四供電系統(tǒng)的繼電保護與自動裝置

章供配電系統(tǒng)的微機保護與綜合自動化內容提要：微機保護的特點、構成及保護算法的概念

工廠線路、變壓器和高壓電動機微機保護裝置的設計實例配電自動化系統(tǒng)的基本概念、組成、內容及其功能變電站綜合自動化的基本概念和結構7.1

供配電系統(tǒng)的微機保護 微機保護在電力系統(tǒng)的各個方面及各種電壓等級上均有較大的發(fā)展，如線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護、勵磁調節(jié)系統(tǒng)等?，F代繼電保護裝置的發(fā)展趨勢:微機控制化保護裝置網絡化算法智能化功能一體化7.1.1微機保護的硬件構成微機保護的硬件部分由四部分組成:數據采集系統(tǒng)CPU主系統(tǒng)開關量輸入/輸出系統(tǒng)外圍設備圖7.1微機保護的硬件構成框圖1.數據采集系統(tǒng)①數據采集系統(tǒng)又稱模擬量輸入系統(tǒng)。②數據采集系統(tǒng)由電壓形成、模擬濾波器（ALF）、采樣保持（S/H）、多路轉換開關（MPX）與模數轉換器（A/D）幾個環(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、電流模擬量轉化為數字量,然后送入CPU主系統(tǒng)進行數據處理及運算。2.CPU主系統(tǒng) 微機保護的 CPU主系統(tǒng)是由 MPU 微處理器、EPROM 可編程只讀存儲器、RAM 隨機存儲器、定時器、接口板以及打印機等外圍設備組成。 它實際上是由各種芯片搭成的專用計算機,或者使用單片機構成。3.開關量輸入/輸出系統(tǒng)開關量輸入/輸出系統(tǒng)的主要作用是輸出跳閘、信號等信息。 與外圍設備包括打印機和調試、整定設備等接口。 為了防止干擾的入侵,通常經過光電隔離電路將開關量輸入/輸出回路與微機保護的主系統(tǒng)進行嚴格的隔離,使兩者不存在電的直接聯系。7.1.2微機保護的軟件系統(tǒng)微機保護軟件系統(tǒng)的組成:初始化模塊數據采集管理模塊故障檢出模塊數字濾波模塊故障計算模塊自檢模塊7.1.3

微機保護的算法微機保護的算法——是將離散的數字信號，經過某種運算，求出電流、電壓幅值、相位的過程。常用的保護算法:導數式算法全波傅立葉算法最小二乘算法7.2

線路的微機保護7.2.1線路保護配置的基本原則1.

10kV線路保護配置（1）10kV架空線路和電纜線路應裝設相間短路保護，保護裝置采用兩相式接線，并在所有出線中皆裝設在同名的兩相上，通常裝設在A.C兩相上，以保證當發(fā)生不在同出線上的兩點單相接地時有2/3機會切除一個故障點。（2）10kV線路保護,一般以電流速斷保護為主,以過流保護作為后備保護,保護裝置采用的是遠后備方式。（3）10kV線路在下述情況下必須裝設電流速斷保護:①對于發(fā)電廠母線上的出線發(fā)生短路時,母線電壓如果低于0.55~0.65倍額定電壓,則應由電流速斷保護切除；對變電所而言,當線路上發(fā)生短路,變電所母線電壓大量下降時,也應裝設電流速斷保護。②導線截面不允許延時切除短路電流時,應裝設電流速斷保護。1.10kV線路保護配置（1）35kV單側電源線路保護（2）35kV雙側電源線路保護對于35kV雙側電源的單回線路通常裝設兩相方向電流保護和兩相三繼電器帶時限方向過流保護,并附以檢查無電壓或同期的三相一次重合閘。通常設計成兩相式電流速斷保護和兩相三電流繼電器帶時限的電流保護,電流速斷經出口繼電器跳開斷路器,而帶時限保護經時延跳開斷路器。2.35kV線路保護配置7.2.2

