微机保护在电力系统中应用.ppt

1、微机保护在电力系统中应用与新技术,一、电力系统的构成及特点 二、微机保护装置的基本构成 三、微机继电保护的主要特点 四、微机保护的技术发展过程 五、未来继电保护技术的发展前景 六、当前电力系统自动化依赖IT技术向前发展的重要热点技术 七、我国微机保护目前存在的间题,发电厂,输电线路,升压站,配电线路,枢纽、降压站,照明、动力,配变,太阳能发电,一、电力系统的构成及特点,通常将发电厂、变电站（所）、电力线路及用户连接起来构成的整体，称为电力系统，如下图。,1.电力系统图,2.送电过程： 发电机升压高压输电线路降压配电,电力是整个国民经济的命脉，也是现代化工业生产的主要能源，电力的生产过程和其它产

2、品的生产过程不一样，其最大特点是发电、输配电、用电都必须在同一时刻完成，因此对整个电力系统的运行有着极为严格的要求。电力系统是由发电机、变压器、输配电线路及许多电气设备组成的一个整体。构成电力系统的各种元件，一方面要经常受到风雨、冰雪、雷电、鸟兽等自然现象的影响，另一方面，这些设备在制造、安装和检修过程中，难免会留下某些隐患，或由于运行过程中的老化、操作过程中的错误等，会导致电力系统发生各种故障和不正常运行状态。,3.电力系统特点,电力系统的故障状态指的是由于系统中某一元件的正常运行状态遭到破坏而无法正常供电的一种特殊状况。其中最危险也是最常见的是各种类型的短路故障。短路故障一般均有很大的短路

3、电流产生，并且伴随有电弧，产生很大的热量和电动力，导致设备损坏，而且短路后，故障点处和附近的电压要急剧下降，影响其它用户的生产，严重的电力系统短路可导致整个系统的解列。 电力系统的不正常运行状态是指系统中电气元件的正常工作遭受破坏，但未发展成为故障时的情况。最常见的不正常运行状态是过负荷运行，电气设备如长时间的过负荷运行会加速设备的绝缘老化，严重的会损坏设备，发展成为故障。,由上所述，电力系统的故障或不正常运行都可以引起系统部分或全部的正常运行状态遭受破坏，如不及时处理，其后果是十分严重的。继电保护就是一种能够反应电力系统元件故障或不正常运行状态，并可让断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 继

4、电保护装置必须具备以下5项基本性能：安全性：在不该动作时，不误动；可靠性：在该动作时，不拒动；速动性：能以最短时限将故障或异常从系统中切除或隔离；选择性：在自身整定的范围内切除故障，保证最大限度地向无故障部分继续供电，不越级跳闸；灵敏性:反映故障的能力，通常以灵敏系数表示；不拒动不误动是关键。,近几年来，在广大继电保护人员的共同努力下，继电保护动作率逐年提高。其中作为继电保护组成部分之一的微机保护起了重要作用。伴随着集成电路、计算机技术的飞速发展，信息技术的广泛应用，微机保护也迅速发展起来，其结构更加合理，性能更加完善，有效地承担起确保电网安全的重任。 微机保护就是指以数字式计算机（包括微型计

5、算机)为基础而构成的继电保护。,二、微机保护装置的 基本构成,微机保护的基本构成,硬件,软件,数据采集系统,CPU主系统,开关量输出,输入系统,外围设备等,初始化模块,数据采集管理模块,故障检出模块,故障计算模块,自检模块等,微机保护装置的硬件系统,微机保护装置的数字核心部件实质上是一台特别设计的专用微型计算机，一般由中央处理器（CPU）、存储器、定时器/计数器及控制电路等部分构成，并通过数据总线、地址总线、控制总线连成一个系统，实现数据交换和操作控制。CPU主要有以下几种类型： （1）单片微处理器 （2）通用微处理器 （3）数字式信号处理器（DSP）,1.数字核心部件,2.模拟量输入（AI）

