電力系統(tǒng)微型機(jī)繼電保護(hù)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(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741018）

電力系統(tǒng)微型機(jī)繼電保護(hù)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(xué)研究院，甘肅天水741018；2.甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅天水741018）

隨著時(shí)代的進(jìn)步，電力系統(tǒng)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。因此，對(duì)微型機(jī)繼電保護(hù)本身的要求也越來越高，微型機(jī)繼電保護(hù)具備了傳統(tǒng)保護(hù)所沒有的優(yōu)良特性。微型機(jī)發(fā)電機(jī)負(fù)序電流繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)、計(jì)算及保護(hù)判據(jù)等。微機(jī)具有優(yōu)越的存儲(chǔ)能力，可以方便地得到保護(hù)需要的故障分量并準(zhǔn)確地予以保持。同時(shí)微機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)一些以往模擬式保護(hù)裝置無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜保護(hù)動(dòng)作特性、自適應(yīng)性的定值或特性改變以及良好的自檢功能，微機(jī)繼電保護(hù)已經(jīng)成為繼電保護(hù)發(fā)展的一支主流。

電力系統(tǒng)；微型機(jī)；繼電保護(hù)系統(tǒng)

1 引言

微型機(jī)繼電保護(hù)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(jì)運(yùn)行等方面起著非常重要的作用。微型機(jī)繼電保護(hù)在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)切除故障設(shè)備，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行，但若不正常動(dòng)作（包括拒動(dòng)和誤動(dòng)），也會(huì)給系統(tǒng)造成的巨大危害，所以對(duì)微型機(jī)繼電保護(hù)的可靠性要求很高。微型機(jī)保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)自我監(jiān)視和檢測(cè)，大大提高裝置的安全性。微型機(jī)繼電保護(hù)具有自診斷功能，對(duì)硬件各部分和存放在EPROM中的程序不斷地進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常就會(huì)發(fā)出報(bào)警。另外它有自診斷能力，能夠自動(dòng)檢測(cè)出自身硬件的異常部分，配合多重化可以有效地防止拒動(dòng)，因此可靠性很高。由于計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使很多原有形式的繼電保護(hù)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(jī)繼電保護(hù)和硬件電路的合理配置，著重研究微型機(jī)保護(hù)軟件算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)保護(hù)新原理進(jìn)行了探討。

2 微型機(jī)繼電保護(hù)

2.1 微型機(jī)保護(hù)的前景與展望

目前，微型機(jī)保護(hù)的硬件發(fā)展十分迅速，高性能、多功能、綜合性強(qiáng)的芯片不斷推向市場(chǎng)。微型機(jī)保護(hù)與常規(guī)保護(hù)相比有著根本的區(qū)別，利用微型機(jī)的智能作用，可以獲取更多的有用信息，同時(shí)借助現(xiàn)代化通信手段可以方便地得到遠(yuǎn)方的信息，這樣微型機(jī)保護(hù)通過分析即可最大限度的適應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化，給微型機(jī)自適應(yīng)保護(hù)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(yīng)用必將給繼電保護(hù)新原理的研究開發(fā)開辟出一條新的途徑。

2.2 微型機(jī)繼電保護(hù)的基本構(gòu)成

微型機(jī)保護(hù)的主要部分是微型計(jì)算機(jī)本體。微型機(jī)是被用來分析計(jì)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(hào)的主要裝置。除計(jì)算機(jī)本體外，繼電保護(hù)還必須配備自電力系統(tǒng)向計(jì)算機(jī)送進(jìn)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?？偟膩碚f就是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微型機(jī)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(hào)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(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，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(hù)基本輸入電量是模擬性質(zhì)的電信號(hào)［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?hào)，如圖1所示。微型機(jī)繼電保護(hù)需在故障暫態(tài)過程中有效地工作，而發(fā)生故障時(shí)電流、電壓量值往往呈現(xiàn)很大的動(dòng)態(tài)變化范圍［5］，因此AI接口在可能的輸入信號(hào)最大變化范圍內(nèi)應(yīng)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，這個(gè)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(dāng)外部繼電器觸點(diǎn)閉合時(shí)，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(dāng)外部繼電器觸點(diǎn)斷開時(shí)，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(qǐng)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(duì)跳閘出口繼電器的電源回路采取控制措施，同時(shí)對(duì)光隔導(dǎo)通回路采用異或邏輯控制。這樣做主要是為了防止因強(qiáng)烈干擾甚至元件損壞在輸出回路出現(xiàn)異常時(shí)，以及因保護(hù)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(shí)［7］，導(dǎo)致保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)，輸出模型如圖6所示。

