别基本原理：零序电流突变量判别法：若I0 > 1，则判为接地故障由于电力系统正常运行时存在零序不平衡电流，而发生三相短路时零序电流反而消失，造成三相短路时出现较大的I0而误判接地实用判据：I0 > 1且I0 > 2；或：I0 > 1且I0 > 2；U0 > 32、单相接地判别及选相相电流差突变量选相位原理：若前已判别