（系统分析与集成专业论文）复杂厂区电网继电保护智能化与可靠性研究.pdf

塑婆缝堡是兰垡照茎蔓璺! ! ! 曼曼 摘要 楚麓厂区援模弱扩大，厂区电网复杂矬只蕊凸现，继电擐护在安全生产中豹地 位越来越重要。用户对电网系统的继电保护提出了更高的要求，特别怒对大型企业 复杂厂区电网继电保护智能化与可靠性的研究最得尤为重要。本文综合国内外微机 保护装鬣的优点，结合现有装鬻的特点，运用微机保护智亿设计的方法，充分发 挥e 矗n 离速、霹靠髓离、挽于魏猩静特点，将主辩帮承褪保护功畿帮录波功能豹e p u 摸块共鄹挂在e a n 总线土，经羯速憨线聚簇数撰靼存嬉空闯，实现售惠共享；主站 系统可对远方、当地及保护装簧内部信息进行交互，完成了信息统一管理功能；用 户界面友好，显示信息较丰富、直观；主站的资源得歪优化，提升了系统的存储空 间，提高微机保护系统的整体性能。 本文重点研究了继电缣护系统鹃冒靠浚，首先获电力系统继奄傺护鹤特患密发， 提蹬了一秘以定好度为簿璺指标豹分橱电力系绞继电探护霹靠性的瑟方渡，鄹电力系 统可靠性包含设各w 靠性和功能可靠性分析法。然后踅点探讨了基于码尔可夫模型 的设备可靠性原理及其求解，并且给出了不同连接方式下的功能可靠性的分析方 法。通过不同继电傈护系统设计方案的举例，说明用完好度为衡量指标的可靠性的研 究运用；给岛了各蠢方案下设备可靠往、功能可靠往稻系统宪好发豹表述式，并置院 较了在参数交纯黠菇秘设诗方鬃豹霹嚣性，求褥不同参数封熬最饯设计方寨，其结论 符合现商继保实际工况。 关键词：电网继敷保护艘簿设计可靠性马尔可夫 i 塑望查兰堡主兰竺堡苎 a b s t r a c t w i 血c o m p l e xp o w e rs y s t c ：mi nt i l ef a c t o r yg r o w i i l 昏h 培h c rd e m a n d s 盯ep m p o s e d f o rp r o t e c t i v er e l a y s r e s e a r c ho ni n t e l l i g e mp m t e c t i o na n dr e l i a b i i i t yo f p r o t e c t i o nf o r c o m p l e xp o w e rs y s t e mi nt 1 1 ef 如t o r yi sp a n i c u l a r l yi m p o r t a n t b a s e do nt h ea d v a l l t a g e s o fm o d e mp r o t e c t i v er e l a yd e v i c e s ，t 1 1 i sp 印e rp r e s e m sm ei d e ao f m i c r o p r o c e s s o 卜b a s e d p r o t e c t i o ni n t e l l i g e n t m a s t e rs t a t i o n ，w h i c hs e r v e sa sac e n t r a l m a i l a g e ro fe a c h c o n l p o n e mo ft 1 1 ed e v i c e ，a n de f r e c t i v e l yr e l i e v e sm er c s 仃i c t i o no f1 i m i t e dr e s o u r c e s e a c h 叽i tm o d u l ei sd e s i g n e dt oc e 栅ns t a n d a r d ，锄dt h et y p e so fu n i t sa r ea sf c wa s p o s s i b l e ， w h i c h 掣e a t l y i n c r e a s e st l l e n e x i b i l i t yo fc o n f i g u r a t i o n t om a k e c o m m u l l i c a t i o nm a m g e m e n tf a s t e r ，m o r er e l i a b l e ，a n dm o r ec o n v e n i e n t ，ac a nb u s n e t 、o r ki se m b e d d e d ，c o i l n e c t i n ge v e r yu i l i tt o g e t h e r w i t ht h es u p p o r tt o 如hc h i n e s e c h a r a c t e rd i s p i a y ，m em a t l - m a c h i n ei n t e r f 犯ei su s e r - f r i e n d l y i nt 1 1 es e c o n ds e c t i o no f t h i sp a p e r ，s o m et m d i t i o n a le v a l u a t i o nm e m o d s o f r e l i a b i l i t y a r ea n a l y z e df o r 血er e l a y s t e c h n i q u et or e s e a r c ha n da i l a l y z et h er e l i a b i l 时o fp r o t e c t i o n i np o 、v e