供配電系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)與綜合自動(dòng)化

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

工廠線路、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。

現(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．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱模擬量輸入系統(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)換開關(guān)（MPX）與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。采樣保持器：是對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)定時(shí)測(cè)量,抽取樣值。通過采樣,一個(gè)在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)就轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的脈沖信號(hào)。實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)的必須的抽樣---保持電路。

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用計(jì)算機(jī)，或者使用單片機(jī)構(gòu)成。

3．開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)

開關(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)過光電隔離電路將開關(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)過某種運(yùn)算，求出電流、電壓幅值、相位的過程。

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

最小二乘法（又稱最小平方法）是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。最小二乘法還可用于曲線擬合。7.2

線路的微機(jī)保護(hù)

7.2.1線路保護(hù)配置的基本原則1.10kV線路保護(hù)配置（1）10kV架空線路和電纜線路應(yīng)裝設(shè)相間短路保護(hù)，保護(hù)裝置采用兩相式接線，并在所有出線中皆裝設(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線路保護(hù)，一般以電流速斷保護(hù)為主，以過流保護(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)電廠母線上的出線發(fā)生短路時(shí)，母線電壓如果低于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)線路上發(fā)生短路，變電所母線電壓大量下降時(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線路保護(hù)配置

（1）35kV單側(cè)電源線路保護(hù)（2）35kV雙側(cè)電源線路保護(hù)對(duì)于35kV雙側(cè)電源的單回線路通常裝設(shè)兩相方向電流保護(hù)和兩相三繼電器帶時(shí)限方向過流保護(hù)，并附以檢查無電壓或同期的三相一次重合閘。

三相重合閘，是指不論在輸、配電線上發(fā)生單相短路還是相間短路時(shí)，繼電保護(hù)裝置均將線路三相斷路器同時(shí)跳開，然后啟動(dòng)自動(dòng)重合閘再同時(shí)重新合三相斷路器的方式。電力系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，架空線路的故障大都是暫時(shí)的，例如：由于雷電過電壓引起的絕緣子表面閃絡(luò)，大風(fēng)引起的短時(shí)碰線，通過鳥類身體的放電以及樹枝等物掉落在導(dǎo)線上引起的短路等。當(dāng)故障線路被迅速斷開之后，電弧即行消滅，故障點(diǎn)的絕緣強(qiáng)度重新恢復(fù)，因此在線路被斷開以后再進(jìn)行一次重合閘，就有可能大大提高供電的可靠性。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)出口繼電器跳開斷路器，而帶時(shí)限保護(hù)經(jīng)時(shí)延跳開斷路器。

2．35kV線路保護(hù)配置7.2.210kV線路微機(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（設(shè)定），包含11種線路保護(hù)算法，并可將故障報(bào)告上傳。電氣設(shè)備在投入正常運(yùn)行前必須先測(cè)試設(shè)備正常運(yùn)行電流的大小，是否在上級(jí)保護(hù)開關(guān)的整定電流范圍之內(nèi)。整定電流就是空氣開關(guān)或接觸器的過流保護(hù)裝置的動(dòng)作電流值，這個(gè)數(shù)值要調(diào)整的，以保正在過流時(shí)跳閘，不能小也能大，小了會(huì)誤動(dòng)作，大了不起保護(hù)。

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7.2

1.

保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)圖7.2保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)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)裝置主程序流程圖變壓器成套微機(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)。1.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)，用來保護(hù)變壓器的內(nèi)部故障。變壓器的差動(dòng)保護(hù)是變壓器的主保護(hù)，是按循環(huán)電流原理裝設(shè)的。主要用來保護(hù)雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障，同時(shí)也可以用來保護(hù)變壓器單相匝間短路故障。瓦斯繼電器（又稱氣體繼電器）是變壓器所用的一種保護(hù)裝置，裝在變壓器的儲(chǔ)油柜和油箱之間的管道內(nèi)，利用變壓器內(nèi)部故障而使油分解產(chǎn)生氣體或造成油流涌動(dòng)時(shí)，使氣體繼電器的接點(diǎn)動(dòng)作，接通指定的控制回路，并及時(shí)發(fā)出信號(hào)告警。2.變壓器的后備保護(hù)變壓器的后備保護(hù)是用來作為外部短路和內(nèi)部短路的后備保護(hù)裝置，稱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(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。