6、接口部件,继电保护的基本输入电量是模拟性质的电信号。一次系统的模拟电量可分为交流量、直流量以及各种非电量。它们经过各种互感器转变为二次电信号，再由引线端子进入微机保护装置。这些由互感器输入的模拟电信号还要正确地变换成离散化的数字量。 典型的交流AI接口按信号流程主要包括以下各部分：输入变换及电压形成回路、前置模拟低通滤波器（ALF）、采样保持（S/H）电路、模数变换（A/D）电路。,3.开关量输入（DI）接口部件,这里开关量泛指那些反映“是”或“非”两种状态的逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸”状态、开关或继电器触点的“通”或“断”状态、控制信号的“有”或“无”状态等。继电保护装置常常需要确

7、知相关开关量的状态才能正确动作，外部设备一般通过其辅助继电器触点的“闭合”与“断开”来提供开关量状态信号。,4.开关量输出（DO）接口部件,微机保护装置通过开关量输出的“0”或“1”状态来控制执行回路（如告警信号或跳闸回路继电器触点的“通”或“断”），因此开关量输出接口简称为DO（Digital Output）接口。DO接口的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰。,5.人机对话接口（MMI）部件,人机对话接口称为MMI（Man-Machine Interface）,其作用是建立起微机保护装置与使用者之间

8、的信息联系，以便对保护装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。继电保护装置的操作主要包括整定值和控制命令的输入等；而反馈信息主要包括被保护的一次设备是否发生动作以及保护装置本身是否运行正常等。微机保护装置采用智能化人机界面使人机信息交换功能大为丰富、操作更为方便。,6外部通信接口（CI）部件,外部通信接口简称为CI（Communication Interface）， 其作用是提供与计算机通信网络以及远程通信网的信息通道。CI可分为两大类：一类CI实现特殊保护功能的专用通信接口，另一类CI为通用计算机网络接口，可与电站计算机局域网以及电力系统远程通信网相连。,三、微机继电保护的主要特点 微机保护充

9、分利用了计算机技术上的两个显著优势：高速的运算能力和完备的存贮记忆能力，以及采用大规模集成电路和成熟的数据采集，A/D模数变换、数字滤波和抗干扰措施等技术，使其在速动性、可靠性方面均优于以往传统的常规保护，而显示了强大生命力，与传统的继电保护相比，微机保护有许多优点，其主要特点如下：,1）改善和提高继电保护的动作特征和性能，正确动作率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术，如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高，已在运行实践中得到证明。 2）可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等

10、，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。,3）工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。 4）可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。 5）使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。,6）可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。,四、微机保护

11、技术的发展过程 1.微机保护硬件方面 微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段: 1)第一阶段 以单CPU的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式A/D模数转换器构成，硬件及软件的设计符合“四统一”设计标准，其代表产品为微机高压输电线路保护装置。单片机通过大规模集成电路技术将CPU、ROM、RAM和I/0接口电路封装在一块芯片中，因此具有可靠性高、接口设计简易、运行速度快、功耗低、性能价格比高的优点。,国家局在信息化建设方面提出了信息技术的“四统一”标准： 统一标准，是指各类代码的一致性； 统一平台，是指实现平台的柔性化； 统一数据库，是指在统一标准代码的条件下，建立数据库，实现数据共享；

12、统一网络，是为了实现系统之间的互通、数据库之间的共享。,使用单 CPU的微机保护具有较强的针对性 ，系统结构紧凑， 整体性能和可靠性高，但通用性、可扩展性相对较差。单片机的片内资源有限，实际应用时常常需要对其功能进行补充和外部扩展。 2)第二阶段 以多单片机构成的多CPU硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功运行经验，利用多CPU的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，,对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的措施。为了提高数据采集系统的采集速度，每个模拟输人通道都需要使用单独的电压频率转换

