开题报告220KV某电网继电保护及自动装置设计_220v电网继电保护设计

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220KV某电网继电保护及自动装置设计

学

生：*** 指导教师：杜伟伟（三峡大学 电气学院）课题来源

本课题为关于220KV某电网继电保护及自动装置设计保护方案及保护配置 课题，设计课题题目由三峡大学给出，专业指导老师指导。研究的意义

继电保护是一种电力系统的反事故自动装置，它在电力系统中的功用相当于公安人员在人类社会中的作用，地位十分重要，可以说没有继电保护技术的发展，就没有现代电力系统的今天。随着我国电力工业的迅速发展，各大电力系统的容量和电网区域不断扩大，网络接线越发复杂，继电保护装置广泛应用于电力系统、农网和小型发电系统，这一现状对继电保护的选择性，可靠性，快速性以及灵敏性都提出了更高的要求。继电保护装置应在系统发生故障或不正常运行时，迅速，准确的切除故障元件或发出信号以便及时处理，因此，继电保护装置是电网及电气设备安全可靠运行的保证。电力系统继电保护的设计与配置是否合理直接影响到电力系统的安全运行。如果设计与配置不当，保护将不能正确工作（误动或拒动），从而会扩大事故停电范围，给国民经济带来严重的恶果，有时还可能造成人身和设备安全事故。因此，合理地选择保护方式和正确地整定计算，对保证电力系统的安全运行有非常重要的意义国内外继电保护现状及未来发展发展趋势

3.1 继电保护发展现状

电力系统之飞速发展对继电保护不断提出新之要求，电子技术、计算机技术与通信技术之飞速发展又为继电保护技术之发展不断地注入了新之活力，因此，继电保护技术得天独厚，在40余年之时间里完成了发展之4个历史阶段。

建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约10年之时间里走过了先进国家半个世纪走过之道路。50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进之继电保护

设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验之继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍之建立和成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进之继电器制造技术，建立了我国自己之继电器制造业。因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学之完整体系。这是机电式继电保护繁荣之时代，为我国继电保护技术之发展奠定了坚实基础。

自50年代末，晶体管继电保护已在开始研究。60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用之时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究之500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制之晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝500 kV线路上，结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口之时代。

在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器之集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护之研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。在这方面南京电力自动化研究院研制之集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用，天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制之集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条220kV和500kV线路上运行。

我国从70年代末即已开始了计算机继电保护之研究，高等院校和科研院所起着先导之作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式之微机保护装置。1984年原华北电力学院研制之输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新之一页，为微机保护之推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制之发电机失磁保护、发电机保护和发电机?变压器组保护也相继于1989、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制之微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制之微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制之正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型之微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠之继电保护装置。随着微机保护装置之研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护之时代。

3.2 继电保护的未来发展发展趋势

继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量

和数据通信一体化发展。

3.2.1 计算机化

随着计算机硬件之迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学院研制之微机线路保护硬件已经历了3个发展阶段：从8位单CPU结构之微机保护问世，不到5年时间就发展到多CPU结构，后又发展到总线不出模块之大模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。华中理工大学研制之微机保护也是从8位CPU，发展到以工控机核心部分为基础之32位微机保护。

南京电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为基础之微机线路保护，已得到大面积推广，目前也在研究32位保护硬件系统。东南大学研制之微机主设备保护之硬件也经过了多次改进和提高。天津大学一开始即研制以16位多CPU为基础之微机线路保护，1988年即开始研究以32位数字信号处理器(DSP)为基础之保护、控制、测量一体化微机装置，目前已与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全之32位大模块，一个模块就是一个小型计算机。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率之限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受之；更重要之是32位微机芯片具有很高之集成度，很高之工作频率和计算速度，很大之寻址空间，丰富之指令系统和较多之输入输出口。CPU之寄存器、数据总线、地址总线都是32位之，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成在CPU内。

电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。在计算机保护发展初期，曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。天津大学已研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改造作成的继电保护装置。这种装置的优点有：(1)具有486PC机的全部功能，能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求。(2)尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良、防震、防过热、防电磁干扰能力强，可运行于非常恶劣的工作环境，成本可接受。(3)采用STD总线或PC总线，硬件模块化，对于不同的保护可任意选用不同模块，配置灵活、容易扩展。

继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地

满足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚须进行具体深入的研究。

3.2.2 网络化

计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代之技术支柱，使人类生产和社会生活之面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力之通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处之电气量。继电保护之作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力之数据通信手段。国外早已提出过系统保护之概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电保护之作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围(这是首要任务)，还要保证全系统之安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统之运行和故障信息之数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据之基础上协调动作，确保系统之安全稳定运行。显然，实现这种系统保护之基本条件是将全系统各主要设备之保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置之网络化。这在当前之技术条件下是完全可能的。

对于一般之非系统保护，实现保护装置之计算机联网也有很大之好处。继电保护装置能够得到之系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置之判断和故障距离之检测愈准确。对自适应保护原理之研究已经过很长之时间，也取得了一定之成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态之自适应，必须获得更多之系统运行和故障信息，只有实现保护之计算机网络化，才能做到这一点。

