远方跳闸保护在终端变电所应用电气自动化论文大学论文.docx
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远方跳闸保护在终端变电所应用电气自动化论文大学论文
摘要
随着国家城农网改造工作的不断深入，和扩大电力市场的需求。
电网中改造和新建变电所逐渐增多，其中专供地区或厂矿的终端变电所占了很大部分。
本文拟对远方跳闸保护在终端变电所应用进行可行性分析，以期达到完善保护性能，提高继电保护可靠性。
以及适当地减少部分一次设备投资的目的。
在改建或新建的终端变电所中，在供电侧和变压器之间加装一套远方跳闸保护，可以完善继电保护的性能，提高继电保护的可靠性。
并且在充分满足了故障时继电保护可靠性的前提下，可以省去终端变电所内变压器高压侧的一组断路器。
因此，无论从技术效益，还是经济效益方面考虑，都是一件值得重视的事情。
关键词:
远方跳闸就地判别线路变压器组终端变电所
Abstract
Withthelastdevelopmentsofthereconstructprojectofthecountry’stownsandruralareasnetandthedemandsofexpandelectricpowermarket.Thereconstructintheelectricnetandthenewtransformableelectricstationisgraduallyincreasing.Inthesametime,thequantitiesofthetransformableelectricstationofexclusivezoneorfactoryalsoisincreasing.Asforthescarcityofprotectconfigurationinthelinetransformergroupsconnectionway，thearticleachievesthepurposesofperfectperformance，improvingthereliabilityofrelay’sprotectandproperlyreducingpartsonceequipmentinvestmentviadevelopingdistanceskipgateprotectorintheterminaltransformableelectricstation’sapplication.Intherebuildingornewterminaltransformableelectricstation，ifaddingtoinstallasetofdistanceskipgateprotectorbetweenpowersupplysideandtransformer，itmayperfecttheperformanceofrelay’sprotect，improvethereliabilityofrelay’sprotectandleaveoutasetofbreakeroftransformer’shighvoltagesideinthetransformableelectricstationinthepremiseofsufficientsatisfyingthereliabilityofrelay’sprotectonahitch.Itisattachimportancetotechniquebenefitsoreconomicbenefits.
Keywords:
distanceskipgatespotdistinguishlinetransformergroupsterminaltransformableelectricstation
第1章绪论
1.1课题的意义
随着我国国民经济的飞速发展，对电力的需求增大，电网的规模不断扩大。