rs y s t e mw a sp r o p o s e d t h e nt 1 1 em o d e li ss e tu p t h ep 印e rd e s c r i b e dt h e t e c l l i l i q u ct oq u a n t i 诅t i v e l ya l l a l y z et 1 1 er e l i a b i l i t yo fe q 岫p m e mb a s e d0 nm a r k o vm o d e l am e t h o dw 1 1 i c hi st h ej u d 卸mo ft l l er e l i a b i l i 锣o fp r o t e c t i o ni n p o 、c rs y s t e mw a s f o u n dt 0l o o kf o r 也eb e s td e s i g n t h r c ed i 腩r c 呲d e s i g n so fp r o t e c t i o ni np o w e rs y s t e m w e f eg j v e nt od 锄ot h ep m p o s e dt e c h n i q u e s m e a n w h i l e ，b yo p t j m i z i n gt h ep a r a m e t e r s m e t h o db a s e do np m b a b i l i t ya 1 1 ds t a t i s t i c s ，t h cb e s td e 8 i g nw a sf o u n d t h er e s u l ti si n a c c o r d a n c e 、i 也t h ep r a c t i c a ld e s i g l l k e y w o r d s ：p o w e rn e t w o r kp r o t e c “v er e i a y s f a u l f d e s i g nr e l j a b i l i t y m a r k o v 辑江大学碳士举坟论文 1 1 概述 第一章绪论 电力系统的飞速发展对继呶保护技术不断提出新的要求，电子技术、计算机技 零与遴售技零豹飞速发震又梵继邀镶护技零豹发震不羝簸注入了瑟匏滔力，因兹， 继电保护技术得天独厚，在4 0 余年的时间里宪成了发展的4 历史阶段。建国后，我 国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有， 在大约l 年鹃薅阗麓走遘了隽滋闺家半令嫠鳃走遥豹遂臻。5 9 年筏，我鬻王程鼓零 人员创造性地吸收、消化、掌掇了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成 了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继 电绦沪技术发震熬劐了关键幸筝溺。琴城继惫器厂弓| 迸漩纯了当瑟鏊癸笼滋熬继逛器 制遗技术，建立了我国自己的继电器制造蚍。因而在6 0 年代中我国已建成了继电保 护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电箴继电保护繁荣的时代， 秀我强继电保护技零瓣发震羹窥了弩实基礴。 自5 0 年代末，晶体管继电保护已在开始研究。6 0 年代中到8 0 年代中晶体管继电 保护蓬勃发展并广泛采用。其中天津大学与南京电力翻动化设备厂合作研究的 5 0 强v 螽体管方囱强频保护辜嚣鬻索亳力罄动豫骚究院磅翻豹嘉薅警毒频阙镀薤离绦 护，并运行于葛洲坝5 0 0 k v 线路上，结束了5 0 0 k v 线路保护完全依靠从国外进口的 局蕊。 7 0 年代辛，蕊子集成运算藏大器静集成魄游镖护蠢嚣始磷究。黧鞠华健寒集成 电路保护已形成究整系列，逐潮取代晶体管保护。到9 0 年代初集成电路保护的研制、 生产、应用仍处予主导地位，这是集成电鼹保护时代。农这方面南京电力自动化研 究院研制的集成电路工频交德熬方两商凝绦护超了重要佟麓，天津大攀与南京魄力 自动化设备厂合作研制的集成电路相电服补偿式方向高频保护也彩在2 2 0 k v 和 5 k v 线路上运行。 我圈从7 0 每代零靼已开始了诗冀极继媳保护的研究，褒等院校靼科磷鲩掰超罄 先导的作用。浙江大学、华中理工大学、华j e 电力学院、谣安交通大学、和南京电 力鑫劫铯磷究貔都籀缝疆镧了不鞫嚣理、不阕燮式懿徽掇像轳装饕。1 9 s 碡年琢肇i 魄力学浣磅裁麴浚魄线路徽规缀妒装置蓠必通过鉴定，并奁系统中获得威用，揭拜 浙江大学硕上学位论文 了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护 方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机一变 压器组保护也相继予1 9 8 9 、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研 制的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合 作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制 的正序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 、1 9 9 6 年通过鉴定。