电力系统微机保护

电力系统微机保护福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国主要内容n硬件系统原理介绍；n微机继电保护算法；n算法实现；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国参考书籍n杨奇逊，《微型机继电保护基础》，中国电力出版社n陈德树主编，《计算机继电保护原理与技术》，水利电力出版社n贺家李，《电力系统继电保护原理》，中国电力出版社福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电力系统n电力系统是由发电机、变压器、输电线路、配电线路、负荷等一次设备和继电保护、安全自动控制装置、测量仪表、通信系统等二次设备共同组成的一个实时动态平衡系统；n一次设备是电力系统的躯干，电能的生产、传输和消费是靠一次系统来完成的；n二次设备是电力系统的大脑和中枢神经系统，没有二次设备电力系统无法工作；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电力系统运行状态n正常运行，指电压、电流、频率（转速）在规定的范围内，各个一次电气设备能够正常工作而不损坏的运行状态n不正常运行，指电力系统中电气设备的正常工作遭到破坏但未出现故障的状态，比如像过负荷；n故障，通常指各种类型的短路和断线，包括各相导体之间或者导体对地的不正常连接、三相或者某相开断；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国故障或不正常状态对电力系统的影响n故障和不正常运行状态都可能导致严重后果，最危险的是短路故障，它可造成：n短路电流和故障点的电弧使得设备热损坏；n短路电动力造成设备机械损坏；n靠近短路的部分电力系统电压严重降低，破坏负荷稳定性，造成次废品；n引发电力系统振荡甚至系统瓦解；n造成电力系统事故、甚至灾变；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国继电保护的作用n故障是不可避免的，发生故障后，迅速而有选择性地切除故障设备是保证故障设备不损坏、非故障设备继续安全运行的前提和保障；n继电保护的基本任务n自动、迅速、有选择地将故障设备切除；n反映不正常状态，发出报警信号、减负荷或者跳闸；n继电保护装置，检测故障发生后所出现的故障信息，根据故障信息判断故障发生在哪个设备上，进而快速、有选择地切除故障设备的一种安全自动装置；n继电保护，泛指继电保护理论、技术与装置以及各种装置一起所组成的系统；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国继电保护原理课程回顾n电网的电流保护；n电流速断；限时电流速断；定时限过流；n方向性电流保护；n选择性的要求；n距离保护；n复杂网络中电流保护很难同时满足速断、选择、灵敏性的要求；n输电线纵差保护；n高频保护；n自动重合闸；n变压器、发电机保护；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国继电保护的发展简史n最早的继电保护是熔断器；n19世纪末期出现了电磁型过电流继电器；n1901年出现了感应型过电流继电器；n1908年出现了电流差动保护原理；n20世纪20年代出现了距离保护；n1927年出现了高频方向保护；n1950年前后出现了微波保护；n20世纪50年代出现了行波保护的思想，70年代末期出现了装置；n从20世纪50年代出现晶体管，开始出现晶体管保护；n从20世纪70年代末期到80年代初期，出现集成电路保护；n从20世纪60年代提出微机保护，80年代前后出现装置；n从上世纪末期，出现基于微机的保护、控制、测量、数据通信于一体的综合自动化系统；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国继电保护的地位n反应于电力系统的故障和不正常运行状态，快速、灵敏、可靠地将故障元件隔离，并告警；n除了继电保护，还有什么手段应对故障和不正常运行状态？n继电保护在电力系统中的地位；n与其它专业课程的关系；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电力系统的基本特性n电力系统是一个分布在较大地理区域内、瞬间平衡的人工非线性动力系统，网架结构、运行潮流、元件运行状态、外界环境因素的变化都将可能影响电力系统的可靠性；n可靠性指一个系统在规定条件下完成其规定功能的能力。电力系统的可靠性就是保证不间断地向用户供应足够的、质量符合规定的电能的能力。福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国可靠性的要求n充裕性(Adequacy)：电力系统在各种计划检修和强迫停运条件下不间断供应足够电力的能力；n安全性(Security)：在各种扰动条件下的抗扰动能力，以及在停电时恢复供电的能力；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电力系统安全分析n静态安全分析：研究系统的故障后稳态；n动态安全分析：研究系统故障后到达稳态的过程；n频率稳定；功角稳定；电压稳定；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电力系统三道防线n电力系统的故障不可避免；n继电保护在识别出故障元件后将故障隔离，其目的主要是保护设备的安全。保护装置与控制对象之间有确定的逻辑关系，不需要在庞大的决策空间中进行搜索。福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国微机保护n微机保护是指以微型机、微处理器为核心构成的继电保护；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国世界微机保护的发展n20世纪60年代末期，开始倡议用计算机构成继电保护。n20世纪70年代，掀起了研究热潮。n20世纪70年代末期，开始进入实用化阶段。n1979年后，推出各种定型的商业性微机保护产品，并迅速推广；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国我国微机保护的发展n70年代后半期开始，对国外计算机继电保护的发展作了广泛的介绍和综述分析。n70年代末至80年代初则广泛地开展各种算法以至样机的研制。n1984年，华北电力学院杨奇逊教授主持研制的第一套微机距离保护样机在河北马头电厂投入试运行。