智能变电站保护与监控技术.doc

变电站保护与监控技术（任课教师：穆大庆）0 继电保护原理知识综述0-1 中、低压线路的阶段式电流保护阶段式电流保护属于单端测量的过量保护，用于35kV及以下输电线路。由于35kV及以下电网为中性点非直接接地电网，因此电网中不存在单相接地短路，故阶段式电流保护仅作为反映线路相间短路的保护。注释：单端测量保护：由被保护元件一端所测电气量的情况来决定保护动作与否。双端测量保护：由被保护元件两端所测电气量的关系来决定保护动作与否。过量保护：反映所测电气量上升而动作的保护。低量保护：反映所测电气量下降而动作的保护。1、电流I段保护（电流速断保护）瞬时动作的电流保护。(1) 短路特性分析：三相短路时d(3),流过电源到短路点间线路的短路电流：I(3)d = （Zs：等效电源的内阻抗；Zd：等效电源接入点到短路点之间的线路阻抗）Zd (l) Id（可见某设备保护所测短路电流的大小反映了故障点距该保护的远近）max为最大情况：最大运行方式下（即系统内阻抗Zs为最下的运行方式），三相短路。min为最小情况：最小运行方式下（即系统内阻抗Zs为最大的运行方式），两相短路。（某点两相短路电流与该点三相短路电流的关系：I(2)d =I(3)d = 0.866 I(3)d )(2) 电流I段动作电流（动作边界）整定原则：按躲开下一条线路出口（始端）短路时流过本保护的最大短路电流来整定（以保证选择性）。IIdz.1= KkII(3)d.B.max ； IIdz.2 = KkII(3)d.C.max （可靠系数KkI = 1.21.3）(3) 电流I段保护的主要优缺点主要优点：动作迅速； 主要缺点：不能保护本线路全长。（电流I段作为线路主保护的一部分）2、电流II段保护（限时电流速断保护）以较小的动作时限切除本线路全线范围内故障的电流保护。(1) 电流II段动作电流的整定保护范围延伸到下一条线路，但不超出下一条线路电流I段保护范围的末端。即躲开下条线路电流I段保护范围末端短路时（即流过下条线路的短路电流刚好为其电流I段保护整定值时），流过本保护的最大短路电流。即：本线路电流II段保护与下条线路的电流I段保护配合。IIIdz.1= KkIIIIdz.2= KkIIKkII(3)d.C.max ；IIIdz.2= KkIIIIdz.3= KkIIKkII(3)d.D.max 可靠系数 KkII = 1.11.2 （Id中非周期分量已衰减，故比KkI稍小）(2) 电流II段动作时限的选择为保证下条线路出口附近（即本线路电流II段保护与下条线路电流I段保护在下条线路首端附近形成的保护范围重叠区）发生故障时的动作选择性，动作时限按下式配合：tII1 = tI2 + Dt Dt （时阶Dt ：0.3s0.5s，微机保护一般取0.3s）(3) 电流II段保护的特点可保护本线路全长，但保护的动作具有一定的小延时（不能瞬时动作） 。（电流II段作为线路主保护的另一部分，即作为电流I段的补充）3、电流III段保护（定时限过流保护）主要作为后备保护：当由于干扰或短路点的过渡电阻等因素导致实际短路电流偏低而使电流I、II段拒动时，由该保护动作来切除故障。作为后备保护，对灵敏度要求高。灵敏度：一般用灵敏系数Klm来衡量，对电流保护：Klm = 。可见保护的动作电流灵敏度(1) 电流III段动作电流的整定原则基本原则：按躲开流过本保护的最大负荷电流来整定：IIIIdz Ifh.max IIIIdz.1 =KkIII Ifh.max.1 （可靠系数KkIII 取：1.151.25）由于负荷电流一般远小于短路电流，因此该保护整定值小，灵敏度高。（实际整定时，还要求本线路的III段保护范围不超出下条线路III段的保护范围：即：IIIIdz.1 =KphIII I IIIdz.2，配合系数KphIII取1.1）(2) 按选择性要求确定电流III段动作时限为保证各级线路电流III段保护动作的选择性，电流III段动作时限按“阶梯原则”整定。tIII1 =Max tIII2, tIII3, tIII4 + Dt(3) 电流III段的主要优缺点主要优点：灵敏度较高。