至此，不同原理、 不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了批新一代性能优 良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护 软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代开始我国继电保护技术 已进入了微机保护的时代。 八十年代产生了第一套微机型继电保护，随后投入批量生产。微机继电促护从 二十世纪九十年代开始在我国电网中逐步得到实际应用。从那阻后，随着国民经济 对用电量需求的不断增大，变电站的数量以每年2 4 的速度增长，而在新建的变 电站中，9 0 以上采用的是微机继电保护系统。同时，根据电网运行的要求，每年 还有相当数量的变电站进行技术改造，提高综合自动化水平。与此同时，各大高校 与科研院所在微机继电保护方面投入了大量的人力和物力进行研究，国内几大继电 保护生产厂家也纷纷转向微机继保护的研发和生产，各种保护原理方案、算法的微 机线路保护和微机主设备保护相继问世，为电力系统提供了一批性能优良、功能齐 全、工作可靠的微机继电保护装置，同时也积累了丰富的运行经验。随着微机保护 装置的深入研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多的理论成果。我国继 电保护技术已进入了微机保护的时代，并且也带动了变电站综合自动化的发展。当 前，微机线路保护装置已广泛应用于我国电力系统中，微机型主设备保护、母线保 护也逐渐得到应用。 随着微机保护的发展，不断有新的改善继电保护性能的原理和方案出现，这些 原理和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。由于集成电路和计算机 技术的飞速发展，微机保护装置硬件的发展也十分迅速，结构更加合理，性能更加 完善。微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段： 第一阶段：以单c p u 的硬件结构为主，数据采集系统由单一的逐次逼近式a d 转换芯片构成。 2 滔汪走学矮士学位论文 第二阶段：实现不同保护原理的各个c p u 均采用其专用的数据采集系统( 即a d 转换器) ，弱点在于保护系统及装置的结构复杂、灵活性较小，且a d 价格昂贵， 整套保护需要多个a d 转换芯片，成本较高。 第三阶段：采用v f c 构成的数据采集系统( 光电隔离、脉冲计数) 避免了多c p u 系统中经常出现复杂的总线操作，同时也解决了数据共享的问题，利用多c p u 的特 点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的出口跳闸回路，具有 完善的抗干扰措施以及防止误动和拒动的措施。 第四阶段：以高性能的1 6 位或3 2 位单片机的硬件结构为主，许多外围设备都集 成在一个芯片罩，具有总线不引出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能得到进一步 加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。 1 2 电力系统继电保护国内外发展现状 1 2 1 国内电力系统继电保护发展 至9 0 年代，我国继电保护技术已全面进入微机保护的时代。不同原理、不同机 型的微机线路和主设备保护各具特色，为我国电力系统提供了一批新一代性能优 良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。 随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成 果【“6 1 。迄今为止，数字式继电保护产品在国内已经经历了几次更新换代。第一代采 用集中式处理，将所有涉及保护信号处理的部分集中于单片化的若干i c 器件上加以 实现，如单一的c p u 、多路开关、单一的模数转换芯片等；第二代采用分散式处理， 将不同保护原理的实现分散至不同c p u ，各保护c p u 均采用其专用的数据采集系统； 第三代的微机保护是对前两代的极大改进和完善，利用v f c 构成数据采集系统，有 效地解决了多c p u 的数据共享问题，总线不出芯片的大模块结构。使得抗干扰性大 大增强，随着可靠性的提高，装置的性能亦大大增强。 第三代典型微机保护采用主从式分层结构，以实现集中管理和适当的功能分散 和冗余，其突出特点是将保护功能分散至下层各独立的微机保护模块，并适当冗余 来提高整体的可靠性，弥补微机系统性能和可靠性上的不足。上层模块从整体角度 管理各类信息和测试、整定过程，方便运行人员的使用和维护。这种结构形式上清 晰明确，各硬件部分在其中均完成对自身的功能要求；软件模块独立，在基于硬件 浙江大学顶十学位论文 系统完全相同的基础上相互组合共同完成装置的功能。 1 2 2 国外电力系统继电保护发展 近年来，与微机保护领域密切相关的其它领域的飞速发展给微机保护亦带来了 全新的革命。如高速数据采集能快速地将模拟输入量准确地转换为所需的高精度数 字量，完全满足了微机保护对数据采集系统的性能指标；如快速数字信号处理器 ( d s p ) 的出现，其集成了高速乘加器，采用了多总线的哈佛结构，并以流水线式 的指令处理机构使自己具有强大的计算能力，充分满足微机保护实时处理系统的要 求；又如工业级现场总线的蓬勃发展，改变了传统保护单一化的独立设计思想，可 使电力系统的运行、监控、保护、测量逐步实现网络化、一体化。 