母线微机继电保护

母线微机继电保护设计摘要:从母线保护的差动逻辑和选择性角度, 介绍了复式比率差动原理, 对母线的微机保护技术作了详细论述;分析了电力系统母线微机保护原理及系统体系结构、差动电流算法、复式比率差动逻辑等关键技术和可靠性;讨论了实际应用中的问题、难点和实现方法。

关键词:母线;差动原理; 母线微机保护母线保护经历了三个阶段: 利用供电元件的保护装置切除故障母线;有选择性的母线保护技术, 如电流差动保护、电流比相保护等; 微机母线保护技术。

前两种母线保护技术有很大的局限性, 而后者采用以微处理器为核心的软硬件模块完成数据采集、模数转换、复式差动分析计算与处理、开关量逻辑判断, 定义差动元件和闭锁元件, 控制出口继电器、信号装置等执行元件, 实现电力系统母线的在线保护与实时监控,利用微机的高速处理与控制功能解决母线保护的实时性和选择性等问题。

1差动原理1.1 比率差动原理传统的母线比率差动保护, 采用一次穿越电流或全部引出线电流的幅值之和作为制动电流[ 3 ]。

假设母线上有n条引出线,差动继电器的动作条件:式中: K1 制动系数, Id 差电流, Ir 制动电流, Idset保护的最小启动电流。

1) 当区外故障时, 差电流Id= 0,差电流Id< <制动电流Ir ,如图1。

2) 当区内故障时,有差电流Id\制动电流Ir, 如图2。

3) 显然,制动系数K1< 1。

1. 2 复式比率差动原理根据式( 1) , 制动特性的差动继电器动作条件可以分解为 2 个:一个是差动继电器, 其作用是避开正常运行时的不平衡电流; 另一个是比率差动继电器,其作用是避开外部短路时的不平衡电流。

差动继电器动作条件为:比率差动继电器动作条件为:微机母线保护技术将两者相结合,对( 2)、( 3) 两式进行综合处理, 这就是复式比率差动原理。

在该原理制动量的计算中引入差动电流, 使之在区内故障时无制动, 区外故障时有极强的制动特性。

从而解决传统母线比率差动保护的灵敏性和可靠性问题。

根据复式比率原理, 复式比率差动继电器的动作条件当制动系数Kr= 1 时, 式( 5) 改写成Id\Ir- Id,以此比较的结果再与差动电流Id相比较, 定义为复式比率差动[ 1]。

1) 区外故障时,差电流Id 0, 制动电流Ir 0,所以有Id/ ( Ir- Id ) = 0;2) 区内故障时, 差电流Id 0, 差电流Id= 制动电流Ir , Id/ ( Ir- Id) = 。

可见复式比率差动原理准确地判断出区内故障和区外故障, 测量到的比率在区内故障和区外故障两种情况下都扩展到了理想的极限,制动系数Kr值在0~ 之间有极广的范围可以选择。

2 按复式比率差动原理的母线保护母线微机保护采用复式比率差动原理, 差动回路由一个母线大差动和各段母线分差动组成, 通过大差判别区内和区外故障, 通过各段分差来选择故障母线[ 1]。

大差回路不受母线运行方式影响, 分差回路根据母线运行方式由差动CPU 模块自适应环节自动、实时地进行组合, 解决电流切换问题。

2.1 微机保护系统结构母线微机保护系统结构如图3所示。

核心是差动CPU 处理模块及闭锁CPU 控制模块。

该类模块集成DMA 直接内存存取、中断控制、总线控制、定时控制、时钟、片选、准备就绪信号发生等多项功能, 外扩RAM 随机数据存储器、只读EPROM 和电可擦除E2PROM 程序存储器、数据采集模块、差动及闭锁控制模块、各类外设接口、电流环接口、通信接口。

RAM、ROM 的容量根据系统功能需求配置。

所有模块都按微机系统内部总线、外部总线方式相互连接,在CPU 控制下完成数据采集、存储、传输、处理、输入、输出。

数据采集单元是微机母线保护系统的关键组成部分。

它一方面对交流电流、电压等模拟信号进行采样、A/ D 转换, 形成数字信息, 输入差动CPU 模块和闭锁CPU 模块进行分析处理, 计算大差电流、小差电流、复合电压等; 另一方面经过光电耦合实现开关量的隔离输入, 完成各种逻辑判断。

数据采集模块由采样器、保持电路、A/ D 转换器、选择开关、光电耦合器等部件组成。

差动CPU 模块和闭锁CPU 模块的分析计算值与逻辑判断数据同时控制监测/启动模块, 当符合保护条件时,经控制回路、光电耦合给执行单元完成相应保护功能, 并产生中央信号及状态信息。

2. 2 差动电流算法以双母线系统为例, 假设Ñ 母上有m 条引出线, Ò 母上有n条引出线,各引出线电流都以母线指向线路为正方向, 则大差电流为令I1- 2为母联电流, 假设以Ò 母指向Ñ 母为母联电流正方向, 则Ñ 母、Ò 母分差电流分别为母线差动微机保护系统中, 大差电流、小差电流经模数转换后, 送入差动CPU, 按( 9) ~ ( 12) 式作计算处理, 达到足够的灵敏度和高可靠性。