中小型工廠

10kV/0.4kV變壓器微機(jī)保護(hù)1.保護(hù)顫裝置技的硬垮件系皂統(tǒng)圖7.唉4保護(hù)裝癥置的硬炎件結(jié)構(gòu)諷框圖2.保護(hù)裝猶置的軟港件部分該裝腹置的搬軟件唐調(diào)試混使用效編譯圓軟件At遷ma棚nA目vr瘋C紅I泳DE靠(勤Ve衣rs構(gòu)io欺n杯4.師1)，核心臣是GNU職C/挖C++捧Co毀mpi咸ler。它辦是Atm壺el公司考的AV北R系列單鳥片機(jī)應(yīng)過用AVR區(qū)GCC編譯投器而冰開發(fā)繳的集割成開股發(fā)環(huán)盒境，工程項(xiàng)努目采用思模塊化葡管理，洲可視化揭編程，蓮文本編憑輯器支持自言動(dòng)提示糊函數(shù)參石數(shù)信息患，函數(shù)覆檢索和美插入等刊功能。1）主程溫序圖7.5主程序倚的流程鉆圖2)翻頁(yè)和織設(shè)置程雪序圖7.6設(shè)置程民序耀流似程圖圖7.7菜單示寫意圖3）數(shù)詠據(jù)采林集程占序圖7.益8交流采周集程序裂流程圖4）故障俗處理程游序圖7.木9故障高處理郊程息序流牙程圖高壓驗(yàn)電動(dòng)葵機(jī)在程運(yùn)行眨過程驚中，岡可能傻會(huì)發(fā)懸生各舌種短燭路故倡障或厚不正動(dòng)常運(yùn)小行狀貌態(tài)。種如定監(jiān)子繞規(guī)組相穴間短照路，墳單相瘦接地五故障脹，供紹電網(wǎng)巨絡(luò)電瘋壓和尸頻率逃的降蘿低而蟲使電熄動(dòng)機(jī)役轉(zhuǎn)速焦下降嗓等，脈這些域故障扁或不血正常叔運(yùn)行踩狀態(tài)鋤，若刊不及幣時(shí)發(fā)刃現(xiàn)并問加以枕處理鏈，會(huì)期引起休電動(dòng)場(chǎng)機(jī)嚴(yán)色重?fù)p具壞，響并使覆供電添回路逮電壓陜顯著升降低售，因?qū)⒋耍杀仨毢醚b設(shè)厚相應(yīng)須的保掩護(hù)裝階置。7.4高壓怪電動(dòng)屯機(jī)的革微機(jī)逮過堂電流士保護(hù)10k炒V異步電昌動(dòng)機(jī)微蠻機(jī)保護(hù)1.微機(jī)盼保護(hù)扇裝置浙的硬各件設(shè)陰計(jì)硬件系逼統(tǒng)的設(shè)奇計(jì)應(yīng)該脖滿足以巨下要求鍵：抗干胸?cái)_性可靠疤性快速感性圖7.搬10保護(hù)肚裝置時(shí)的硬利件系俊統(tǒng)結(jié)最構(gòu)圖2.微機(jī)技保護(hù)葵裝置欺的軟襯件設(shè)堂計(jì)設(shè)計(jì)扮過程編中應(yīng)斧遵循獲以下過幾個(gè)其原則鎮(zhèn)：采樣獲時(shí)間穗應(yīng)不室受干度擾.保護(hù)鮮子程構(gòu)序的吐重要組性次薄之，非當(dāng)程莖序進(jìn)島入保容護(hù)子喉程序慎時(shí)，不能隨歡意切換香到其它攜程序。各程區(qū)序模鉆塊?？壮窒喈€對(duì)獨(dú)爭(zhēng)立和案封閉燈，有帖獨(dú)立阻的輸腥入輸健出，只定蜂義一茫個(gè)入煙口和幫出口紀(jì)，避扒免模史塊之葡間的址交叉飛互聯(lián)西，信息猜通過仇全局輔變量獸或函鞠數(shù)返肅回值布傳輸苗。圖7.縣11總體程愧序流程蕉圖圖7.1梁2采樣辟程序篇流程陡圖圖7.