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电力系统中的自适应保护装置设计与实现引言：电力系统是现代社会不可或缺的重要基础设施，它为各行各业的正常运行提供了稳定的电能供应。
然而，在电力传输和分配过程中，由于各种原因可能导致电力系统发生故障，给设备和人员安全造成威胁。
因此，设计和实现可靠的自适应保护装置对电力系统的安全运行至关重要。
一、自适应保护装置的概述1.1 自适应保护装置的定义自适应保护装置是一种集成了实时监测、故障检测和保护控制功能的装置，它能根据电力系统的实际情况进行自动调整和优化，以保证电力系统的连续供电和安全运行。
1.2 自适应保护装置的作用自适应保护装置的主要作用是在电力系统出现故障时迅速检测并采取措施保护其他设备的安全，避免故障进一步扩大，以减少对系统运行的影响。
二、自适应保护装置的设计要点2.1 故障检测自适应保护装置需要具备快速准确地检测故障的能力。
对于电力系统常见的故障类型如短路、停电等，装置应能及时通过监测各种参数来快速识别并采取相应的保护策略。
2.2 故障类型判断与分类在设计自适应保护装置时，需要事先对各类电力系统故障进行分类和判断，以便在发生故障时能准确判断故障的类型，为后续的保护措施提供参考。
2.3 保护控制策略自适应保护装置的设计中，关键的一环是选择和设计合适的保护控制策略。
这些策略可以基于传统的保护原则，也可以采用先进的算法和技术，如人工智能、模糊逻辑等，以提高保护装置的响应速度和故障判别准确性。
三、自适应保护装置的实现方法3.1 先进的传感技术自适应保护装置的实现离不开先进的传感技术。
通过采集和处理电力系统中的参数数据，如电压、电流、频率等，可以实时监测电力系统的运行状态并及时发现潜在故障。
3.2 数据分析与处理一旦采集到电力系统中的参数数据，自适应保护装置需要对这些数据进行分析与处理。
通过对历史数据和现场实时数据的对比和分析，可以从中提取出故障特征，为保护装置的故障判断和保护控制提供依据。
3.3 控制与响应自适应保护装置需要具备快速响应和准确控制的能力。
继电保护和自动装置设计要求(一)一般规定4.1.1 本节适用于35千伏及以下电力设备和10千伏线路的继电保护和自动装置。
1千伏以下电力设备和线路的保护应按本规程第七章《低压配电和线路敷设》和第八章《通用设备电力装置》的有关规定执行。
4.1.2 继电保护和自动装置应尽快地切除短路故障和恢复供电，以保证电力系统安全运行，限制故障设备和线路的损坏以及减少停电损失。
4.1.3 动作于跳闸的继电保护应有选择性，本节另有规定者除外。
带阶段性和反时限特性的保护，前后两级之间的灵敏性和动作时限均应相互配合。
根据电力系统运行要求，须缩短切除故障时限时，保护装置可无选择地动作，但应尽量用自动重合闸或备用电源自动投入装置来补救。
4.1.4 保护装置和自动装置应力求简单可靠，使用的元件和触点尽量少，接线简单，维护方便。
4.1.5 电力设备和线路应有主保护和后备保护。
各保护装置除作为本身的主保护外，如按动作原理可能时，还宜作相邻设备和线路的后备保护。
4.1.6 保护装置的灵敏系数，应根据不利的运行方式和故障类型进行计算，但可不考虑可能性很小的情况。
必要时，还应计及短路电流衰减的影响。
各类保护装置的灵敏系数应符合下列要求：一、电流电压保护的灵敏系数一般不低于1.5，如满足此要求将使保护复杂化时，灵敏系数可为1.25。
二、中性点非直接接地电力网中的单相接地保护，采用零序电流保护时的灵敏系数，对于电缆线路一般不低于1.25，对于架空线路一般不低于1.5。
三、变压器和电动机的差动保护，以及送电线路的带辅助导线的纵联保护，灵敏系数一般不低于2。
四、变压器和电动机的电流速断保护，当保护装置安装处短路时，灵敏系数一般不低于2。