在国家城网改造中，新建和改造了很多终端变电所。
在变电所设计中，电气主接线的选择对运行的可靠性、灵活性和经济性起着决定性的作用。
电气主接线直接影响着配电装置的布置、继电保护和自动装置的配置。
而与此同时，电气主接线的选择也受到保护配置的限制和影响。
对二次保护和自动装置的投资相对于电网一次投资而言更为经济，在一次系统接线方式能够满足要求而保护配置存在困难时，研究新的保护配置方法可以带来明显的经济效益。
在能满足运行要求的条件下，变电所高压侧宜采用断路器较少或不用断路器的接线。
35～110kV线路为两回及以下情况时，宜采用桥形、线路变压器组或线路分支接线[1]。
在110kV及以下系统中，线路变压器组接线方式是终端变电所主要接线方式之一，因此终端变电所中线路变压器组单元接线方式的保护配置，对于保障电力系统的安全、可靠、经济运行十分重要。
终端变电所在输电线路的末端，接近负荷点，高压侧35~110kV，经降压后直接向用户供电[2]。
现有终端变电所中线路变压器组单元接线方式的保护配置存在着不足之处，常规的阶段式距离、电流保护不能满足线路保护全线速动的要求。
本课题的提出就是为了解决现有保护配置存在的问题，提出的方案能够节省变压器高压侧断路器，带来明显的经济效益。
当线路变压器组接线高压侧不设断路器时，变压器故障需要跳线路对侧断路器切除故障。
在实际运行中，曾经出现过因通道问题引起远方跳闸装置误动跳闸的事故，因此远方跳闸必须配置相应的就地判别装置。
当变压器发生故障时，可以考虑通过通讯信道或保护专用信道实现远方跳闸，并在送电端配置就地判别装置。
这种方法简单易行又经济，而且还满足了对继电保护跳闸的可靠性要求。
远跳判别装置在电力系统中已经得到了广泛的应用，国内多家电力二次设备厂商已经推出了成熟的产品。
在线路变压器组的远方跳闸方案中采用普通的远跳判别装置配置保护成本较高，而且还需要与相应的远传信号接口装置配合，这些都限制了其在终端变电所中的应用。
研制专用的远跳判别装置及远方跳闸信号传输设备，以达到降低远跳方案实施成本，简化保护配置的目的，具有显著的现实意义。
1.2国内外研究现状与发展
1.2.1线路变压器组接线方式
终端变电所又称为受端变电所，在电网中数量最多。
这类变电所接近负荷，电能通过它分配给用户或下级配电所。
在满足供电可靠性的前提下，变电所的主接线应当有利于规范化、简单化和自动化，实现无人值班的远距离控制，并尽量减小占地面积。
接线方式可用线路变压器组接线和桥式接线。
线路变压器组单元接线如下图1-1中所示：
图1.1线路变压器组单元接线
线路和变压器高压侧共用一组断路器（QF1），线路和变压器之间的断路器（QF2）可以不装设。
当变压器发生故障时，由线路始端的断路器QF1切除变压器电源。
二类负荷和三类负荷的大型机械厂等高压侧可采用线路变压器组单元接线。
如果线路不长，变压器高压侧可不装设断路器。
1.2.2线路变压器组接线保护配置方式[3]
当变压器高压侧设置断路器时，保护的配置方式不存在特殊的地方，选择基本保护配置方式就能够满足要求。
本文探讨的线路变压器组接线方式，变压器高压侧都未设置断路器。
变压器高压侧不设断路器，变压器故障需要跳线路对侧断路器以切除故障。
实际中有两种解决问题的办法：
一种方法是当变压器保护发出跳闸命令跳开低压断路器的同时。
命令专设在高压侧的一相快速接地刀闸动作，造成人为的单相接地故障，使供电侧保护动作跳闸，这种办法在国外有所采用；另一种办法是由变压器保护发出跳闸信号，通过遥切通道向供电侧的断路器发出跳闸命令，使之动作断开故障设备的电源，后一种方法当然比较简单易行而又经济，应当推荐。
对应于以上两种解决方案，有如下几种保护配置方式：
（1）配置线路变压器组大差动保护；（保护需进口）
（2）配置一般的变压器保护和线路分相差动保护，主变压器保护跳闸须借助于线路保护的远跳功能（国产保护需要进行适当改进）来实现；