13、/光耦合器器，其输出频率信号送至可编程计数器8253进行频率测量， 在每个数据采集周期由CPU读取可编程计数器的计数值，并进行标度变换以获得实际的采样值。 主要优点是，通过光电耦合器与CPU接口，因此抗干扰能力强，容易实现与多单片机系统的多CPU接口。,3)第三阶段 以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能。为实现变电站自动化提供了方便。新型高性能单片机性能得到很大提高，运算能力也得到大大加强，出现了无须进行外部扩展的所谓总线不出芯片的新型微机保护。其高效丰富的指令系统使得编程及其应用既灵活又简洁。高性能单片机包含

14、了微机保护所需的各种硬件功能，使新型微机保护的电路设计异常简单可靠。,2.数字信号处理器DSP及小波变换 对于电力行业而言，还不可忽视数字信号处理器(DSP)技术的发展，特别是DSP对继电保护技术发展的影响。数字信号处理器(DSP) 与目前通用的CPU不同，是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器。DSP的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大，尤其是采专用硬件实现定点和浮点加乘(矩阵)运算，速度非常快。将数字信号处理器应用于微机继电保护，极人地缩知了数字滤波、滤序和傅里叶变换算法的计算时间，不但可以完成数据采集、信号处理的功能，还可以完成以往主要由CPU完成的运算功能，

15、甚至完成独立的继电保护功能。,小波变换是把一个信号波形分成不同尺度和位置的小波之和，它在时域一频域同时具有良好的局部化性质，可以根据信号的不同频率成分，在时域和空间域自动调节取样的疏密。理论和实践表明，小波变换是分析非平稳变化信号或突变信号的最有效的分析方法。由于小波变换具有良好的时、频局部化分析能力，能对信号或图象的任何微小细节进行分析。小波分析与计算机技术相结合，为开展新原理和新算法的微机保护装置的研究开辟了广阔的前景。,3.自适应原理在微机保护中的应用 自适应原理的基本思想是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，进步改善保护的性能，它的首要任务是解决现有继电保护存在的问题。随着电网调度自

16、动化系统的建立和实用化，采用变电站自动化技术和实现无人值班站运行方式迅速普及，与之配套的微机保护都不同程度地应用了自适应原理，为自适应保护积累了大量的经验，使我国微机保护进步提高智能化水平，取得了突破性进展。,五、未来继电保护技术的发展前景 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，其未来趋势向计算机

17、化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。,1.微计算机硬件的更新和网络化发展 在计算机领域，发展速度最快的当属计算机硬件，按照著名的摩尔定律，芯片上的集成度每隔1824个月翻一番。其结果是不仅计算机硬件的性能成倍增加，价格也在迅速降低。微处理机的发展主要体现在单片化及相关功能的极大增强，片内硬件资源得到很大扩充，单片机与DSP芯片二者技术上的融合，运算能力的显著提高以及嵌入式网络通信芯片的出现及应用等方面。这些发展使硬件设计更加方便，高性价比使冗余设计成为可能，为实现灵活化、高可靠性和模块化的通用软硬件平台创造了条件。,摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登摩尔（Go

18、rdon Moore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，而价格下降一半；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。,硬件技术的不断更新，使微机保护对技术升级的开放性有了迫切要求。网络特别是现场总线的发展及其在实时控制系统中的成功应用充分说明，网络是模块化分布式系统中相互联系和通信的理想方式。如基于网络技术的集中式微机保护，大量的传统导线将被光纤取代，传统的繁琐调试维护工作将转变为检查网络通信是否正常，这是继电保护发展的必然趋势。微机保护设计网络化，将为继电保护的设计和发展带来一种

19、全新的理念和创新，它会大大简化硬件设计、增强硬件的可靠性，使装置真正具有了局部或整体升级的可能。,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(这是首要任务)，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，实现微机保护装置的网络化。这样，继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确，大大提高保护性能和可靠性。,2.智能化 进入20世纪90年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统

20、保护领域内的一些研究工作也转向人工智能的研究。专家系统、人工神经网络（ANN）和模糊控制理论逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。 人工神经网络（ANN）具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和,非线性优化等问题。近年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络 （ANN）来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确作出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故

