微机继电保护系统综述.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/文章编号:10057277(2000)050003041国内继电保护的现状及发展趋势微机继电保护系统是二十世纪九十年代初开始在我国电网中逐步得到了应用。目前,在国内电网已运行的变电站中,80%以上采用传统的继电保护系统对线路和中高压设备进行必要的保护;只有少数变电站采用微机继电保护系统保护线路和中高压设备。当前,变电站的数量以每年2%4%的速度增长,而在新建的变电站中,90%以上采用微机继电保护系统。同时,根据电网运行的

2、要求,每年有相当数量的变电站进行技术改造,提高综合自动化水平。因而,可以预见在未来十年中,微机继电保护系统将以惊人的速度增长。随着计算机技术、网络技术、通信技术的飞速发展,极大地促进了微机继电保护系统的发展,其保护功能日趋完善,速度和可靠性越来越高。经过多年的实际运行经验证明,微机继电保护系统与传统的继电保护系统相比具有保护完善、功能齐全、可靠性高、维护少,便于统一管理和调度,易实现变电站的无人值守等优点。它将逐步取代传统的继电保护系统,是继电保护系统未来发展的主要方向。2微机继电保护系统的特点和分类微机继电保护系统是将计算机技术、测控技术、网络技术、通讯技术融为一体的自动化控制系统。它取消了

3、传统的控制屏、信号屏、仪表屏等常规设备,减少了控制室面积,可以使中高压开关柜的仪表室做得更小,节省了大量的控制电缆,提高了继电保护系统的可靠性和保护装置的灵活性。其主要特点是:(1)分立元件厚膜化,体积小、功耗低,抗震性和密封性好,适宜于直接安装在开关柜上使用;(2)采用隔离措施和良好的屏蔽,软件编制采取抗干扰措施,使系统具有更高的可靠性;(3)可以对母线提供快速保护,消除原有保护死区;(4)新型防跳回路的引入,不需考虑跳合闸电流,适用于各种开关柜;(5)配置有静态自检和动态自检功能,装置元件损坏可闭锁出口并定位到故障芯片;(6)按先进先出原则记录最后数次故障特征值,并带有记忆功能的面板信号指

4、示,便于事后故障分析;(7)采用整体插拔式模块结构,工艺合理、更换方便,便于维护和检修;(8)输入端口统一,具有断路器位置指示,可对断路器的跳合闸回路等进行监视;(9)可通过通讯网对保护装置进行定值召唤、保护投退、信号复归等,并能实现遥测、遥信和遥控,真正实现了保护、远动、控制合而为一;(10)通讯规约标准化。微机继电保护系统按结构可分为集中式系统和分散式系统两大类。集中式微机继电保护系统是早期比较流行的一种系统,如图1所示。它是在整个变电站中设置一台计算机,所有采集到的电能、电压、电流等信号都送到计算机,进行各种运算和综合逻辑判断,然后发出各种控制指令,控制断路器分闸、合闸,发出声光报警信号

5、、打印报表电气传动自动化Electrical Drive Automation第22卷第5期2000年10月Vol.22,No.5Oct.,2000微机继电保护系统综述魏成刚(中国市政工程西北设计研究院,甘肃 兰州730000)摘要:对微机继电保护系统的特点、分类及工作原理做了较为详细的论述,指出了分散式微机继电保护系统是今后继电保护发展的主要方向。关键词:继电保护系统;断路器;变电站;操作回路中图分类号:TM774文献标识码:A 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.h

6、ttp:/第22卷第5期电气传动自动化图1集中式微机继电保护系统框图图2分散式微机继电保护系统框图等,这种系统的缺点是:所有信息的采集、运算、逻辑判断、控制、保护、统计、打印、通信等都依赖于同一台计算机,当这台计算机发生故障时,整个继电保护系统将处于瘫痪状态,严重影响电力系统的安全运行。分散式微机继电保护系统框图如图2所示。它是由一台管理计算机和数台微机保护单元组成的。分散式系统的特点是以变电站一次设备(如中高压开关柜)为单位,在一次设备现场配置微机保护单元,每个微机保护单元都具备保护和监控双重功能。监控功能为遥测量采集及计算、遥控量采集及处理、有功电能和无功电能脉冲量的采集及累计、遥控命令接

7、收和执行、对关键芯片的定时自检、就地数显等;保护功能是根据安装单位的继电保护配置完成速断保护、过载保护、接地保护、三相一次自动重合闸、低周减载、快速母线保护等功能,接收与执行管理计算机下发的保护值修改、自检功能,发送保护装置的工作信息、告警信息、动作信息、自检信息等,接收与发送上位机对保护装置整定值和测量值的查询,保护装置复归,就地显示等。管理计算机主要完成下列工作:(1)各种脉冲电量信号的累加统计;(2)各种电量信号历史数据的存贮;(3)显示各种电量参数的实时曲线、历史曲线和运行趋势线;(4)记录事故报警原因,并以多媒体方式显示事故报警;(5)修改保护的设定值,增加或删除某些保护功能;(6)

