微机式自适应馈线保护装置

摘要　介绍了WXB-32型微机式自适应馈线保护装置的特点、功能、硬软件及使用方法。能在只利用当地故障信息的条件下，在线识别系统的运行方式和故障状态，并在此基础上自动计算整定速断和过电流保护的定值，用户可以根据不同的要求选用不同功能的速断和过电流保护，达到了一机多用的效果；在使用维护上灵活方便。WXB-32型自适应馈线保护装置的出现标志着配电网微机保护开始了一个新时代。
关键词　自适应继电保护　馈线　速断和过电流保护
分类号　TM774

1　装置的特点
　　WXB-32型微机式自适应馈线保护装置是在充分发挥微型计算机智能作用的基础上，根据自适应继电保护原理实现的一种自适应保护装置，它具有速断、过电流保护(反时限或定时限特性)、自动重合闸、过负荷检测(作用于信号或跳闸)等功能，适用于10～35 kV系统中的终端馈电线路。
　　目前国内外生产的微机式馈线保护装置，都是按传统的整定计算原则，以离线的计算方式确定保护动作定值，并用人工输入保护定值的方法实现的。在这些微机保护装置中定值是固定不变的，它不能适应电力系统运行方式的变化和不同的故障状态，也不能使保护的性能处于最佳状态。为了适应系统运行方式的变化，有些微机保护装置中附加有遥调定值的功能，显然这种附加的遥调定值的功能无论如何也不能适应千变万化的系统运行方式，并且还降低了保护的可靠性。
　　与传统的微机式馈线保护装置不同，自适应馈线保护装置能根据当前电力系统运行情况和故障类型在线实时地计算速断和过电流保护的定值，使保护的动作值始终处于最佳状态，从而显著地提高了保护的可靠性和灵敏度。它的另一个引人注目的特点是装置本身能自动完成保护动作值的计算整定，也就是说，只要输入被保护线路的阻抗参数，自适应微机保护将自动完成计算整定的全部任务，勿需人工参予，因此使用维护也极其方便。
　　本装置有以下主要特点：
　　(1)　保护装置能根据当前系统的实际运行方式和故障状态实时计算保护的定值，速断和过电流保护的定值都不是常数，它们随系统运行情况和故障类型不同而变化，但始终使定值保持在最佳状态；
　　(2)　保护装置的速断和过电流定值的计算整定全部由装置本身在线、实时、自动完成，勿需人工参予，使用维护极其方便；
　　(3)　保护装置能提供不同功能的自适应速断和过电流保护功能，用户可自由选用；
　　(4)　人机界面友好，装置面板上设有一个4行(每行16个字符)的液晶显示器及一个6键键盘，菜单问答式人机对话方式；
　　(5)　装置面板上提供一个R232接口，用于连接PC机，从而可以在PC机汉化文字的引导下，收取保护装置内部的故障记录存于PC机硬盘；
　　(6)　装置提供一个远传接口，用于和变电站自动化系统联网；
　　(7)　装置提供一个打印接口，可以在当地连接打印机，以输出保护内部的报告数据，也可以由此通过远传接口送至后台管理系统统一打印输出；
　　(8)　完整的操作箱功能；
　　(9)　装置除具有基本保护功能外，还充分利用微机的软硬件资源，完成以下附加功能：①最近10次事件记录，并具有掉电保护功能；②正常运行情况下液晶显示实时时间、线路负荷电流、电压以及重合闸充电指示等。

2　装置的动作原理及实现方法
2.1　自适应速断保护
　　为了使速断保护能适应电力系统运行方式变化和不同的故障类型，自适应速断的整定值I_ZSD由下式决定：

I_ZSD＝K_kK_dE_s/(Z_S+Z_L)

(1)

式中　E_S为系统等效电源的相电势；Z_S为系统的等效阻抗；Z_L为被保护线路的阻抗；K_k为可靠系数，K_k＞1；K_d为短路类型系数。
　　式(1)中可靠系数K_k和被保护线路阻抗Z_L为常量。E_S可设为固定值，例如对10 kV线路可近似取kV，也可在线实时计算出准确值。短路类型系数K_d由保护装置决定，对于三相短路取K_d＝1，对两相短路取。系统的等效阻抗Z_S对应系统的运行方式，它由保护装置根据电压和电流的故障分量决定^［1］，表示为：

Z_S＝-U_mg/I_mg

(2)