21、障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。,采用新理论和新方法的原因： 传统的继电保护理论和技术都是基于反应电力系统故障时某个或某几个电气量超过预定限度的突然变化，例如测量阻抗、功率方向、电流及电压的幅值和相位等。由于一个或几个电气量很难完整地描述故障状态，因此各种保护原理在电力系统和被保护设备的某些特殊运行情况下，区分故障和不正常工作状态都会遇到一些困难，例如系统振荡和过渡

22、电阻对于距离保护的影响、故障时的暂态过程(非周期分量和谐波)对于各种快速保护的影响、CT饱和对母线差动保护的影响、励磁涌流对于变压器差动保护的影响等。这些困难问题一直困扰着继电保护工作者。在经典的继电保护理论体系范围内找不到完善的解决办法。而人工神经网络等方法是解决这些问题的有力工具。,3.自适应控制技术在继电保护中的应用 自适应继电保护的概念始于20世纪80年代，它可定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。这种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣，

23、是微机保护具有生命力和不断发展的重要内容。自适应继电保护具有改善系统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的,距离保护、变压器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率变化的影响、单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，采用自适应控制技术，从而提高保护的性能。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点。,4.变电所综合自动化技术 现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、

24、控制、保护和计量装置及系统分割的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。高压、超高压变电站正面临着一场技术创新。实现继电保护和综合自动化的紧密结合，它表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元（RTU）、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。,综合自动化技术相对于常规变电所二次系统，主要有以下特点： 1）设备、操作、监视微机化。 综合自动化系统的各个子系统全部微机化，其内涵中还包括系统的功能软件化和信号数字化的内容，完全摒弃了常规变电所中各种机电式、机械式、模拟式设

25、备，大大提高了二次系统的可靠性和电气性能。操作、监视完全微机化，且方便地通过人机联系系统(MMI)对变电所实施监视和控制。,2）通信局域网络化、光缆化。 计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中得到普遍的应用。因此，系统具有较高的抗电磁干扰的能力，能够实现高速数据传输，满足实时性要求，组态更灵活，易于扩展，可靠性大大提高，而且大大简化了常规变电所繁杂量大的各种电缆，方便施工。,3）运行管理智能化。智能化的表现是多方面的，除了常规自动化功能以外，如自动报警、报表生成、电压无功调节、小电流接地选线、故障录波、事故判别与处理等方面，还具有强大的在线自诊断功能，并实时地将其送往调度(控制)中

26、心，即以主动模式代替了常规变电所的被动模式，这一点是与常规二次系统最显著的区别之一。,六、当前电力系统自动化依赖1T技术向前发展的重要热点技术 当前电力系统自动化依赖于电子技术、计算机技术继续向前发展的主要热点有: 电力一次设备智能化; 电力一次设备在线状态检测; 光电式电力互感器; 适应光电互感器技术的新型继电保护及测控装置; 特高压电网中的一次设备开发。,1.电力一次设备智能化 常规电力一次设备和二次设备安装地点一般相隔几十至几百米距离，互相间用强信号电力电缆和大电流控制电缆连接，而电力一次设备智能化是指一次设备结构设计时考虑将常规二次设备的部分或全部功能就地实现，省却大量电力信号电缆和控

27、制电缆，通常简述为一次设备自带测量和保护功能。如常见的“智能化开关”、“智能化开关柜”、“智能化箱式变电站”等。 电力一次设备智能化主要问题是电子部件经常受到现场大电流开断而引起的高强度电磁场干扰，关键技术是电磁兼容、电子部件的供电电源以及与外部通信接口协议标准等技术问题。,2.电力一次设备在线状态检测 对电力系统一次设备如发电机、汽轮机、变压器、断路器、开关等设备的重要运行参数进行长期连续的在线监测，不仅可以监视设备实时运行状态，而且还能分析各种重要参数的变化趋势，判断有无存在故障的先兆，从而延长设备的维修保养周期，提高设备的利用率，为电力设备由定期检修向状态检修过度提供保障。近年来电力部门