五、后备保护的灵敏系数一般不低于1.2。
如满足此要求将使保护过分复杂或在技术上难以实现时，可仅按常见的运行方式和故障类型校验灵敏系数，或在相邻长线路、变压器后短路时允许缩短后备作用范围。
4.1.7 保护装置用电流互感器的误差不应大于10%。
电力系统微机型实时自适应继电保护装置设计思路一、引言自从1984年第一套微机保护投入试运行并通过鉴定以来，微机型继电保护装置的种种优越性为大家所认识，国内开始了广泛应用，并取得了相当的成功，现在新投入的继电保护装置几乎无一例外地选用了微机保护。
随着微机保护装置的大量使用，开发人员也体会到传统的继电保护软件设计在灵活性方面有所欠缺，不易维护。
实时操作系统（Real－time Operation Sysytem，RTOS）已经在航天装备和通信设备等嵌入式应用中崭露头角，在电力自动化设备中近年来也有一些应用，例如励磁控制设备和调度自动化前置机等。
将RTOS的概念引入继电保护的软件设计中，探讨了RTOS在继电保护中应用的前景及需要考虑的问题。
随着计算机技术的高速发展，随着电力系统的不断扩大、智能化，微机型继电保护装置在电力系统应用成为了必然。
微机型实时自适应保护装置是在充分发挥微型计算机智能作用的基础上，根据实时自适应继电保护原理实现的一种实时自适应保护装置，它具有速断、过电流保护(反时限或定时限特性)、自诊断、自恢复、自适应、自动重合闸、过负荷检测(作用于信号或跳闸)等功能，适用于10～35 kV系统中的终端装置。
目前国内外生产的微机型保护装置，都是按传统的整定计算原则，以离线的计算方式确定保护动作定值，并用人工输入保护定值的方法实现的。
在这些微机保护装置中定值是固定不变的，它不能适应电力系统运行方式的变化和不同的故障状态，也不能使保护的性能处于最佳状态。
为了适应系统运行方式的变化，有些微机保护装置中附加有遥调定值的功能，显然这种附加的遥调定值的功能无论如何也不能适应千变万化的系统运行方式，并且还降低了保护的可靠性。
与传统的微机式馈线保护装置不同，自适应馈线保护装置能根据当前电力系统运行情况和故障类型在线实时地计算速断和过电流保护的定值，使保护的动作值始终处于最佳状态，从而显著地提高了保护的可靠性和灵敏度。
反时限过流继电保护
一，反时限过流保护的运行检查；
1，划出反时限过流保护二次回路展开图说明保护动作原理；
1）动作原理；
正常情况下一次母线通过的电流正常，TA感应出不打于5A的电流这个电流达不到KA的整定值KA不
动作但起监视作用。
当一次母线过负荷运行时或发生短路时，TA的二次侧就感应出大于5A当电流
达到了KA的整定值KA动作，其敞开电线逼和，长闭点后打开（防止二次开路）此时的二次电流改
变途径通过了YR,YR动作开关掉切出故障，从而起到保护作用。
二,说明过流和速断的整定原理和保护范围；
1,过流保护的整定原理；
按躲开被保护线路可能出现的最大电流来整定（按一次电流的2--2.5倍），包括电动机的自启动
电流和变压器的允许过负荷电流。
2,保护范围；
能保护线路全长，也能保护设备全部，还能保护作为相邻下一级穿越短路故障的后背保护。
三，变压器运行中的速断和瓦斯继电动作，断路器掉闸试判断故障原因如何查找？ 1,动作原因；变压器的内部高压绕组有短路现象。
2,如何检查;
1)速断和瓦斯动作说明有故障性的断路故障。
2）瓦斯动作应立即采集其气体进行分析。
3）根据气体的颜色，气味和可燃性判断故障的性质和范围。
4）变压器为找出原因不允许强送电。
5）报告有关部门领导，申请检修变压器并做好更换新变压器的准备。
朱华生
2007年1月31日。
1.保护及自动装置配置电力系统继电保护及自动装置是指在电网发生故障或异常运行时起控制的自动装置。
电力系统中自动装置，用于防止电力系统稳定破坏或事故扩大而造成大面积停电或对重要客户的供电时间中断。
