電力系統(tǒng)微型機繼電保護系統(tǒng)的研究

牛小東 ，謝曉玲 ，馬超明 ，謝曉斌

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

電力系統(tǒng)微型機繼電保護系統(tǒng)的研究

牛小東1，2，謝曉玲1，2，馬超明1，2，謝曉斌1，2

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

隨著時代的進步，電力系統(tǒng)的規(guī)模在不斷擴大，用戶對電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。因此，對微型機繼電保護本身的要求也越來越高，微型機繼電保護具備了傳統(tǒng)保護所沒有的優(yōu)良特性。微型機發(fā)電機負序電流繼電保護系統(tǒng)設(shè)計主要包括故障建模、采集系統(tǒng)及仿真、數(shù)據(jù)獲取、濾波器設(shè)計、計算及保護判據(jù)等。微機具有優(yōu)越的存儲能力，可以方便地得到保護需要的故障分量并準確地予以保持。同時微機的強大運算能力，可以實現(xiàn)一些以往模擬式保護裝置無法實現(xiàn)的復雜保護動作特性、自適應性的定值或特性改變以及良好的自檢功能，微機繼電保護已經(jīng)成為繼電保護發(fā)展的一支主流。

電力系統(tǒng)；微型機；繼電保護系統(tǒng)

1 引言

微型機繼電保護是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它在保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行等方面起著非常重要的作用。微型機繼電保護在系統(tǒng)發(fā)生故障時切除故障設(shè)備，保障系統(tǒng)安全運行，但若不正常動作（包括拒動和誤動），也會給系統(tǒng)造成的巨大危害，所以對微型機繼電保護的可靠性要求很高。微型機保護可以實現(xiàn)自我監(jiān)視和檢測，大大提高裝置的安全性。微型機繼電保護具有自診斷功能，對硬件各部分和存放在EPROM中的程序不斷地進行自動檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常就會發(fā)出報警。另外它有自診斷能力，能夠自動檢測出自身硬件的異常部分，配合多重化可以有效地防止拒動，因此可靠性很高。由于計算機的應用，使很多原有形式的繼電保護中存在的技術(shù)問題，可找到新的解決辦法［1］。本文提出一套基于220kV線路微型機繼電保護和硬件電路的合理配置，著重研究微型機保護軟件算法的優(yōu)化設(shè)計，并對保護新原理進行了探討。

2 微型機繼電保護

2.1 微型機保護的前景與展望

目前，微型機保護的硬件發(fā)展十分迅速，高性能、多功能、綜合性強的芯片不斷推向市場。微型機保護與常規(guī)保護相比有著根本的區(qū)別，利用微型機的智能作用，可以獲取更多的有用信息，同時借助現(xiàn)代化通信手段可以方便地得到遠方的信息，這樣微型機保護通過分析即可最大限度的適應系統(tǒng)運行方式的變化，給微型機自適應保護的發(fā)展開辟了廣闊前景［2］。另外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完善和模糊控制理論的應用必將給繼電保護新原理的研究開發(fā)開辟出一條新的途徑。

2.2 微型機繼電保護的基本構(gòu)成

微型機保護的主要部分是微型計算機本體。微型機是被用來分析計算電力系統(tǒng)的相關(guān)電量并判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，然后決定是否發(fā)出跳閘信號的主要裝置。除計算機本體外，繼電保護還必須配備自電力系統(tǒng)向計算機送進有關(guān)信息的輸入接口部分和向電力系統(tǒng)送出控制信息的輸出接口部分。總的來說就是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微型機主系統(tǒng)、開關(guān)量（或數(shù)字量）輸入／輸出系統(tǒng)構(gòu)成。

3 信號采集系統(tǒng)構(gòu)成及仿真

Proteus是EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它支持 IAR、Keil和 Matlab 等多種編譯器［3］。

3.1 模擬量輸入接口部件

繼電保護基本輸入電量是模擬性質(zhì)的電信號［4］。一次系統(tǒng)的模擬電量可分為交流電量（包括交流電壓和交流電流）、直流電量（包括直流電壓和直流電流）以及各種非電量。AI接口通常包括多路不同性質(zhì)的模擬量輸入通道，如不同相別電壓和電流、零序電壓和電流以及直流電壓和電流等，另外，要求AI接口能夠不失真?zhèn)髯冚斎胄盘?，如圖1所示。微型機繼電保護需在故障暫態(tài)過程中有效地工作，而發(fā)生故障時電流、電壓量值往往呈現(xiàn)很大的動態(tài)變化范圍［5］，因此AI接口在可能的輸入信號最大變化范圍內(nèi)應能保持良好的線性度和變換精度，如圖2所示。

如圖1所示，對于交流電流，由于通常使用的弱電電子器件為電壓輸入型器件，因此還需將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，這個轉(zhuǎn)換過程稱為電壓形式。