銹13保護(hù)識(shí)程序璃流程賠圖圖7.1撲4寫時(shí)鐘趙程序流灘程圖圖7.1困5讀時(shí)史鐘程河序流救程圖7.5配電網(wǎng)避自動(dòng)化配電網(wǎng)造自動(dòng)化睬的主要故功能包矮括如下誕主要內(nèi)將容：配電孟網(wǎng)調(diào)臥度自捐動(dòng)化現(xiàn)系統(tǒng)變電所蔑、配電樣所自動(dòng)憑化饋線姐自動(dòng)掌化（FA）自動(dòng)制瞎圖（AM）/設(shè)備管識(shí)理（FM）/地理悅信息很系統(tǒng)棄（GI輸S）數(shù)據(jù)聾采集蓋與監(jiān)辰控系困統(tǒng)（SC旋AD獎(jiǎng)A）SC壤AD白A是“Sup涂erv并iso涂ry潔Con辨tro傳1a嗚nd燥Dat告aA困cqu腹isi嚼tio焦n”的縮寫賣，即“監(jiān)視貌控制濕和數(shù)販據(jù)采肥集”之意飄。配電網(wǎng)稍的SC斯AD項(xiàng)A系統(tǒng)緩主要歪要實(shí)湖現(xiàn)“四遙”功能蕩：遙信老完成民采集雀配電析網(wǎng)的鬧各種喪開關(guān)信設(shè)備井的實(shí)膨時(shí)狀聾態(tài)，客通過柔配電軟網(wǎng)的蛋信道法送到甲監(jiān)控斜計(jì)算您機(jī)。遙測(cè)套完成抱采集烘配電釘網(wǎng)的默各種姻電量廣（如晨電流趕、電醉壓、涂用戶溜負(fù)荷乏、電轉(zhuǎn)度等但）的仗實(shí)時(shí)喬數(shù)值腹通過治配電易網(wǎng)的妨信道浮送到盆監(jiān)控或計(jì)算異機(jī)。遙控是紋由操作昌人員通述過監(jiān)控才計(jì)算機(jī)尾發(fā)送開橡關(guān)開合政命令，通過熱配電趣網(wǎng)信早息傳柏達(dá)現(xiàn)干場(chǎng)，牢使現(xiàn)少場(chǎng)的姐執(zhí)行早機(jī)構(gòu)唱操作塊開關(guān)的開膚合，達(dá)串到給用映戶供電緒、停電戶等目的傳。遙調(diào)是架由操作想人員通眾過監(jiān)控卵計(jì)算機(jī)宗或高級(jí)憤監(jiān)控程煮序自動(dòng)發(fā)送參島數(shù)調(diào)節(jié)造命令，監(jiān)通過配政電網(wǎng)信揀道傳達(dá)捕現(xiàn)場(chǎng)，閣使現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)節(jié)脈機(jī)構(gòu)對(duì)任特定的就參數(shù)進(jìn)盯行調(diào)節(jié)休，達(dá)到宗負(fù)荷大互小、電壓、功竭率因數(shù)施調(diào)節(jié)等犯目的。配電網(wǎng)慢地理信陶息系統(tǒng)微（GI名S）配電糾網(wǎng)地熟理信任息系期統(tǒng)的柴任務(wù)弱是在臨城鄉(xiāng)造街道臨地理背景圖佩上按一拉定比例策繪制饋概電線的遵接線圖財(cái)，圖上可手標(biāo)注申斷路儀器、觸架空游線、濾電線斃桿、填電纜委、配電變壓惠器等所犁有電氣婆設(shè)備的向符號(hào)、夫型號(hào)、傅規(guī)格。它集孔配電解網(wǎng)的被圖形劃、數(shù)績(jī)據(jù)和猴計(jì)算吃于一毒體，穩(wěn)達(dá)到對(duì)配移電網(wǎng)楚科學(xué)擁管理加的水裁平。配電掙網(wǎng)管畜理信篇息系爆統(tǒng)（DM唉S）現(xiàn)代漂的電勉力企眉業(yè)管獅理信淡息系跳統(tǒng)的點(diǎn)功能智包括越：數(shù)據(jù)處查理功能輔助購(gòu)決策頭功能辦公渡自動(dòng)講化功域能7.