圖7 微型機(jī)發(fā)電機(jī)負(fù)序電流繼電保護(hù)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(jìn)行建模如圖7所示。

模型建好之后，設(shè)置各個(gè)器件的參數(shù)，選定基準(zhǔn)電壓為220kV，頻率為50Hz，設(shè)定Discrete的Ts為 1.67e－5s，運(yùn)行時(shí)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(yùn)行過程中常常會(huì)受到各種擾動(dòng)，其中對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)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(fù)雜故障中，最為常見和對(duì)電力系統(tǒng)影響最大的是短路故障［9］。因此，故障分析重點(diǎn)是對(duì)短路故障的分析。電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，除中性點(diǎn)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(yùn)行結(jié)果

正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(yùn)行時(shí)三相電壓波形圖

圖9 正常運(yùn)行時(shí)三相電流波形圖

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

圖10 ABC三相故障時(shí)三相電壓圖

5 故障數(shù)據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)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(shí)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(yīng)。

在菜單File中選擇Export to Simulink導(dǎo)入設(shè)計(jì)好的濾波器到simulink。

在菜單File中選擇Export，將設(shè)計(jì)好的濾波器導(dǎo)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(yùn)行和故障時(shí)濾波后的運(yùn)行結(jié)果

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

圖11 正常運(yùn)行時(shí)濾波后的三相電壓圖

圖12 ABC三相故障時(shí)濾波后三相電壓波形圖

6 故障數(shù)據(jù)計(jì)算程序及保護(hù)動(dòng)作判據(jù)

微機(jī)保護(hù)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(jìn)行分析、運(yùn)算和判斷，以實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能的方法稱為算法［10］。微機(jī)保護(hù)具備的計(jì)算、記憶、分析和通信等多種功能，結(jié)合成套化的設(shè)計(jì)方法，不僅可以縱觀時(shí)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(jī)保護(hù)比模擬型保護(hù)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(fù)序電壓電流值

表1 負(fù)序電壓電流值

6.2 負(fù)序電流保護(hù)判據(jù)

6.2.1 負(fù)序電流Ⅰ段（速斷）保護(hù)

躲開下級(jí)線路出口處單相或兩相接地短路時(shí)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(fù)序電流Ⅱ段保護(hù)

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

6.2.3 負(fù)序電流Ⅲ段保護(hù)

負(fù)序Ⅲ保護(hù)的作用相當(dāng)于相間短路的過電流保護(hù)，在一般情況下是作為后備保護(hù)使用的，但在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中的終端線路上，它也可以作為主保護(hù)使用。在負(fù)序過電流保護(hù)中，對(duì)繼電器的啟動(dòng)電流，原則上是按照躲開在下級(jí)線路出口處相間短路時(shí)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(jì)方案，詳細(xì)地闡述了電力系統(tǒng)零序電流保護(hù)實(shí)現(xiàn)方法以及基于單片機(jī)的零序電流保護(hù)方案，設(shè)計(jì)中充分利用了系統(tǒng)的硬件和軟件資源，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)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(jìn)學(xué)科的出現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的在仿真方面將會(huì)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，會(huì)使設(shè)計(jì)有更好的應(yīng)用前景。

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

［2］尹項(xiàng)根，曾克娥.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

［3］楊奇遜.微型機(jī)繼電保護(hù)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(hù)原理［M］.北京：水利水電出版社，1994.

［5］張保會(huì)，尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)［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(hù)［M］.北京：水利水電出版社，1994.

［7］清源科技.TMS320C54x DSP應(yīng)用程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社2004.

［8］周 霖.DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(yīng)用教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［10］付家才.DSP控制工程實(shí)踐技術(shù)［M］.北京：化學(xué)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?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究。

2016－08－01