主要缺点：保护的动作时限一般较长（越靠近电源的线路上发生故障时，此时短路电流Id越大,但电流III段保护的动作时限反而越长）。 电流III段保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以作为主保护。4、多电源网的方向性电流保护(1) 方向性问题的提出（以双侧电源电网为例） E1单独供电：由保护1、3、5起线路保护作用 E2单独供电：由保护6、4、2起线路保护作用 E1 、E2 同时供电：（以B母线两侧保护2,3为例）d1点短路时，要求：2动作，3不动。 假设： 电流I段： IIdz.3 IIdz.2 电流III段：tIII3 tIII2d1点短路时，要求：2动作，3不动。虽然此时可能满足选择性（3不误动）， 但若出现d2点短路，则：2误动 非选择性动作。规定保护正方向：保护安装处母线 被保护线路分析可知：被保护线路正方向短路时保护不会出现误动，但在反方向短路时，由对侧电源供给的短路电流可能造成该保护误动作。此时的功率方向：线路 母线为防止保护误动,增设功率方向闭锁元件GJ(装于误动保护上) 正方向（母线 线路）：GJ动作启动保护短路点位于 反方向（线路 母线）：GJ不动闭锁保护增设GJ后,双侧电源网可以按单侧电源网的三段电流保护进行配合(2) 电流保护中GJ对于故障所在方向的判别方法及其接线方式GJ是通过其所测电压和电流的相位关系（即超前的角度J）来判别故障所在方向。考虑到正方向故障时，由于干扰、测量误差、不同故障类型等因素的影响，和的相位关系J有可能存在一定的变化，因此GJ往往设计成当所测角度在某半个相位平面时动作，在另外半个相位平面时不动作。方向元件GJ的动作条件为：-90arg90 或写成： -90 Zdz 保护不动作ZJ Zdz 保护动作特点：* 故障时：即反映U,又反映IKlm * 系统运行方式变化时，ZJ不变，故不受运行方式变化的影响(2)三段式距离保护基本配置原则I段：ZIdz.1=KIkZAB ZIdz.2=KIkZBC （KIk取0.80.85）tI 0sII段：ZIIdz.1=KIIk(ZAB+ZIdz.2) (KIIk取0.8)tII1= tI2+tIII段：ZIIIdz Zfh.mintIII按阶梯原则配合(3)三段式距离保护基本逻辑框图2、距离（阻抗）元件ZKJ动作特性 三种常用的圆特性ZKJ（测量阻抗ZJ落在圆内则动作）：（Zzd：ZKJ的整定阻抗，由用户整定）动作判据（以方向阻抗ZKJ为例）：|ZJ -Zzd |Zzd| 即：|-|arg90 即：270arg90方向性四边形特性ZKJ（设测量电阻为Rm，测量电抗为Xm）定值：Xzd，Rzd （或：Zzd，jlm，Rzd）1(1530)：保证出口经过渡电阻Rg短路时能可靠动作。2(15)：保证高压线路金属性短路且有测量角误差时仍能可靠动作。3( lm=d 一般取45或60)：躲区内短路的过渡电阻。4(710)：防末端区外经Rg短路时可能出现的超越误动。动作判据： Rmtg|1| Xm XzdRmtg|4|Xmtg|2| Rm Rzd + Xmctg|3|*三段距离保护电阻定值Rzd皆相同，各段电抗定值Xzd各不相同：XIzdXIIzdXIIIzd（电阻定值应考虑躲过可能的最大负荷情况并具有1.5倍以上的裕度：二次值：额定电流5A时：Rzd=7，额定电流1A时Rzd Idz.min 当Izh Izh.min时Icd Kzh( Izh - Izh.min) + Idz.min 当Izh Izh.min时(2) 比率制动特性整定计算 最小启动电流Idz.min原则：躲过最大负荷状态下的差动不平衡电流。一般按经验公式：Idz. min=(0.40.5) Ie.2 （Ie.2：二次额定电流） 拐点电流（最小制动电流）Izh.min原则：在额定负荷状态下不需制动，大于额定负荷电流后才需制动一般取Izh.min=(0.50.7) Ie.2 （中小容量变也可取Izh.min=(0.81.0) Ie.2）（考虑到轻微外部故障由于测量误差导致所测制动电流可能小于额定电流，而此时由于暂态影响而有一定差动电流，希望引入制动作用，故拐点电流应适当取小一点） 制动特性斜率Kzh：躲过外部短路的最大不平衡差动电流。