1、1電力系統微機保護電力系統微機保護西南交通大學電氣工程學院西南交通大學電氣工程學院2主要內容主要內容微機保護概述微機保護概述微機保護硬件構成微機保護硬件構成數字濾波數字濾波微機保護算法微機保護算法微機保護抗干擾措施微機保護抗干擾措施微機保護舉例微機保護舉例綜合自動化系統綜合自動化系統參考書：參考書：楊奇遜、黃少鋒編著楊奇遜、黃少鋒編著 微型機繼電保護基礎（第二版）微型機繼電保護基礎（第二版）中國電力出版社中國電力出版社3第一章第一章 緒論緒論一、一、繼電保護技術的發展繼電保護技術的發展繼電保護技術是隨著電力系統的發展而發展的，它與電力系統對運行可靠性要求的不斷提高密切相關。熔斷器熔斷器 最早出

2、現的過電流保護，仍廣泛應用于低壓線路和用電設備。 特點：特點：集保護裝置和斷電裝置于一體，簡單、可靠。 缺點：缺點：動作精度差、配合難度大、斷流能力有限、恢復供電麻煩。 用電設備的功率、發電機的容量不斷增大；增大；發電廠、變電站和供電網的結線不斷復雜化；結線不斷復雜化；電力系統中正常工作電流和短路電流都不斷增大。工作電流和短路電流都不斷增大。 因此，隨著電力系統的發展，熔斷器熔斷器已不能滿足選擇性選擇性和快速快速性性的要求。4保護原理的發展保護原理的發展 感應型過電流繼電器（1901年） 差動保護（1908年） 電流方向保護（1910年） 距離保護（1923年） 高頻保護（1927年）：利用高

3、頻載波電流高頻載波電流傳輸和比較輸電線路兩端功率方向或電流相位兩端功率方向或電流相位過電流繼電器過電流繼電器 特點：特點：保護裝置與斷電裝置分開，作用于專門的斷流裝置（斷路器）。 19世紀90年代出現直接作用于斷路器的一次式一次式的電磁型過電流繼電器。其特點是其特點是：直接反應一次短路電流。 20世紀初繼電器開始廣泛應用于電力系統（繼電保護技術的開端）。其特點是其特點是：繼電器輸入量為電流互感器和電壓互感器二次側輸出，避免與高電壓、大電流直接相連。5 機電式繼電器機電式繼電器（20世紀50年代以前） 構成：構成：由電磁型、感應型或電動型繼電器構成，具有機械傳動部件。 優點：優點：工作可靠、不需

4、要外部工作電源、抗干擾性好、使用壽命長等，目前仍廣泛應用于電力系統中。 缺點：缺點：體積大、功率消耗大、動作速度慢、機械傳動部分和觸點容易磨損或粘連，調試維修復雜，不能滿足超高壓、大容量電力系統的要求。微波保護（20世紀50年代）：利用微波微波傳輸線路兩端故障電氣量故障電氣量。行波保護（20世紀70年代）：利用故障點產生的行波行波實現快速保護。20世紀80年代左右，開始研究反應工頻故障分量（或稱工頻突變量）原理的保護，20世紀90年代該原理的繼電保護裝置廣泛采用。繼電保護裝置的發展繼電保護裝置的發展機電式保護裝置機電式保護裝置靜態繼電保護裝置靜態繼電保護裝置數字繼電保護裝置數字繼電保護裝置6晶

5、體管式繼電保護裝置晶體管式繼電保護裝置（20世紀50年代） 構成：構成：由半導體晶體管構成 特點：特點：體積小、功率消耗小、動作速度快、無機械傳動部分和觸點，易受電磁干擾的影響而誤動或損壞，稱為電子式靜電子式靜態保護裝置（第一代）。態保護裝置（第一代）。 20世紀70年代晶體管式保護在我國大量采用集成電路式繼電保護裝置集成電路式繼電保護裝置（20世紀80年代） 由集成運算放大器和其它集成電路構成，體積更小、工作更可靠，第二代電子式靜態保護裝置。第二代電子式靜態保護裝置。 20世紀80年代后期成為靜態繼電保護的主要形式。 微機型繼電保護裝置微機型繼電保護裝置（20世紀80年代中期） 又稱為數字式

6、繼電保護裝置，由由硬件系統和軟件系統構成。 特點特點：需要硬件和軟件配合才能實現保護原理和功能。 優點：優點：為同一套硬件配置不同的軟件，就可以實現不同特性和不同功能的繼電保護裝置。7二、微機保護發展歷史 20 20世紀世紀6060年代末期年代末期 提出用計算機構成微機保護裝置，2篇最早發表的關于微機保護的研究報告G.D. Rockefeller, Fault Protection With A Digital Computer, IEEE Trans. PAS Vol 88 No 4. 1969。B.J.Mann, Real Time Computer Calculation of The

7、Impedance of a Faulted Single Phase Line, Elec.Eng. Trans.(I.E.Aust) VEE4 1969。 20 20世紀世紀7070年代（年代（微機保護研究熱潮）到70年代末，僅公開發表的論文有200多篇；重點關注于各種算法原理的分析方法的研究；研究工作以小型計算機為基礎，以一臺小型機實現多個電氣設備或整個變電站的保護（可靠性不高）；受計算機制造水平和價格的限制，不具備生產微機保護裝置的條件。8 20世紀70年代末期（快速發展）三、國內微機保護發展概況從1979年開始微機保護研究 高等院校和科研院所起著先導的作用。華中理工大學、東南大學、華