10kV線路微機保護這里所介紹的微機保護裝置的CPU采用ATmega128單片機,MAX125芯片進行交流信號的采集,顯示部分采用帶字庫的液晶顯示模塊,通信物理接口是RS-485,采用ModBus通信規(guī)約,組網方便,可直接與微機監(jiān)控或保護管理機聯網通信。軟件部分能準確計算各項電量參數,可實現10套定值的獨立整定,包含11種線路保護算法,并可將故障報告上傳。保護裝置硬件系統(tǒng)總體分為7個部分:數據濾波采樣部分、CPU主電路、開關量輸入輸出部分、液晶顯示、按鍵電路、通訊電路和電源電路?？傮w設計如下圖7.21.保護裝置的硬件設計裝置的軟件設計分為整定測試部分和故障判斷處理2個部分。 整定部分是對各種保護定值和時限按照規(guī)定的步長和范圍進行整定。 測試部分是對時間日期、電壓、電流、頻率等關鍵參數進行測試計算。 故障判斷處理程序是根據測試部分得到的電壓、頻率等參數,與存儲的整定數值進行比較,按照各種故障的判據,進行分析,如果符合某種故障的條件則馬上啟動對應的保護動作如報警或跳閘等,并生成故障報告。2.保護裝置的軟件設計圖7.3保護裝置主程序流程圖圖7.3保護裝置主程 變壓器成套微機保護裝置作為新一代數字式變電站變壓器的各種短路故障和不正常運行狀態(tài)的成套保護測控裝置,適用于電力系統(tǒng)35kV、110kV變電站的雙繞組及三繞組變壓器,由變壓器主保護單元和后備保護單元兩部分組成。7.3

變壓器的微機保護變壓器微機保護有主保護系統(tǒng)和后備保護系統(tǒng)。變壓器差動保護變壓器差動保護與瓦斯保護聯合構成變壓器的主保護,用來保護變壓器的內部故障。變壓器的后備保護變壓器的后備保護是用來作為外部短路和內部短路的后備保護裝置,稱為變壓器的后備保護。7.3.1變壓器微機保護的種類和配置 這里介紹的是一中小型工廠10kV/0.4kV,容量為3150kV·A的變壓器微機保護裝置的設計。該裝置的硬件部分以ATmega128處理器為核心,主要設計了兩片14位A/D芯片MAX125和頻率測量電路配合,進行實時交流采樣的電路。軟件部分主要設計了頻率測量、交流采集控制、故障處理、顯示和時鐘等模塊程序。7.3.2

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

翻頁和設置程序圖7.6 設置程序

流程圖圖7.7菜單示意圖3）數據采集程序圖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機在運行過程中,可能會發(fā)生各種短路故障或不正常運行狀態(tài)。如定子繞組相間短路,單相接地故障,供電網絡電壓和頻率的降低而使電動機轉速下降等,這些故障或不正常運行狀態(tài),若不及時發(fā)現并加以處理,會引起電動機嚴重損壞,并使供電回路電壓顯著降低,因此,必須裝設相應的保護裝置。7.4

高壓電動機的微機過電流保護7.4.110kV異步電動機微機保護1.微機保護裝置的硬件設計■硬件系統(tǒng)的設計應該滿足以下要求:?抗干擾性?可靠性?快速性圖7.10保護裝置的硬件系統(tǒng)結構圖2.微機保護裝置的軟件設計設計過程中應遵循以下幾個原則:?采樣時間應不受干擾.?保護子程序的重要性次之,當程序進入保護子程序時,?不能隨意切換到其它程序。?各程序模塊保持相對獨立和封閉,有獨立的輸入輸出,?只定義一個入口和出口,避免模塊之間的交叉互聯,?信息通過全局變量或函數返回值傳輸。圖7.11總體程序流程圖圖7.12采樣程序流程圖圖7.13 保護程序流程圖圖7.14 寫時鐘程序流程圖圖7.15 讀時鐘程序流程圖7.5

配電網自動化配電網自動化的主要功能包括如下主要內容:配電網調度自動化系統(tǒng)變電所、配電所自動化饋線自動化（FA）自動制圖（AM）/設備管理（FM）/地理信息系統(tǒng)（GIS）7.5.1

