电力系统微机保护及自动化.docx

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电力系统微机保护及自动化

电力系统微机保护及自动化

第一章概述

一、系统概述

“WDJS－8000电力系统微机保护及综合自动化教学实验装置”是综合了目前高等院校《电机学》《电机控制》《电力工程》《变电站综合自动化原理及应用》《电力系统微机保护》《电力系统自动化》《电力系统分析》《电力系统继电保护》《发电厂电气设备》《电力系统自动装置》等多门专业课程的教学实验内容并结合工业实际应用和发展而研发的综合性实验平台。

建立了发电、变电及输电线路各部分系统模型，模拟整个电力系统的动态运行（采用模拟的一次设备再现电力系统实际运行的多种工况，二次部分采用微机继电保护装置及监控系统），从而研制出一套既结合实际，又方便教学的电力系统微机继电保护及综合自动化教学实验设备。

本项目由发电机（包括直流电动机、同步交流发电机及励磁系统）实验系统、变压器实验系统及输电线路实验系统组成，可灵活组合。

三个实验系统既能构成一个完整的电力系统，也能独立进行各种实验项目。

并可以配置CBZ-8000综合自动化监控系统，充分体现现代电力系统高度自动化、信息化、数字化的特点。

该装置由发电，变电和输电线路三个实验台及监控主站组成。

1、发电机实验台

该实验台能完成发电机特性实验及发电机二次保护实验。

发电机组主要由三相同步发电机和原动机（直流电动机）构成，并配有WFB－821微机发变组主保护装置和WFB－822微机发变组后备保护装置。

原动机是一台2.2KW的直流电动机，其励磁为恒定电压180V。

电枢电压由220V交流电源通过可控整流模块及平波电抗器平波供给，通过调节电枢电压来改变原动机出力，从而达到调速目的。

发变组微机保护主要配置有：

差动保护、定子接地保护、失磁保护、过流保护、过负荷保护、调相失压保护等。

并网过程中采用手动准同期和自动准同期两种方式。

2、变压器实验台

变压器实验台一次采用4KVA变压器，并配有微机变压器主保护装置WBH-821和微机变压器后备保护装置WBH-822。

变压器的模拟故障设置在变压器的负荷侧（电网侧）进行，主要模拟变压器负荷侧的相间短路、接地短路故障及变压器的过负荷实验。

变压器微机保护装置主要配置有：

比率制动式差动保护、复压（方向）过电流保护、零序方向电流保护、过电流保护（过负荷、有载调压、启动通风）、非电量保护。

变压器微机保护装置具有友好的人机接口界面，可以在操作界面上进行参数整定、运行状态显示等功能。

3、输电线路实验台

输电线路实验台模拟220kV电压等级双端电源运行方式，根据输电线路的长度计算出该高压双回线路的电阻、电感及分布电容参数。

由于负载端不仅仅是用电负荷，还有其它的发电机组及输电线路，因此也可把输电线路的负载端看成是无穷大系统。

实验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量仪表等。

操作按钮与模拟接线图中的被操作的对象结合起来，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。

WDJS—8000电力系统微机保护及综合自动化教学实验装置的研制，既更新丰富了电力系统及继电保护的实验内容，改进了实验方法，又创建了一套能进行专业教学和综合研究的实验设备。

它具有综合性、直观性、科学性等特点。

该实验设备满足了高校电力系统及其综合自动化、继电保护等相关电力、电气专业实验需求，为学生更好的学习电力系统、微机继电保护及综合自动化知识奠定了基础，使教学培训更贴近电力系统实际运行情况。

能让学生快速全面地认识整个电力系统的组网结构、工作原理、操作过程、实验方法等。

让学员在以后相应的工作岗位上可以更快地上手操作，还可以把整个系统作为课程设计或毕业设计，使学生对电力系统综合自动化的认识和理解得到更进一步提高，从而全面提高学生素质，拓宽就业范围，培养电力系统复合型应用技术人才。

二、技术指标

整体技术指标：

1）工作电源：

三相四线AC380V±10%50Hz

2）外形尺寸：

1660×750×1640

3）整机容量：

3KVA

1.原动机（直流电机）

1）额定功率：

2.2KW

2）额定电压：

200V

3）额定电流：

14.2A

4）额定转速：

1500r/min

5）励磁方式：

他励

6）励磁电压：

180V

7）励磁电流：

2.03A

8）绝缘等级：

F

9）防护等级：

IP21

10）冷却：

IC06

2.发电机

1）额定电压：

400V

2）额定相电压:

230V

3）频率：

50Hz

4）容量：

3.8KVA

5）功率：

3KW

6）电流：

5.4A

7）功率因数：

0.8（滞后）

8）极数：

4

9）转速：

1500r/min

10）相数：

3

3.变压器

1）额定容量：

4KVA

2）变比:

380/380

3）接线形式:

Δ/Y

4.三相调压器

1）额定容量：

9KVA

2）相数:

三相

3）频率：

50Hz

4）输入：

380V

5）输出：

0－430V

6）重量：

33KG

7）绝缘等级：

A级

5.微机保护装置技术指标

5.1额定数据

1）额定电源电压:

DC220V

2）额定交流电压：

相电压100/

V

3）额定交流电流：

5A

4）额定频率：

50Hz

5）热稳定性：

交流电压回路：

长期运行1.2Un

10s1.4Un

交流电流回路：

长期运行2In

1s40In

6）稳定性：

半周波：

100In

5.2装置功耗

1）交流电压回路：

每相不大于1VA；

2）交流电流回路：

In=5A时每相不大于1VA；In=1A时每相不大于0.5VA；

3）零序电流回路:

不大于0.5VA；

4）保护电源回路：

正常工作时,不大于12W；保护动作时,不大于15W。

5.3环境条件

1）环境温度

工作：

-25℃～+55℃。

储存：

-25℃～+70℃，相对湿度不大于80%，周围空气中不含有酸性、碱性

或其它腐蚀性及爆炸性气体的防雨、防雪的室内；在极限值下不施加激励量，装置不出现不可逆转的变化，温度恢复后，装置应能正常工作。

2）相对湿度：

最湿月的月平均最大相对湿度为90％，同时该月的月平均最低温度为25℃且表面不凝露。

最高温度为+40℃时，平均最大湿度不超过50％。

3）大气压力：

80kPa～110kPa（相对海拔高度2km以下）。

5.4抗干扰性能

1）脉冲群干扰试验：

能承受GB/T14598.13－1998规定的频率为1MHz及100kHz衰减振荡波（第一半波电压幅值共模为2.5kV，差模为1kV）脉冲群干扰试验。

2）快速瞬变干扰试验：

能承受GB/T14598.10－1997第四章规定的严酷等级为Ⅳ级的快速瞬变干扰试验。

3）辐射电磁场干扰试验：

能承受GB/T14598.9－1995第四章规定的严酷等级为Ⅲ级的辐射电磁场干扰试验。

4）静电放电试验：

能承受GB/T14598.14-1998中4.1规定的严酷等级为Ⅲ级的静电放电试验。

5）电磁发射试验：

能承受GB/T14598.16－2002中4.1规定的传导发射限值及4.2规定的辐射发射限值的电磁发射试验。

6）工频磁场抗扰度试验：

能承受GB/T17626.8－1998第5章规定的严酷等级为Ⅳ级的工频磁场抗扰度试验。

7）脉冲磁场抗扰度试验：

能承受GB/T17626.9－1998第5章规定的严酷等级为Ⅳ级的脉冲磁场抗扰度试验。

8）阻尼振荡磁场抗扰度试验：

能承受GB/T17626.10－1998第5章规定的严酷等级为Ⅳ级的阻尼振荡磁场抗扰度试验。

9）浪涌抗扰度试验：

能承受IEC60255-22-5:

2002第4章规定的严酷等级为Ⅳ级浪涌抗扰度试验。

10）传导骚扰的抗扰度试验：

能承受IEC60255-22-6:

2001第4章规定的射频场感应的传导骚扰的抗扰度试验。

11）工频抗扰度试验：

能承受IEC60255-22-7:

2003第4章规定的工频抗扰度试验。

5.5绝缘性能

1）绝缘电阻：

各带电的导电电路分别对地（即外壳或外露的非带电金属零件）之间,交流回路和直流回路之间,交流电流回路和交流电压回路之间,用开路电压为500V的测试仪器测试其绝缘电阻值不应小于100MΩ。

2）介质强度：

装置通信回路和24V等弱电输入输出端子对地能承受50Hz、500V（有效值）的交流电压,历时1min的检验无击穿或闪络现象；其余各带电的导电电路分别对地（即外壳或外露的非带电金属零件）之间,交流回路和直流回路之间,交流电流回路和交流电压回路之间,能承受50Hz、2kV（有效值）的交流电压,历时1min的检验无击穿或闪络现象。

3）冲击电压：

装置通信回路和24V等弱电输入输出端子对地,能承受1kV（峰值）的标准雷电波冲击检验；其各带电的导电端子分别对地,交流回路和直流回路之间,交流电流回路和交流电压回路之间,能承受5kV（峰值）的标准雷电波冲击检验。

