电力系统微型机继电保护系统的研究

牛小东 ，谢晓玲 ，马超明 ，谢晓斌

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

电力系统微型机继电保护系统的研究

牛小东1，2，谢晓玲1，2，马超明1，2，谢晓斌1，2

（1.甘肃电器科学研究院，甘肃天水741018；2.甘肃省高低压电气研发检测技术重点实验室，甘肃天水741018）

随着时代的进步，电力系统的规模在不断扩大，用户对电能质量的要求也在不断提高。因此，对微型机继电保护本身的要求也越来越高，微型机继电保护具备了传统保护所没有的优良特性。微型机发电机负序电流继电保护系统设计主要包括故障建模、采集系统及仿真、数据获取、滤波器设计、计算及保护判据等。微机具有优越的存储能力，可以方便地得到保护需要的故障分量并准确地予以保持。同时微机的强大运算能力，可以实现一些以往模拟式保护装置无法实现的复杂保护动作特性、自适应性的定值或特性改变以及良好的自检功能，微机继电保护已经成为继电保护发展的一支主流。

电力系统；微型机；继电保护系统

1 引言

微型机继电保护是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。微型机继电保护在系统发生故障时切除故障设备，保障系统安全运行，但若不正常动作（包括拒动和误动），也会给系统造成的巨大危害，所以对微型机继电保护的可靠性要求很高。微型机保护可以实现自我监视和检测，大大提高装置的安全性。微型机继电保护具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在EPROM中的程序不断地进行自动检测，一旦发现异常就会发出报警。另外它有自诊断能力，能够自动检测出自身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。由于计算机的应用，使很多原有形式的继电保护中存在的技术问题，可找到新的解决办法［1］。本文提出一套基于220kV线路微型机继电保护和硬件电路的合理配置，着重研究微型机保护软件算法的优化设计，并对保护新原理进行了探讨。

2 微型机继电保护

2.1 微型机保护的前景与展望

目前，微型机保护的硬件发展十分迅速，高性能、多功能、综合性强的芯片不断推向市场。微型机保护与常规保护相比有着根本的区别，利用微型机的智能作用，可以获取更多的有用信息，同时借助现代化通信手段可以方便地得到远方的信息，这样微型机保护通过分析即可最大限度的适应系统运行方式的变化，给微型机自适应保护的发展开辟了广阔前景［2］。另外，神经网络系统的完善和模糊控制理论的应用必将给继电保护新原理的研究开发开辟出一条新的途径。

2.2 微型机继电保护的基本构成

微型机保护的主要部分是微型计算机本体。微型机是被用来分析计算电力系统的相关电量并判定系统是否发生故障，然后决定是否发出跳闸信号的主要装置。除计算机本体外，继电保护还必须配备自电力系统向计算机送进有关信息的输入接口部分和向电力系统送出控制信息的输出接口部分。总的来说就是由数据采集系统、微型机主系统、开关量（或数字量）输入／输出系统构成。

3 信号采集系统构成及仿真

Proteus是EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它支持 IAR、Keil和 Matlab 等多种编译器［3］。

3.1 模拟量输入接口部件

继电保护基本输入电量是模拟性质的电信号［4］。一次系统的模拟电量可分为交流电量（包括交流电压和交流电流）、直流电量（包括直流电压和直流电流）以及各种非电量。AI接口通常包括多路不同性质的模拟量输入通道，如不同相别电压和电流、零序电压和电流以及直流电压和电流等，另外，要求AI接口能够不失真传变输入信号，如图1所示。微型机继电保护需在故障暂态过程中有效地工作，而发生故障时电流、电压量值往往呈现很大的动态变化范围［5］，因此AI接口在可能的输入信号最大变化范围内应能保持良好的线性度和变换精度，如图2所示。