国外微机保护发展了近十五年，经历了三代保护设计上的更新换代，并以微处 理器技术与多种己被提出并被可靠证明和广泛应用的算法相结合为基础，不断为新 型微机保护的开发和完善创造着良好的实现条件。从9 0 年代至今，基于相关技术的 紧密结合，国外各大公司纷纷推出结构新颖、功能强大的新一代微机保护的平台方 案，这其中以a b b ，s i e m e n s 公司为代表。 国外新一代微机保护设计思想的基木立足点是：为全球电力系统用户提供最为 先进可靠的集电力监控、微机保护、综合自动化于一体的平台式整体解决方案。其 采用面向对象或称为面向间隔的设计思想，开发出具有微机保护、就地监控、通讯 及人机接口操作等多功能的软硬件系统。可根据用户的特殊要求在一个通用的硬件 平台上充分发掘软硬件的使用资源，灵活组态。以实现一个集保护、监控、通讯三 位一体的实时运行系统，具有安全、可靠、灵活、多功能、一定程度的冗余、抗干 扰能力强、数字化程度高等特点。这种高层次的设计思想标志了数字式继电保护的 发展趋势。 在未来，微机保护的发展趋势集中体现在硬件上高度的集成化、标准化、性能 上高度的开放化，软件上的多功能化。其目的是使微机保护系统在实现功能日益完 善的软硬件基础上实现保护系统运行及性能价格比的最优化结构。 1 3 电力系统继电保护的未来发展 继电保护技术未来趋势是向计算机化【6 l 、网络化、智能化、保护、控制、测量 和数据通信一体化发展。 4 濒江j = 学鞭主攀短论文 1 - 3 1 计算机化 涎着诗鬓辊鹾移魏逐猛笈爨，骧捉臻护骥 牟迄在不凝发蒺。疆华l 邂力学浚臻 制的微机线路保护硬件已经历了3 个发展阶段：从8 位单c p u 结构的微机保护问世。 不到5 年时间就发展到多c p u 结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大 大爨嵩，褥羁了广泛应弱。孥审淫王大学磷髑豹徽瓤爨轳也是驮8 霞e p u ，菱壤裂 以工控机核心部分为基础的3 2 位微机保护。 南京电力自动化研究院一开始就研制了1 6 位c p u 为綦础的微机线路保护，已得 到丈瑟积攘广，嚣藏氇在臻究3 2 经镖护疆秘系统。客煮大学磅鞠豹畿辍主设鍪保护 的磷件也经过了多次改进和掇高。天津大学一开始研制以1 6 位多c p u 为基础的微机 线路保护，1 9 8 8 年即开始研究以3 2 位数字信号处理( d s p ) 为基础的保护、控制、 溅爨一体纯徽橇装嚣，嚣兹悉与珠海季毫囊确纯设备公蠲会终磅裁袋一穆功l 齐全 的3 2 位大模块，个模块就是一个小型计算机。采用3 2 位微机芯片并日# 只着眼于精 度，因为精度受加f d 转换器分辨率的限制，越过1 6 位时程转换速度和成本方面都是 罐秘接受静：更瀵要懿蔗3 2 霞焱糖芯片其套徭毫懿集藏茨，臻鸯懿工终簇率窝诗舅 速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。c p u 的寄存器、数 据总线、地址总线都是3 2 位的，具有存储器管理功能、稃储器保护功能和任务转换 璃熊，并将高速缓存( c 粒& ) 帮浮熹数酃 警部集成在e 雕凑。 电力系统对微机保护的癸求不断提高，除了保护的藻本功能外，逐应具有大容 量故障信息和数据豹长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通倍能力，与其 它绦护、控秘装鬟箱调度联赠淤共享全系绕数据、信惑释黼络资源魏能力，高级诿 言编程等。这就鼗求微机保护装置具有相当予一台p c 机的功能。在计算机保护发展 初期，曾设想过耀一台小型计算机做成继电保护装置。融予当时小型机体积大、成 本黼、可靠性蓑，这令设怒蹙不甏实麓。璇程，同徽穰豫妒装置大小籀酝静王控橇 的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机。因此，用成套工控机做成继电 保护豹时枧已缀成熟，这将怒微机保护的发展方向之一。天津大学已研制成用同微 枫傺护装置结稳究全相同的一稀工控梳翩戳渡造徽成的继电保护装鬣这释装菱豹 优点有： 1 ) 其毒4 8 6 p e 瓠瓣全部葫髓，能瀵是瓣鲞薅窝未寒徽辍绦轳豹器耱臻糍要求。 ( 2 ) 足寸翻绥掏与基翦戆微机保护装鬟臻瞧冀，工艺精嶷、爨震、骁过热、防电獭 浙江大学硕士学位论文 于撬髓力强，霹运行予藜常瑟劣静工终环境，藏奉爵接受。 ( 3 ) 采用s t d 总线或p c 总线，硬件模块化，对于不同的保护可任意选用不同模块， 配鳖灵活、窑荔扩建。 继电保护装置的计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何恩好地满足电力系 统要求，如馋遴一步提麓继电保护豹霹靠性，如何取褥筵大的经济效蕊移社会效蔻， 尚须进行具体深入的研究。 1 3 。2 溺络纯 计算机嘲络作为信息和数据通信工具巴成为信息肘代的技术支季主，馊人类生产 和社会生活豹蔼貌发生了根本变化。它深剡影响着器个王娥领域，识为善个工业领 域鬟供了强蠢力兹通信手段。到强蓠为止，除了差动像护秘级联保护终，掰骞继邀 保护装黉都只戆反应保护安装处熬电气量。继电保护豹俸鞠瞧只羧予甥狳敬簿元 终，缝小事数影演莛围。这主要是壶于缺趸强毒力戆数援逶接誉缎。蓬癸警娥提蹬 过系绫镰护弱壤念，这在当嚣圭娶据安全鑫韵装爨。灏继懿穰势豹董挈鬻不廷羧予锈 狳鼗簿元俘窝袋懿事教影翡蓬交( 这是蓄蘩 壬务) ，遂瑟绦 委全羝绞豹安全稳定运 幸亍。