微機(jī)保護(hù)在供配電實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用

顧秀萍

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原 030009)

近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)與控制技術(shù)的發(fā)展，在我國的電網(wǎng)建設(shè)和改造中，采用變電所綜合自動化技術(shù)已成為一種趨勢。所謂變電所綜合自動化就是將變電所的測量儀表、信號系統(tǒng)、繼電保護(hù)、控制裝置等經(jīng)過功能組合和優(yōu)化，以全微機(jī)化的新型設(shè)備代替機(jī)電式的二次設(shè)備，用不同的模塊化軟件實(shí)現(xiàn)各種功能，用計算機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)通信代替大量的信號電纜連接，通過人機(jī)接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對變電所的綜合管理、監(jiān)視、測量、控制、保護(hù)以及遠(yuǎn)動信息傳送等功能。它具有功能綜合化、結(jié)構(gòu)微機(jī)化、操作監(jiān)視屏幕化和運(yùn)行管理智能化等特征。［1］

其中，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是變電所實(shí)現(xiàn)綜合自動化的基礎(chǔ)。

1 微機(jī)保護(hù)的構(gòu)成

典型的微機(jī)保護(hù)其硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、微機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。

圖1 微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集部分的功能是將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量，主要包括交流變換、電壓形成、模擬低通濾波、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等部分。

微機(jī)系統(tǒng)是微機(jī)保護(hù)的核心部分，它的功能就是根據(jù)預(yù)定的軟件，由CPU執(zhí)行存放在EPROM和E2PROM中的程序，通過運(yùn)算對RAM區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而完成各種保護(hù)功能。其組成主要包括CPU、EPROM、E2PROM、RAM、可編程定時器、控制器等。

開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)由若干個并行接口適配器、光電隔離器及有接點(diǎn)的中間繼電器等組成，以完成各種保護(hù)的出口跳閘、信號報警、外部接點(diǎn)輸入及人機(jī)對話等功能。

微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)各種保護(hù)的功能與特性主要是由軟件決定，通過改變軟件程序就可以獲取所需要的保護(hù)性能，具有較大的靈活性。目前微機(jī)保護(hù)的算法很多，常用的主要有:導(dǎo)數(shù)算法、傅里葉算法、正弦曲線擬合法等。許多生產(chǎn)廠家已將微機(jī)保護(hù)模塊化、功能化。例如線路微機(jī)保護(hù)模塊、變壓器微機(jī)保護(hù)模塊、電動機(jī)微機(jī)保護(hù)模塊等，用戶可根據(jù)需要直接選購，使用很方便。

2 微機(jī)保護(hù)的特點(diǎn)

與常規(guī)的機(jī)電式、模擬式保護(hù)相比，微機(jī)保護(hù)除了能夠滿足繼電保護(hù)在選擇性、快速性、可靠性、靈敏性等方面的基本要求，還具有以下優(yōu)點(diǎn)［2，3］:

(1)安全性、可靠性提高。電磁型或晶體管型保護(hù)裝置，其工作點(diǎn)易受環(huán)境溫度影響，而且其完好性依賴于定期檢驗(yàn)，正常運(yùn)行時保護(hù)裝置的隱患不能及時發(fā)現(xiàn);而微機(jī)保護(hù)裝置中數(shù)字元件的特性則不易受溫度變化、電源波動、使用年限的影響，并可用程序?qū)ζ溆布M(jìn)行在線自檢，一旦發(fā)生問題，可發(fā)出報警;對于軟件異常及干擾的影響，可自動識別并排除，保護(hù)裝置的可靠性大大提高了。

(2)性能更加完善、智能化。常規(guī)保護(hù)裝置的功能比較單一，而微機(jī)保護(hù)裝置可充分發(fā)揮計算機(jī)的儲存記憶、邏輯運(yùn)算等信息處理功能，大幅改善和提高了繼電保護(hù)的動作特征和性能，還可以采用新的算法，解決一些常規(guī)保護(hù)難以解決的問題。如利用模糊識別原理或波形對稱原理識別判斷變壓器勵磁涌流，利用模糊識別原理判斷振蕩過程中的短路故障等。

(3)具備通信功能，提高運(yùn)行管理水平。各類微機(jī)保護(hù)單元設(shè)置有通信接口，具有與上級調(diào)度通信功能，可將數(shù)據(jù)及時送往調(diào)度中心，使調(diào)度員能及時掌握各變電所的運(yùn)行情況，也能對它進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)與控制。且各種操作都有事件順序記錄可供查閱，能實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)，大大提高了運(yùn)行管理水平。