圖1 電壓輸入仿真模型

如圖2所示，電抗變換器是一種鐵芯帶氣隙的特殊電流變換器，它的原方輸入電流而副方輸出電壓，理想狀態(tài)下其輸出電壓與原方電流的微分成正比。

圖2 電流輸入仿真模型

如圖3所示，光電耦合器件內(nèi)部由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。當外部繼電器觸點閉合時，電流經(jīng)限流電阻R流過發(fā)光二極管使其發(fā)亮，其輸出端呈現(xiàn)低電平“0”；反之，當外部繼電器觸點斷開時，無電流流過發(fā)光二極管，光敏晶體管無光照射而截止，其輸出端呈現(xiàn)高電平“1”。該“0”、“1”狀態(tài)可作為數(shù)字量由 CPU 直接讀入［6］，也可控制中斷控制器向CPU發(fā)出中斷請求，輸入模型如圖4所示。

圖3 采用光耦合器件的開關(guān)量輸入接口電路

圖4輸入模型

圖5 采用光耦合器件的開關(guān)量輸出及繼電器控制電路

圖6 輸出模型

3.2 開關(guān)量輸出（DO）接口部件

如圖5所示，在重要的開關(guān)量輸出回路，需要對跳閘出口繼電器的電源回路采取控制措施，同時對光隔導通回路采用異或邏輯控制。這樣做主要是為了防止因強烈干擾甚至元件損壞在輸出回路出現(xiàn)異常時，以及因保護裝置上電或工作電源不正常痛斷在輸出回路出現(xiàn)不確定狀態(tài)時［7］，導致保護裝置發(fā)生誤動，輸出模型如圖6所示。

圖7 微型機發(fā)電機負序電流繼電保護模型圖

4 故障模型建立與故障數(shù)據(jù)獲取

4.1 Matlab建立模型

首先打開Matlab軟件，然后在菜單欄中選擇Help菜單，在Help菜單中選擇Demos，在Demos窗口中選擇Simulink，在Simulink中選擇SimPower Systems Demos開始選擇器件進行建模如圖7所示。

模型建好之后，設(shè)置各個器件的參數(shù)，選定基準電壓為220kV，頻率為50Hz，設(shè)定Discrete的Ts為 1.67e－5s，運行時間為 0.07s，線路長度為 30km，故障斷路器中 Transition times設(shè)定為 0.02s－0.07s［8］。

4.2 故障類型、原因及后果

電力系統(tǒng)在運行過程中常常會受到各種擾動，其中對電力系統(tǒng)運行影響較大的是系統(tǒng)中發(fā)生的各種故障。在斷線和各種復雜故障中，最為常見和對電力系統(tǒng)影響最大的是短路故障［9］。因此，故障分析重點是對短路故障的分析。電力系統(tǒng)在正常運行時，除中性點以外，相與相、相與地之間是絕緣的。所謂短路是指相與相，或相與地之間發(fā)生短接。

4.3 正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下運行結(jié)果

正常運行狀態(tài)時，三相電壓和三相電流都正常，從示波器中顯示的波形也正常，電壓波形及數(shù)據(jù)如圖8所示，電流波形及數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 正常運行時三相電壓波形圖

圖9 正常運行時三相電流波形圖

ABC三相短路是對稱的，發(fā)生三相短路時，三相電壓均減小，三相電流均增大。三相短路時電壓電流波形及數(shù)值如圖10所示。

圖10 ABC三相故障時三相電壓圖

5 故障數(shù)據(jù)濾波器的設(shè)計

5.1 設(shè)計濾波器

首先在Matlab Command Window窗口中輸入命令 fadatool，打開 Filter Design ＆ Analysis Tool－［untitled，fda］界面。

在Response Type窗口中設(shè)置所需參數(shù)，如：Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop， 在 Design Methond窗口中設(shè)置傳遞函數(shù)類型。

在Filter Order窗口中設(shè)定所需理想濾波器參數(shù)，Order越大越好，但同時也消耗資源更多。

在Frequency Specifications窗口中設(shè)置濾波器的具體參數(shù)，例如波形通過的頻率范圍以及波形截止的范圍。

在菜單Analysis中選擇Magnitude response設(shè)置幅值響應。

在菜單File中選擇Export to Simulink導入設(shè)計好的濾波器到simulink。

在菜單File中選擇Export，將設(shè)計好的濾波器導入到Workspace中，在Export窗口中ExportAs選擇Objets。

在Workspace窗口中戰(zhàn)斗濾波器，在Command Window窗口中輸入命令就可以使用了。

5.2 正常運行和故障時濾波后的運行結(jié)果

正常運行時濾波后的三相電壓波形圖如圖11所示，ABC三相故障時濾波后三相電壓波形圖如圖12所示。

圖11 正常運行時濾波后的三相電壓圖

圖12 ABC三相故障時濾波后三相電壓波形圖

6 故障數(shù)據(jù)計算程序及保護動作判據(jù)

