四供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置

章供配電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)與綜合自動(dòng)化內(nèi)容提要：微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)、構(gòu)成及保護(hù)算法的概念

工廠(chǎng)線(xiàn)路、變壓器和高壓電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)實(shí)例配電自動(dòng)化系統(tǒng)的基本概念、組成、內(nèi)容及其功能變電站綜合自動(dòng)化的基本概念和結(jié)構(gòu)7.1

供配電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù) 微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)的各個(gè)方面及各種電壓等級(jí)上均有較大的發(fā)展，如線(xiàn)路保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)等?，F(xiàn)代繼電保護(hù)裝置的發(fā)展趨勢(shì):微機(jī)控制化保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化算法智能化功能一體化7.1.1微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成微機(jī)保護(hù)的硬件部分由四部分組成:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)CPU主系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)外圍設(shè)備圖7.1微機(jī)保護(hù)的硬件構(gòu)成框圖1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱(chēng)模擬量輸入系統(tǒng)。②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由電壓形成、模擬濾波器（ALF）、采樣保持（S/H）、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（MPX）與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。③其作用是將電壓互感器（TV）和電流互感器（TA）二次輸出的電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,然后送入CPU主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。2.CPU主系統(tǒng) 微機(jī)保護(hù)的 CPU主系統(tǒng)是由 MPU 微處理器、EPROM 可編程只讀存儲(chǔ)器、RAM 隨機(jī)存儲(chǔ)器、定時(shí)器、接口板以及打印機(jī)等外圍設(shè)備組成。 它實(shí)際上是由各種芯片搭成的專(zhuān)用計(jì)算機(jī),或者使用單片機(jī)構(gòu)成。3.開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)的主要作用是輸出跳閘、信號(hào)等信息。 與外圍設(shè)備包括打印機(jī)和調(diào)試、整定設(shè)備等接口。 為了防止干擾的入侵,通常經(jīng)過(guò)光電隔離電路將開(kāi)關(guān)量輸入/輸出回路與微機(jī)保護(hù)的主系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的隔離,使兩者不存在電的直接聯(lián)系。7.1.2微機(jī)保護(hù)的軟件系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)軟件系統(tǒng)的組成:初始化模塊數(shù)據(jù)采集管理模塊故障檢出模塊數(shù)字濾波模塊故障計(jì)算模塊自檢模塊7.1.3

微機(jī)保護(hù)的算法微機(jī)保護(hù)的算法——是將離散的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算，求出電流、電壓幅值、相位的過(guò)程。常用的保護(hù)算法:導(dǎo)數(shù)式算法全波傅立葉算法最小二乘算法7.2

線(xiàn)路的微機(jī)保護(hù)7.2.1線(xiàn)路保護(hù)配置的基本原則1.

10kV線(xiàn)路保護(hù)配置（1）10kV架空線(xiàn)路和電纜線(xiàn)路應(yīng)裝設(shè)相間短路保護(hù)，保護(hù)裝置采用兩相式接線(xiàn)，并在所有出線(xiàn)中皆裝設(shè)在同名的兩相上，通常裝設(shè)在A.C兩相上，以保證當(dāng)發(fā)生不在同出線(xiàn)上的兩點(diǎn)單相接地時(shí)有2/3機(jī)會(huì)切除一個(gè)故障點(diǎn)。（2）10kV線(xiàn)路保護(hù),一般以電流速斷保護(hù)為主,以過(guò)流保護(hù)作為后備保護(hù),保護(hù)裝置采用的是遠(yuǎn)后備方式。（3）10kV線(xiàn)路在下述情況下必須裝設(shè)電流速斷保護(hù):①對(duì)于發(fā)電廠(chǎng)母線(xiàn)上的出線(xiàn)發(fā)生短路時(shí),母線(xiàn)電壓如果低于0.55~0.65倍額定電壓,則應(yīng)由電流速斷保護(hù)切除；對(duì)變電所而言,當(dāng)線(xiàn)路上發(fā)生短路,變電所母線(xiàn)電壓大量下降時(shí),也應(yīng)裝設(shè)電流速斷保護(hù)。②導(dǎo)線(xiàn)截面不允許延時(shí)切除短路電流時(shí),應(yīng)裝設(shè)電流速斷保護(hù)。1.10kV線(xiàn)路保護(hù)配置（1）35kV單側(cè)電源線(xiàn)路保護(hù)（2）35kV雙側(cè)電源線(xiàn)路保護(hù)對(duì)于35kV雙側(cè)電源的單回線(xiàn)路通常裝設(shè)兩相方向電流保護(hù)和兩相三繼電器帶時(shí)限方向過(guò)流保護(hù),并附以檢查無(wú)電壓或同期的三相一次重合閘。通常設(shè)計(jì)成兩相式電流速斷保護(hù)和兩相三電流繼電器帶時(shí)限的電流保護(hù),電流速斷經(jīng)出口繼電器跳開(kāi)斷路器,而帶時(shí)限保護(hù)經(jīng)時(shí)延跳開(kāi)斷路器。2.35kV線(xiàn)路保護(hù)配置7.2.2