(4)降低變電所的投資、運(yùn)行費(fèi)用。微機(jī)保護(hù)的硬件電路多數(shù)采用大規(guī)模集成電路，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功能強(qiáng)，與常規(guī)的二次設(shè)備相比，大大縮小了變電所的占地面積，減少了控制電纜的數(shù)量，而且微處理器和大規(guī)模集成電路性能在不斷提高，價格在逐步降低，使變電所的總投資降低了。另外，保護(hù)裝置本身消耗的功率低，降低了對電流互感器、電壓互感器的容量要求。

3 供配電實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)

隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，對人員的運(yùn)行操作水平和故障處理能力要求也越來越高。但是，由于電力系統(tǒng)對供電可靠性的要求非常高，大中專院校電力專業(yè)學(xué)生不可能對實(shí)際運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行操作訓(xùn)練，甚至連觀看現(xiàn)場工作人員操作的機(jī)會都很少。在這種條件下，提高學(xué)生實(shí)踐認(rèn)識和操作水平的最好辦法就是根據(jù)實(shí)際電力系統(tǒng)建立模擬仿真系統(tǒng)，在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究或模擬操作。

目前電力系統(tǒng)操作過程的培訓(xùn)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手段主要有3種類型:計算機(jī)仿真、物理仿真、以及二者相結(jié)合的綜合仿真。相對于計算機(jī)仿真，基于實(shí)物的物理仿真盡管成本較高，但設(shè)備之間、元件之間是通過實(shí)在的物理連接建立聯(lián)系，更有助于理解其內(nèi)在機(jī)理，并可對設(shè)備進(jìn)行實(shí)物操作。因此，物理仿真更適合教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的理論聯(lián)系實(shí)際能力、提高實(shí)踐動手技能是非常有利的。

我院電氣系采用物理仿真的方法，針對典型的工礦企業(yè)用10 kV供配電系統(tǒng)，開發(fā)了供配電實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)并已投入使用。它建立了10 kV變/配電所、配電線路和負(fù)荷等組成的一次系統(tǒng)，以及由繼電保護(hù)、自動裝置等組成的二次系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的各種操作、保護(hù)動作和運(yùn)行方式的仿真。

4 供配電實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)中的微機(jī)保護(hù)

本供配電實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)中，所有的測量和計量儀表、微機(jī)綜保測控裝置及其它自動裝置均采用工業(yè)產(chǎn)品。其中，繼電保護(hù)全部采用微機(jī)保護(hù)方式，配置有KLD-9211微機(jī)線路保護(hù)裝置、KLD-9215微機(jī)分段保護(hù)裝置和KLD-9216微機(jī)變壓器保護(hù)裝置等。

下面以KLD-9211線路保護(hù)測控裝置為例介紹其主要功能及原理。

4.1 保護(hù)方面的主要功能

(1)定時限過電流保護(hù) 本裝置設(shè)三段定時限過電流保護(hù)，各段電流定值、時間定值可獨(dú)立整定，分別設(shè)置整定控制字控制這三段保護(hù)的投退。三段都帶有方向閉鎖，各段都有獨(dú)立的控制字投退，方向元件和電流元件接成按相起動方式。

(2)反時限過電流保護(hù) 反時限過電流保護(hù)按照IEC提供的四種反時限電流保護(hù)曲線的規(guī)定進(jìn)行整定，下列標(biāo)準(zhǔn)特性方程可由用戶自由選擇。

式中，Ip為啟動電流，tp為時間常數(shù)。I為輸入的故障電流值。啟動電流值和時間常數(shù)均可以由用戶自由設(shè)定。

(3)過負(fù)荷保護(hù) 當(dāng)A、B、C三相中任何一相電流大于過負(fù)荷的整定值時，相應(yīng)定時器啟動，若持續(xù)時間到整定時限，且該保護(hù)處于投入狀態(tài)則出口動作，若在整定時限內(nèi)電流返回方終止定時器。返回系數(shù)大于0.95，過負(fù)荷保護(hù)的動作方式分為報警、跳閘，可以由用戶自由設(shè)定。

(4)零流保護(hù) 當(dāng)零序電流大于零流保護(hù)的整定值時，相應(yīng)定時器啟動，若持續(xù)時間到整定時限，且該保護(hù)處于投入狀態(tài)則出口動作，若在整定時限內(nèi)電流返回方終止定時器。返回系數(shù)大于0.95，零流保護(hù)的動作方式分為報警、跳閘，可以由用戶自由設(shè)定。

