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电力系统微机保护西南交通大学电气工程学院2主要内容◆微机保护概述◆微机保护硬件构成◆数字滤波◆微机保护算法◆微机保护抗干扰措施◆微机保护举例◆综合自动化系统参考书：杨奇逊、黄少锋编著微型机继电保护基础（第二版）中国电力出版社3第一章绪论一、继电保护技术的发展继电保护技术是随着电力系统的发展而发展的，它与电力系统对运行可靠性要求的不断提高密切相关。◆熔断器最早出现的过电流保护，仍广泛应用于低压线路和用电设备。特点：集保护装置和断电装置于一体，简单、可靠。缺点：动作精度差、配合难度大、断流能力有限、恢复供电麻烦。※用电设备的功率、发电机的容量不断增大；※发电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化；※电力系统中正常工作电流和短路电流都不断增大。因此，随着电力系统的发展，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求。4◆保护原理的发展※感应型过电流继电器（1901年）※差动保护（1908年）※电流方向保护（1910年）※距离保护（1923年）※高频保护（1927年）：利用高频载波电流传输和比较输电线路两端功率方向或电流相位◆过电流继电器特点：保护装置与断电装置分开，作用于专门的断流装置（断路器）。19世纪90年代出现直接作用于断路器的一次式的电磁型过电流继电器。其特点是：直接反应一次短路电流。20世纪初继电器开始广泛应用于电力系统（继电保护技术的开端）。其特点是：继电器输入量为电流互感器和电压互感器二次侧输出，避免与高电压、大电流直接相连。5※机电式继电器（20世纪50年代以前）构成：由电磁型、感应型或电动型继电器构成，具有机械传动部件。优点：工作可靠、不需要外部工作电源、抗干扰性好、使用寿命长等，目前仍广泛应用于电力系统中。缺点：体积大、功率消耗大、动作速度慢、机械传动部分和触点容易磨损或粘连，调试维修复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求。※微波保护（20世纪50年代）：利用微波传输线路两端故障电气量。※行波保护（20世纪70年代）：利用故障点产生的行波实现快速保护。※20世纪80年代左右，开始研究反应工频故障分量（或称工频突变量）原理的保护，20世纪90年代该原理的继电保护装置广泛采用。◆继电保护装置的发展机电式保护装置静态继电保护装置数字继电保护装置6※晶体管式继电保护装置（20世纪50年代）构成：由半导体晶体管构成特点：体积小、功率消耗小、动作速度快、无机械传动部分和触点，易受电磁干扰的影响而误动或损坏，称为电子式静态保护装置（第一代）。20世纪70年代晶体管式保护在我国大量采用※集成电路式继电保护装置（20世纪80年代）由集成运算放大器和其它集成电路构成，体积更小、工作更可靠，第二代电子式静态保护装置。20世纪80年代后期成为静态继电保护的主要形式。※微机型继电保护装置（20世纪80年代中期）又称为数字式继电保护装置，由硬件系统和软件系统构成。特点：需要硬件和软件配合才能实现保护原理和功能。优点：为同一套硬件配置不同的软件，就可以实现不同特性和不同功能的继电保护装置。7二、微机保护发展历史①20世纪60年代末期提出用计算机构成微机保护装置，2篇最早发表的关于微机保护的研究报告◆G.D.Rockefeller,FaultProtectionWithADigitalComputer,IEEETrans.PASVol88No4.1969。◆B.J.Mann,RealTimeComputerCalculationofTheImpedanceofaFaultedSinglePhaseLine,Elec.Eng.Trans.(I.E.Aust)VEE41969。②20世纪70年代（微机保护研究热潮）◆到70年代末，仅公开发表的论文有200多篇；◆重点关注于各种算法原理的分析方法的研究；◆研究工作以小型计算机为基础，以一台小型机实现多个电气设备或整个变电站的保护（可靠性不高）；◆受计算机制造水平和价格的限制，不具备生产微机保护装置的条件。8③20世纪70年代末期（快速发展）三、国内微机保护发展概况◆从1979年开始微机保护研究高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。◆出现8位微处理器（Intel公司的8080、摩托罗拉公司的6800）。微处理器的出现为微机保护装置的研制提供了条件；◆1977年日本投入以微处理器为硬件的控制与继电保护装置；◆1979年美国电气与电子工程师学会（IEEE）组织一个世界性的计算机保护研究班；◆日本发展最快，到1986年微机保护达到继电保护产品的一半；◆到20世纪80年代中期，微机保护在电力系统中得到了广泛应用。9◆1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用。