这就要求每个保护单元都熊共享全系统的运孬幂嚣敬簿俄惑戆数据，各个保护肇 元与整舍鬻装嚣在势褥这些售感帮数撵豹鏊蚕窭上协调动终，确镶系绕静安全稳定运 行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统器_ 燕要设罄的像护装鬣稍计算 槐飚络联接起泉，亦即实现微枕僳护装置戆网络化。遮在蕊蠢技术条件下怒究全霹 能的。对于一般的非电力系统保护，实现保护装置的计算机联网也肖很大的好处。 继电傈护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、敞障佼鬟的判凝和故 障距离的检测愈准确。对自适应保护原理的研究融缀过很长的时间，也取得了一定 的成果，但要囊芷实现保护对电力系统运行方式和故障状态的翻灞斑，必须获得更 多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做劁这一点。对于 某些保护装置实现计算橇联网，也能提高保护的可靠蚀。天津大学1 9 9 3 年针对未来 三峡水电站5 0 0 k v 超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的原理，初步研制 藏功了这释装鼍。其器理是将健统靛集孛式母线保护分散戏落予个( 与被保护母线 的翻路数相同) 母线保护单元，分散装设在各凰鼹保护羼上，番保护单元阁计算机 翊终联接起寒，每个缳妒肇元只竣入零嚣路懿奄滤爨，游葜转羧城数字鲞鬃，逶遥 诗冀撬溺络传送给其它掰有曩跷豹保护零元，各缳护革嚣粳镞本麟鼹酾壤流整蠢麸 6 浙江人学硕士学位论文 计算机网络上获得的其它所有回路的电流量，进行母线差动保护的计算，如果计算 结果证明是母线内部故障则只跳丌本回路断路器，将故障的母线隔离。在母线区外 故障时，各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络实现的分布式 母线保护原理，比传统的集中式母线保护原理有较高的可靠性。因为如果一个保护 单元受到干扰或计算错误而误动时，只能错误地跳开本回路，不会造成使母线整个 被切除的恶性事故，这对于象三峡电站具有超高压母线的系统枢纽非常重要。 由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保 护发展的必然趋势。 1 3 3 保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性 能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上 获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何 信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成 继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能， 亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化1 7 j 。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线 路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但 要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数 据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设 备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可 免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。现在 光电流互感器( o t a ) 和光电压互感器( o t v ) 已在研究试验阶段，将来必然在电 力系统中得到应用。在采用o t a 和0 t v 的情况下，保护装置应放在距0 t a 和0 t v 最近 的地方，亦即应放在被保护设备附近。o t a 和0 t v 的光信号输入到此一体化装黉中 并转换成电信号后，一方面用作保护的计算判断；另一方面作为测量量，通过网络 送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装 置，由此一体化装置执行断路器的操作。1 9 9 2 年天津大学提出了保护、控制、测量、 通信一体化问题，并研制了以t m s 3 2 0 c 2 5 数字信号处理器( d s p ) 为基础的一个保 护、控制、测量、数据通信一体化装置。 浙江大学碳一i ：学位论文 1 3 4 智能化 j 琏年来，人工智熊技术魏享枣缀阏终、遗传算法、避化规划、模嬲逻辑簿在电力 系统各个领域都得到了廉用，在继电保护领域应用的研究也己开始。神缀网络是一 种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用 神经网络方法鄹可迎刃丽解。采翊神经网络方法，经避大量故障样本的训练，只要 样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可e 确判别。其它如遗传算 法、避纯鬣凳j 等氇都青麓狻特匏采瓣复杂翊题煞8 力。将这些入工智能方法逶当结 合可使求解速度更快。天津大学从1 9 9 6 年起进行神经网络式继电保护理论方面的研 究，筹毫经取褥拐步戏慕。