供配电系统的微机保护与综合自动化52

供配配电电系系统统的的微微机机保保护护与与综综合合自自动动化化内容容提提要要：：微机机保保护护的的特特点点、、构构成成及及保保护护算算法法的的概概念念工厂厂线线路路、、变变压压器器和和高高压压电电动动机机微微机机保保护护装装置置的的设设计计实实例例配电电自自动动化化系系统统的的基基本本概概念念、、组组成成、、内内容容及及其其功功能能变电电站站综综合合自自动动化化的的基基本本概概念念和和结结构构7.1供配配电电系系统统的的微微机机保保护护微机机保保护护在在电电力力系系统统的的各各个个方方面面及及各各种种电电压压等等级级上上均均有有较较大大的的发发展展，，如如线线路路保保护护、、发发电电机机保保护护、、变变压压器器保保护护、、励励磁磁调调节节系系统统等等。。现代代继继电电保保护护装装置置的的发发展展趋趋势势：：微机机控控制制化化保护护装装置置网网络络化化算法法智智能能化化功能能一一体体化化7.1.1微机机保保护护的的硬硬件件构构成成微机机保保护护的的硬硬件件部部分分由由四四部部分分组组成成：：数据据采采集集系系统统CPU主系系统统开关关量量输输入入/输出出系系统统外围围设设备备图7.1微机机保保护护的的硬硬件件构构成成框框图图1．数据据采采集集系系统统①数据据采采集集系系统统又又称称模模拟拟量量输输入入系系统统。。②数据据采采集集系系统统由由电压压形形成成、、模模拟拟滤滤波波器器（（ALF）、、采采样样保保持持（（S/H）、、多多路路转转换换开开关关（（MPX）与与模模数数转转换换器器（（A/D）几几个个环环节节组组成成。采样样保保持持器器：：是是对连连续续变变化化的的模模拟拟信信号号定定时时测测量量,抽取取样样值。。通通过过采样样,一个个在在时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟信信号号就就转转换换为为随随时时间间变变化化的的脉脉冲冲信号号。。实现现模模数数转转换换时时的的必必须须的的抽抽样样---保持持电电路路。。③其作作用用是是将将电电压压互互感感器器（（TV）和和电电流流互互感感器器（（TA）二次次输输出出的的电电压压、、电电流流模模拟拟量量转转化化为为数数字字量量，，然然后后送入入CPU主系系统统进进行行数数据据处处理理及及运运算算。。2．CPU主系系统统微机机保保护护的的CPU主系系统统是是由由MPU微处处理理器器、、EPROM可编编程程只只读读存存储储器器、、RAM随机机存存储储器器、、定定时时器器、、接接口口板板以以及及打打印印机机等等外外围围设设备备组组成成。。它实实际际上上是是由由各各种种芯芯片片搭搭成成的的专专用用计计算算机机，，或或者者使使用用单单片片机机构构成成。。3．开关关量量输输入入/输出出系系统统开关关量量输输入入/输出出系系统统的的主主要要作作用用是是输输出出跳跳闸闸、、信信号号等等信信息息。。与外外围围设设备备包包括括打打印印机机和和调调试试、、整整定定设设备备等等接接口口。。为了了防防止止干干扰扰的的入入侵侵，，通通常常经经过过光光电电隔隔离离电电路路将将开开关关量量输输入入/输出出回回路路与与微微机机保保护护的的主主系系统统进进行行严严格格的的隔隔离离，，使使两两者者不不存存在在电电的的直直接接联联系系。。7.1.2微机机保保护护的的软软件件系系统统微机机保保护护软软件件系系统统的的组组成成：：初始始化化模模块块数据据采采集集管管理理模模块块故障障检检出出模模块块数字字滤滤波波模模块块故障障计计算算模模块块自检检模模块块7.1.3微机机保保护护的的算算法法微机机保保护护的的算算法法———是将将离离散散的的数数字字信信号号，，经经过过某某种种运运算算，，求求出出电电流流、、电电压压幅幅值值、、相相位位的的过过程程。。常用用的的保保护护算算法法：：导数数式式算算法法全波波傅傅立立叶叶算算法法最小小二二乘乘算算法法最小小二二乘乘法法（（又又称称最最小小平平方方法法））是是一一种种数数学学优优化化技技术术。。它它通通过过最最小小化化误误差差的的平平方方和和寻寻找找数数据据的的最最佳佳函函数数匹匹配配。。