10kV線(xiàn)路微機(jī)保護(hù)這里所介紹的微機(jī)保護(hù)裝置的CPU采用ATmega128單片機(jī),MAX125芯片進(jìn)行交流信號(hào)的采集,顯示部分采用帶字庫(kù)的液晶顯示模塊,通信物理接口是RS-485,采用ModBus通信規(guī)約,組網(wǎng)方便,可直接與微機(jī)監(jiān)控或保護(hù)管理機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。軟件部分能準(zhǔn)確計(jì)算各項(xiàng)電量參數(shù),可實(shí)現(xiàn)10套定值的獨(dú)立整定,包含11種線(xiàn)路保護(hù)算法,并可將故障報(bào)告上傳。保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)總體分為7個(gè)部分:數(shù)據(jù)濾波采樣部分、CPU主電路、開(kāi)關(guān)量輸入輸出部分、液晶顯示、按鍵電路、通訊電路和電源電路。總體設(shè)計(jì)如下圖7.21.保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)裝置的軟件設(shè)計(jì)分為整定測(cè)試部分和故障判斷處理2個(gè)部分。 整定部分是對(duì)各種保護(hù)定值和時(shí)限按照規(guī)定的步長(zhǎng)和范圍進(jìn)行整定。 測(cè)試部分是對(duì)時(shí)間日期、電壓、電流、頻率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試計(jì)算。 故障判斷處理程序是根據(jù)測(cè)試部分得到的電壓、頻率等參數(shù),與存儲(chǔ)的整定數(shù)值進(jìn)行比較,按照各種故障的判據(jù),進(jìn)行分析,如果符合某種故障的條件則馬上啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作如報(bào)警或跳閘等,并生成故障報(bào)告。2.保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)圖7.3保護(hù)裝置主程序流程圖圖7.3保護(hù)裝置主程 變壓器成套微機(jī)保護(hù)裝置作為新一代數(shù)字式變電站變壓器的各種短路故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)的成套保護(hù)測(cè)控裝置,適用于電力系統(tǒng)35kV、110kV變電站的雙繞組及三繞組變壓器,由變壓器主保護(hù)單元和后備保護(hù)單元兩部分組成。7.3

變壓器的微機(jī)保護(hù)變壓器微機(jī)保護(hù)有主保護(hù)系統(tǒng)和后備保護(hù)系統(tǒng)。變壓器差動(dòng)保護(hù)變壓器差動(dòng)保護(hù)與瓦斯保護(hù)聯(lián)合構(gòu)成變壓器的主保護(hù),用來(lái)保護(hù)變壓器的內(nèi)部故障。變壓器的后備保護(hù)變壓器的后備保護(hù)是用來(lái)作為外部短路和內(nèi)部短路的后備保護(hù)裝置,稱(chēng)為變壓器的后備保護(hù)。7.3.1變壓器微機(jī)保護(hù)的種類(lèi)和配置 這里介紹的是一中小型工廠(chǎng)10kV/0.4kV,容量為3150kV·A的變壓器微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。該裝置的硬件部分以ATmega128處理器為核心,主要設(shè)計(jì)了兩片14位A/D芯片MAX125和頻率測(cè)量電路配合,進(jìn)行實(shí)時(shí)交流采樣的電路。軟件部分主要設(shè)計(jì)了頻率測(cè)量、交流采集控制、故障處理、顯示和時(shí)鐘等模塊程序。7.3.2

