1、微機(jī)繼電保護(hù)裝置概述
1．1 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的發(fā)展
微機(jī)繼電保護(hù)是指以數(shù)字式計(jì)算機(jī)(包括微型機(jī))為基礎(chǔ)構(gòu)成的繼電保護(hù)。20世紀(jì)60 年代中后期起源于英國和美國, 但是由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴, 同時(shí)也無法滿足高速繼電保護(hù)的技術(shù)要求, 因此沒有在保護(hù)方面取得實(shí)際應(yīng)用。隨著微處理器技術(shù)不斷發(fā)展, 促使計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)的研究出現(xiàn)了高潮。在70 年代后期, 研發(fā)出了比較完善的微機(jī)保護(hù)樣機(jī), 并投入到電力系統(tǒng)中試運(yùn)行。80年代, 微機(jī)保護(hù)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面日漸成熟, 并已在一些國家推廣應(yīng)用。90年代, 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展到了微機(jī)保護(hù)時(shí)代, 這是繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展歷史過程中的第4代。我國的微機(jī)保護(hù)研究起步于20世紀(jì)80年代初期, 盡管起步晚, 但是進(jìn)展很快。1984 年華北電力學(xué)院研制的輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置首先通過鑒定。從90年代開始我國繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)的時(shí)代。目前, 無論在軟硬件技術(shù)還是在保護(hù)原理方面, 國內(nèi)繼電保護(hù)的發(fā)展都已達(dá)到甚至超過國外同行業(yè)水平。
1．2 微機(jī)繼電保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)與原理
微機(jī)型繼電保護(hù)裝置是由微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的繼電保護(hù)裝置, 其核心是一臺微型計(jì)算機(jī)。保護(hù)對象的運(yùn)行狀態(tài)量引入裝置后經(jīng)過采樣和模數(shù)變換器變換成數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī), 計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入量不斷地進(jìn)行計(jì)算和判斷, 當(dāng)發(fā)現(xiàn)被保護(hù)對象工作狀況不正常時(shí), 通過接口電路驅(qū)動執(zhí)行元件,動作于跳閘, 用于報(bào)警或執(zhí)行其他任務(wù)。保護(hù)裝置的硬件由cpu 主系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(或稱模擬量輸入系統(tǒng))及開關(guān)量輸出系統(tǒng)三部分組成, 如圖1所示。
1.2.1 cpu 主系統(tǒng)
cpu 主系統(tǒng)包括微處理機(jī)cpu、存放程序的eprom、存放整定值的eprom、隨機(jī)存儲器ram以及可編程用以實(shí)現(xiàn)各種定時(shí)要求(如定時(shí)采樣和各種保護(hù)的延時(shí)等)的定時(shí)器等。
1.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓形成回路、模擬低通濾波器、采樣保持器(s/h)和模數(shù)變換器(a/d)。電壓形成回路將輸入量變換成適合于模數(shù)變換器工作的電壓信號, 并實(shí)現(xiàn)外部電路和微機(jī)之間的電氣隔離, 以防止輸入引線攜帶的共模浪涌干擾微機(jī)的正常工作。對于交流輸入量, 一般用變壓器原理實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換。對于直流輸入量, 一般用電——光或光——電轉(zhuǎn)換技術(shù)。
采樣保持器(s/h )的基本部分由一個(gè)快速電子開關(guān)s和一個(gè)保持電容器c組成。在cpu 主系統(tǒng)定時(shí)器的控制下, 每隔一定時(shí)間ts, 使電子開關(guān)短時(shí)接通, 進(jìn)行采樣, 從而在電容器c兩端記下該時(shí)刻電壓信號的輸入值。電子開關(guān)打開后, 電容器上電壓短時(shí)保持基本不變, 模數(shù)變換器可從容地將此采樣值變換為數(shù)字量。模擬變換器(a/d)將輸入的采樣值變換成二進(jìn)制的數(shù)值, 然后由cpu 進(jìn)行數(shù)字處理。
1.2.3 開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)