n1986年，全国第一台微机高压线路保护装置投入试运行。n1987年9月26日，微机距离保护经受人工短路考验；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国我国微机保护的发展n目前，高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。n在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站自动化、配电网自动化系统也已在全国系统中广泛应用。n未来几年内，微机保护发展趋势：n从应用上，向高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和动作过程透明化方向发展。n从原理上，向智能化、模块化、网络化和综合化方向发展；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国微机保护的特点n维护调试方便；n可靠性高；n易于获得附加功能；n故障录波、波形分析、故障定位；n灵活性大；n保护性能得到很好改善；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国微机继电保护的基本结构n信息获取与初步加工；n信息的综合、分析与逻辑加工、决断；n微机继电保护与常规的模拟式保护的根本区别所在；n常规的模拟式保护是靠模拟电路的构成来实现的，即用模拟电路实现各种电量的加、减、乘、除和延时与逻辑组合等要求；n数字式继电保护却是用数字技术进行数值、逻辑运算来实现；n决断结果的执行；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国微机继电保护装置硬件系统的基本构成n微机继电保护装置是以微处理器为核心，根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置；n微机保护硬件系统主要包括：n进行数据采集的输入通道（如模拟量输入变换与低通滤波回路、采样保持与多路转换、模数转换系统以及开关量输入通道等）；n进行数据处理及相应判断的数字核心部分（如CPU、存储器、实时时钟、WATCHDOG等）；n输出通道（如开关量输出通道等）、人机接口（如键盘、显示器及打印机等）、通信系统等；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国微机继电保护的输入输出通道n数据采集系统；n模拟量输入变换回路；n低通滤波回路；n采样保持回路；n多路转换器；n模数转换(A/D)回路；n数字信号的输入输出；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国模拟量输入变换回路n将电流、电压互感器二次侧的输出电量进行进一步变换，将二次电量变得更小，并将电流量转化为电压量，满足A/D回路的要求；n隔离和屏蔽作用，以减少高压设备对微机系统的干扰；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电流、电压变换器n要保证各电流变换器之间、电压变换器之间以及电流与电压变换器之间的一次、二次侧相位移保持一致；n变换器的铁芯在整个工作范围内保持线性；n损耗小；n屏蔽、接地；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国低通模拟滤波回路n低通模拟滤波：微机保护的原理都是基于工频量的，在采样频率不太高的情况下，为了防止出现频率混叠现象要求限制输入信号的高频分量；fH(f)福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国采样保持和低通滤波回路n所谓采样，就是将一个在时间上连续变化的模拟信号转换为在时间上离散的模拟量；n采样频率：每秒钟的采样样本数；n采样频率越高，数字化后的波形就越接近于原来的模拟波形，但信息量化后的存储量也越大；n采样定理；n用两倍于一个正弦波的频率进行采样就能完全真实地还原该波形；n如果一个信号中要保留的特征量的最高频率为fmax，采样频率最低要选择2fmax；n保持器；n使采样值恢复为连续信号；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国信号的采样、保持及拟合连续系统离散系统采样保持拟合福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国模数转换(A/D)回路n量化，就是把时间上离散而数值上连续的模拟信号以一定的准确度变为时间上和数字上都离散化或量级化的等效数值；n编码就是把已经量化的模拟数值用二进制数、BCD码或其他码来表示；n经过量化和编码，就完成了A/D转换的全过程，将各采样点的模拟信号转换成与之一一对应的数字量；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国A/D变换器的主要性能参数n分辨率：反映A/D对输入电压信号微小变化的响应能力的一种度量；nA/D转换分辨率＝输入信号的满刻度值/2n；n满刻度为10v的12位A/D转换器为例：10V/212=10V/4096＝0.00244V；n精度：A/D变换的结果与实际输入的接近程度；n绝对精度和相对精度两种表示方法；nLSB：将A/D变换结果用二进制数来表示，其低端最大可能有几位是不准确的；n转换时间：进行一次A/D变换所需的时间；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国微机继电保护装置的数字核心n单片机；n工控机；n数字信号处理器DSP；n多CPU结构；n多个MPU；nMPU＋DSP；nDSP+DSP；福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电磁兼容性问题nElectroMagneticCompatibility(EMC)，指的是设备或系统在其电磁环境中能不受干扰地正常工作，而且其自身所发出电磁能量也不至于干扰和影响其他设备的正常运行；简单的说，电磁兼容就是各种设备和系统在共同的电磁环境中互不干扰，并能各自保持正常工作的能力。福州大学电气工程与自动化学院福州大学电气工程与自动化学院邵振国邵振国电磁干扰nElectroMagneticInterference(EMI)；n干扰产生原因；n外部环境（如雷电、磁暴、开关操作以及各种无线电发射等）；n系统内部的问题（如系统结构及元器件布局不合理