对于某些保护装置实现计算机联网，也能提高保护之可靠性。天津大学1993年针对未来三峡水电站500kV超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护之原理，初步研制成功了这种装置。其原理是将传统之集中式母线保护分散成若干个(与被保护母线之回路数相同)母线保护单元，分散装设在各回路保护屏上，各保护单元用计算机网络联接起来，每个保护单元只输入本回路之电流量，将其转换成数字量后，通过计算机网络传送给其它所有回路之保护单元，各保护单元根据本回路之电流量和从计算机网络上获得之其它所有回路之电流量，进行母线差动保护之计算，如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器，将故障之母线隔离。在母线区外故障时，各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络实现之分布式母线保护原理，比传统之集中式母线保护原理有较高之可靠性。因为如果一个保护单元受到干扰或计算错误而误动时，只能错误地跳开本回路，不会造成使母线整个被切除之恶性事故，这对于象三峡电站具有超高压母线之系统枢纽非常重要。

由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机

保护发展之必然趋势。

3.2.3 保护、控制、测量、数据通信一体化

在实现继电保护之计算机化和网络化之条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能之计算机，是整个电力系统计算机网络上之一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障之任何信息和数据，也可将它所获得之被保护元件之任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。

目前，为了测量、保护和控制之需要，室外变电站之所有设备，如变压器、线路等之二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设之大量控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述之保护、控制、测量、数据通信一体化之计算机装置，就地安装在室外变电站之被保护设备旁，将被保护设备之电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可免除大量之控制电缆。如果用光纤作为网络之传输介质，还可免除电磁干扰。现在光电流互感器(OTA)和光电压互感器(OTV)已在研究试验阶段，将来必然在电力系统中得到应用。在采用OTA和OTV之情况下，保护装置应放在距OTA和OTV最近之地方，亦即应放在被保护设备附近。OTA和OTV之光信号输入到此一体化装置中并转换成电信号后，一方面用作保护之计算判断；另一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控室通过网络可将对被保护设备之操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器之操作。1992年天津大学提出了保护、控制、测量、通信一体化问题，并研制了以TMS320C25数字信号处理器(DSP)为基础的一个保护、控制、测量、数据通信一体化装置。

3.2.4 智能化

近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用之研究也已开始。神经网络是一种非线性映射之方法，很多难以列出方程式或难以求解之复杂之非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻之短路就是一非线性问题，距离保护很难正确作出故障位置之判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本之训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特之求解复杂问题之能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。天津大学从1996年起进行神经网络式继电保护之研究，已取得初步成果。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应

用，以解决用常规方法难以解决的问题。研究的主要内容及设计成果的应用价值

4.1 主要内容

(1).根据给定的系统接线图和原始资料、数据，计算系统中各元件的正序、负序、零序阻抗。

(2).画出系统中的正序、负序、零序阻抗，并标明各元件的编号及阻抗值。(3).计算出各种运行方式下的短路电流。

(4).对给定的电网选择保护方案，对所采用的方案进行整定计算，灵敏度校验。

(5).合理地选择自动装置。(6).选择保护的类型和型号。(7).进行设计的评价。

4.2 设计成果的应用价值

该设计对220kV电网技术改造和基建工程的继电保护与自动装置的配置及选型进行了研究设计,能分别从继电保护和自动装置的配置水平、构成原理上分析，进行了全面整定计算，提出了适合220KV电网的继电保护装置选型与配置方案。该设计进一步详细后可以用来指导220kV电网继电保护及自动装置的保护配置。设计的主要技术指标

(1)论文应按照设计要求达到相应的深度，具有一定的实用意义。(2)所设计保护方案及保护配置满足保护“四性”的要求。(3)所选择保护装置应是新技术，同时经过一定的运行检验。工作的主要阶段、进度

(1)2010年春季学期第6周前

接受毕业设计任务书，学习毕业设计和论文要求及有关规定。(2)2010年春季学期第7--9周阅读指定的参考资料及文献，基本完成开题报告任务。(3)2010年夏季学期第10周进一步修订完善开题报告，使其在内容及格式上符合毕业设计规范要求。(4)2010年夏季学期第11周毕业答辩。最终目标及完成时间

完成对220KV电网的继电保护及自动装置设计，达到能根据220KV电网的主接线图和参数，合理计划出继电保护和自动装置，掌握整定计算的原理和方法，培养独立思考和分析问题的能力。

完成时间：第11周参 考 文 献

［1］ 王梅义.高压电网继电保护运行技术.北京：电力工业出版社，1981 ［2］ 王永武、吴希再，继电保护自动装置工程实验.北京：中国水利水电出版社，2007 ［3］ 沈国荣.工频变化量方向继电器原理的研究.电力系统自动化，1983（1）

［4］ 葛耀中.数字计算机在继电保护中的应用.继电器，1978（3）［5］ 杨奇逊.微型机继电保护基础.北京：水利电力出版社，1988 ［6］ 刘介才，工厂供电.北京：机械工业出版社，2009 ［7］ 吴斌，刘沛，陈德树.继电保护中的人工智能及其应用.电力系统自动化，1955（4）

［8］ 段玉清，贺家李.基于人工神经网络方法的微机变压器保护.中国电机工程学报，1998 ［9］ 《电力系统电电保护设计原理》 吕继绍著 华中工学院

［10］ 《电力系统电电保护与安全自动装置整定计算》 崔家佩等编 水利电力出版社

［11］ 《电力工程电气设计手册》（1）（2）能源部西北电力设计院编 水利电力出版社

［12］ 《高压电网继电保护原理与技术》 朱声石著 中国电力出版社 ［13］ 《电力系统分析》 上策 何仰赞等 华中理工大学出版社

［14］ 《电站配套设备产品手册》 第七册——《输电线路继电保护装置》

能源部电力机械局编 水利电力出版社

［15］ 《电网继电保护及安全自动装置整定计算》 张举 华北