利用用最最小小二二乘乘法法可可以以简简便便地地求求得得未未知知的的数数据据，，并并使使得得这这些些求求得得的的数数据据与与实实际际数数据据之之间间误误差差的的平平方方和和为为最最小小。。最最小小二二乘乘法法还还可可用用于于曲曲线线拟拟合合。。7.2线路路的的微微机机保保护护7.2.1线路路保保护护配配置置的的基基本本原原则则1.10kV线路路保保护护配配置置（1）10kV架空空线线路路和和电电缆缆线线路路应应装装设设相相间间短短路路保保护护，，保护护装装置置采采用用两两相相式式接接线线，，并并在在所所有有出出线线中中皆皆装装设设在在同名名的的两两相相上上，，通通常常装装设设在在A、C两相相上上，，以以保保证证当当发发生不不在在同同出出线线上上的的两两点点单单相相接接地地时时有有2/3机会会切切除除一一个故故障障点点。。（2）10kV线路路保保护护，，一一般般以以电电流流速速断断保保护护为为主主，，以以过过流流保保护护作作为为后后备备保保护护，，保保护护装装置置采采用用的的是是远远后后备备方方式式。。（3）10kV线路路在在下下述述情情况况下下必必须须装装设设电电流流速速断断保保护护:①对于于发发电电厂厂母母线线上上的的出出线线发发生生短短路路时时，，母母线线电电压压如如果果低低于于0.55~0.65倍额额定定电电压压，，则则应应由由电电流流速速断断保保护护切切除除；；对对变变电电所而而言言，，当当线线路路上上发发生生短短路路，，变变电电所所母母线线电电压压大大量量下下降降时时，，也应应装装设设电电流流速速断断保保护护。②导线截截面不不允许许延时时切除除短路路电流流时，，应装装设电电流速速断保护。。1.10kV线路保保护配配置（1）35kV单侧电电源线线路保保护（2）35kV双侧电电源线线路保保护对于35kV双侧电电源的的单回回线路路通常常装设设两相相方向向电流流保护护和两两相三三继电电器带带时限限方向向过流流保护护，并并附以以检查无无电压压或同同期的的三相相一次次重合合闸。。三相重重合闸闸，是是指不不论在在输、、配电电线上上发生生单相相短路路还是是相间间短路路时，，继电电保护护装置置均将将线路路三相相断路路器同同时跳跳开，，然后后启动动自动动重合合闸再再同时时重新新合三三相断断路器器的方方式。电力系统运运行经经验证证明，，架空空线路路的故故障大大都是是暂时时的，，例如如：由由于雷雷电过过电压压引起起的绝绝缘子子表面面闪络络，大大风引引起的的短时时碰线线，通通过鸟鸟类身身体的的放电电以及及树枝枝等物物掉落落在导导线上上引起起的短短路等等。当当故障障线路路被迅迅速断断开之之后，，电弧弧即行行消灭灭，故故障点点的绝绝缘强强度重重新恢恢复，，因此此在线线路被被断开开以后后再进进行一一次重重合闸闸，就就有可可能大大大提提高供供电的的可靠靠性。。通常设设计成成两相相式电电流速速断保保护和和两相相三电电流继继电器器带时限的的电流流保护护，电电流速速断经经出口口继电电器跳跳开断断路器器，而带时时限保保护经经时延延跳开开断路路器。。2．35kV线路保保护配配置7.2.210kV线路微微机保保护这里所所介绍绍的微微机保保护装装置的的CPU采用ATmega128单片机机，MAX125芯片进进行交交流信信号的的采集集，显显示部部分采采用带带字库库的液液晶显显示模模块，，通信信物理理接口口是RS-485，采用用ModBus通信规规约，，组网网方便便，可可直接接与微微机监监控或或保护护管理理机联联网通通信。。软件件部分分能准准确计计算各各项电电量参参数，，可实实现10套定值值的独独立整整定（（设定定），，包含含11种线路路保护护算法法，并并可将将故障障报告告上传传。电气设设备在在投入入正常常运行行前必必须先先测试试设备备正常常运行行电流流的大大小，，是否否在上上级保保护开开关的的整定电流范范围之之内。。整定电电流就就是空空气开开关或或接触触器的的过流流保护护装置置的动动作电电流值值，这这个数数值要要调整整的，，以保保正在在过流流时跳跳闸，，不能能小也也能大大，小小了会会误动动作，，大了了不起起保护护。