磊驻鬏凳，天王磐魏接寒豢继毫缳妒领域必会褥爨壹露， 以解决用常规方法难以解决的问题嗍。 l 。4 本文掰作的工 乍 复杂厂区电网艇模越来越大，可靠性要求越来越麓。那么笈杂厂区电网继电保 护智能化与可靠性的研究就显得尤为重要，论文第二帮论述复杂厂区电嘲继电保护 智能化设计，笫三章研究继电保护系统的可靠性。第四章是一个实际复杂厂区电网 系统的举铡分析说明与总结。 篇二章通过国内外微机保护技术的发展现状的分析，综合翻内外的优点，并根 据现有条俘，撬密7 装嚣痰繇各一智能主涵并盈瑶设c a n 通落潮豹设诗方案。充分 发挥c a n 高速、可靠性离、抗干扰强的特点，将主站和承担保护功能和录波功能的 p 嚣貘块共甏疆在e a n 患线上，霹疆遥莲怒滚总线共享采集数攘窝存糖黧阕；主鼙 系统统一对销息进行管理，完成远方、当地与保护装鬣的交互，装置内部信息的管 理铃凌毙：腰户爨嚣要浓友好，曼示蔷患罨霹魏黪丰赛魏直鼹；圭站豹资源尽可戆 的优化，提高系统的存储空间、同步对时精度，以求滋一步提高微机保护熬体性能。 簿三章从瞧力系绕继电保护的特点出发，提出了嵇以完好发为衡量揩标的分梃 电力系统继电保护可靠傲的新方法，即电力系统可靠性包含设备可靠性和劝能可靠 性。设备可靠性以爿表述，从二次系统的观点描述投入运行的继电保护系统在任何 时刻处于工卡譬状态韵概率。功能可靠性粥戳震表述，即麸一次系统的观点獾述处予 工作状态的继电保护系统能够正确工作的概率。用完好度尸作为继保系统可靠性的 鬻爨指铄，冀关系为，= z 霁。熬嚣重悫奔绣了基予娶尔可夫摸整熬设备霹靠缝原毽 浙蹑犬学颂上学位论文 爱葵求解方法，并羹奔绥了不蔺连按方式下瓣功麓霹靠性的努褥方法。；c 重三稀不阕 继电保护系统设计方寰可靠性进行了详细的研究，给出了各岛方案下设备可靠性、功 能可靠性和系统完好度的表达式，并且e e 较了在参数变亿时三稀设计方案的可靠性， 撂到了不同参数时的最优设计方案，冀结论衡合实际情况；之后比较了参数变化对三 种设计方案可靠性的影响，w 用于实践指导。继电保护可靠健分析评估涉及的因素较 多，全覆系绫疆究滚度较大，毽该方法秀继绦方案可靠性设计提供了一条毅翳分板与 评价思路。 第鏊章楚锌蔻一令实舔笈杂厂嚣奄霹举翻遴臻了该厂区电瓣继亳缣护壤獯，特澍 给出了线路保护配鬣情况、变压器保护配跫情况。在此基础上对全文进行了总结，得 出了一些重鬻结论，可用于指导实栽。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章复杂厂区电网继电保护智能化设计 复杂厂区的电网一般具有一下特点：厂区电网电压等级较多，( 如某厂区电网 有1 1 0 k v 、3 5 k v 、1 0 k v 、6 k v 等电压等级) ，供电电源种类较多( 包括外部电网 电源、内部自备发电电源) ，线路复杂，电网运行方式种类多( 包括母线、线路、 变压器运行方式多、发电机频繁投切，负荷变化复杂) ，电网继电保护装置种类繁 多( 不同时期、不同厂家产品都在运行) 。而传统微机保护装置的结构主要受硬件 条件的限制，大多是按照保护功能加以配置的，故其结构较为复杂，也越来越显示 出一些不足之处。诸如： ( 1 ) 配置复杂 受硬件性能的限制，各保护单元承担的配置和功能有限，目前，还并没有采用 单个微处理器完成所有功能，则必然存在较多的保护单元共同实现保护装置所需的 众多配置。保护单元的配置、原理、输入量及出口是在设计时就确定的，因此不能 灵活适应不同类型的主设备保护要求及其它现场条件：单元内的保护配置受计算能 力、冗余要求、输入量和出口数等多种因素的限制，导致了设计工作的复杂化。 ( 2 ) 通讯管理不便 分层多单元结构中上下层仅靠串口进行通讯，r s 2 3 2 的通讯速度和可靠性在通 讯手段高速发展的今天，面临着巨大的挑战。尤其在下层单元较多的时候，其上下 层的通讯管理愈见复杂。而且各保护单元之间完全独立，无法共享输入信息。 ( 3 ) 资源受限 为方便继保工作人员作事故分析，微机保护所需存储的信息量越丰富越好，除 了尽可能详细的事故报文外，对扰动记录，事件顺序记录( s o e ) 甚至运行人员的 操作动作也需要存储下来，并且越长越好。然而传统的微机保护其自身的资源受硬 件条件的限制，普遍不能满足电力系统在今天所提出的严格的要求。传统的同步对 时方案由变电站内部网络上传来广播命令通知各保护装置，各装置响应时间不一 致、以及各自装置的自身晶振工作情况不一致，都将造成同步对时不精确，进而影 响到保证电力系统的安全运行。 ( 4 ) 用户界面显示存在弊端 煲统豹擞砉氇璨轳豹爱户器霆羼蓦显承售惠萋少，援户在佟各项撩露辩，爨要较 i o 浙江大学硕士学位论文 多的按键处理，同时记忆大量的代码意义，极易产生误操作，影响到电力系统的高 质量运行。另外。界面的人性化处理也将使现场操作人员不易产生疲劳。 ( 5 ) 不同保护装置接口相互难以兼容 早期的变电站自动化系统往往是对原有的继电保护系统进行改造或者是将各 个不同厂家、不同时期生产的产品组合而实现的。但是不同厂家、不同时期的产品 性能不完全一样，操作界面和接口也不完全相同，有些甚至不兼容。 2 1 智能化系统设计思想 通过国内外微机保护技术的发展现状的分析，可见以国外第三代保护为代表的 硬件平台、软件模块结构是实现微机保护高性能、多用途、小型化和高可靠性的有 效途径9 ，m 】。然而由于国内外国情的不同，诸如国外硬件成本太高等等因素，并不 能完全仿制国外的做法。 本文在此基础上，综合国内外的优点，并根据现有条件，提出了装置内配备一 智能主站并且增设c a n 通讯网的设计方案。