（3）配置一般的变压器保护，并只在线路送电端配置阶段式保护。
变压器保护通过复用通讯信道或保护专用信道实现远方跳闸。
（4）配置一般的变压器保护，并只在线路送电端配置阶段式保护。
变压器保护跳低压侧断路器的同时，制造人为的单相接地故障，使供电侧线路保护动作跳闸。
在上述四种方案中，方案（3）最适合于终端变电所线路变压器组接线方式。
方案
（1）、
（2）和（4）投资较大，实现较复杂，不能满足实际要求。
方案（3）对现有保护的配置改动较小，投资省，实现简单。
1.2.3远跳判别装置的应用
当电力系统某处出现故障时，可能需要跳远方的断路器。
这就需要依靠信道将跳闸命令传递到远方的断路器装设的地点，使断路器跳闸。
为了保障远跳的可靠性，不使远方断路器误动，对通道传递跳闸命令的可靠性要求很高。
可以在远方断路器装设的地点配置远跳判别装置，减少因通道干扰而引起断路器误动作事故。
在断路器接收到远跳命令后需要通过捕捉到的电气量，判断是否发生了故障或异常，进而决定是否跳闸。
现有远跳判别装置主要应用于以后几种情况：
1）线路变压器组
2）高压并联电抗器故障
3）500kV长线路两侧连锁跳闸
4）连锁切集中负荷
5）遥切水电机组与远方起动火电机组快关汽门
6）一个半断路器接线
远方跳闸对系统安全稳定运行十分重要，远跳保护误动作，往往会带来严重的不良后果。
远跳判别装置在电力系统中已经得到了广泛的应用，国内多家电力设备厂商已经推出了成熟的产品。
其中典型的产品包括国电南自的SSR530系列、南瑞继保的RCS-925、北京四方的CSC-125等等。
现有远跳产品功能强大，与远方跳闸信号传输接口装置配合，可以适用于各种需要远跳判别的应用场合。
上述通用远跳产品只能处理单一的跳闸命令，单台装置只能处理一种命令，不能满足本文提出的远方跳闸保护方案的要求。
1.3论文的主要工作
针对国内外线路变压器组接线方式的保护配置方式以及远跳判别装置的应用，本论文做了如下工作：
1）分析了现有终端变中线路变压器组接线方式中保护方案的不足，提出了采用远跳判别装置改进现有的保护方案；
2）在研究现有远跳判别装置功能和结构的基础上，设计了适用于线路—变压器组接线方式的远跳判别装置的方案；并完成了相关算法的研究；
3）基于国电南自低压保护硬件平台，研制并实现了微机型线变组远跳判别装置的硬件设计；
4）基于国电南自低压保护硬件平台，研制并实现了微机型线变组远跳判别装置的软件件设计；
5）对远跳判别装置的远方跳闸信号传输装置进行了研究；
6）对设计的线变组远跳判别装置做了初步的静态模拟实验。
第2章远跳判别装置在终端变电所的应用
线路变压器组接线是终端变电所主要接线方式之一，其接线简单，不需要高压配电装置[4]。
本章总结了线路变压器组接线方式的保护配置方案及其不足之处，提出了采用远跳判别装置的解决方法。
2.1终端变电所线路变压器组接线基本保护配置
线路变压器组接线是终端变电所的主要接线形式之一，具有接线简单、设备最少，不需要高压配电装置。
既能降低短路容量，又能节省建设投资。
图1.1中所示的线中变压器组接线方式中高压侧带断路器，其保护配置方案如下：
1）供电侧出线开关QF1上配置简单的相间及接地距离、电流保护，以保护供电线路上发生的各种故障，并且作为终端变电所内变压器的后备保护。
2）终端变电所是单侧供电电源，进线开关QF2上不设置线路保护。
终端变电所变压器上配置完整的变压器保护，以保护变压器发生的各种内部及外部故障，同时反映变压器的各种不正常工作状态。
当线路和变压器之间的断路器（QF2）不装时，变压器发生故障由线路端的断路器QF1切除变压器电源。
这时候需要在上述配置的基础上，配置相应的远跳装置，变压器故障时通过远跳通道遥切电源侧断路器（QF1）。
2.2线路变压器组保护配置存在的不足之处
2.2.1供电侧线路保护