開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)是指保護(hù)裝置的出口、信號系統(tǒng)以及裝置同外部其他裝置的觸點(diǎn)連接回路。微機(jī)通過可編程的并行接口芯片和光電隔離器件同這些電路聯(lián)接。對不同的保護(hù)原理, 開關(guān)量輸入輸出 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方式基本不變, 可以應(yīng)用通用的硬件配以不同的軟件實(shí)現(xiàn)各種不同的保護(hù)原理。
1.3 微機(jī)繼電保護(hù)的主要特點(diǎn)
(1)由于微機(jī)型繼電保護(hù)裝置各種功能均由軟件實(shí)現(xiàn), 有很大的靈活性, 因而該裝置具有常規(guī)保護(hù)裝置難以實(shí)現(xiàn)的某些性能。通過打印機(jī)可以在事故后打印出多種有價(jià)值的信息供事故分析, 如輸出故障距離等; 另外, 該裝置具有在線自動檢測功能, 當(dāng)保護(hù)裝置異常時(shí)自動報(bào)警, 并顯示出故障部位, 從而允許延長運(yùn)行中的定檢周期, 并減少調(diào)試工作量。
(2)工藝結(jié)構(gòu)條件優(yōu)越。主要體現(xiàn)在硬件比較通用, 制造標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一, 裝置體積小, 減少了盤位數(shù)量, 功耗低等。
(3)可靠性高。數(shù)字元件的特性是不易受溫度變化、電源波動、使用年限及元件更換的影響; 另外, 自檢和巡檢能力強(qiáng), 可用軟件方法檢測主要元件、部件及功能軟件本身的工況。
(4)使用靈活方便。人機(jī)界面越來越友好,其維護(hù)調(diào)試也更方便, 從而縮短了維修時(shí)間; 同時(shí)依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 在現(xiàn)場可通過軟件方法改變特性、結(jié)構(gòu)。
(5)可以進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)控。微機(jī)保護(hù)裝置具有串行通信功能, 與變電所綜合自動化系統(tǒng)的通信聯(lián)絡(luò)使微機(jī)保護(hù)具有遠(yuǎn)方監(jiān)控特性。
2、微機(jī)繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用
某電解鋁廠綜合自動化系統(tǒng)采用微機(jī)繼電保護(hù)和微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合自動化管理。綜合自動化系統(tǒng)保護(hù)控制對象為：220kv開關(guān)站、整流機(jī)組、動力變壓器及6kv總配電所，由位于廠主控室內(nèi)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對全廠220kv、6kv一次設(shè)備的保護(hù)、監(jiān)視、測量、控制、記錄、報(bào)警、信號功能。
2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成
該綜合自動化系統(tǒng)采用雙網(wǎng)雙服務(wù)器星形拓?fù)浞謱臃植际浇Y(jié)構(gòu)，以windows nt 或windows2000作為操作平臺，采用標(biāo)準(zhǔn)的client/server方式，以tcp/ip為通訊協(xié)議，雙通道傳輸信號，具有極高的可靠性、可用率、冗余度。可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的文件傳輸、資源共享、數(shù)據(jù)庫查詢、集中監(jiān)控等多種功能。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：
(1)主控層：系統(tǒng)主要以三臺計(jì)算機(jī)為核心，負(fù)責(zé)所有各類數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、命令的發(fā)布、數(shù)據(jù)庫的建立及管理，并提供用戶各類人機(jī)界面、數(shù)據(jù)報(bào)表。其中二臺計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)220kv/6kv系統(tǒng)的監(jiān)控功能，該二臺計(jì)算機(jī)具有完全相同的功能，任何一臺故障，不需要雙機(jī)切換，不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另一臺作為工程師工作站，采用高可靠性監(jiān)控主機(jī)，完成監(jiān)視、修改定值、在線調(diào)試等功能
(2)通訊管理層：以多臺通訊管理器為核心，通過屏蔽雙絞線或光纖將微機(jī)繼電保護(hù)裝置、監(jiān)控裝置等智能裝置與主控層三臺監(jiān)控主機(jī)以數(shù)字通訊方式連接起來。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、監(jiān)控。多臺通訊管理器具有完全相同的功能。
