微机继电保护装置和综合自动化系统的组成及应用

1、微机继电保护装置概述

1．1 微机继电保护装置的发展

微机继电保护是指以数字式计算机(包括微型机)为基础构成的继电保护。20世纪60 年代中后期起源于英国和美国, 但是由于当时计算机价格昂贵, 同时也无法满足高速继电保护的技术要求, 因此没有在保护方面取得实际应用。随着微处理器技术不断发展, 促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70 年代后期, 研发出了比较完善的微机保护样机, 并投入到电力系统中试运行。80年代, 微机保护在硬件结构和软件技术方面日渐成熟, 并已在一些国家推广应用。90年代, 电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代, 这是继电保护技术发展历史过程中的第4代。我国的微机保护研究起步于20世纪80年代初期, 尽管起步晚, 但是进展很快。1984 年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。从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。目前, 无论在软硬件技术还是在保护原理方面, 国内继电保护的发展都已达到甚至超过国外同行业水平。

1．2 微机继电保护装置的结构与原理

微机型继电保护装置是由微型计算机构成的继电保护装置, 其核心是一台微型计算机。保护对象的运行状态量引入装置后经过采样和模数变换器变换成数字量输入计算机, 计算机根据输入量不断地进行计算和判断, 当发现被保护对象工作状况不正常时, 通过接口电路驱动执行元件,动作于跳闸, 用于报警或执行其他任务。保护装置的硬件由CPU 主系统、数据采集系统(或称模拟量输入系统)及开关量输出系统三部分组成, 如图1所示。

1.2.1 CPU 主系统

CPU 主系统包括微处理机CPU、存放程序的EPROM、存放整定值的EPROM、随机存储器RAM以及可编程用以实现各种定时要求(如定时采样和各种保护的延时等)的定时器等。

1.2.2 数据采集系统

数据采集系统包括电压形成回路、模拟低通滤波器、采样保持器(S/H)和模数变换器(A/D)。电压形成回路将输入量变换成适合于模数变换器工作的电压信号, 并实现外部电路和微机之间的电气隔离, 以防止输入引线携带的共模浪涌干扰微机的正常工作。对于交流输入量, 一般用变压器原理实现电气隔离和电平转换。对于直流输入量, 一般用电——光或光——电转换技术。

采样保持器(S/H )的基本部分由一个快速电子开关S和一个保持电容器C组成。在CPU 主系统定时器的控制下, 每隔一定时间ts, 使电子开关短时接通, 进行采样, 从而在电容器C两端记下该时刻电压信号的输入值。电子开关打开后, 电容器上电压短时保持基本不变, 模数变换器可从容地将此采样值变换为数字量。模拟变换器(A/D)将输入的采样值变换成二进制的数值, 然后由CPU 进行数字处理。

1.2.3 开关量输入输出系统

开关量输入输出系统是指保护装置的出口、信号系统以及装置同外部其他装置的触点连接回路。微机通过可编程的并行接口芯片和光电隔离器件同这些电路联接。对不同的保护原理, 开关量输入输出 系统的硬件结构方式基本不变, 可以应用通用的硬件配以不同的软件实现各种不同的保护原理。

1.3 微机继电保护的主要特点

(1)由于微机型继电保护装置各种功能均由软件实现, 有很大的灵活性, 因而该装置具有常规保护装置难以实现的某些性能。通过打印机可以在事故后打印出多种有价值的信息供事故分析, 如输出故障距离等; 另外, 该装置具有在线自动检测功能, 当保护装置异常时自动报警, 并显示出故障部位, 从而允许延长运行中的定检周期, 并减少调试工作量。

(2)工艺结构条件优越。主要体现在硬件比较通用, 制造标准统一, 装置体积小, 减少了盘位数量, 功耗低等。

(3)可靠性高。数字元件的特性是不易受温度变化、电源波动、使用年限及元件更换的影响; 另外, 自检和巡检能力强, 可用软件方法检测主要元件、部件及功能软件本身的工况。

(4)使用灵活方便。人机界面越来越友好,其维护调试也更方便, 从而缩短了维修时间; 同时依据运行经验, 在现场可通过软件方法改变特性、结构。

(5)可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能, 与变电所综合自动化系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。

2、微机继电保护装置的应用

某电解铝厂综合自动化系统采用微机继电保护和微机监控系统实现综合自动化管理。综合自动化系统保护控制对象为：220kV开关站、整流机组、动力变压器及6kV总配电所，由位于厂主控室内的计算机实现对全厂220kV、6kV一次设备的保护、监视、测量、控制、记录、报警、信号功能。