微機保護根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進行分析、運算和判斷，以實現(xiàn)各種繼電保護功能的方法稱為算法［10］。微機保護具備的計算、記憶、分析和通信等多種功能，結(jié)合成套化的設(shè)計方法，不僅可以縱觀時間前后的電力系統(tǒng)情況，還可以在空間上橫向了解本裝置的全部模擬量，并且可以通過通信手段獲取其他變電站的信息，使得微機保護比模擬型保護做得更好、更完善，性能更為優(yōu)良。

6.1 各種短路情況下的負序電壓電流值

表1 負序電壓電流值

6.2 負序電流保護判據(jù)

6.2.1 負序電流Ⅰ段（速斷）保護

躲開下級線路出口處單相或兩相接地短路時可能出現(xiàn)的最大零序電流3I0.max，引入可靠系數(shù)（一般取為 1.2－1.3），即

6.2.2 負序電流Ⅱ段保護

按照躲開下級相鄰元件的最大保護范圍整定，即按照躲開下級相鄰元件的整定值整定，其啟動電流首先考慮與下級線路的零序電流速度保護范圍的末端M點相配合，并帶有高出一個Δt的時限，以保證動作的選擇性。其中一般取為 1.1－1.2。

6.2.3 負序電流Ⅲ段保護

負序Ⅲ保護的作用相當于相間短路的過電流保護，在一般情況下是作為后備保護使用的，但在中性點直接接地系統(tǒng)中的終端線路上，它也可以作為主保護使用。在負序過電流保護中，對繼電器的啟動電流，原則上是按照躲開在下級線路出口處相間短路時所出現(xiàn)的最大不平衡電流Iunb.max來整定，引入可靠系數(shù)，即為

7 結(jié)束語

本研究提出并且論證了設(shè)計方案，詳細地闡述了電力系統(tǒng)零序電流保護實現(xiàn)方法以及基于單片機的零序電流保護方案，設(shè)計中充分利用了系統(tǒng)的硬件和軟件資源，實現(xiàn)了各個模塊的協(xié)調(diào)控制，提高了系統(tǒng)的可靠性和通用性。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展和先進學科的出現(xiàn)，整個系統(tǒng)的在仿真方面將會有新的突破。若能利用Matlab的S－function函數(shù)和Simulink相結(jié)合的方法給整個系統(tǒng)進行仿真，會使設(shè)計有更好的應用前景。

［1］劉和平等.TMS320LF240xDSP結(jié)構(gòu)、原理及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［2］尹項根，曾克娥.電力系統(tǒng)繼電保護原理與應用［M］.武漢：華中科技大學出版社，2001.

［3］楊奇遜.微型機繼電保護基礎(chǔ)［M］.北京：水利水電出版社，1988.

［4］賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理［M］.北京：水利水電出版社，1994.

［5］張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護［M］.北京：中國電力工業(yè)出版社，2005.

［6］高永昌.電力系統(tǒng)繼電保護［M］.北京：水利水電出版社，1994.

［7］清源科技.TMS320C54x DSP應用程序設(shè)計教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社2004.

［8］周 霖.DSP系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2003.

［9］劉艷萍.DSP技術(shù)原理及應用教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［10］付家才.DSP控制工程實踐技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2005.

Research on microcomputer relay protection system of power system

NIU Xiao－dong1，2，XIE Xiao－ling1，2，MA Chao－ming1，2，XIE Xiao－bin1，2
（1.GansuElectricApparatusResearchInstitute，Tianshui741018，China；2.KeyLaboratoryofHigh－lowVoltageElectricalApparatusInspectionTechnology，Tianshui741018，China）

Along with the progress of the times，the scale of the power system is being enlarged constantly，and the user’s requirements to the power quality are also improving constantly.Therefore，people have more and more requirements to the microcomputer relay protection systems which have excellent characteristics rather than the traditional ones.The software design of the relay protection system for the micro generator negative sequence current mainly consists of the fault modeling，collection system and simulation，data acquisition，filter design，calculations and protection criterion etc.Due to the superior storage capacity of the microcomputer，so it can easily get the fault component needed for the protection and to be accurately maintained.At the same time，since the microcomputer relay protection system has powerful operating ability and can realize the complex characteristic protection which can’t be achieved by the previous analog device，the function of the self－adaptability for the fixed value change and the good self－checking function，so it has become a mainstream of the relay protection development.

power system；microcomputer；relay protection system

TM774

A

1005—7277（2016）05—0004—05

牛小東（1985－），男，研究生，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及自動化設(shè)計研究。

2016－08－01