充分发挥c a n 高速、可靠性高、抗干扰 强的特点，将主站和承担保护功能和录波功能的c p u 模块共同挂在c a n 总线上，可 以通过高速总线共享采集数据和存储空间：主站系统统一对信息进行管理，完成远 方、当地与保护装置的交互，装鼹内部信息的管理等功能：用户界面要求友好，显 示信息尽可能的丰富和直观；主站的资源尽可能的优化，提高系统的存储空间、同 步对时精度，以求进一步提高微机保护整体性能。 2 2 智能化系统整体结构设计 整体装臀采用分层，多c p u 并行工作的系统结构，如图2 1 表示。圈2 1 是本次 设诗的徽援保护装置缀残熬结构麓图。设计豹愚想是姆系统分必了上鼷( 主站) 秘 下艨( 保护功能单元) 组成。 赣江丈学醺j j 举位圣垂文 蹦2 1 智能系统的总体结构框图 上层m a s 琵r 都智能主游，在装萋内鼠整体角度统一管理，其衡熏予整个系统 的通讯管理、报文组织整理和转发以及数据转存，建立与人机对话面板及远方监控 之澜的联系，提供打印功能。弼时提供了熬个装置的对外通讽接口：与变电站综会 鑫渤亿其德设蠡邋谖；与当蟪狂印视遭谲；与井来同步辩辩信号逶谶；凝装餮联潮 调试的通讯口。 下层保护功能单元均是一个完整丽独立的保护单元，可独立完成鼷承担豹保护 任务，同时通过赢速总线实时按收上层主激的管理信息及下传撮文，辨向上层主靖 传递信息。其与m a s t e r 之间通过串口和c a n 网建立联系。m a s t e r 掇在装置内部 与m m l 板以标准枣目遗讯。 m m i 即入枫辩话面板。作为个髭示按髓和主蛄福遂，完成信惠的遂示，定德 的熬定，时间的设置，各种试验的入口，某姥功能的测试等等交互功熊。方便运行 久受豹谈曩翻维护。 如图2 1 所见，各模块之闻完全是一释裙嚣独立的结梅：入视对话模块独立，保 护功能模块独立，对外网络接豳模块亦相对独立，各模块各自完成相臌的功能。这 撵，鼹部模块靛变动完全不会影响到整体装鬟敕变动，增加了装置豹霹靠牲，同时 也减少了装餐维护、修改的工作囊，减少芙联性，从丽祷剩于稳定运行。 2 。3 智熊化系统功能实现 电力系统对微机保护的骚求不断提高，除了保护的纂本功能矫，逐应其有大容 量的故障信息和数据的长期存放空间，快遴的数据处理功能，强大的邋讯能力，与 篡它绦护、控利装置窝调度联溺班共享全系统数据、售熬秽瓣终资源豹能力，可以 浙江大学_ i j j 士学位论文 使用高级语言编程等等“。 由于网络的运用和主站的性能提高，装置对以上要求均能很好的满足，具体说 来，可以实现以下功能： ( 1 ) 人机交互方便 界面友好，其窗口信息量大，操作方便。有完善的调试信息。所有显示信息和 打印输出报文都实现汉化。在屏幕上给现场工作人员的提示信息丰富，操作灵活方 便。同时，f 常运行状态下的实时显示信息丰富，与保护相关的主要参数，可实时 地在屏幕上进行显示。一方面可通过监视各量的大小和相位，检查二次接线的正确 性，同时还可为一些保护定值的攘定提供现场依据。 ( 2 ) 大容量存储能力 装置的管理和故障数据的处理等能力有了很大的提高，保护模块上配置大容量 的存储介质可保存多次的故障事件记录。各保护c p u 信息交主站统一管理，主站大 规模f l a s h 存储器可保存几十条来自各c p u 的故障报文。同时，还可存储近千条运 行记录报文或告警报文。各种故障数据按一定格式存放在主站内，可以方便地按现 场要求形成各种形式的报表，供打印、拷贝或调用。 ( 3 ) 通讯管理灵活 高速c a n 网的存在，不仅使得数据的传输大大加快速度，而且亦解决了原基于 串口传输数据的种种不便。灵活的通讯管理，增加了装置的可靠性和快速性。 ( 4 ) 故障信息处理功能 当系统出现故障或装置异常报警时，一方面即时送入液晶显示器显示：一方面 通过打印机即时打印故障报文：一方面按时间顺序存于f l a s h 中，以备当地和后台 的查阅和分析，保证信息在多个位置备份。 2 4 硬件结构设计 2 a l 功能任务及性能要求 为了减轻徽梳傈护装置中微处理器的负担，方便僖慧的统一灵活餐理，在装鬟 内建立一智能主站，通过通讯接口与保护e p u 模块交换储息，诸如整定值，采样值 报告，故障报告，硬件测试命令与结果，以及一些实时测照参数“卜1 副。主站系统通 过窜臼和e a n 网了解帮掌援熬个装置酶实时运行情嚣，弗逶过串口芹瓣e a n 丽实嚣控 i l | i 江大学倾士学位论文 制，它还负责装置内信息收集、分橱、存储以及与远方调度中心的联系，这类系统 实现了信息资源的共攀以及保护、监控功能的综合化，大大简化了装置内的复杂连 线。 概括遗谎采，主站酶主簧功能是管瑾信慧的传递耪必享，充当装甏内鼹保护、 溯量、控铡、逶谖装鬟与缳护现场运行工终人员之闽熬接疆，它能难确及对地转换 和传输装鼹内部的运行状态信息以及运幸亍人员的控制命令，是整个装置正常运行的 前提，地位十分重要【1 6 1 叭。 2 a 2 硬 牛结构 凿2 。2 鹱髂缡稳篱黧 本装援掰哭宥豹特惫蓠先体溪在一个大容爨5 1 2 k 躺f l a s 芯片，弼供主皴存镁 大量的攀故报文、s o e 事 牛记泶、各路采样值等，并且掉电届不罄失。对主站处聪 繁薰的任务而言，3 2 k i 液m 的设管可使得程序簸毽起来极箕方便。 为了兼鼷不同厂家懿像护凝攫甄联，本次没计中提供了一个r s 4 8 5 接口，珂以 实现用户对多保护装鬻联网矫传骜信息。在综合自动纯场合下，装黉僚意麴抒露 哥逶过l 锚w o 糊( s 爨域耀抟辘念令，然聪瓣某些单瓣憩矍的保护，用户震襄能实 现就地打印，为此，装置引出个r s 2 3 2 刚，与串行打印机相连。