2.1 系统的构成

该综合自动化系统采用双网双服务器星形拓扑分层分布式结构，以WINDOWS NT 或WINDOWS2000作为操作平台，采用标准的CLIENT/SERVER方式，以TCP/IP为通讯协议，双通道传输信号，具有极高的可靠性、可用率、冗余度。可实现网络上的文件传输、资源共享、数据库查询、集中监控等多种功能。

系统结构分为三层：

(1)主控层：系统主要以三台计算机为核心，负责所有各类数据的采集、分析、处理、命令的发布、数据库的建立及管理，并提供用户各类人机界面、数据报表。其中二台计算机实现220kV/6kV系统的监控功能，该二台计算机具有完全相同的功能，任何一台故障，不需要双机切换，不影响系统的正常运行。另一台作为工程师工作站，采用高可靠性监控主机，完成监视、修改定值、在线调试等功能

(2)通讯管理层：以多台通讯管理器为核心，通过屏蔽双绞线或光纤将微机继电保护装置、监控装置等智能装置与主控层三台监控主机以数字通讯方式连接起来。实现数据的统一管理、监控。多台通讯管理器具有完全相同的功能。

(3)现场控制层：由微机继电保护装置、智能监控采样装置和其它设备的控制器组成，负责电气设备的各类保护、现场遥信/遥测数据的采集、遥控命令的执行，并通过通讯接口执行数据的处理及传送。

2.2 保护监控装置的配置及设备选型

综合自动化系统选用某电气公司及其代理的微机继电保护监控装置和通讯管理器。

2.2.1 220kV进线和母线保护：由电力设计院完成线路保护和母线保护装置的设计，本综合自动化系统网络预留接口以便接入。

2.2.2 220kV/6kV动力变设置纵联差动保护、变压器瓦斯保护、主变有载开关瓦斯保护、压力释放阀保护、温度保护、复合电压启动过电流保护、过负荷保护、零序保护。选用T35和F35作为微机继电保护装置，C60作为监控装置。

2.2.3 220kV整流机组变压器设置调变有载开关瓦斯保护、变压器瓦斯保护、压力释放阀保护、温度保护、复合电压启动调变电流速断保护、整变过流保护。选用F35作为微机继电保护装置，C60作为监控装置。

2.2.4 整流机组滤波装置设置电流速断保护、过压保护、欠压保护、频率保护、内部不平衡电流电压保护。选用F35作为微机继电保护装置兼监测装置。

2.2.5 6kV总配系统：6kV进线不设保护，动作于动力变220kV保护；6kV母联设充电电流保护、电流速断保护；6kV电缆馈线设带时限电流速断保护、过流保护、单相接地保护；干式变压器馈线设温度保护、电流速断保护、过流保护、单相接地保护。选用带液晶显示的测控一体化装置F650，分散安装于各个开关柜上。

2.2.6 通讯管理层选用多台ML2400作为通讯管理机。

2.2.7 主控层为有人值班系统，配置二台以时下主流配置硬件系统的高性能、高可靠性的工控机， 安装系统监控组态软件，可完成系统全面监控和远动功能，也是操作人员或维护人员人机接口界面。一 台工程师工作站配置在办公室，也采用高性能、高可靠性的工控机，完成监视、在线调试功能。

3、应用效果

(1)彻底改变了常规保护装置的布线逻辑控制方式, 简化了二次回路的结构。把传统的继电器、接点、节点、导线全部集成在装置内, 在外电路只有一个开出量接点;

(2)改变了保护原理与线路一一对应的关系,通过控制面板上的菜单就可以改变保护特性和功能, 组成不同的保护方案;

(3)操作界面使用更方便, 定值修改无需停电, 只需要几分钟即可完成, 工作效率提高百倍, 通过事件记录菜单排查故障也能大大缩短检修时间;

(4)可实时进行各种电气参数的采集和各电气设备状态的远程监控，实现事故报警和记录功能，以及统计分析，报表打印。最终实现遥测、遥信、遥控、遥调远动功能。

4、结 论

微机继电保护装置及综合自动化系统以其可靠性高、动作准确率高、保护性能容易得到改善、易于获得各种附加功能、使用灵活方便、维护调试方便、具有远方监控特性等优势, 更能适应电力系统对保护监控的要求, 已经成为现行工厂继电保护和监控系统的主流方向。