保护装装置硬硬件系系统总总体分分为7个部分分：数数据滤滤波采样部部分、、CPU主电路路、开开关量量输入入输出出部分分、液晶显显示、、按键键电路路、通通讯电电路和和电源源电路路。总体设设计如如下图图7.21.保护装装置的的硬件件设计计图7.2保护装装置的的硬件件结构构软件设设计分分为整整定测测试部部分和和故障障判断断处理理2个部分分。整定部部分是是对各各种保保护定定值和和时限限按照照规定定的步步长和和范围围进行行整定定。测试部部分是是对时时间日日期、、电压压、电电流、、频率率等关关键参参数进进行测测试计计算。。故障判判断处处理程程序是是根据据测试试部分分得到到的电电压、、频率率等参参数，，与存存储的的整定定数值值进行行比较较，按按照各各种故故障的的判据据，进进行分分析，，如果果符合合某种种故障障的条条件则则马上上启动动对应应的保保护动动作如如报警警或跳跳闸等等，并并生成成故障障报告告。2.保护装装置的的软件件设计计图7.3保护装装置主主程序序流程程图图7.3保护装装置主主程序序流程程图变压器器成套套微机机保护护装置置作为为新一一代数数字式式变电电站变变压器器的各各种短短路故故障和和不正正常运运行状状态的的成套套保护护测控控装置置，适适用于于电力力系统统35kV、110kV变电站站的双双绕组组及三三绕组组变压压器，，由变变压器器主保保护单单元和和后备备保护护单元元两部部分组组成。。7.3变压器器的微微机保保护变压器器微机机保护护有主主保护护系统统和后后备保保护系系统。。1.变压器器差动动保护护变压器器差动动保护护与瓦瓦斯保保护联联合构构成变变压器器的主主保护护，用用来保保护变变压器器的内内部故故障。。变压器器的差差动保保护是是变压压器的的主保保护，，是按按循环环电流流原理理装设设的。。主主要用用来保保护双双绕组组或三三绕组组变压压器绕绕组内内部及及其引引出线线上发发生的的各种种相间间短路路故障障，同同时也也可以以用来来保护护变压压器单单相匝匝间短短路故故障。。瓦斯继继电器器（又又称气气体继继电器器）是是变压压器所所用的的一种种保护护装置置，装装在变变压器器的储储油柜柜和油油箱之之间的的管道道内，，利用用变压压器内内部故故障而而使油油分解解产生生气体体或造造成油油流涌涌动时时，使使气体体继电电器的的接点点动作作，接接通指指定的的控制制回路路，并并及时时发出出信号号告警警。2.变压器器的后后备保保护变压器器的后后备保保护是是用来来作为为外部部短路路和内内部短短路的的后备备保护护装置置，称称为变变压器器的后后备保保护。。7.3.1变压器器微机机保护护的种种类和和配置置这里介介绍的的是一一中小小型工工厂10kV/0.4kV，容量量为3150kV·A的变压压器微微机保保护装装置的的设计计。该该装置置的硬硬件部部分以以ATmega128处理器器为核核心，，主要要设计计了两两片14位A/D芯片MAX125和频率率测量量电路路配合合，进进行实实时交交流采采样的的电路路。软软件部部分主主要设设计了了频率率测量量、交交流采采集控控制、、故障障处理理、显显示和和时钟钟等模模块程程序。。7.3.2中小型型工厂厂10kV/0.4kV变压器器微机机保护护1.保护装装置的的硬件件系统统图7.4保护装装置的的硬件件结构构框图图2.保护装装置的的软件件部分分该装置置的软软件调调试使使用编编译软软件AtmanAvrCIDE(Version4.1)，核心心是GNUC/C++CompilerAVRGCC3.3.2。它是是Atmel公司的的AVR系列单单片机应用用AVRGCC编译器器而开开发的的集成成开发发环境境，工程项项目采采用模模块化化管理理，可可视化化编程程，文文本编编辑器器支持自自动提提示函函数参参数信信息，，函数数检索索和插插入等等功能能。1）主程程序图7.5主程序序的流流程图图2)翻页和和设置置程序序图7.6设置程程序流流程图图图7.7菜单示示意图图3）数据据采集集程序序图7.8交流采采集程程序流流程图图4）故障障处理理程序序图7.9故障处处理程程序序流程程图高压电电动机机在运运行过过程中中，可可能会会发生生各种种短路路故障障或不不正常常运行行状态态。