1.1继电保护保护配置图6-10是600MW（300MW），500kV发编组单元的保护配置图，保护配置选用DGT-801型数字式发电机变压器保护配置，高压侧为3/2断路器，发电机匝间（横差保护）、主变纵差保护。
发电机后备和异常运行保护为对称过负荷（反时限）保护、不对称过负荷（反时限）保护、复合电压过流保护、过电压保护、失磁保护、失步保护、100%定子接地保护转子一点和两点接地保护、低频保护。
主变压器后备和异常运行保护为主变阻抗保护，零序电流保护。
（按照规程要求说明主保护、后备保护、异常保护）1.2发电机组安全自动装置的配置（1）备用电源和备用设备自动投入装置。
对于发电厂用电系统，由于其故障所引起的严重后果，必须加强厂用电的供电可靠性。
但对于厂电来讲，采用环网供电，往往是用电系统的运行及其继电保护装置更加复杂化，反而会造成更严重的事故，因而多采用所谓辐射性的供电网络，为了提高其供电可靠性，往往采用备用电源自动投入装置BZT。
发电机准同期并列是发电厂很频繁的日常操作，如果操作错误，导致冲击电流过大，可能使机组的大轴扭曲及引起发电机的绕组线圈变形、撕裂、绝缘损坏，眼中的肺通气并列会造成机组和电网事故，所以电力部门将并网自动化列为电力系统化的一项重要任务。
另外，随着计算机技术的发展和电力系统自动化水平的不断提高，对同期设备的可靠性、可操作性等性能也提出了更高的要求。
(2)PSS-660型数字式自动准同期装置。
PSS-660型数字是自动准同期装置主要实现数目可配置的1~16个对象的线路型同期或机组型自动准同期。
PSS-660型适用于各种场合的发电机组或线路并网。
（选取不同装置介绍）（3）WBKQ-01B微机型设备电源快速切换装置。
GBT50062-2008电力装置的继电保护和自动装置设计规范中华人民共和国国家标准GB／T50062—2008电力装置的继电保护和自动装置设计规范Code for design of relaying protection andautomatic device of electric power installations 2008—12—15发布2009—06—01实施中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合发布中华人民共和国住房和城乡建设部公告第196号关于发布国家标准《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》的公告现批准《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》为国家标准，编号为GB／T50062--2008，自2009年6月1日起实施。
原《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB5006292同时废止。
本规范由我部标准定额研究所组织中国计划出版社出版发行。
中华人民共和国住房和城乡建设部二oo八年十二月十五日前言本规范是根据建设部“关于印发《二oo四年工程建设国家标准制订、修订计划》的通知”(建标(2004367号)的要求，由中国电力工程顾问集团东北电力设计院对原国家标准《电力装置的继电保护和自动装置设计规范}GB50062--92进行修订的基础上编制而成的。
本规范共分15章和2个附录，主要内容包括：总则、一般规定、发电机保护、电力变压器保护、3~66kV电力线路保护、110kV电力线路保护、母线保护、电力电容器和电抗器保护、3kV及以上电动机保护、自动重合闸、备用电源和备用设备的自动投入装置、自动低频低压减负荷装置、同步并列、自动调节励磁及自动灭磁、二次回路及相关设备。