我们知道一般距离、电流保护的I段保护范围通常选择为被保护线路全长的80%～85%[5]。
如图1.1所示，当线路末端K点发生短路故障时，出线开关QF1上的保护装置将不能以快速的I段保护切除故障，而只能以稍带延时的II段保护跳开出线开关QF1，切除短路故障。
这样根据不同的故障情况，终端变电所内的变压器运行在不正常状态下的时间较长，对变压器的正常使用寿命及低压侧所带负荷均有不利影响。
可考虑的解决办法是将电源侧开关QF1上的保护瞬时段整定值引入变压器，但需躲开低压侧母线故障。
然而，为了保证当变压器发生内部故障时，变压器的保护能可靠动作发出跳闸命令，以减少电源侧开关QF1的跳闸次数，电源侧开关QF1上的保护瞬时段要略带延时。
这样，给整定计算带来了矛盾。
2.2.2变压器保护
当变压器内部发生如铁芯过热烧伤、油面降低，或变压器绕组发生少数线匝的匝间短路时，虽然短路匝内短路电流很大会造成局部绕组严重过热产生强烈的油流向油枕方向冲击，但表现在相电流上其量值却并不大[5]。
因此差动保护没有反应，这也就是差动保护不能代替瓦斯保护的原因所在。
对于严重故障差动保护动作，供电侧保护也动作。
而如果瓦斯保护动作，则供电侧保护可能无反应，此时假如不能立即断开故障电源（比如开关QF2失灵），就只能等待变压器故障严重发展，直到供电侧保护可以动作跳开电源侧开关QF1为止。
才能切断故障电源。
这当然是极不期望出现的情况。
2.3采用远跳判别装置的解决方案
为了能够解决线路I段保护不能保护线路全长的问题，以及节省变压器高压侧断路器，可以采用远跳保护装置予以解决。
在供电线路两侧增设远方跳闸保护[5]。
当输电线路末端或终端变电所内故障发生后，需要迅速切断电源时。
由装设在终端变电所的远方跳闸信号发送设备发出跳闸信号，通过遥切通道向供电侧的远方跳闸信号接收设备发出跳闸命令。
该方法具有产品及技术比较成熟、不需进口设备以及对国内设备进行改进，投资少，且满足对线路故障进行重合闸、主变压器故障不重合闸的要求。
2.3.1远方跳闸保护工作方式
远方跳闸保护原理上是一种纵联保护，由于纵联保护在电网中可实现全线速动。
它可保证电力系统并列运行的稳定性和提高输送功率，缩小故障造成的损坏程度，改善与后备保护的配合性能，因此在现代电网中获得大量的应用。
纵联保护传送的信号有三种：
允许信号、闭锁信号和直接跳闸信号，对应有三种跳阃方式。
（a）允许式 （b）闭锁式 （c）直跳式
图2.1纵联保护类型
1）允许式
允许式是使用得最普遍的线路保护方式。
由于有双向发送信号的远方保护通道，线路两端的保护装置可以在第1段的时间内快速切除全线100%范围内的故障。
在允许跳闸式中，保护信号传输装置接收到的信号和本地判据（本地保护装置启动，或故障方向判定，或相位选择等）相串联。
只有在既收到远方信号，本地保护装置又检测到发生故障的方向是被保护线路的方向时，才会动作于跳闸。
如只接收到由于通道里的干扰而引起的虚假命令，并不会产生错误的跳闸命令。
2）闭锁式
在闭锁式中，故障线路上不传输命令信号，而周围的正常线路要传输命令信号，以防止它们的对端因超范围继电器动作而跳闸。
闭锁式保护装置常由第1段的超范围距离保护和反方向的方向保护组成。
如果方向继电器检测到一个反向的穿越故障，它可以发出命令信号闭锁正常线路上可能因此故障而动作的距离保护。
如被保护的线路上发生故障，线路两端的反方向继电器不会发闭锁信号，距离保护的超范围第1段就可以使相应的断路器跳闸。
闭锁式远方保护信号设备必须能达到最基本的要求。
如在被保护的线路上发生故障，不正确的信号只能使跳闸延迟，但不会阻止跳闸。
如果在超范围第1段内的邻近线路上发生故障，闭锁信号丢失或不适当的延时，就会使被保护的线路错误跳闸。
超范围第1段必需要有足够的延时，以便留出时间来接收对端发来的闭锁信号。
所以闭锁式远方保护的传输时间应该很短