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、发电机保护和变压器组保护也相继于1989、1994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1991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于1993、1996年通过鉴定。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于1996年通过鉴定。从20世纪90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。◆据统计：到2000年220kV及以上系统的微机保护率为43.99％，线路微机保护占86％，到2003年底，220kV以上系统的微机保护已占到70.29％，线路的微机化率达到97.6％。10四、国内微机保护装置硬件发展1.8位微处理器构成微机保护装置◆代表产品：WXB-01微机高压线路保护装置◆主要特点：单CPU、外部扩展电路复杂、存储器容量小、软件时钟、可靠性较低、不具备数据远传功能。2.8位单片机构成多处理器系统◆代表产品：WXB-11系列微机保护装置◆主要特点：多CPU构成、外部扩展的硬件电路较少（采用单片机）、硬件时钟、数据远传的串行接口、增加了可靠性。3.16位单片机构成的多处理器系统◆代表产品：CSL系列微机保护装置、LFP-900系列微机保护装置◆CPU:以Intel公司80C196KB为代表◆主要特点：具备较完善的通信接口，可应用于变电站综合自动化系统、GPS对时接口。114.目前国内发展状况◆32位微处理器得到广泛应用保护CPU：数字信号处理器（TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列）、摩托罗拉公司MC68000系列等人机接口CPU：PowerPC系列、ARM系列处理器◆AD转换芯片14bitA/D、16bitA/D◆网络通信现场总线、工业以太网◆可编程逻辑器件CPLD、Lattice等12五、微机保护的特点1.优点◆维护调试工作量小传统继电保护装置布线逻辑，每一种功能由相应的硬件和连线实现，维护调试复杂。◆可靠性高微机保护装置的硬件自检、软件自检。◆灵活性强硬件通用、保护动作特性容易改变、测量和控制功能等。◆保护性能改善常规保护不易获得的特性、保护新原理的实现等。◆使用灵活方便，人机界面友好◆易于获得附加功能故障录波、波形分析、故障测距、详细故障信息等。2.缺点◆硬件更新快（传统保护设备30年）◆软件移植性问题◆抗干扰问题13六、微机保护的发展趋势1.硬件模块化微处理器相关功能的极大增强、片内硬件资源的扩充、单片机与DSP芯片的融合、运算能力的显著提高以及嵌入式网络通信芯片的出现及应用使硬件设计更加方便，高性价比使冗余设计成为可能，为实现灵活化、高可靠性和模块化的通用硬件平台创造了条件。优点：对于不同的保护可任意选用不同模块，配置灵活、容易扩展。2.网络化◆继电保护的作用◆优点：微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性。保证全系统的安全稳定运行切除故障元件限制事故影响范围首要任务原理：反应保护安装处的电气量（差动保护、纵差保护除外）共享全系统的运行和故障信息的数据系统复杂度的增加系统保护的概念（各保护协调动作）故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确自适应保护（系统运行方式、故障状态的自适应）143.保护测量控制一体化保护、测量和控制装置集中组屏保护、测量和控制装置分散安装简化二次回路、节约投资二次回路复杂4.自适应控制技术◆自适应继电保护的概念始于20世纪80年代；◆根据系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值；◆距离保护、变压器保护、发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。5.智能化进入20世纪90年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用。◆人工神经网络来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。156.变电所综合自动化技术现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量装置及系统分割的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。实现继电保护和综合自动化的紧密结合，它表现在集成与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元（RTU）、微机保护装置为核心，将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。