如如定子子绕组组相间间短路路，单单相接接地故故障，，供电电网络络电压压和频频率的的降低低而使使电动动机转转速下下降等等，这这些故故障或或不正正常运运行状状态，，若不不及时时发现现并加加以处处理，，会引引起电电动机机严重重损坏坏，并并使供供电回回路电电压显显著降降低，，因此此，必必须装装设相相应的的保护护装置置。7.4高压电电动机机的微微机过过电电流保保护7.4.110kV异步电电动机机微机机保护护1.微机保保护装装置的的硬件件设计计硬件系系统的的设计计应该该满足足以下下要求求：抗干扰扰性可靠性性快速性性图7.10保护装装置的的硬件件系统统结构构图2.微机保保护装装置的的软件件设计计设计过过程中中应遵遵循以以下几几个原原则：：采样时时间应应不受受干扰扰.保护子子程序序的重重要性性次之之，当当程序序进入入保护护子程程序时时，不能随随意切切换到到其它它程序序。各程序序模块块保持持相对对独立立和封封闭，，有独独立的的输入入输出出，只定义义一个个入口口和出出口，，避免免模块块之间间的交交叉互互联，，信息通通过全全局变变量或或函数数返回回值传传输。。图7.11总体程程序流流程图图图7.12采样程程序流流程图图图7.13保护程程序流流程图图图7.14写时钟钟程序序流程程图图7.15读时钟钟程序序流程程图7.5配电网网自动动化配电网网自动动化的的主要要功能能包括括如下下主要要内容容：配电网网调度度自动动化系系统变电所所、配配电所所自动动化馈线自自动化化（FA）自动制制图（（AM）/设备管管理（（FM）/地理信信息系系统（（GIS）7.5.1数据采采集与与监控控系统统（SCADA）SCADA是“SupervisoryContro1andDataAcquisition”的缩写写，即即“监视控控制和和数据据采集集”之意。。配电网网的SCADA系统主主要要要实现现“四遥”功能：：遥信完完成采采集配配电网网的各各种开开关设设备的的实时时状态态，通通过配配电网网的信信道送送到监监控计计算机机。遥测完完成采采集配配电网网的各各种电电量（（如电电流、、电压压、用用户负负荷、、电度度等））的实实时数数值通通过配配电网网的信信道送送到监监控计计算机机。遥控是由由操作人人员通过过监控计计算机发发送开关关开合命命令，通过配电电网信息息传达现现场，使使现场的的执行机机构操作作开关的开合合，达到到给用户户供电、、停电等等目的。。遥调是由由操作人人员通过过监控计计算机或或高级监监控程序序自动发送参数数调节命命令，通通过配电电网信道道传达现现场，使使现场的调节机机构对特特定的参参数进行行调节，，达到负负荷大小小、电压、功率率因数调调节等目目的。7.5.2配电网地地理信息息系统（（GIS）配电网地地理信息息系统的的任务是是在城乡乡街道地地理背景图上上按一定定比例绘绘制馈电电线的接接线图，，图上可标注注断路器器、架空空线、电电线杆、、电缆、、配电变压器器等所有有电气设设备的符符号、型型号、规规格。它集配电电网的图图形、数数据和计计算于一一体，达达到对配电网网科学管管理的水水平。7.5.3配电网管管理信息息系统（（DMS）现代的电电力企业业管理信信息系统统的功能能包括：：数据处理理功能辅助决策策功能办公自动动化功能能7.5.4典型配电电自动化化系统典型配电电自动化化系统主主要由以以下几部部分构成成：3.MMI子系统2.子系统4．输入输输出设备备1.数据采集集子系统统6.计算机数数据通信信子系统统7.时钟子系系统8.网络设备备9.电源子系系统5.历史服务务器子系系统图7.16典型配电电自动化化系统图图7.6工厂变电电所综合合自动化化变电站自自动化是是应用控控制技术术、信息息处理和和通信技技术，利利用计算算机软件件和硬件件系统或或自动装装置代替替人工进进行各种种运行作作业，提提高变电电站运行行、管理理水平的的一种自自动化系系统。7.6.1变电所综综合自动动化的结结构变电所综综合自动动化系统统的结构构模式可可分为三种类型型：集中式分布集中中组屏分布分散散式1.集中式结结构图7.17集中式结结构示意意图2．分布分散散式结构构图7.18分布分散散式结构构示意图图3．分散式集集中组屏屏结构图7.19分散式集集中组屏屏结构小结结1.微机保护护的硬件件部分