如图1所示，对于交流电流，由于通常使用的弱电电子器件为电压输入型器件，因此还需将电流信号转换为电压信号，这个转换过程称为电压形式。

图1 电压输入仿真模型

如图2所示，电抗变换器是一种铁芯带气隙的特殊电流变换器，它的原方输入电流而副方输出电压，理想状态下其输出电压与原方电流的微分成正比。

图2 电流输入仿真模型

如图3所示，光电耦合器件内部由发光二极管和光敏晶体管组成。当外部继电器触点闭合时，电流经限流电阻R流过发光二极管使其发亮，其输出端呈现低电平“0”；反之，当外部继电器触点断开时，无电流流过发光二极管，光敏晶体管无光照射而截止，其输出端呈现高电平“1”。该“0”、“1”状态可作为数字量由 CPU 直接读入［6］，也可控制中断控制器向CPU发出中断请求，输入模型如图4所示。

图3 采用光耦合器件的开关量输入接口电路

图4输入模型

图5 采用光耦合器件的开关量输出及继电器控制电路

图6 输出模型

3.2 开关量输出（DO）接口部件

如图5所示，在重要的开关量输出回路，需要对跳闸出口继电器的电源回路采取控制措施，同时对光隔导通回路采用异或逻辑控制。这样做主要是为了防止因强烈干扰甚至元件损坏在输出回路出现异常时，以及因保护装置上电或工作电源不正常痛断在输出回路出现不确定状态时［7］，导致保护装置发生误动，输出模型如图6所示。

图7 微型机发电机负序电流继电保护模型图

4 故障模型建立与故障数据获取

4.1 Matlab建立模型

首先打开Matlab软件，然后在菜单栏中选择Help菜单，在Help菜单中选择Demos，在Demos窗口中选择Simulink，在Simulink中选择SimPower Systems Demos开始选择器件进行建模如图7所示。

模型建好之后，设置各个器件的参数，选定基准电压为220kV，频率为50Hz，设定Discrete的Ts为 1.67e－5s，运行时间为 0.07s，线路长度为 30km，故障断路器中 Transition times设定为 0.02s－0.07s［8］。

4.2 故障类型、原因及后果

电力系统在运行过程中常常会受到各种扰动，其中对电力系统运行影响较大的是系统中发生的各种故障。在断线和各种复杂故障中，最为常见和对电力系统影响最大的是短路故障［9］。因此，故障分析重点是对短路故障的分析。电力系统在正常运行时，除中性点以外，相与相、相与地之间是绝缘的。所谓短路是指相与相，或相与地之间发生短接。

4.3 正常状态和故障状态下运行结果

正常运行状态时，三相电压和三相电流都正常，从示波器中显示的波形也正常，电压波形及数据如图8所示，电流波形及数据如图9所示。

图8 正常运行时三相电压波形图

图9 正常运行时三相电流波形图

ABC三相短路是对称的，发生三相短路时，三相电压均减小，三相电流均增大。三相短路时电压电流波形及数值如图10所示。

图10 ABC三相故障时三相电压图

5 故障数据滤波器的设计

5.1 设计滤波器

首先在Matlab Command Window窗口中输入命令 fadatool，打开 Filter Design ＆ Analysis Tool－［untitled，fda］界面。

在Response Type窗口中设置所需参数，如：Lowpass、Highpass、Bandpass、Bandstop， 在 Design Methond窗口中设置传递函数类型。

在Filter Order窗口中设定所需理想滤波器参数，Order越大越好，但同时也消耗资源更多。

在Frequency Specifications窗口中设置滤波器的具体参数，例如波形通过的频率范围以及波形截止的范围。

在菜单Analysis中选择Magnitude response设置幅值响应。

在菜单File中选择Export to Simulink导入设计好的滤波器到simulink。

在菜单File中选择Export，将设计好的滤波器导入到Workspace中，在Export窗口中ExportAs选择Objets。

在Workspace窗口中战斗滤波器，在Command Window窗口中输入命令就可以使用了。

5.2 正常运行和故障时滤波后的运行结果

正常运行时滤波后的三相电压波形图如图11所示，ABC三相故障时滤波后三相电压波形图如图12所示。

图11 正常运行时滤波后的三相电压图

图12 ABC三相故障时滤波后三相电压波形图

6 故障数据计算程序及保护动作判据

微机保护根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法［10］。微机保护具备的计算、记忆、分析和通信等多种功能，结合成套化的设计方法，不仅可以纵观时间前后的电力系统情况，还可以在空间上横向了解本装置的全部模拟量，并且可以通过通信手段获取其他变电站的信息，使得微机保护比模拟型保护做得更好、更完善，性能更为优良。