8、北電力學院、西安交通大學、天津大學、上海交通大學、重慶大學和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式的微機保護裝置。出現8位微處理器（Intel公司的8080、摩托羅拉公司的6800）。微處理器的出現為微機保護裝置的研制提供了條件；1977年日本投入以微處理器為硬件的控制與繼電保護裝置；1979年美國電氣與電子工程師學會（IEEE）組織一個世界性的計算機保護研究班；日本發展最快，到1986年微機保護達到繼電保護產品的一半；到20世紀80年代中期，微機保護在電力系統中得到了廣泛應用。 91984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定，并在系統中獲得應用。 在主設備保護方

9、面，東南大學和華中理工大學研制的發電機失磁保護、發電機保護和變壓器組保護也相繼于1989、1994年通過鑒定，投入運行。 南京電力自動化研究院研制的微機線路保護裝置也于1991年通過鑒定。 天津大學與南京電力自動化設備廠合作研制的微機相電壓補償式方向高頻保護于1993、1996年通過鑒定。 西安交通大學與許昌繼電器廠合作研制的正序故障分量方向高頻保護于1996年通過鑒定。 從從2020世紀世紀9090年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代。時代。據統計：到2000年220kV及以上系統的微機保護率為43.99，線路微機保護占86，到2003年底

10、，220kV以上系統的微機保護已占到70.29，線路的微機化率達到97.6。 10四、國內微機保護裝置硬件發展1.8位微處理器構成微機保護裝置 代表產品：WXB-01微機高壓線路保護裝置 主要特點：單CPU、外部擴展電路復雜、存儲器容量小、軟件時鐘、可靠性較低、不具備數據遠傳功能。2.8位單片機構成多處理器系統 代表產品：WXB-11系列微機保護裝置 主要特點：多CPU構成、外部擴展的硬件電路較少（采用單片機）、硬件時鐘、數據遠傳的串行接口、增加了可靠性。3.16位單片機構成的多處理器系統 代表產品：CSL系列微機保護裝置、LFP-900系列微機保護裝置 CPU:以Intel公司80C196K

11、B為代表 主要特點：具備較完善的通信接口，可應用于變電站綜合自動化系統、GPS對時接口。114.目前國內發展狀況32位微處理器得到廣泛應用 保護CPU：數字信號處理器（TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP系列）、摩托羅拉公司MC68000系列等 人機接口CPU：Power PC系列、ARM系列處理器AD轉換芯片 14bit A/D、16bit A/D網絡通信 現場總線、工業以太網可編程邏輯器件 CPLD、Lattice等12五、微機保護的特點五、微機保護的特點1.優點維護調試工作量小 傳統繼電保護裝置布線邏輯，每一種功能由相應的硬件和連線實現，維護調試復雜。可靠性高 微機保護裝置的硬

12、件自檢、軟件自檢。靈活性強硬件通用、保護動作特性容易改變、測量和控制功能等。 保護性能改善常規保護不易獲得的特性、保護新原理的實現等。 使用靈活方便，人機界面友好易于獲得附加功能 故障錄波、波形分析、故障測距、詳細故障信息等。2.缺點硬件更新快（傳統保護設備30年）軟件移植性問題抗干擾問題13六、微機保護的發展趨勢六、微機保護的發展趨勢1.1.硬件模塊化硬件模塊化 微處理器相關功能的極大增強、片內硬件資源的擴充、單片機與DSP芯片的融合、運算能力的顯著提高以及嵌入式網絡通信芯片的出現及應用使硬件設計更加方便，高性價比使冗余設計成為可能，為實現靈活化、高可靠性和模塊化的通用硬件平臺創造了條件。優

13、點：優點：對于不同的保護可任意選用不同模塊，配置靈活配置靈活、容易擴展容易擴展。2.2.網絡化網絡化繼電保護的作用繼電保護的作用優點：微機保護裝置網絡化可大大提高保護性能和可靠性保護性能和可靠性。保證全系統的安全穩定運行切除故障元件限制事故影響范圍首要任務首要任務原理：反應保護安裝處的電氣量原理：反應保護安裝處的電氣量（差動保護、縱差保護除外）（差動保護、縱差保護除外）共享全系統的運共享全系統的運行和故障信息的行和故障信息的數據數據系統復雜度的增加系統復雜度的增加系統保護的概念（各保護協調動作）系統保護的概念（各保護協調動作）故障性質、故障位置的判斷故障性質、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準

14、確和故障距離的檢測愈準確 自適應保護（系統運自適應保護（系統運行方式、故障狀態的行方式、故障狀態的自適應）自適應） 143.3.保護測量控制一體化保護測量控制一體化保護、測量和控制裝置集中組屏保護、測量和控制裝置分散安裝簡化二次回路、節約投資簡化二次回路、節約投資二次回路復雜二次回路復雜4.4.自適應控制技術自適應控制技術 自適應繼電保護的概念始于20世紀80年代； 根據系統運行方式和故障狀態的變化而實時改變保護性能、特性或定值； 距離保護、變壓器保護、發電機保護、自動重合閘等領域內有著廣泛的應用前景。5.5.智能化智能化 進入20世紀90年代以來，人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規劃、模糊邏輯等在電力系統各個領域都得到了應用。 人工神經網絡來實現故障類型的判別、故障距離的測定、方向保護、主設備保護等