式中　U_mg,I_mg为保护装置求出的故障分量电压、电流。
　　在三相电力系统中，考虑到系统正序阻抗与负序阻抗相等，系统正序阻抗Z_1S可用下式计算：

Z_1S＝-U_1mg/I_1mg

(3)

式中　U_1mg,I_1mg为保护安装处的正序电压、电流的故障分量。
　　 系统的正序阻抗也可根据选相结果，利用对应的相间电压和两相电流差的故障分量求出。
　　综上所述，与传统速断相比，自适应速断有以下主要特点：
　　(1)　速断定值不是常数，它由当前的系统运行方式和故障状态决定，因此，速断定值和保护范围能保持在最佳状态；
　　(2)　速断定值由微机保护装置在线、实时自动计算整定，只要输入被保护线路的阻抗值，计算整定的全过程完全由装置自动完成，不需人工干预；
　　(3)　为了实现适应电力系统运行方式的变化，在求系统综合阻抗时，引入了电压量。这种方法与国外提出的利用局域网，在线实时计算整定的方法^［2］相比不仅准确可靠，而且异常简单。此外，装置中还采取了电压回路断线的有效对策，保证自适应速断能可靠动作。
2.2　自适应过电流保护
　　与传统过电流保护不同，自适应过电流保护的动作值可根据当前的实际负荷电流或短路电流由装置自动设定。由于负荷电流通常均小于最大负荷电流，因此，按当前负荷电流整定有利于提高保护的灵敏度，而按短路电流整定则能保证保护可靠动作的要求。
　　自适应过电流保护的动作时间特性有定时限和反时限两种。从理论上讲，由于必须从负荷端向电源端逐级计算才能保证动作时间的正确配合，而本端保护装置无法预知下一级线路的过电流保护的动作时间(利用通道传送信息除外)，因此，动作时间的自动整定是很难实现的。但考虑到配电网馈线保护的实际情况，对某些不大于两级要求时限配合的线路，本装置提供了可以在线自动整定的反时限特性。例如对于极端反时限特性可表示为。

t=t_p/［(I/I_p)²-1］

(4)

式中　t为保护的动作时间；t_p为时间系数；I为通过继电器的电流；I_p为2I_GL/3，其中I_GL为过电流保护的动作电流。
　　式(4)中时间系数t_p可由下式决定：

t_p＝Δt×n［(I/I_p)²-1］

(5)

式中　n为级数，当本装置保护线路下一级只有一级时，取n=1；有两级时，取n=2；Δt为时间级差，本装置取Δt=0.4 s。
　　当时间系数t_p确定后，反时限特性就由式(4)决定。应用极端反时限特性可以与下级的熔断器时间特性配合。

3　装置的附加功能
　　本装置所提供的主要功能中的自适应速断和自适应过电流保护具有显著的优点，但考虑到用户的不同条件和不同的要求，例如有些用户不愿引入电压量，或没有可用的电压量的条件，本装置提供了附加功能以满足上述要求。
　　在不引入电压量的前提下，装置提供了只对不同故障类型自适应的低度自适应速断和过电流保护功能。它们像传统同类保护一样，需要离线计算保护定值及动作时间，并采用人工输入定值的方法。但是它又优于传统的同类保护，表现在它采用了对不同故障类型自适应的方法，即根据不同类型故障，在线自动改变定值的方法，表示为：

(6)

式中为电流速断或过电流保护在三相短路时的定值；为电流速断或过电流保护在两相短路时的定值。
　　使用式(6)的方法整定保护后，可以使保护在两相短路时与三相短路时有相同的灵敏度，从而与传统保护相比有更大的速断保护范围和提高过电流保护的灵敏度。

4　装置功能的组合方案
　　方案1为速断和过电流保护均按装置的主要功能(见本文第2节)实现。这种方案既能适应系统运行方式的变化，又能适应不同的故障类型，保护的定值可由装置在线、实时自动计算整定，且可使保护性能处于最佳状态，但装置需要接入电压量。
　　方案2为速断和过电流保护均按装置的附加功能(见本文第3节)实现。这种方案只能适应不同的故障类型，保护的定值按传统同类保护的方法，离线计算整定和人工输入保护定值。但在进行灵敏度校验时，只按三相短路校验满足要求即可应用。这种方案比同类微机保护有较高的灵敏度，也不要求接入电压量。
　　方案3为过电流保护按附加功能，速断保护按主要功能实现。这种方案要求接入电压量，速断保护对应于传统保护中的电压闭锁电流速断保护，但自适应速断保护的性能不仅远远优于传统的电压闭锁电流速断，而且不需要人工整定计算。
　　上述三种方案各有其特色，用户可根据自己的条件及要求进行选择，三种方案由控制字改换，非常方便。在运用中，装置只能在某一种方案下工作。