中小型工廠(chǎng)10kV/0.4kV變壓器微機(jī)保護(hù)1.保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)圖7.4保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖2.保護(hù)裝置的軟件部分該裝置的軟件調(diào)試使用編譯軟件AtmanAvrCIDE(Version4.1),核心是GNUC/C++CompilerAVRGCC3.3.2。它是Atmel公司的AVR系列單片機(jī)應(yīng)用AVRGCC編譯器而開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,工程項(xiàng)目采用模塊化管理,可視化編程,文本編輯器支持自動(dòng)提示函數(shù)參數(shù)信息,函數(shù)檢索和插入等功能。1）主程序圖7.5 主程序的流程圖2)

翻頁(yè)和設(shè)置程序圖7.6 設(shè)置程序

流程圖圖7.7菜單示意圖3）數(shù)據(jù)采集程序圖7.8 交流采集程序流程圖4）故障處理程序圖7.9故障處理程序流程圖高壓電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,可能會(huì)發(fā)生各種短路故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)。如定子繞組相間短路,單相接地故障,供電網(wǎng)絡(luò)電壓和頻率的降低而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降等,這些故障或不正常運(yùn)行狀態(tài),若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以處理,會(huì)引起電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞,并使供電回路電壓顯著降低,因此,必須裝設(shè)相應(yīng)的保護(hù)裝置。7.4

高壓電動(dòng)機(jī)的微機(jī)過(guò)電流保護(hù)7.4.110kV異步電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)1.微機(jī)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)■硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿(mǎn)足以下要求:?抗干擾性?可靠性?快速性圖7.10保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.微機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則:?采樣時(shí)間應(yīng)不受干擾.?保護(hù)子程序的重要性次之,當(dāng)程序進(jìn)入保護(hù)子程序時(shí),?不能隨意切換到其它程序。?各程序模塊保持相對(duì)獨(dú)立和封閉,有獨(dú)立的輸入輸出,?只定義一個(gè)入口和出口,避免模塊之間的交叉互聯(lián),?信息通過(guò)全局變量或函數(shù)返回值傳輸。圖7.11總體程序流程圖圖7.12采樣程序流程圖圖7.13 保護(hù)程序流程圖圖7.14 寫(xiě)時(shí)鐘程序流程圖圖7.15 讀時(shí)鐘程序流程圖7.5

配電網(wǎng)自動(dòng)化配電網(wǎng)自動(dòng)化的主要功能包括如下主要內(nèi)容:配電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)變電所、配電所自動(dòng)化饋線(xiàn)自動(dòng)化（FA）自動(dòng)制圖（AM）/設(shè)備管理（FM）/地理信息系統(tǒng)（GIS）7.5.1

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）SCADA是“SupervisoryContro1andDataAcquisition”的縮寫(xiě)，即“監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集”之意。配電網(wǎng)的SCADA系統(tǒng)主要要實(shí)現(xiàn)“四遙”功能:遙信完成采集配電網(wǎng)的各種開(kāi)關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，通過(guò)配電網(wǎng)的信道送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。遙測(cè)完成采集配電網(wǎng)的各種電量（如電流、電壓、用戶(hù)負(fù)荷、電度等）的實(shí)時(shí)數(shù)值通過(guò)配電網(wǎng)的信道送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)。遙控是由操作人員通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送開(kāi)關(guān)開(kāi)合命令,通過(guò)配電網(wǎng)信息傳達(dá)現(xiàn)場(chǎng),使現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作開(kāi)關(guān)的開(kāi)合,達(dá)到給用戶(hù)供電、停電等目的。◆遙調(diào)是由操作人員通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)或高級(jí)監(jiān)控程序自動(dòng)◆發(fā)送參數(shù)調(diào)節(jié)命令,通過(guò)配電網(wǎng)信道傳達(dá)現(xiàn)場(chǎng),使現(xiàn)場(chǎng)◆的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)特定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),達(dá)到負(fù)荷大小、電◆壓、功率因數(shù)調(diào)節(jié)等目的。7.5.2