本次修订的主要内容有：1.扩大了规范的适用范围：由单机容量25MW及以下改为50MW及以下。
2.增加了经电阻接地的变压器和接地变压器保护。
3.增加了并联电抗器保护。
4.自动低频减载装置改为自动低频低压减负荷装置。
自适应反时限继电保护装置设计
【摘要】针对电力系统中电动机负载时，由于启动电流过大造成继电保护装置误动作的问题，本文提出了电动机启动电流与短路电流的自适应识别。
对于感性负载，其启动时的功率因数较大，而短路时的功率因数几乎为零，两者相差较大，所以可利用启动电流和短路电流的这一特点来识别两者，以避免保护的误动。
本文还对实现上述功能的装置进行了设计，该装置硬件设计以Motorola的HCS12单片机为中心，外围电路功能完备，包括交流电压、电流模拟量输入、液晶显示屏输出、开关量输出、RS-232通信接口等，能满足各种使用者的需要。
软件设计使用基于单片机的C语言编写，通俗易懂、可行性高，能够满足装置所需的基本功能。
【关键词】自适应；反时限；继电保护；电力系统
1.引言
电力系统由为数众多的电源设备、送变电设备、线路和各种用户组成，其运行状态处于频繁的变化之中，因此要适应电力系统的变化，的确是一项十分困难的工作。
事实上，传统的继电保护也力图适应系统运行方式的变化和故障状态，但却存在以下两个缺点：一是按该方法设定的定值，在其它运行方式（其中包括系统的主要运行方式）下不是最佳的；另外在最小运行或最不利的短路条件下，保护可能失效或性能严重变差[1]。
反时限特性是指保护动作时限随短路电流增大而减小。
反时限电流保护的特性与很多负载的故障特性相似，因此在许多场合下比定时限保护能更快速地切除故障，并且反时限过流继电器具有自适应功能，故障点越靠近电源，故障电流越大，动作时间越短；在远端短路时，动作时间越长。
在一般情况下，反时限过电流保护可以用比较合适的动作时间切除故障[2]。
可以通过短路电流比正常工作电流大的特点，来判断短路是否发生。
目前，这种故障状态的保护是靠过流保护来实现的，其过流保护动作值是按躲过最大容量电动机的启动电流及其它同时运行设备额定电流之和为依据整定的[3]。
此种整定方式在供电线路短路电流较大时，较容易满足过电流保护灵敏度及电动机启动电流的要求。
但目前使用的电动机，其启动电流很大，与线路发生短路故障时的电流接近，因而使短路时电流值的整定发生困难。
有的保护装置将短路电流的整定值设定为电动机额定电流的10倍以躲开启动电流，这样当启动电流较大时，不能分辨出是发生了三相短路还是电动机正常启动，容易发生误动作。
也有些保护装置利用延时几秒钟的方法，以躲开正常启动过程，这样也是不妥的，因为当启动过程中正好发生短路故障时，无法对故障线路进行保护。
因此需要通过波形、频率成分、功率因数等，对启动电流和短路电流进行自适应识别。
本装置旨在实现自适应反时限保护，即以反时限特性充分利用线路和设备的承受能力；同时，对电动机启动电流进行自适应识别，与短路电流区分；并对该
保护装置进行硬件设计与软件设计。
2.电动机启动电流与短路电流的自适应识别
2.1 短路时的功率因数
电力系统正常运行方式下，输电线路上测得的功率因数值基本上由负荷决定因而值较高。
短路故障时，功率因数值由线路参数决定，因输电线路wL>>R，则功率因数值很小，基本上趋零。
其中，R、L为输电线路电阻和电感；为等值负荷对应的电阻和电感。
所测得的功率因数为：
（3.1）
2.2 电机启动时的功率因数
三相异步电动机可用T型电路进行等效。
电机的功率因数角为相电压与相电流的相位差，它等于电机一相阻抗Z的阻抗角。
当电机参数已知时，阻抗Z 可由下式计算：
（3.2）
对于给定的电机，当供电频率不变时，其同步转速n是确定的，由及上式可得电机的功率因数角与电机转速n之间关系曲线。