最大不平衡电流为：Ibp.max =(Ktxfi+DU)Id.w.max /nTA最大制动电流为：Izh.max =Id.w.max /nTA则：制动特性斜率Kzh=(KkIbp.maxIdz.min)/(Izh.maxIzh.min)为简单起见，当Izh.min K2 Icd1、Icd2：差动电流的基波、二次谐波模值，K2：二次谐波制动比（定值），K2的选取： 距电源较近的中小型T：13%15% 容量较大的T：16%18% 大型发-变组：18%20%(4) 差动速断的整定接于超高压长线路（或附近有无功补偿设备）的变压器内部某些不对称短路及变压器严重内部短路时短路初期有较大二次谐波分量而制动保护延误保护动作。采用差动速断加速差动保护动作：差动电流大于最大可能的励磁涌流时则取消二次谐波制动而立即出口跳闸。差动速断动作电流：Idz=Kk Ily.max/nTA （Ily.max：最大励磁涌流，Kk：可靠系数，取1.151.3）一般经验公式：大型发-变组：Idz = 4倍Ie.2 ，大容量变：Idz=(46) Ie.2 中小容量变：Idz=(810) Ie.21 智能变电站中保护测控综合单元硬件系统1-1 分层分布式系统结构的应用1、分布：地理空间上的分布（下位机按一次设备间隔分布）将每个一次设备安装间隔（如断路器间隔、电压互感器间隔）的数据采集、保护、测控等二次功能由一个或多个安装在相应设备屏柜上（即户内间隔）或相应户外间隔附近的智能电子设备IED（Intelligent Electronic Device）即俗称的下位机来完成，各智能电子设备由网络总线相连。2、分层：功能上的分层，分为三层。(1) 设备层（过程层）功能上传：实时电气量及设备状态量的监测（TA、TV；QF、QS的辅助接点）。下达：操作控制的执行与驱动（QF、QS的操纵机构；变压器分接头调节控制机构；电容、电抗器投切控制机构等）。(2) 间隔层（下位机层）功能汇总本间隔过程层实时数据信息。实施对一次设备的保护与控制功能。实施本间隔防误操作闭锁功能、同期功能及其他控制功能。承上启下（上、下层之间）的通信功能。(3) 站控层（上位机层）功能汇总全站的实时数据信息、刷新实时数据库、登录历史数据库。将有关数据信息送向调度或控制中心。接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、设备层执行。全站防误操作闭锁控制功能。站内当地监控，人机联系功能（如显示、操作、打印、报警，甚至图像，声音等多媒体功能）。对间隔层、设备层各个设备的在线维护、在线组态，在线修改参数的功能。变电站故障自动分析和操作培训功能。1-2 不带铁芯的互感器 电子互感器（光电互感器）1、常规互感器铁芯的饱和问题 测量误差；铁磁谐振。* 一次电流为正弦波，二次磁通为平顶波，且存在波形畸变。* 测量用TA的工作区（线性区）考虑正常运行的额定电流；保护用TA的工作区考虑短路后的短路电流；因此常规TA，测量与保护一般不能公用2、电子互感器（ECT、EVT）(1) 有源电子互感器（半常规电子互感器）传感器仍为电、磁传感方法；信息下送采用光纤传输。罗科夫斯基（Rogowski）线圈式ECT（无铁芯线圈） （经积分变换后正比于一次电流ip(t)）电容分压式（或阻容分压式）EVTR足够小（R），则(2)无源电子互感器（传感器采用光传感）法拉第效应（磁光效应）光电流互感器OCT（optical current transducer）光子振动方向与传播方向垂直：一般自然光为非偏振光，在与传播方向垂直的振动面上沿各个方向振动。线偏振光：自然光经偏振片（偏振器）后，仅在一个方向振动，即为线偏振光。法拉第效应（磁致旋光）：线偏振光束在均匀介质中沿磁场方向传播时，振动面发生旋转的现象（旋转的角度与磁场强度及传播距离成正比）。 普科尔斯效应（电光效应）光电压互感器OVT（optical voltage transducer）双折射：光束入射到各向异性的晶体，分解为振动方向互相垂直、传播速度不同、折射率不等的两个折射方向的偏振光。普科尔斯效应：一些透明光学介质在没有外加电场时是各向同性的，而在外加电场作用下，晶体变为各向异性的双轴晶体而产生双折射现象，一束光变为两束相位不同的偏振光，两束光的相位差与外加电压大小成正比。