數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）SCADA是“SupervisoryContro1andDataAcquisition”的縮寫，即“監(jiān)視控制和數據采集”之意。配電網的SCADA系統(tǒng)主要要實現“四遙”功能:遙信完成采集配電網的各種開關設備的實時狀態(tài)，通過配電網的信道送到監(jiān)控計算機。遙測完成采集配電網的各種電量（如電流、電壓、用戶負荷、電度等）的實時數值通過配電網的信道送到監(jiān)控計算機。遙控是由操作人員通過監(jiān)控計算機發(fā)送開關開合命令,通過配電網信息傳達現場,使現場的執(zhí)行機構操作開關的開合,達到給用戶供電、停電等目的。◆遙調是由操作人員通過監(jiān)控計算機或高級監(jiān)控程序自動◆發(fā)送參數調節(jié)命令,通過配電網信道傳達現場,使現場◆的調節(jié)機構對特定的參數進行調節(jié),達到負荷大小、電◆壓、功率因數調節(jié)等目的。7.5.2

配電網地理信息系統(tǒng)（GIS）配電網地理信息系統(tǒng)的任務是在城鄉(xiāng)街道地理背景圖上按一定比例繪制饋電線的接線圖,圖上可標注斷路器、架空線、電線桿、電纜、配電變壓器等所有電氣設備的符號、型號、規(guī)格。它集配電網的圖形、數據和計算于一體,達到對配電網科學管理的水平。7.5.3

配電網管理信息系統(tǒng)（DMS）現代的電力企業(yè)管理信息系統(tǒng)的功能包括:數據處理功能輔助決策功能辦公自動化功能7.5.4典型配電自動化系統(tǒng)典型配電自動化系統(tǒng)主要由以下幾部分構成:數據采集子系統(tǒng)子系統(tǒng)MMI子系統(tǒng)輸入輸出設備歷史服務器子系統(tǒng)計算機數據通信子系統(tǒng)時鐘子系統(tǒng)網絡設備電源子系統(tǒng)圖7.16典型配電自動化系統(tǒng)圖7.6

工廠變電所綜合自動化變電站自動化是應用控制技術、信息處理和通信技術,利用計算機軟件和硬件系統(tǒng)或自動裝置代替人工進行各種運行作業(yè),提高變電站運行、管理水平的一種自動化系統(tǒng)。7.6.1變電所綜合自動化的結構變電所綜合自動化系統(tǒng)的結構模式可分為三種類型:◆集中式◆分布集中組屏◆分布分散式1.

集中式結構圖7.17集中式結構示意圖2.分布分散式結構圖7.18分布分散式結構示意圖3.分散式集中組屏結構圖7.19分散式集中組屏結構小結微機保護的硬件部分主要由數據采集系統(tǒng)、CPU主系 統(tǒng)、開關量輸入/輸出系統(tǒng)、及外圍設備等四部分組 成。微機保護的軟件系統(tǒng)由初始化模塊、數據采集 管理模塊、故障檢出模塊、數字濾波模塊、故障計 算模塊與自檢模塊等組成。微機保護的算法,是將離散的數字信號,經過某種 運算,求出電流、電壓幅值、相位的過程。常用的 保護算法主要有導數式算法、全波傅立葉算法、最 小二乘算法等。3.10kV線路微機保護裝置硬件系統(tǒng)總體分為7個部分:數據濾波采樣部分、CPU主電路、開關量輸入輸出部分、液晶顯示、按鍵電路、通訊電路和電源電路。軟件設計包括整定測試部分和故障判斷處理2個部分。中小型工廠10kV/0.4kV變壓器微機保護裝置采用 ATmega128芯片作為測控保護裝置的處理器，外圍電 路模塊主要有信號調理模塊、交流采集和處理模塊、繼電器控制模塊，以及液晶、時鐘、通信等電路模塊。10kV異步電動機微機保護裝置選用Atmega128芯片 為核心處理器，鍵盤、液晶顯示模塊完成人機對話。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