5　装置的构成
5.1　装置的硬件
　　WXB-32型自适应馈线保护装置由高性能16位单片机构成，采用C196CPU芯片，使用A/D转换器实现数据采样。
　　本装置采用国家电力公司南京电力自动化设备总厂统一外观的19/2英寸机箱，内部插件为插拔式，具有锁紧机构，各插件之间的连接采用母板印刷板连接方式。
　　装置有以下5个插件：
　　(1)　交流插件，完成电流、电压变换；
　　(2)　采样保护插件，完成数据采样，共有I_A，I_B，I_C，U_AB，U_BC，U_CA6路，同时保留了3I₀，3U₀，U_L以便以后增加功能；
　　(3)　处理器插件，完成数据处理、保护控制、故障判断和通信等功能；
　　(4)　电源插件，外接直流220 V或110 V电源，提供5 V，±15 V，24 V等直流电压；
　　(5)　信号及出口插件，完成出口跳、合闸和发信号等功能。
　　面版上有液晶、键盘、指示灯来实现人机对话。
5.2　装置的软件
　　在编制WXB-32型自适应馈线保护软件时，考虑到以下基本要求：
　　(1)　发生故障时，能保证按自适应保护原理、算法及要求正确动作；
　　(2)　跳闸后在满足一定条件下，能实现自动重合闸；
　　(3)　运行期间出现TV断线、断路器偷跳等情况，不仅要发警告信号，还应采取相应措施，例如偷跳时应能自动重合闸；
　　(4)　运行期间若出现RAM，ROM检查出错、定值出错、跳闸回路出错、TA断线等，都应发中央警告信号，并闭锁出口跳合闸，同时置装置为“异常状态”，以上情况，再包括跳闸失灵等，都要将相应的信息作入报告；
　　(5)　能实现与变电站自动化联网和与PC机通信等功能；
　　(6)　能自动或手动打印有关数据；
　　(7)　有良好的人机界面，便于操作。
　　根据上述要求，装置的软件由5个PLM程序模块及两个小汇编程序组成。W.PLM是完成上电初始化的主程序，它含有一个每1.667 ms执行一次的采样中断程序以及过负荷中断程序和低周减载处理程序；DR.PLM是完成菜单显示和人机交换的模块；REPORT.PLM是完成报告的显示和打印模块；SUB.PLM是以上三个模块通用的子函数模块；GZ.PLM是故障处理模块。汇编程序F.ASM完成傅氏变换，R.ASM完成开根号运算。
　　主程序上电后先自检，然后根据操作人员的选择进入调试菜单或运行菜单。在运行状态下，液晶上的第一行显示时间(时、分、秒)，最后一个字符若为‘H’，则表明重合闸已充好电，第二行至第四行显示电流、电压量。液晶正常显示画面如下所示：
　　16∶58∶13　　　　　　f=50.1　　　H
　　A　309 A　　　　AB　10.5 kV
　　B　310 A　　　　BC　10.4 kV
　　C　310 A　　　　CA　10.5 kV
　　发生故障时，采样中断程序中的启动元件启动，进入故障处理程序。在故障处理程序中作完相应的处理后，完成整组复归。若出口起动命令发出过，则装置上“有报告”的灯亮，报告已完成，装置自动打印，报告格式举例如下：
　　1997_10_08　　14∶30∶56　　

(故障发生年　月　日　时∶分∶秒)

　　Line　NO：　　0001　　　(故障线路号)
　　FAULTY　TYPE　　A B C　　(故障类型)
　　I_A＝1 170 A　　　　(A相故障电流)
　　I_C＝1 165 A　　　　(C相故障电流)
　　U_AB＝08.35 kV　　(AB相间故障电压)
　　U_BC＝08.36 kV　　(BC相间故障电压)
　　U_CA＝08.30 kV　　(CA相间故障电压)
　　SETSD：0620　　A　　(速断定值)
　　SETGL：0200　　A　　(过电流定值)