配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)（GIS）配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的任務(wù)是在城鄉(xiāng)街道地理背景圖上按一定比例繪制饋電線(xiàn)的接線(xiàn)圖,圖上可標(biāo)注斷路器、架空線(xiàn)、電線(xiàn)桿、電纜、配電變壓器等所有電氣設(shè)備的符號(hào)、型號(hào)、規(guī)格。它集配電網(wǎng)的圖形、數(shù)據(jù)和計(jì)算于一體,達(dá)到對(duì)配電網(wǎng)科學(xué)管理的水平。7.5.3

配電網(wǎng)管理信息系統(tǒng)（DMS）現(xiàn)代的電力企業(yè)管理信息系統(tǒng)的功能包括:數(shù)據(jù)處理功能輔助決策功能辦公自動(dòng)化功能7.5.4典型配電自動(dòng)化系統(tǒng)典型配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成:數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)子系統(tǒng)MMI子系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備歷史服務(wù)器子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)時(shí)鐘子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備電源子系統(tǒng)圖7.16典型配電自動(dòng)化系統(tǒng)圖7.6

工廠(chǎng)變電所綜合自動(dòng)化變電站自動(dòng)化是應(yīng)用控制技術(shù)、信息處理和通信技術(shù),利用計(jì)算機(jī)軟件和硬件系統(tǒng)或自動(dòng)裝置代替人工進(jìn)行各種運(yùn)行作業(yè),提高變電站運(yùn)行、管理水平的一種自動(dòng)化系統(tǒng)。7.6.1變電所綜合自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式可分為三種類(lèi)型:◆集中式◆分布集中組屏◆分布分散式1.

集中式結(jié)構(gòu)圖7.17集中式結(jié)構(gòu)示意圖2.分布分散式結(jié)構(gòu)圖7.18分布分散式結(jié)構(gòu)示意圖3.分散式集中組屏結(jié)構(gòu)圖7.19分散式集中組屏結(jié)構(gòu)小結(jié)微機(jī)保護(hù)的硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系 統(tǒng)、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)、及外圍設(shè)備等四部分組 成。微機(jī)保護(hù)的軟件系統(tǒng)由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集 管理模塊、故障檢出模塊、數(shù)字濾波模塊、故障計(jì) 算模塊與自檢模塊等組成。微機(jī)保護(hù)的算法,是將離散的數(shù)字信號(hào),經(jīng)過(guò)某種 運(yùn)算,求出電流、電壓幅值、相位的過(guò)程。常用的 保護(hù)算法主要有導(dǎo)數(shù)式算法、全波傅立葉算法、最 小二乘算法等。3.10kV線(xiàn)路微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)總體分為7個(gè)部分:數(shù)據(jù)濾波采樣部分、CPU主電路、開(kāi)關(guān)量輸入輸出部分、液晶顯示、按鍵電路、通訊電路和電源電路。軟件設(shè)計(jì)包括整定測(cè)試部分和故障判斷處理2個(gè)部分。中小型工廠(chǎng)10kV/0.4kV變壓器微機(jī)保護(hù)裝置采用 ATmega128芯片作為測(cè)控保護(hù)裝置的處理器，外圍電 路模塊主要有信號(hào)調(diào)理模塊、交流采集和處理模塊、繼電器控制模塊，以及液晶、時(shí)鐘、通信等電路模塊。10kV異步電動(dòng)機(jī)微機(jī)保護(hù)裝置選用Atmega128芯片 為核心處理器，鍵盤(pán)、液晶顯示模塊完成人機(jī)對(duì)話(huà)。軟件系統(tǒng)可分為以下7大程序模塊:①統(tǒng)初始化程序；②自檢程序；③