为简化出阴设置 这两个国筒采丽耐i 线设鬣，用户可掇耀裔甚需蘩进行选择。 1 4 浙江大学硕 ：学位论文 因此，装置引出一个r s 2 3 2 口，与串行打印机相连。为简化出口设置，这两个 出口采用跳线设置，用户可根据自己需要进行选择。 2 5 智能化系统的通讯管理 2 5 1 系统的通讯流程 各c p u 模块在完成各自相应的保护、测量、录波功能后【2 0 m 】，将有关信息以报 文形式通过串口和c a n 网发送给上位m a s t e r ，m a s t e r 收到此内部规约格式的报 文后，进行智能判断，或翻译成远动规约上l o n 网，或传递给前人机对话板( m m i 板) 以显示，或直接送当地打印机，或进行组织整理后存入自己的存储区。人机对 话板( m m i ) 接收到内部报文，进行汉化处理及时显示，同时可接受当地继保工作 人员通过面板下发的操作命令，诸如投切压板和修改定值，再以内部报文的规约通 过串口将命令下发至m a s t e r ，m a s t e r 再将此命令转发至相应的c p u 。远方操作 和就地操作分开，但相对于m a s t e r 来说，两者处于同等的地位，m a s t e r 统一管 理所有下发的命令。 同时，m a s t e r 板可通过一个4 8 5 通讯口与其他装置进行通讯；接收装置外部 的g p s 信号，加以处理进行时间统一和同步对时。 2 5 2 系统通讯方案的选择 为了减轻微枫保护装置巾保护功能模块的负担，一般不由它单独撇担人机交甄 帮镲惑管理在务，嚣是遴遘逶谶接口与主懿交换，蘩整建燕、采撵穰掇告站还要建 立装置同就地故障报告、实时测量参数等储息；另外主邋方的联系，因此它的通讯 任务非常复杂。如果管理不善，将引起通讯混乱，严重的情况下，将锊致保护功能 丧炎。 继电保护城滗的通讯有许多特殊要求，如装置以采榉、保护功能为主，通讯任 务不能于扰装鬟的正常运行【2 3 啪l ；各保护功能单元独立熨现各自任务，任何一个单 元退出运行，稳不缱影响其德攀元豹歪嚣工佟 平零逶谶豢不多，健怒一虽徐护发 生幼作，有可能会引起多个保护单元同时上送报文，这然敞障报文的处理过程远较 普邋报文复杂，从霜使主站的受载较正常遂行对增加很多。以往豹微机保护装置内 部，大多采用瓣籍式窥约，遴遥r s 2 3 2 率蕊遴讯，毽是强上述情琵发警，主蛞静受 游援大学礁 ：拳链论文 载增加时，假如下层配置较多，出于串口通讯速度较慢，主站轮循一遍来不及实时 晌威所有的命令，可能会丢失浆些重要信息，严重的情况下影响保护讴常工作。 蠛场总线翻较之r s 2 3 2 在遴谶速度上懿优势是不言骶狳的，两时j 荟畿利瑁硬俸 自动实现检错、纠错、重发等控制功能，在所有现场总线网中，c a n 的实现方式最 为褥单，成本最低、旦作为无主网络，增减节点非常方便，因丽非鬻邋合在微机保 护羧黉中用。毽蠢予e a n 酶俊势集中俸魂在传送短幸蠹掇文，这对于辙帮t 保护中靛采 样假、定值的传邀是尤为不便的，因此本次设计中采用了c a n 网和串豳同时存在的 方嶷。 2 6 智能化显示终端的设计 装置的显示终端也靼常说的入机对话煎扳，其主要实现功能： ( 1 ) 接收并解释生活上送的上行报文，势将结栗酸友始、童接静方式遥过滚藩显 示模块或指示灯慰示给现场工作人员看。 ( 2 ) 通过现场王撵人员对键擞豹操 乍对莱憋信息量进行修投，或直接操纵键盘 卜- 健控制命令，以下行报文的形式镑给装置囱主站。 图2 3 是显示终端的结构简图： 固 回 回 固 一与p c 规接鞫 圈2 3 驻示终端硬件缩构简 2 6 本章小续 通过国式步 微执保护技术的发疑瑰状的分析，综合豳内辩的优点，并根据现有 条件，提出了装置内配备智能主站并且增设c a n 通讯网的设计方絮。充分发挥 e a n 高速、对靠牲离、挽予扰强麴特点，将主站和承担保护功能和录波功能的c p u 1 6 懑茳太学蛭七学位诡文 模块共同挂在c a n 总线上，可以通过高速总线共享采集数据和存储空间：主站系统 统一对信息进行镣理，完成远方、当地与僳护装置的交曩，装置内部信息的管理笛 翡髓；用户界瑟妥求友姆，最示信惠尽霹黥静丰富稻壹躐；主站的资源懋可麓的优 化，提高系统的存储空间、同步对时精度，以求进一步提高微机保护熬体性能。 渐缸大学l i j j 二学位论文 第三章继电保护系统可靠性研究 在复杂厂嚣邀力系绫中，难受发生短爨箴漳嚣不正零懿工撵获态，其中最危险 的故障是短路故障。其中以单相短路故障为最多，三相短路故障很少，对于电机和 变压器，还霹糍发生绕缀兹基闻短路。毫力系绞孛最卷尾魏不蠢鬻王终状态是过受 荷，如果负荷电流长时间超过电气设备的额定电流，将会加速电气设备的老化，甚 至烧坏电气设备。为了可靠的供电和保护电气设各，必须尽快鲍将故障点从系统中 切除，在电力系统中必须建立与采用具有保护作用的裔动装置，保护电力系统及其 元件，以免造成严重后果。继电保护装置就是一种由一个或几个具有自动机构的特 殊继电器组成的自动装嚣1 2 7 或】。掰淤缝电保护装鼍静强务在于；当发生短鼹放障时， 能宥选择性的、快速的、自动断开被保护元件，以防北事故范围的扩大；当发生不 正鬻工俸狭态对，戆发潞信号弑零l 趋缓舞入爱豹注意，及嚣重清除不垂霉工 乍获态。 所以电力系统燃电保护的基本任务在于： ( 1 ) 送择邈褥效薄元传鼹邀力系绫孛捷逮、塞魂锈滁，傻其攒坏程度减至最轻， 并保证最大限度地迅速恢复无故障部分的芷常运行。 ( 2 ) 反应电气元磐静舅嚣运行工凝，根据运行维护的具体条件鞫设冬豹承受能力， 发出警报信号、减负荷绒延时跳闸。 ( 3 ) 根据实际情况，尽快皇动恢复停电部分的供电。 继电保护装置是