(5)重合閘 三相四次重合閘功能可由用戶自由投退，一旦投入，則按照設(shè)定的方式工作。

a)重合閘次數(shù):0～4次可設(shè)，0為退出。

b)重合閘間隔:每次重合閘的間隔均可以設(shè)為不同時間，范圍:0.20 ～60.00 秒。

c)重合啟動條件:開關(guān)在合位15秒充電完成，保護(hù)動作或不對應(yīng)啟動(可單獨(dú)投入或退出)。

d)不對應(yīng)重合閘:可以解決開關(guān)偷跳的問題。

e)重合閘閉鎖:當(dāng)開入量閉鎖重合閘投入，且遙信8輸入為1時，手動或遙控跳閘，閉鎖重合閘。

(6)后加速保護(hù) 保護(hù)動作后，當(dāng)重合于永久故障時，加速跳閘。手合或遙合故障線路時，也加速跳閘。

(7)低頻減載保護(hù) 當(dāng)頻率小于低頻減載的整定值時，相應(yīng)定時器啟動，若持續(xù)時間到整定時限，且該保護(hù)處于投入狀態(tài)則出口動作，若在整定時限內(nèi)頻率返回到正常值(整定值+0.1 Hz)時，終止定時器?？蓡为?dú)投退滑差閉鎖、低電壓閉鎖、無流閉鎖。

(8)非電量保護(hù) 本裝置設(shè)有兩個非電量保護(hù)，非電量1保護(hù)與遙信9共用一個開關(guān)量輸入;非電量2保護(hù)與遙信10共用一個開關(guān)量輸入，用于保護(hù)聯(lián)跳功能。

a)非電量1保護(hù):當(dāng)裝置檢測到非電量1信號，并且非電量1保護(hù)投入，啟動跳閘出口;

b)非電量2保護(hù):當(dāng)裝置檢測到非電量2信號，并且非電量2保護(hù)投入，啟動跳閘出口;

4.2 裝置告警功能

當(dāng)CPU檢測到裝置本身硬件故障時，發(fā)出裝置異常信號(裝置異常繼電器返回)，閉鎖整套保護(hù)。硬件故障包括:RAM、EPROM、定值出錯。

當(dāng)CPU檢測到下列故障時，發(fā)出預(yù)告總信號(預(yù)告繼電器動作):

(1)過負(fù)荷告警;(2)控制回路斷線;(3)PT斷線。

當(dāng)CPU檢測到下列故障時，發(fā)出事故總信號(事故總繼電器動作):

(1)三段定時限過電流保護(hù);(2)反時限保護(hù);(3)過負(fù)荷跳閘;(4)零流保護(hù);(5)低頻減載;(6)重合閘;(7)后加速。

4.3 遙控、遙信、遙測功能

(1)遙測功能 裝置采集三相電壓(Ua、Ub、Uc)、三相測量電流(CIa、CIb、CIc)和三相保護(hù)電流(BIa、BIb、BIc)以及一個零序電流(I0);計算量主要有:F、P、Q、cosφ、Uab、Ubc、Uca以及各個模入量對 Ua的夾角等。所有這些量都實(shí)時計算，三相有功無功的計算完全不依賴于網(wǎng)絡(luò)。精度達(dá)到0.5級。本裝置的遙測功率計算選用二表法，但B相電流正常采集。

(2)遙信功能 裝置具有CAN、RS485、RS232接口，并可采用雙網(wǎng)通訊方式，裝置能適應(yīng)多種通訊媒介，如光纖，網(wǎng)絡(luò)雙絞線等。可實(shí)現(xiàn)16路遙信開入采集、遙信變位、事故遙信。

(3)遙控功能 裝置可實(shí)現(xiàn)本側(cè)斷路器遙控分、合操作;出口動作最長保持時間可由程序設(shè)定;并作事件順序記錄。

5 結(jié)束語

具備以微機(jī)保護(hù)為基礎(chǔ)的變電所綜合自動化系統(tǒng)是現(xiàn)代化電力企業(yè)的重要標(biāo)志和發(fā)展方向。本實(shí)訓(xùn)仿真系統(tǒng)在真實(shí)反映變電所生產(chǎn)過程的同時，注重結(jié)合現(xiàn)代電力企業(yè)數(shù)字化、自動化的特點(diǎn)，采用國內(nèi)變電所的先進(jìn)設(shè)備配置，實(shí)現(xiàn)了變電所的檢測、控制、監(jiān)視、保護(hù)的綜合自動化，可以幫助學(xué)生全面感性地掌握現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行、監(jiān)控、保護(hù)原理及操作技能。滿足了電力(電氣)各專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)和工程實(shí)訓(xùn)的需要，使培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型人才成為現(xiàn)實(shí)，同時也可用于企業(yè)電站運(yùn)行人員的上崗培訓(xùn)，使教學(xué)與工程實(shí)踐實(shí)現(xiàn)零距離結(jié)合。

［1］陳小虎.工廠供電技術(shù)［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］閆軍.SH變電所綜合自動化的設(shè)計［D］.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007，4.

［3］王學(xué)鋒.鐵路變電所綜合自動化系統(tǒng)研究［D］.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006，5.