3）直跳式
远方跳闸保护采用的是跳闸信号，顾名思义，它是保护直接动作于跳闸的信号，不管本端保护元件是否动作，只要接收到远方送过来的跳闸信号，就直接动作于跳闸。
其逻辑框图如图2.1（c）中所示。
在直接跳闸式中，远方保护信号设备接收到跳闸命令后就直接使断路器跳闸，不用本地判据。
因此，不论是由于干扰还是人为过失引起的虚假命令都会产生错误的、往往是三相的跳闸，而且重合闸还会闭锁。
但是，不论通道内有无干扰，真正的跳闸信号决不能丢失。
否则，线路故障不能清除，会发生严重后果。
2.3.2现有保护配置的更新
1）电源侧保护配置的更新
供电侧开关QF1上除了原有保护配置外，需增加一套远方跳闸信号接收装置[2]，并将其中执行继电器的空触点接至原有保护装置的三跳回路中。
当接收到由终端变电所变压器保护送来的远方跳闸信号后，直接作用于断路器跳闸，切断故障电源。
同时视收到信号的不同，决定是否闭锁线路重合闸。
如果认为这种方法不太可靠，可以再增加一套就地判别装置[2]，即将跳闸信号改为允许信号，当同时满足就地判别元件动作和有允许跳闸信号两个条件时，保护才动作于跳开关QF1。
当输电线路上发生故障时，信号传输装置接收到的允许跳闸信号，通过本地判别决定是否跳闸。
只有在既收到远方的允许跳闸信号，本地保护装置又检测到发生故障的方向是被保护线路的方向时，才会动作于跳闸。
就地判别逻辑框图如下图2.2中所示：
图2.2就地判别逻辑
2）终端变电所变压器保护配置的更新
终端变电所内变压器的保护配置，需增设一套远方跳闸信号发送设备[2]，并且增加部分启信、停信控制配线。
由于在终端变电所取消了主变高压侧的断路器，凡是原保护涉及高压侧断路器跳闸的保护逻辑，都应该增加一付空触点去启动发信装置从而发出远方跳闸命令。
由远方跳闸信号接收装置经或不经就地故障判别元件向供电侧的断路器QF1发出跳闸命令，使之动作断开故障设备的电源。
需要在变压器保护外扩一对节点，当故障发生在线路变压器组线路侧时，发出允许跳闸命令，由线路侧的远跳判别装置加以判别。
此方案比较简单易行，不但可解决终端变电所内变压器现有保护配置存在的不足之处，而且在充分满足继电保护可靠性的前提下，可以省去装设在变压器高压侧的断路器。
2.3.3远跳保护命令逻辑
根据不同的故障类型和变压器保护动作逻辑，形成不同的远方跳闸命令。
1）变压器后备保护动作（命令1）
变压器相间故障的后备保护，是外部短路引起的过电流及变压器自身故障的后备保护，保护动作后将变压器各侧断路器断开。
变压器接地短路的后备保护，在中性点直接接地时，在接地侧装设单相接地短路的零过电路保护。
该保护可借用变压器的过电流保护来实现。
当其灵敏度不够时，可以装设专用的零序电流保护。
后备保护动作时，可形成命令1，电源测远方跳闸保护经就地判别元件跳闸，同时闭锁重合闸。
2）变压器差动保护启动（命令2）
保护启动元件用于开放保护跳闸出口闭锁继电器及启动保护的故障处理程序。
变压器差动保护启动元件通常包括相电流突变量启动元件、稳态差流启动元件、零序突变量启动元件。
任一启动元件动作将使差动保护启动。
供电线路全长80%至对侧母线故障时，变压器差动保护将启动，可形成命令2，电源测远方跳闸保护经就地判别元件跳闸，不闭锁重合闸，以在故障消失后，迅速恢复供电。
3）变压器瓦斯保护动作（命令3）
瓦斯保护能起到在变压器发生各种伴有生产瓦斯气体的内部故障的保护作用。
在出现瓦斯气体的内部故障及油面下降时，保护应动作于信号；但当出现大量瓦斯时（重瓦斯），应当动作于跳闸。
变压器瓦斯保护动作可形成命令3，电源测信号接收设备在受到命令3后，不经就地判别，立即跳闸，并闭锁重合闸。
4）变压器差动保护动作（命令4）
变压器差动保护是变压器内部故障的主保护，保护范围包括变压器电流互感器之间的区域，保护动作后使各侧断路器瞬时跳闸。