1-3 智能电子设备IED硬件的基本构成数据处理主系统：装置的核心系统。数据采集系统：最复杂的I/O系统。开关量输出系统：对可靠性要求最高的系统。（IED一般没有模拟量输出系统）一、数据采集系统1、数据的采集由IED外部与电子TA、TV相接的合并单元MU（Merging Unit）将所测模拟量进行离散化（即量化）：合并单元MU将变成数字量后的等间隔采样值与断路器QF、隔离开关QS的状态信息综合成报文传送给IED。2、存放采样数据时的更新与排队（解决速度与空间的矛盾）采样数据RAM中的数据缓冲区（最新采样数据取代最早采样数据）数据排队（使取数时更为方便、快捷）：由于存数只有一次，而取数往往多次，为加快保护处理速度，使取数方便，宁可在存数时麻烦（在缓冲区内存数据按采样时间顺序排列）。1、简单的数据排队（设需要保留n个采样点的数据）：问题：需对n-1组数据进行搬移，所需时间较长。2、暂存区扩展法将排队缓冲区的空间扩大为所需保存数据空间的2倍3、字节地址偏移循环存取法一般每采样点的数据不止1个，设每采样点有k个数据，每个数据占2个字节，则存数地址为：A=AB+2kBO取数地址为（若要取前i点数据）：A= AB+（2kBO-2ki）（若2kBO-2ki （为启动定值）实际应用：为防止频率偏移造成的影响，实际判断条件为：ik=|ikik-N|ik-Nik-2N| 2、负序（及零序）电流突变量启动为防止振荡周期很小相电流突变量元件误启动，可采用相电流突变量启动ik与负序（及零序）电流启动i2k相结合的方式负序分量计算方法：方法：写成离散形式：ua2(k)=ua(k)+ub(k-)+uc(k+) (设每基频周期N点采样)此算法数据窗为：+1方法： 短数据窗算法：；离散式：ua2(k)=ua(k)ub(k) + ub(k-)uc(k-)此算法数据窗为：+1零序分量计算方法：离散式：3u0(k) = ua(k)+ub(k)+uc(k)二、方向判别元件设两交流相量：UJ = Umeju = UmCosu + j UmSinu = UR+jUIIJ = Imeji = ImCosi + j ImSini = IR+jII其中：UR，UI，IR，II可由富氏算法、采样值积算法、导数算法等算出。若方向元件动作条件为：-90arg 0 即：Cos(u-i)Coslm + Sin(u-i) Sinlm 0即：(CosuCosi+SinuSini)Coslm+(SinuCosi-CosuSini)Sinlm 0即：(URIR+UIII)Coslm+ (UIIR-URII) Sinlm 0三、故障类型与相别判断 为了减少测量阻抗的计算量，在阻抗判别之前，预先进行故障类型和故障相别的判断，从而只要取相应故障相的测量阻抗进行判别。1、接地故障判别基本原理：零序电流突变量判别法：若I0 1，则判为接地故障由于电力系统正常运行时存在零序不平衡电流，而发生三相短路时零序电流反而消失，造成三相短路时出现较大的I0而误判接地实用判据：I0 1且I0 2； 或：I0 1且I0 2；U0 32、单相接地判别及选相相电流差突变量选相位原理：若前已判别为接地故障，则：若：|IbIc| ，判为A相单相接地 若：|IcIa| ，判为B相单相接地 若：|IaIb| ，判为C相单相接地 实用判据：若：m|IbIc|IaIb|且m|IbIc|IcIa|，判A相接地若：m|IcIa|IbIc|且m|IcIa|IaIb|，判B相接地若：m|IaIb|IcIa|且m|IaIb| 且 |Ib| 且 |Ic| 4、两相短路判别及选相若判明不是接地故障也不是三相短路，则为两相短路选相判据：若|Ib|Ia| 且 |Ic|Ia|，则为B，C两相短路若|Ic|Ib| 且 |Ia|Ib|，则为C，A两相短路若|Ia|Ic| 且 |Ib|Ic|，则为A，B两相短路3 继电保护新技术及发展3.1 保护中故障分量的应用故障分量的应用有利于改善保护的性能。 故障分量的获取：微机保护利用本时刻采样点的值与整数个周波前的采样点的值相减来获得：ik=|ikik-N|；uk=|ukuk-N| （N：一个周波内的采样点数