意5.剖4典型姐配電流自動(dòng)棉化系漏統(tǒng)典型配器電自動(dòng)油化系統(tǒng)臺(tái)主要由橫以下幾冒部分構(gòu)求成：3.搞M堤MI子系統(tǒng)2.子系統(tǒng)4．輸入稍輸出設(shè)林備1.數(shù)據(jù)陸采集給子系捎統(tǒng)6.計(jì)算硬機(jī)數(shù)斤據(jù)通埋信子獨(dú)系統(tǒng)7.時(shí)鐘子積系統(tǒng)8.網(wǎng)絡(luò)設(shè)氧備9.電源子巷系統(tǒng)5.歷史服生務(wù)器子墳系統(tǒng)圖7.1元6典型邁配電括自動(dòng)缺化系湯統(tǒng)圖7.6工廠乞變電日所綜味合自淋動(dòng)化變電灶站自亂動(dòng)化陡是應(yīng)牧用控拆制技幅術(shù)、訪信息遲處理梳和通悶信技睬術(shù)，堵利用差計(jì)算峽機(jī)軟墓件和尊硬件常系統(tǒng)律或自研動(dòng)裝拾置代梨替人構(gòu)工進(jìn)臭行各油種運(yùn)講行作棚業(yè)，技提高槳變電維站運(yùn)裂行、陣管理攜水平務(wù)的一勸種自邪動(dòng)化陪系統(tǒng)凱。7.北6.盞1變電降所綜棕合自冶動(dòng)化慈的結(jié)難構(gòu)變電梅所綜砍合自派動(dòng)化釣系統(tǒng)扒的結(jié)級(jí)構(gòu)模敘式可廉分為三種類甜型：集中腥式分布神集中乎組屏分布分瓶散式1.集中式可結(jié)構(gòu)圖7.1福7集中逢式結(jié)債構(gòu)示宴意圖2．分布分萌散式結(jié)宗構(gòu)圖7.1放8分布舍分散犧式結(jié)懲構(gòu)示貌意圖3．分散式滾集中組偵屏結(jié)構(gòu)圖7.落19分散話式集蒸中組濤屏結(jié)閑構(gòu)小潤(rùn)結(jié)1.微機(jī)保艇護(hù)的硬有件部分丸主要由城數(shù)據(jù)采乖集系統(tǒng)率、CPU主系涼統(tǒng)、鵲開關(guān)率量輸惰入/輸出玩系統(tǒng)啟、及畝外圍渣設(shè)備需等四碧部分請(qǐng)組成帳。微桶機(jī)保雕護(hù)的員軟件貓系統(tǒng)寄由初剝始化繼模塊器、數(shù)怎據(jù)采朱集管襲理模炮塊、釘故障很檢出暖模塊艘、數(shù)所字濾測(cè)波模稀塊、漠故障士計(jì)算畝模塊要與自應(yīng)檢模檔塊等龜組成涉。2.微機(jī)鐵保護(hù)褲的算側(cè)法，估是將旺離散既的數(shù)貓字信沸號(hào)，懶經(jīng)過發(fā)某種部運(yùn)算柜，求推出電驢流、儉電壓責(zé)幅值依、相蠢位的惠過程頂。常附用的剖保護(hù)慌算法野主要澇有導(dǎo)福數(shù)式燭算法喉、全擊波傅匹立葉腔算法允、最錘小二聲乘算暖法等名。3.聲10巾kV線路微企機(jī)保護(hù)褲裝置硬室件系統(tǒng)錫總體分替為7個(gè)部分呢：數(shù)據(jù)夫?yàn)V波采比樣部分冷、CP炸U主電綿路、親開關(guān)衫量輸嶼入輸蕩出部座分、豆液晶洲顯示冬、按捕鍵電陸路、慌通訊測(cè)電路妻和電誦源電吊路。程軟件低設(shè)計(jì)趴包括代整定窮測(cè)試鮮部分表和故劍障判證斷處恰理2個(gè)部護(hù)分。4.中小滲型工漆廠10k鼻V/0寨.4k容V變壓絨器微原機(jī)保唯護(hù)裝稠置采悟用AT蔑me