6.1 各种短路情况下的负序电压电流值

表1 负序电压电流值

6.2 负序电流保护判据

6.2.1 负序电流Ⅰ段（速断）保护

躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0.max，引入可靠系数（一般取为 1.2－1.3），即

6.2.2 负序电流Ⅱ段保护

按照躲开下级相邻元件的最大保护范围整定，即按照躲开下级相邻元件的整定值整定，其启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速度保护范围的末端M点相配合，并带有高出一个Δt的时限，以保证动作的选择性。其中一般取为 1.1－1.2。

6.2.3 负序电流Ⅲ段保护

负序Ⅲ保护的作用相当于相间短路的过电流保护，在一般情况下是作为后备保护使用的，但在中性点直接接地系统中的终端线路上，它也可以作为主保护使用。在负序过电流保护中，对继电器的启动电流，原则上是按照躲开在下级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Iunb.max来整定，引入可靠系数，即为

7 结束语

本研究提出并且论证了设计方案，详细地阐述了电力系统零序电流保护实现方法以及基于单片机的零序电流保护方案，设计中充分利用了系统的硬件和软件资源，实现了各个模块的协调控制，提高了系统的可靠性和通用性。随着智能化技术的发展和先进学科的出现，整个系统的在仿真方面将会有新的突破。若能利用Matlab的S－function函数和Simulink相结合的方法给整个系统进行仿真，会使设计有更好的应用前景。

［1］刘和平等.TMS320LF240xDSP结构、原理及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［2］尹项根，曾克娥.电力系统继电保护原理与应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2001.

［3］杨奇逊.微型机继电保护基础［M］.北京：水利水电出版社，1988.

［4］贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理［M］.北京：水利水电出版社，1994.

［5］张保会，尹项根.电力系统继电保护［M］.北京：中国电力工业出版社，2005.

［6］高永昌.电力系统继电保护［M］.北京：水利水电出版社，1994.

［7］清源科技.TMS320C54x DSP应用程序设计教程［M］.北京：机械工业出版社2004.

［8］周 霖.DSP系统设计与实现［M］.北京：国防工业出版社，2003.

［9］刘艳萍.DSP技术原理及应用教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［10］付家才.DSP控制工程实践技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.

Research on microcomputer relay protection system of power system

NIU Xiao－dong1，2，XIE Xiao－ling1，2，MA Chao－ming1，2，XIE Xiao－bin1，2
（1.GansuElectricApparatusResearchInstitute，Tianshui741018，China；2.KeyLaboratoryofHigh－lowVoltageElectricalApparatusInspectionTechnology，Tianshui741018，China）

Along with the progress of the times，the scale of the power system is being enlarged constantly，and the user’s requirements to the power quality are also improving constantly.Therefore，people have more and more requirements to the microcomputer relay protection systems which have excellent characteristics rather than the traditional ones.The software design of the relay protection system for the micro generator negative sequence current mainly consists of the fault modeling，collection system and simulation，data acquisition，filter design，calculations and protection criterion etc.Due to the superior storage capacity of the microcomputer，so it can easily get the fault component needed for the protection and to be accurately maintained.At the same time，since the microcomputer relay protection system has powerful operating ability and can realize the complex characteristic protection which can’t be achieved by the previous analog device，the function of the self－adaptability for the fixed value change and the good self－checking function，so it has become a mainstream of the relay protection development.

power system；microcomputer；relay protection system

TM774

A

1005—7277（2016）05—0004—05

牛小东（1985－），男，研究生，工程师，主要研究方向为电力系统及自动化设计研究。

2016－08－01