大差在外部故障时不会动作, 在任何一条母线故障时都动作,定义为启动元件。

小差只在它所保护的母线故障时才动作, 保证选择性, 定义为选择元件。

差动CPU模块根据大差动作后再判小差是否动作有选择地准确切除故障母线。

电压互感器二次回路电压u经过采样保持、A/ D 变换输入差动及闭锁CPU 模块进行变换和逻辑处理, 产生复合电压,准备好闭锁与启动条件。

对于两隔离开关倒闸过程中出现同时合闸时, 两条母线已连接在一起成为一条母线,如果大差动作, 微机母差保护系统CPU 模块启动, 立即切除两条母线。

2. 3 复式比率差动逻辑对于双母线的电力系统接线方式, 母线微机保护系统的复式比率差动逻辑结构如图4, y1、y2、y3 均受母线大差控制。

复合电压控制由闭锁CPU 模块输出, 只有该条件满足时,复式比率差动逻辑才被启动, 从而极大程度地降低误启动率。

其信号与时间关系如图5 所示。

逻辑函数为:在闭锁CPU 模块控制下,根据差动CPU 的分析计算:故障的母线后,再切除后发生故障的母线;4) 倒闸时, 母线经刀闸相连, 只要大差条件满足,则y3输出保护,切除所有母线及连接单元。

5) 复合电压闭锁控制。

在电力系统母线保护中, 因电流互感器二次回路断线、极性错误、断路器失灵等异常因素都有可能导致误动作。

在微机保护的复式比率差动逻辑中采用复合电压闭锁控制, 每一段母线都对应构造复合电压闭锁元件。

当复式比率差动判断出某段母线故障时仅仅满足了保护动作的必要条件,而不是充要条件, 只有在相关母线闭锁CPU 模块同时判断出复合电压满足条件时,保护充要条件得以满足, 系统中监测、启动模块才经控制回路发出监控命令, 产生中央信号, 启动执行部件, 切除该段母线及所连单元,同时给出报警信息及相关显示。

图5为差动保护中央信号与差电流及复合电压时序关系, 图中t1 到t3的时序描述了这种严密的逻辑关系, 从而极大地提高了系统可靠性[4]。

2. 4 微机保护软件微机母线保护软件功能应完成每周波若干个点的交流电流及电压的数据采集、处理、存储, 传输各类随机数据、显示数据、检测结果、控制信息、出错信息,母线及所连单元保护, 与通讯管理机交换信息,实现综合自动化等。

一般情况下母线微机保护软件由在线保护和离线辅助调试两大部分组成, 包括数采模块、分析处理模块、保护模块、定值整定模块、信息检测模块、通信模块、记录打印及显示模块等。

微机保护软件复式比率差动分析计算模块是靠启动元件动作来激活的。

在此之前程序必须对死区故障、失灵保护、充电保护进行判断和处理, 同时需要对电流、电压互感器二次回路是否断线进行实时处理。

这些可以采用与复式比率差动逻辑类似的方法予以实现。

3 讨论与展望3. 1 在线差动保护与控制根据电流互感器特性与饱和暂态波形分析可知, 在发生短路的开始阶段,互感器能正确传变一次电流。

微机保护系统采样/保持部件, 采集短路后1/ 4 周波内的数据进行复式比率差动计算, 判别启动元件可靠动作, 实现母线电压突变、支路电流突变、大差电流突变等情况下的在线保护与控制,不受电流互感器饱和、电压互感器断线影响。

3. 2 电流互感器二次回路切换问题电流互感器二次回路难于切换是电力系统保护的关键问题之一, 在微机母线保护系统中,只要改变程序指令即可完成, 从而不再限制母线的运行方式。

3. 3 互感器变比问题传统母差保护中, 要求电流互感器变比必须一致, 这给工程实施带来很多限制。

微机母差保护技术不再要求互感器变比必须一致, 只要给系统设定变比后, 将母线上连接的各单元变比输入CPU 模块,程序即以其中最大变比为基准, 进行电流折算,使求差流时各CT 变比一致。

因此, 微机保护在运行上的灵活性是传统保护无法比拟的。

3. 4 远动控制技术的前端处理以微处理器为核心的微机母线保护系统, 具有通信功能, 网络功能,可以采用多种数字通讯技术与中央监控系统互联, 集成大规模应用控制系统,完成综合自动化。

3. 5 实时监控与信息保护问题按照母线保护技术要求, 微机保护系统可以通过硬件配置和应用软件设计,使之具有多种实时监控功能。

设计时, 随机存储器考虑掉电保护,当掉电退出, 尚未上传的信息和数据在RAM 中得到保存,提高可靠性。

现代电力控制系统的关键技术如在线控制实时性、保护可靠性、运行安全性、切换选择性等问题多在装置级。

本文在特定条件下论述的电力系统母线微机保护技术既是传统继电保护的延伸和发展, 又是计算机应用的重要研讨课题。

以微处理器软硬件为内核的微机母线保护装置、设备和系统已在新站建设和老站改造中广泛应用。

参考文献[1] 朱声石. 高压电网继电保护原理与技术( 第二版)[M] . 北京: 中国电力出版社, 1995.[ 2] 汪寿基, 王贵德. 现代控制理论在电力系统中的应用[ M] . 成都: 成都科技大学出版社, 1990.[3] 贺家李, 宋从炬. 电力系统继电保护原理(第二版)[M] . 北京: 水利电力出版社出版, 1985.[ 4] Michael R. Lyu, 主编. 软件可靠性工程手册[M] . 刘喜成、钟婉懿, 译. 北京: 电子工业出版社, 1997.[ 5] 辛丽虹. 基于动态元件的模拟电路的实现及仿真[ J ] .计算机应用, 1999, 19( 3) : 47- 49.。