在电机起动过程中，电机的功率因数角变化非常大；电机由静止状态开始，随着电机转速n的上升，角逐渐减小，当电机转速上升到额定转速时，角达到最小值；当电机处于轻载运行状态下时，其转速可以进一步提升，此时功率因数角又随转速n的上升而增大，也就是说在电机启动过程中，功率因数有个变大的过程[4-7]。
在电机启动时的电压、电流有效值和平均有功功率，根据平均功率的定义：
（3.3）
可得到三相综合功率因数的周期域特性，以A相为例：
（3.4）
通过对电机启动过程中电压、电流信号的大量采样和对上式的计算，可得到以A相功率因数为例的周期域特性。
由此可见，在电机启动时，功率因数一般在0.6至0.8期间，远大于短路时的功率因数。
因此，我们可以通过功率因数不同的方法来识别启动电流与短路电流。
3.保护装置的硬件系统
3.1 硬件电路总体设计
本装置硬件核心采用美国motorola公司MC9S12DG128芯片作为微处理器，并配以适当的外围电路来完成各项功能。
本系统的硬件结构主要包括：中央处理单元、数据采集单元（模拟量）、通信单元、人机对话单元（显示与按键）、开关量输出单元。
3.2 数据采集单元
在这里，着重介绍一下数据采集单元。
数据采集单元将电压电流信号经过信号处理和电平变换之后送入处理器。
由于微处理器片内集成8路10位A/D转换器（基准电压为2.5V），故不需要在系统中额外增加A/D转换电路，而只需对外部信号进行滤波调理即可。
对于交流电流信号经过电流互感器、精密型毫安级电流互感器、I-V放大电路、光电隔离电路和滤波电路输入单片机内部A/D转换器（额定电压0-10V），将模拟量转换为10位数字量，由单片机对数据进行处理。
由于在实际应用时系统短路电流可能达到几kA，为避免饱和，本装置采用变比为2500/5A的电流互感器LMZJ1-0.5 2500/5，选用了精度为0.l级并带有电磁隔离的精密型毫安级电流互感器SCT255F（输入电流为5A、输出电流为1.04mA），以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离，然后接入I-V放大电路，把传感器输出的电流信号经过R6（5kΩ）转换为幅值在±10V之内的电压信号，然后经过光电隔离电路使输入端和输出端完全实现电气隔离，做到输出信号对输入端无影响，最后经过滤波电路输入到片内A/D转换器中[8]。
对于交流电压信号本装置采用额定电压比为380/100V的电压互感器JDG4-0.5，选用了精度为0.l级并带有电磁隔离的精密型毫安级电流互感器SPT204A（输入电流为2mA、输出电流为2mA），输入电压信号首先需要经过限流电阻R5转换为电流信号，输入毫安级精密电压互感器SPT204A，以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离，然后接入I-V放大电路，把传感器输出的电流信号经过R6（5kΩ）转换为幅值在±10V之内的电压信号，然后经过光电隔离电路使输入端和输出端完全实现电气隔离，做到输出信号对输入端无影响，最后经过滤波电路输入到片内A/D转换器中[9]。
4.结论与展望
本文通过分析发现在电机启动时，有很大的有功功率，即启动电流的功率因数比较大，而短路时，线路电阻对于电抗来说很小，即功率因数是趋于零的，因此可以根据功率因数的大小来识别启动电流和短路电流。
本装置中运用微处理器实现反时限过电流保护，可以达到更好的拟合被保护元件的实际电流特性的目的[10]。
本装置硬件部分和软件部分基本设计完毕，可以实现部分功能，但仍有需继续解决的问题，在硬件部分，本装置采用的个别器件费用过高，不适于大批量生产使用；在软件部分，目前本装置只能实现过电流保护，保护方式不够全面，算法也不够丰富，还有待扩展。
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