28、投入了很大力量与大学、科研的单位合作或引进技术，开展在线状态检测技术研究和实践并取得了一些进展，但由于技术难度大，专业性强，检测环境条件恶劣，要开发出满意的产品还需一定时日。,3.光电式电力互感器 电力互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用是按一定比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便用仪表直接测量。其缺点是随电压等级的升高绝缘难度越大，设备体积和质量也越大，信号动态范围小，导致电流互感器会出现饱和现象，或发生信号畸变，互感器的输出信号不能自接与微机化计量及保护设备接口。因此不少发达国家已经成功研究出新型光电式和电子式互感器，国际电工协会已发布了电

29、子式电压、电流互感器的标准。国内也有大专院校和科研单位正在加紧研发并取得了可喜成果。,目前主要问题是材料随温度系数的影响而使稳定性不够理想。另一关键技术是，光电互感器输出的信号比电磁式互感器输出的信号要小得多，一般是毫安级水平，不能像电磁式互感器那样可以通过较长的电缆线送给测控和保护装置，需要在就地转换为数字信号后通过光纤接口送出，模数转换、光电转换等电子电路部分在结构上需要与互感器进行一体化设计。在这里，电磁兼容、绝缘、耐环境条件、电子电路的供电电源同样是技术难点之一。,4.适应光电互感器技术的新型继电保护及测控装置 电力系统采用光电互感器技术后，与之相关的二次设备，如测控设备，继电保护等装

30、置的结构与内部功能将发生很大的变化。首先省去了装置内部的隔离互感器、A/D转换电路及部分信号处理电路， 从而提高了装置的响应速度。但需要解决的重要关键技术是为满足数值计算需要对相关的来自不同互感器的数据如何实现同步采样，其次是高效快速的数据交换通信协议的设计。.,七、我国微机保护目前存在的间题 1.微机保护在电力系统中的地位问题 继电保护装置是电力系统中对可靠性要求非常严格的设备。在变电站自动化系统中对于高压电网，继电保护单元宜相对独立，其功能不能依赖于通信网络或其他设备，保护应有独立的电源，保护模拟量的输入应由电流互感器和电压互感器通过电缆直接连接，输出跳闸命令也要通过常规的控制电缆送至断路

31、器的跳闸线圈，保护的启动，测量和逻辑功能独立实现，保护装置通过通信网络与保护管理机传输的仅是保护动作信息或记录数据，对于可靠性要求较低的低压电网，可以实现保护和监控系统的一体化。,2.微机保护装置的标准化和质量监督 目前微机保护的生产厂家众多，产品型号五花八门，其使用的硬件结构、保护算法与功能也各不相同，保护同变电站自动化系统的通信方式没有固定模式，随厂家的改变而改变。因此有必要继续保护装置系列化和标准化的研究。电子元器件的优劣是影响电器产品质量的关键，微机保护装置同样如此，必须进一步加强对装置使用器件的筛选。根据微机保护不正确动作统计情况来看，人为的、质量上的原因占很大比重，其中保护用逆变电源和收发信机损坏率高，直接影响保护的正常运行。加强质量监督，用市场规律规范继电保护产品及质量，是有效的于段。,3.微机保护装置的硬件、软件和规范化问题 大批量的微机保护投入运行后，保护的硬件、软件修改是时常发生的事，特别是软件更换、修改量日益增加。因此，不仅应要求微机保护的硬件按系列标准化。其软件也要规范化，而且修改、更换软件要有相应的规章制度，以保证微机保护运行水平的进一步提高。,4.产品的先进性和实用性、经济性问题 一些家和用户都在某种程度上存在着片面追求产品的先进性而忽视其经济性和实用性倾向，忽视基础工作。厂家产品一个劲地更新换代，用户也跟着跑，刚运