8、打印各种报表和曲线;(7)通过网络和调度中心进行通讯、接收和发送相关信息。分散式微机继电保护系统的主要优点是:控制功能分散前移,响应速度加快,事故影响面大大减小,可靠性极高,整个系统的安全性和稳定性非常好,有很好的发展前景。3微机继电保护系统的工作原理3.1速断保护短路保护是电力系统安全运行中最重要的保护,它主要采用电流速断保护方式来实现。当输入电流(A、C两相或A、B、C三相)中任何一相的幅值大于整定值并达到整定延时时间后,速断保护动作使断路器跳闸,切断事故回路,并启动报警回路,发出声光报警信号。3.2过流保护线路过载保护分为定时限过流保护和反时限过流保护。其中,定时限过流保护与速断保护工作

9、原理相同;反时限过流保护有三种模式可供选择。当输入电流(A、C两相或A、B、C三相)中任何一相的幅值大于反时限电流保护启动值时,保护装置按选定的反时限曲线方程动作,反时限曲线方程为:一般反时限:t=0.14tp(I/Ip)0.02-1非常反时限:t=1.35tp(I/Ip)-1极端反时限:t=80tp(I/Ip)2-1上式中:IP为反时限启动电流;I为故障电流;tp为时间常数。3.3接地保护线路单相接地电流的大小取决于系统的接地方式,对中性点直接接地或经小电阻接地的系统,单相接地电流较大,需提供单独的接地保护。当保护装置检测到3Io大于整定值并经过延时后的保护动作,动作于跳闸或动作于报警信号可

10、由用户选择;对于中性点不接地系统,单相接地电流较小,并且规程上也允许单相接地运行一段时间,可以通过检查3Io大小以及3Io与Uo的相位差联合构成判据而提供小电流接地选线功能,动作于报4 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/5警信号。3.4三相一次自动重合闸及后加速三相一次自动重合闸是通过软件逻辑判断及定时器控制实现,其实现方法与传统的电容放电方式类似,在被保护线路投入运行(DL的常开辅助接点闭合且线路上有电流流过)15秒后自动进入运行状态,利用此延时保证重合

11、闸只动作一次。其启动方式分两种,可根据需要整定。保护启动方式的动作条件是:保护动作、断路器断开(DL常开辅助接点由合变分且线路电流突变为零);接点不对应启动方式的动作条件是:无手动或遥控跳闸,断路器断开(DL常开辅助接点由合变分且线路电流突变为零),该方式可在断路器偷跳时使断路器重合。为防止三相一次自动重合闸的拒动和误投,系统软件上应进行适当的处理,保证在保护动作和开关偷跳时重合闸的正确动作。后加速功能是在手动合闸(遥控合闸)或三相一次自动重合闸于故障线路上时,加速保护跳闸。其记忆时间一般为3秒,有手合(遥控)或重合闸动作时自动启动。3.5低周减载通过检测系统频率,根据系统频率的变化按用户的设

12、定值自动切除负荷,为保证装置可靠动作,系统正常时对低周减载功能进行闭锁,这时,为防止系统负荷反馈等引起保护装置误动,一般采用低电压、低电流和频率变化率联合闭锁判据,低周减载一旦动作将自动闭锁重合闸。3.6操作回路在传统的继电保护系统中,操作回路一般采用电流启动,电压保持回路实现断路器的电气防跳。这种操作回路的缺点是需要根据断路器跳合闸回路的电流选择防跳继电器,通用性差,况且对于跳闸电流较小的断路器往往很难实现。为简化接线,便于定型设计,提高产品的通用性,现多采用一种新型操作回路。该回路中的电气防跳不再需要考虑跳合闸回路的电流,简单可靠。原电力部鉴定认为该回路为新型实用回路,具有推广应用价值。图

13、3中KK仍为传统的KK开关,ZK为一转换开关,用于就地与远方控制转换,通过ZK开关将遥合允许和遥跳允许回路接通,手动合闸和手动跳闸回路中的ZK开关处于断开位置,手动合闸和手动跳闸不起作用。反之,通过ZK开关将遥合允许和遥跳允许回路断开后,手动合闸和手动跳闸回路回复传统的回路。无论就地控制还是远方控制,当手动或遥控合闸后,断路器常开辅助接点DL闭合,使J5导通,那么J5的常开接点将闭合使J5始终带电,J5的常闭接点将绐始终打开而使合闸回路断开。这时即便有故障出现,保护动作跳开断路器后,由于合闸回路不通断路器不会出现合闸,即可有效防止发生跳跃。4网络及通信在微机继电保护自动化系统中常用的串行通信接

