微机保护在供配电实训仿真系统中的应用

顾秀萍

(山西工程职业技术学院，山西太原 030009)

近年来，随着计算机技术与控制技术的发展，在我国的电网建设和改造中，采用变电所综合自动化技术已成为一种趋势。所谓变电所综合自动化就是将变电所的测量仪表、信号系统、继电保护、控制装置等经过功能组合和优化，以全微机化的新型设备代替机电式的二次设备，用不同的模块化软件实现各种功能，用计算机局部网络通信代替大量的信号电缆连接，通过人机接口设备，实现对变电所的综合管理、监视、测量、控制、保护以及远动信息传送等功能。它具有功能综合化、结构微机化、操作监视屏幕化和运行管理智能化等特征。［1］

其中，微机保护系统是变电所实现综合自动化的基础。

1 微机保护的构成

典型的微机保护其硬件系统主要由数据采集部分、微机系统、开关量输入/输出系统三部分组成，如图1所示。

图1 微机保护硬件系统结构示意图

数据采集部分的功能是将模拟输入量准确地转换成对应的数字量，主要包括交流变换、电压形成、模拟低通滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等部分。

微机系统是微机保护的核心部分，它的功能就是根据预定的软件，由CPU执行存放在EPROM和E2PROM中的程序，通过运算对RAM区的数据进行分析处理，从而完成各种保护功能。其组成主要包括CPU、EPROM、E2PROM、RAM、可编程定时器、控制器等。

开关量输入/输出系统由若干个并行接口适配器、光电隔离器及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警、外部接点输入及人机对话等功能。

微机保护系统各种保护的功能与特性主要是由软件决定，通过改变软件程序就可以获取所需要的保护性能，具有较大的灵活性。目前微机保护的算法很多，常用的主要有:导数算法、傅里叶算法、正弦曲线拟合法等。许多生产厂家已将微机保护模块化、功能化。例如线路微机保护模块、变压器微机保护模块、电动机微机保护模块等，用户可根据需要直接选购，使用很方便。

2 微机保护的特点

与常规的机电式、模拟式保护相比，微机保护除了能够满足继电保护在选择性、快速性、可靠性、灵敏性等方面的基本要求，还具有以下优点［2，3］:

(1)安全性、可靠性提高。电磁型或晶体管型保护装置，其工作点易受环境温度影响，而且其完好性依赖于定期检验，正常运行时保护装置的隐患不能及时发现;而微机保护装置中数字元件的特性则不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，并可用程序对其硬件进行在线自检，一旦发生问题，可发出报警;对于软件异常及干扰的影响，可自动识别并排除，保护装置的可靠性大大提高了。

(2)性能更加完善、智能化。常规保护装置的功能比较单一，而微机保护装置可充分发挥计算机的储存记忆、逻辑运算等信息处理功能，大幅改善和提高了继电保护的动作特征和性能，还可以采用新的算法，解决一些常规保护难以解决的问题。如利用模糊识别原理或波形对称原理识别判断变压器励磁涌流，利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障等。

(3)具备通信功能，提高运行管理水平。各类微机保护单元设置有通信接口，具有与上级调度通信功能，可将数据及时送往调度中心，使调度员能及时掌握各变电所的运行情况，也能对它进行必要的调节与控制。且各种操作都有事件顺序记录可供查阅，能实现遥测、遥信、遥控、遥调，大大提高了运行管理水平。

(4)降低变电所的投资、运行费用。微机保护的硬件电路多数采用大规模集成电路，结构紧凑、体积小、功能强，与常规的二次设备相比，大大缩小了变电所的占地面积，减少了控制电缆的数量，而且微处理器和大规模集成电路性能在不断提高，价格在逐步降低，使变电所的总投资降低了。另外，保护装置本身消耗的功率低，降低了对电流互感器、电压互感器的容量要求。

3 供配电实训仿真系统

随着电力工业的飞速发展，对人员的运行操作水平和故障处理能力要求也越来越高。但是，由于电力系统对供电可靠性的要求非常高，大中专院校电力专业学生不可能对实际运行的设备进行操作训练，甚至连观看现场工作人员操作的机会都很少。在这种条件下，提高学生实践认识和操作水平的最好办法就是根据实际电力系统建立模拟仿真系统，在仿真系统上进行实验研究或模拟操作。

目前电力系统操作过程的培训仿真系统实现手段主要有3种类型:计算机仿真、物理仿真、以及二者相结合的综合仿真。相对于计算机仿真，基于实物的物理仿真尽管成本较高，但设备之间、元件之间是通过实在的物理连接建立联系，更有助于理解其内在机理，并可对设备进行实物操作。因此，物理仿真更适合教学，对培养学生的理论联系实际能力、提高实践动手技能是非常有利的。

我院电气系采用物理仿真的方法，针对典型的工矿企业用10 kV供配电系统，开发了供配电实训仿真系统并已投入使用。它建立了10 kV变/配电所、配电线路和负荷等组成的一次系统，以及由继电保护、自动装置等组成的二次系统，可实现供配电系统的各种操作、保护动作和运行方式的仿真。

4 供配电实训仿真系统中的微机保护

本供配电实训仿真系统中，所有的测量和计量仪表、微机综保测控装置及其它自动装置均采用工业产品。其中，继电保护全部采用微机保护方式，配置有KLD-9211微机线路保护装置、KLD-9215微机分段保护装置和KLD-9216微机变压器保护装置等。

