电力系统电容器保护装置的研制

摘要：为了满足电力系统对继电保护装置不断提高的要求，文中介绍了一种电力系统电容器保护装置，采用的主要方法是将采集到的模拟信号转化为数字信号，根据特定的逻辑算法对数据进行比较处理，通过安装有继电器的逻辑插件输出控制信息，以完成相应的保护动作。文中对电容器保护装置的硬件结构、功能实现、动作逻辑和数模转换等几个方面做了详细研究，同时讲解了该装置系统的研制与功用。
关键词：继电保护；变压器保护；测控；数模转换；电容器

为了保障电力系统的安全运行，各种保护装置被大量用于系统保护中。随着电力系统整体结构和运行方式复杂度不断提高，对电力系统中继电保护装置的要求也越来越高。原有的模拟式继电保护在测试手段和性能上也不再能够满足新型继电保护装置的要求。而基于微型机的继电保护装置已经向多功能、智能化、可视化及网络化方向发展其主要保护功能包括三段式过流保护、三段式零序电流保护、过负荷保护、过电压保护、失电压保护、不平衡电压／电流保护、故障录波和小电流接地选线功能，本文将介绍几种典型功能的逻辑实现。
本文所研制的继电器保护装置的主要原理为：模拟插件负责从电力系统中采集交流数据，并通过转换器将采集的大电压、大电流信号转换成为相应的小电压信号，此时的小电压信号为模拟交流信号，模数转换器件采集到这些模拟交流电压信号后，将其转换为数字信号。CPU主芯片通过中断方式定时从模数转换芯片中读取信号量，这些数字信号在程序中通过傅里叶变换转换成为可以被程序使用的二进制数据。程序按照一定的逻辑，将所得的数据与原始的定值比较．从而判断是否需要动作，如果需要就给逻辑插件通讯，并通过对逻辑插件上的小型继电器的控制对电力系统输出控制信息，控制电力系统中的断路器等装置做出相应的保护。保护装置的主要功能如图1所示。

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1 装置的硬件结构
装置采用插件式结构，即在一个总线板上插上不同功能的插件，通过总线板来传输插件之间的通讯。主要包括模拟量采集、开入和开出功能。
1．1 模拟插件
模拟插件包括电压和电流变送器两部分。采集的模拟量包括：保护用三相电流，Ia、Ib、Ic和零序电流I0，测量用三相电流，Ia、Ib、Ic等电流输入，三相电压Ua、Ub、Uc等以及不平衡电流或不平衡电压输入。
1．2 测控插件
测控插件是本装置的核心插件，包含微处理器CPU、NVRAM、模拟量输入电路、A／D转换电路、通讯线光电隔离电路、开关量输入电路、开关量输出电路。插件采用多层印制板和表面贴装工艺制作。
1．3 跳闸插件
跳闸插件构成跳合闸出口、自保持、防跳(可选)和中央信号等功能，主测控插件发送电平信号到跳闸插件，控制跳闸插件上的小型继电器跳开或合，当继电器合时电路接通，便输出一个电平信号，作为对电力系统中断路器的控制信号。
1．4 技术特点
该装置具有多种电气量的测量功能(如电压量、电流量等)，可以接收电力系统中的交流电压、电流，并通过模数转换芯片将模拟信号转成数字信号，利用相应的傅里叶变换程序作相应的计算(如有功、无功、功率因数、电能、频率等)，将所得的数字信号转换成相应的数字量(如所需的有功功率和无功功率等变量都是具有实部、虚部和小数部分的)供程序计算使用的。
该装置的模拟量输入、开关量输入／输出可灵活配置。从电力系统中采集的电压和电流经变换器转换成为测量用和保护用的电压、电流模拟量。测量用的模拟量是用于后台显示的，用以反应实际所测得的电压、电流量。保护用的电压、电流量是用来供测试装置分析的，在经过转换、计算和比较后，做出相应的保护动作。

2 功能实现
2．1 对外接口
A／D转换电路可对模拟量进行转换操作。可以选用几块A／D转换芯片组成，每块芯片负责一组模拟量的采集。每组的几路模拟量应保证同步采样，组与组之间的最大角差应控制在一定范围之内，可以通过角度校正加以补偿。
多路外部开关量输入信号，均为共阴极接法，外部开关量信号为24V信号，均采用光电隔离技术，确保装置的抗干扰能力。开关量输出信号，对外可以控制相应开关的分合状态。
2．2 测量
测量过程通过多点采样实现，对于测量模拟量的采样点越多，测量越精确也越接近原始模拟输入量。需要精确测量的测量模拟量有：电压Ua、Ub、Uc、3U0(由三相电压合成)，电流Ia、Ib、Ic、3I0。需要通过准确计算得到的量有：三相有功功率和无功功率。
2．3 四遥
遥控：遥控功能主要有遥控切换定值区、遥控整定定值、遥控投切(投入、切断)软压板、遥控跳闸操作、遥控合闸操作。根据现场的实际需要，由后台或是液晶板输出控制报文，控制跳合闸和压板的投切等功能。
遥测：遥测主要包括从现场采集电流、电压、功率和频率等数据，用于监控和保护。
遥信：遥信包括压板状态、开入量信息、告警遥信及事故遥信等。
遥脉：遥脉是指采集有功脉冲电度表和无功脉冲电度表的脉冲数据。
2．4 通信功能
装置自身安装有液晶，如显示遥测量、显示遥信量、遥控对象的选择和控制、定时对时等功能可以直接由液晶进行操作，更加简便而且易于操作。但是在特定的情况下也可以采用RS232／485串口通讯，通过串口连接电脑，通过电脑中安装的后台调试软件来控制装置的运行。还可以连接通讯管理机，由通讯管理来统一处理报文信息。[p]

3 保护功能
下面介绍用于本装置研制的几种重要保护功能及其逻辑。
3．1 三段式过流保护
过流保护各段判别逻辑基本一致，各段保护均可通过控制字(即每位设定特定功能的变量)投退，各段时间均可独立整定，其逻辑图如图2所示，动作条件为：

(1)电流I段(速断)出口时需满足突变量(电流的瞬间变化量)启动条件。保护中的相电流差突变启动元件设在每隔特定时间内发生一次的采样中断服务程序中，其动作条件为：

其中：I表示电流，k表示保护段数，T表示动作整定时间，A为电流单位；
(2)T=20ms，此元件动作门限定为1A，动作灵敏、准确，具有抗共模干扰能力；
(3)MAX(保护A相电流，保护B相电流，保护C相电流中的最大值)>相应段电流定值；
(4)T>相应段延时定值。
3．2 过负荷
过负荷元件由软压板投退，过负荷出口跳闸还是告警由控制字选择，其逻辑图如图3所示，其动作条件为：

(1)MAX(保护A相电流，保护B相电流，保护C相电流中的最大值)>过负荷电流定值；
(2)过负荷时间T>过负荷时间定值。
3．3 失压保护
失压保护的动作条件为：
(1)相电压的最大值失压定值；
(2)所测得的三项线电流的最大值失压闭锁电流定值；
或控制字中投失压保护(当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多(欠压)时，保护装置能使被保护对象自动从电源上切除)不经无流闭锁断路器合位；
(3)经历从有压到无压的过程或控制字中投失压保护不经曾有压闭锁；
(4)失压保护可由软压板投退。