14、口RS-232C、RS-422/485虽有标准化、规范化和多数智能单元IED接口方便的优点,但不足之处是RS-232C通信有效距离短(15米),而RS-485总线为主从结构,主接点工作繁忙时,影响系统性能和可靠性。因此,采用计算机网络的优点来替代传统串口通讯成为一种趋势。计算机网络内各计算机之间是相互独立和相互平等的,目前国内采用较多的是现场总线型通信方式,如CAN、LonW orks、HART、Profibus,FF等。现场总线网是一种多点共享的广播通信信道网,较点对点通信信道网(星形网)为优,各结点连在一条总线上,不象星形网两结点间通信需通过中心结点。当然,总线型网要有控制机构解决两个以上

15、结点同时发送信息的冲突。FF现场总线在过程自动化领域中得到最广泛支持,是具有良好发展前景的技术,它集中了全球150多个厂商的智慧而制定的W orldFIP协议,是未来现场总线的优选方案。在通信媒介方面,光纤是比较理想的通信媒介,但由于价格及施工方便等方面的因素,双绞线仍(下转第8页)2000年10月魏成刚微机继电保护系统综述图3操作回路原理图 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第22卷第5期电气传动自动化析得出磁链位置角s,由于电机尚未转动,此角就是转子初

16、始,用此s去校正电流模型得出的转子位置角即完成初始定位过程。该角决定了电机启动瞬间定子电流相位的大小。(2)启动和低速运行(0-5%NMAX)给出速度给定后,由于速度反馈为0,速度调节器输出(定子电流转矩分量)快速增长,同时由于功率因素设定为1,定子电流励磁分量0,因此定子电流全部用来产生启动转矩。转速达到给定后,速度调节器开始起作用,系统稳定运行。在此期间,由于定子电压很低,电压模型不准确,系统中电流模型起主要作用,而且磁链调节器被封锁。(3)高低速切换区(4%-8%NMAX)在此期间,电压、电流模型同时起作用,磁链位置角由两者共同决定,以使速度平滑切换。(4)恒转矩调速区(5%NMAX-N

17、E)在此工作区,电流模型不起作用,磁链位置角仅由电压模型决定,同时磁通调节器投入,其磁通反馈也由UMO提供。(5)弱磁调速区(恒功率区,NE-NMAX)同步电机的弱磁调速范围远大于恒转矩范围,以五号机架为例,额定转速130 RPM,最高转速445 RPM,两者之比1:2.4,此时磁通调节器(PUR)自动转为电压闭环方式,以保证定子电压不超过额定值。同时定子电流的转矩分量也不是直接来自转速调节器输出。由于弱磁调节的作用使系统的开环放大倍数减少,系统动态性能变差,为了消除这种影响,让速调输出除以磁通的幅值后才能作为定子电流转矩分量的给定。4结束语通过现场调试和设备一年多来的运行,可以证明SIMOV

18、ERT-D确实是一套调试、维护方便,运行可靠的传动系统。但也存在以下问题:(1)系统为调试专门设置了电流运行方式(DSG块功能),在此方式下电机可以不带脉冲发生器运行,但电机转速不高,最多为30%NMax。这为判别一些机械振荡问题带来困难。(2)系统对电机参数依赖性特强,如提供的参数不准,系统的开环调试时一切正常,但投入矢量控制后系统根本不能工作,如果经验不足,很难发现问题所在。(3)软件中很多功能块(特别是与矢量控制有关的块)都带有INI(初始化)端子。在调试中如果一次要改变多个参数,就得一一将每个INI端子置1,但要恢复时还得置0,参数才能生效。这本来为系统的安全提供了很好的保护,但在调试

19、、维护时很容易造成事故,因为对改变的参数有没有生效,系统根本没有警告提示,但显示的却是已改变的参数。虽有以上不足,但毕竟疵不遮瑕。SIMOVERT-D以其优异的动静特性(空载下稳速精度 0.01%;电流响应 6.5 ms;速度响应 45 ms)和极低的故障率在生产线上日益显示出其巨大的经济效益和社会效益。参考文献:1陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.北京:机械工业出版社.2李志民,张遇杰.同步电动机调速系统.北京:机械工业出版社.作者简介:张泽忠(1970),男,工程师。1991年毕业于吉林电气化高等专科学校电气自化系,1991年进入中国第二十冶金建设公司,曾参加宝钢三期一百五十吨大电炉工程及14

20、20冷连轧机工程。现在上海智大电子有限公司工作,主要从事工厂电气设备的调试、现场服务以及电子设备的国产化工作。李根富(1963),男,1985年毕业于东北工学院自动控制系,现在宝钢冷轧部1420分厂主管轧机电气传动技术工作。收稿日期:2000-04-27(上接第5页)将被普遍采用;在通信协议上,目前国内已制订了IEC60870-5-103规约,但此协议仅适用于RS-485链路,不能适用于目前的各种现场总线传输。随着FF现场总线的推广,有可能提供一个统一的数据传输协议。5结束语微机继电保护经过十几年的发展,技术上已经比较完善,成熟和可靠,其标准化工作有关部门也正在积极制定。相信不久将会看到高性能、高可靠性、标准化的微机继电保护系统在电力系统中获得广泛应用,全面提高我国电力系统的综合自动化水平。收稿日期:2000-06-128