下面以KLD-9211线路保护测控装置为例介绍其主要功能及原理。

4.1 保护方面的主要功能

(1)定时限过电流保护 本装置设三段定时限过电流保护，各段电流定值、时间定值可独立整定，分别设置整定控制字控制这三段保护的投退。三段都带有方向闭锁，各段都有独立的控制字投退，方向元件和电流元件接成按相起动方式。

(2)反时限过电流保护 反时限过电流保护按照IEC提供的四种反时限电流保护曲线的规定进行整定，下列标准特性方程可由用户自由选择。

式中，Ip为启动电流，tp为时间常数。I为输入的故障电流值。启动电流值和时间常数均可以由用户自由设定。

(3)过负荷保护 当A、B、C三相中任何一相电流大于过负荷的整定值时，相应定时器启动，若持续时间到整定时限，且该保护处于投入状态则出口动作，若在整定时限内电流返回方终止定时器。返回系数大于0.95，过负荷保护的动作方式分为报警、跳闸，可以由用户自由设定。

(4)零流保护 当零序电流大于零流保护的整定值时，相应定时器启动，若持续时间到整定时限，且该保护处于投入状态则出口动作，若在整定时限内电流返回方终止定时器。返回系数大于0.95，零流保护的动作方式分为报警、跳闸，可以由用户自由设定。

(5)重合闸 三相四次重合闸功能可由用户自由投退，一旦投入，则按照设定的方式工作。

a)重合闸次数:0～4次可设，0为退出。

b)重合闸间隔:每次重合闸的间隔均可以设为不同时间，范围:0.20 ～60.00 秒。

c)重合启动条件:开关在合位15秒充电完成，保护动作或不对应启动(可单独投入或退出)。

d)不对应重合闸:可以解决开关偷跳的问题。

e)重合闸闭锁:当开入量闭锁重合闸投入，且遥信8输入为1时，手动或遥控跳闸，闭锁重合闸。

(6)后加速保护 保护动作后，当重合于永久故障时，加速跳闸。手合或遥合故障线路时，也加速跳闸。

(7)低频减载保护 当频率小于低频减载的整定值时，相应定时器启动，若持续时间到整定时限，且该保护处于投入状态则出口动作，若在整定时限内频率返回到正常值(整定值+0.1 Hz)时，终止定时器。可单独投退滑差闭锁、低电压闭锁、无流闭锁。

(8)非电量保护 本装置设有两个非电量保护，非电量1保护与遥信9共用一个开关量输入;非电量2保护与遥信10共用一个开关量输入，用于保护联跳功能。

a)非电量1保护:当装置检测到非电量1信号，并且非电量1保护投入，启动跳闸出口;

b)非电量2保护:当装置检测到非电量2信号，并且非电量2保护投入，启动跳闸出口;

4.2 装置告警功能

当CPU检测到装置本身硬件故障时，发出装置异常信号(装置异常继电器返回)，闭锁整套保护。硬件故障包括:RAM、EPROM、定值出错。

当CPU检测到下列故障时，发出预告总信号(预告继电器动作):

(1)过负荷告警;(2)控制回路断线;(3)PT断线。

当CPU检测到下列故障时，发出事故总信号(事故总继电器动作):

(1)三段定时限过电流保护;(2)反时限保护;(3)过负荷跳闸;(4)零流保护;(5)低频减载;(6)重合闸;(7)后加速。

4.3 遥控、遥信、遥测功能

(1)遥测功能 装置采集三相电压(Ua、Ub、Uc)、三相测量电流(CIa、CIb、CIc)和三相保护电流(BIa、BIb、BIc)以及一个零序电流(I0);计算量主要有:F、P、Q、cosφ、Uab、Ubc、Uca以及各个模入量对 Ua的夹角等。所有这些量都实时计算，三相有功无功的计算完全不依赖于网络。精度达到0.5级。本装置的遥测功率计算选用二表法，但B相电流正常采集。

(2)遥信功能 装置具有CAN、RS485、RS232接口，并可采用双网通讯方式，装置能适应多种通讯媒介，如光纤，网络双绞线等。可实现16路遥信开入采集、遥信变位、事故遥信。

(3)遥控功能 装置可实现本侧断路器遥控分、合操作;出口动作最长保持时间可由程序设定;并作事件顺序记录。

5 结束语

具备以微机保护为基础的变电所综合自动化系统是现代化电力企业的重要标志和发展方向。本实训仿真系统在真实反映变电所生产过程的同时，注重结合现代电力企业数字化、自动化的特点，采用国内变电所的先进设备配置，实现了变电所的检测、控制、监视、保护的综合自动化，可以帮助学生全面感性地掌握现代电力系统运行、监控、保护原理及操作技能。满足了电力(电气)各专业课程实践教学和工程实训的需要，使培养技术应用型人才成为现实，同时也可用于企业电站运行人员的上岗培训，使教学与工程实践实现零距离结合。

［1］陈小虎.工厂供电技术［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2006.

［2］闫军.SH变电所综合自动化的设计［D］.大连理工大学硕士学位论文，2007，4.

［3］王学锋.铁路变电所综合自动化系统研究［D］.华中科技大学硕士学位论文，2006，5.