(3)現(xiàn)場控制層：由微機(jī)繼電保護(hù)裝置、智能監(jiān)控采樣裝置和其它設(shè)備的控制器組成，負(fù)責(zé)電氣設(shè)備的各類保護(hù)、現(xiàn)場遙信/遙測數(shù)據(jù)的采集、遙控命令的執(zhí)行，并通過通訊接口執(zhí)行數(shù)據(jù)的處理及傳送。
2.2 保護(hù)監(jiān)控裝置的配置及設(shè)備選型
綜合自動化系統(tǒng)選用某電氣公司及其代理的微機(jī)繼電保護(hù)監(jiān)控裝置和通訊管理器。
2.2.1 220kv進(jìn)線和母線保護(hù)：由電力設(shè)計(jì)院完成線路保護(hù)和母線保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)，本綜合自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)留接口以便接入。
2.2.2 220kv/6kv動力變設(shè)置縱聯(lián)差動保護(hù)、變壓器瓦斯保護(hù)、主變有載開關(guān)瓦斯保護(hù)、壓力釋放閥保護(hù)、溫度保護(hù)、復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序保護(hù)。選用t35和f35作為微機(jī)繼電保護(hù)裝置，c60作為監(jiān)控裝置。
2.2.3 220kv整流機(jī)組變壓器設(shè)置調(diào)變有載開關(guān)瓦斯保護(hù)、變壓器瓦斯保護(hù)、壓力釋放閥保護(hù)、溫度保護(hù)、復(fù)合電壓啟動調(diào)變電流速斷保護(hù)、整變過流保護(hù)。選用f35作為微機(jī)繼電保護(hù)裝置，c60作為監(jiān)控裝置。
2.2.4 整流機(jī)組濾波裝置設(shè)置電流速斷保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、頻率保護(hù)、內(nèi)部不平衡電流電壓保護(hù)。選用f35作為微機(jī)繼電保護(hù)裝置兼監(jiān)測裝置。
2.2.5 6kv總配系統(tǒng)：6kv進(jìn)線不設(shè)保護(hù)，動作于動力變220kv保護(hù)；6kv母聯(lián)設(shè)充電電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)；6kv電纜饋線設(shè)帶時(shí)限電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、單相接地保護(hù)；干式變壓器饋線設(shè)溫度保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過流保護(hù)、單相接地保護(hù)。選用帶液晶顯示的測控一體化裝置f650，分散安裝于各個(gè)開關(guān)柜上。
2.2.6 通訊管理層選用多臺ml2400作為通訊管理機(jī)。
2.2.7 主控層為有人值班系統(tǒng)，配置二臺以時(shí)下主流配置硬件系統(tǒng)的高性能、高可靠性的工控機(jī)， 安裝系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件，可完成系統(tǒng)全面監(jiān)控和遠(yuǎn)動功能，也是操作人員或維護(hù)人員人機(jī)接口界面。一 臺工程師工作站配置在辦公室，也采用高性能、高可靠性的工控機(jī)，完成監(jiān)視、在線調(diào)試功能。
3、應(yīng)用效果
(1)徹底改變了常規(guī)保護(hù)裝置的布線邏輯控制方式, 簡化了二次回路的結(jié)構(gòu)。把傳統(tǒng)的繼電器、接點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)、導(dǎo)線全部集成在裝置內(nèi), 在外電路只有一個(gè)開出量接點(diǎn);
(2)改變了保護(hù)原理與線路一一對應(yīng)的關(guān)系,通過控制面板上的菜單就可以改變保護(hù)特性和功能, 組成不同的保護(hù)方案;
(3)操作界面使用更方便, 定值修改無需停電, 只需要幾分鐘即可完成, 工作效率提高百倍, 通過事件記錄菜單排查故障也能大大縮短檢修時(shí)間;
(4)可實(shí)時(shí)進(jìn)行各種電氣參數(shù)的采集和各電氣設(shè)備狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)事故報(bào)警和記錄功能，以及統(tǒng)計(jì)分析，報(bào)表打印。最終實(shí)現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)遠(yuǎn)動功能。
4、結(jié) 論
微機(jī)繼電保護(hù)裝置及綜合自動化系統(tǒng)以其可靠性高、動作準(zhǔn)確率高、保護(hù)性能容易得到改善、易于獲得各種附加功能、使用靈活方便、維護(hù)調(diào)試方便、具有遠(yuǎn)方監(jiān)控特性等優(yōu)勢, 更能適應(yīng)電力系統(tǒng)對保護(hù)監(jiān)控的要求, 已經(jīng)成為現(xiàn)行工廠繼電保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)的主流方向。