可形成命令4，电源测信号接收设备在受到命令4后，不经就地判别，立即跳闸，并闭锁重合闸。
变压器主保护，包括瓦斯保护和差动保护。
主保护动作产生的命令3和命令4可以组合为一个跳信在通道上传输，这样远方跳闸总共需要用到三种跳信，远跳保护逻辑如下图2.3中所示：
图2.3 远跳保护命令逻辑
2.4对线变组远跳保护装置的要求
现有的远方跳闸就地判别装置，又称为故障启动装置。
可以作为远方跳闸的就地判别装置，根据运行要求可以投入补偿过电压、补偿欠电压、零序电流、低电流、低功率、低功率因数、零序过电压等就地判据，能提高远方跳闸保护的安全性而不降低保护的可靠性。
此外，装置通常具有过电压保护和过电压发信的功能。
通用型远跳判别装置只能处理单一命令，而本方案需要对不同的命令采用不同的判别和出口方式。
如果采用通用型远跳判别装置，至少需要配置两台远跳判别装置。
因此，需要针对线变组远跳保护的应用要求，开发专用远跳判别装置。
本装置应用于配电网线路变压器组接线，变压器高压侧无断路器时的保护配置，主要应用于110kV及以下电压等级。
装置的功能要求如下：
1）远跳收发信功能
与保护配合的收发讯机可以带导频信号，也可以不带导频信号。
考虑到配网系统对保护的可靠性要求不是特别高，保护收信采用单通道。
2）直跳功能
变压器主保护动作启动装置发信，不经过判别，直接出口。
在线变组远跳装置中设置专用的收信直跳继电器。
3）就地判别功能
采用多个可选用的就地判别元件，根据实际情况编写就地判别逻辑方程，形成灵活的就地判据。
需要针对后备保护和差动保护启动两个跳令，分别整定判别方程，以完成不同的就地逻辑判别。
4）跳闸信号传输接口
可以采用光纤或微波通道传输远方跳闸信号，至少应能传输3个跳闸信号。
5）与变电站自动化系统配合
提供与监控后台通信接口，包括以太网口和串行接口，提供标准通信规约。
第3章远跳判别装置硬件设计与实现
对线路变压器组接线方式配置远跳判别装置，需要开发专用的远跳判别装置。
在学习和总结通用远跳判别装置硬件架构的基础上，基于国电南京电力自动化股份有限公司低压硬件平台，设计出了本装置的硬件。
本装置硬件设计稳定可靠，灵活性大、功能完善。
3.1装置硬件架构
装置采用功能模块化设计思想，不同的产品由相同的各功能组件按需要组合配置，实现了功能模块的标准化。
装置的硬件结构框图如下图3.1中所示：
图3.1硬件结构框图
下图3.2为装置的前面板图，包括大屏幕液晶显示器、全屏幕操作键盘、信号指示灯等，显示装置的运行状态信息、动作信息和各种异常信息。
大屏幕液晶显示器采用240×128点阵式，支持16×16点阵汉字显示，每屏可显示汉字8行，每行15个。
全屏幕操作键盘包括：
上下左右方向键、加（+）减（-）键、确认键（E）、取消键（Q）等。
图3.2远跳判别装置面板布置图
3.1.1通讯方式
采用双总线进行装置内部通讯，主处理模件与管理模件之间的通信采用CAN总路线，管理模件与人机交互（MMI）之间采用SPI进行通信。
CAN属于总线式串行通信网络，与一般的通信总线相比具有可靠性高、实时性和灵活性好的优点。
其仲裁、出错检测和重发等功能都由控制器完成，程序中不必考虑这些复杂的过程，CAN接口的操作十分简单。
其主要特性有：
1）多主工作方式。
每一个节点都可以主动向网络发起数据传输，不分主从。
2）无破坏性的、基于优先级的仲裁。
两个竞争的发送节点通过总线的电平竞争，在发送的同时完成优先级仲裁：
优先级高的取得总线电平控制权继续完成发送过程，优先级低的失去总线电平控制权退出发送流程，等待总线空闲。
总线仲裁的过程完全嵌入在数据发送的过程中，效率高，对总线影响小，可以达到很高的数据传送能力。
3）借助接受滤波的多地址帧传送，每个发送节点通过设置接
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