5.6机械性能

1）振动响应：

装置能承受GB/T11287-2000中4.2.1规定的严酷等级为I级振动响应检验。

2）冲击响应：

装置能承受GB/T14537-1993中4.2.1规定的严酷等级为I级冲击响应检验。

3）振动耐久：

装置能承受GB/T11287-2000中4.2.2规定的严酷等级为I级振动耐久检验。

4）冲击耐久：

装置能承受GB/T14537-1993中4.2.2规定的严酷等级为I级冲击耐久检验。

5）碰撞：

装置能承受GB/T14537-1993中4.3规定的严酷等级为I级碰撞检验。

5.7保护定值整定范围及误差

1）定值整定范围

交流电压：

4V～100V；

交流电流：

0.1In～20In；

2）定值误差

电流：

<±2.5%。

电压：

<±2.5%。

5.8延时整定范围及误差

定时限在0s～2s（含2s）范围内不超过40ms，2s～100s范围内不超过整定值的±2％；

反时限在0s～2s（含2s）范围内不超过±100ms,2s以上不超过理论值的±5%。

5.9测量精度

1）各模拟量的测量误差不超过额定值的±0.2%；

2）功率测量误差不超过额定值的±0.5%；

3）开关量输入电压（DC220V/110V/24V），分辨率不大于2ms；

4）脉冲量输入电压DC24V，脉冲宽度不小于10ms；

5）有功、无功电度不超过±1%；

6）频率测量误差不超过±0.02Hz；

7）直流模拟量输入范围：

0V～5V；

8）直流基本误差：

不超过额定值的±0.5%（外接温度变送器时，温度测量误差±2℃）。

5.10节点容量

1）出口跳合闸触点

在电压不大于250V，电流不大于1A，时间常数L/R为5ms±0.75ms的直流有感负荷电路中，触点断开容量为50W，长期允许通过电流不大于5A。

2）出口信号及其它触点

在电压不大于250V，电流不大于0.5A，时间常数L/R为5ms±0.75ms的直流有感负荷电路中，触点断开容量为20W，长期允许通过电流不大于3A。

第二章发电机实验系统

一、发电机实验系统概述

图2－1发电机及其保护的实验台面板图

发电机组主要由三相同步发电机部分、原动机部分（直流电动机）和测速机构成，并配有发电机保护装置WFB-821和WFB-822.原动机是一台2.2KW的直流电动机，其励磁为恒定电压180V。

通过原动机电枢调节旋钮调节电枢电压来改变电机出力，电枢电压是由市电220V交流电源通过可控硅整流再通过平波电抗器半波后供给的。

发电机为三相交流同步发电机，采用谐波励磁方式，定子铁芯上除了主绕组外，另有一套诣波绕组，经过三相桥式硅整流器整流后通入磁场绕组进行励磁。

由于三次诣波电压在电机负载时将相应增高，因此无需其他任何复杂电压自动调节器即可达到自激恒压功能。

并网之后发电机的功率可以通过原动机电枢调节旋钮来改变。

发电机对无穷大系统的功率角可以从功率角指示器中得到，功率角指示器原理说明见附录1。

图2－2发电机调速系统

图2－3发电机励磁系统

二、发电机的启动

首先合上漏电断路器，实验台面板上的停止灯亮。

通过网压切换开关切换到系统电压，观察系统电压表，若有异常，则需要检查进线。

通过系统电压表可以进行上电前的初步检测。

待系统电压正常后，按下实验台面板上的启动按钮，启动灯亮，原动机上电工作。

首先对原动机电枢进行调节，缓慢旋转实验台上电枢调节旋钮调节转子转速达到1500r/min（可以通过面板上的转速表观察），使电枢电压达到200V（允许有一定的误差），电枢电流为14.2A（允许有一定的误差）。

电动机与发电机是同轴连接，电动机转速稳定后，发电机也正常工作，通过实验台面板上的同步发电机励磁调节旋钮调节，使励磁电压达稳定,励磁电流稳定。

手动调节电枢电压和励磁电压，以提高学生的动手能力。

三、发电机的并网运行

同步发电机与电网并联运行时，必须避免在电网与发电机所组成的回路中产生大的冲击电流以及在发电机转轴上产生大的冲击转矩。

发电机与电网之间应满足以下三个条件：

电压相量相等、频率相等、相序相同。

在我们的实验设备是采用自动准同期或手动准同期来实现的，具体操作如下：

发电机组正常工作后，可以进行同期，同步发电机同期系统采用手动准同期与自动准同期两种方式，自动准同期装置采用微机自动准同期控制器实现，手动准同期通过手动调节‘同步发电机励磁调节旋钮’来调节励磁改变发电机输出电压，手动缓缓调节实验台面板上的‘原动机电枢调节旋钮’来调节电动机转速从而调节发电机输出电压频率，通过监测控制屏上的发电机输出电压表与电网电压表之间的电压差值，监测控制屏上的发电机输出电压信号频率（通过装在连轴器上的测速装置及转速表检测）与电网电压频率之差值，当两个差值很小时，选择在系统电压与发电机输出电压的相位角接近相等时刻（通过装设在控制屏上的同期表来判断），通过手动控制开关进行并列，手动准同期与自动准同期两种同期方式之间设置有同期方式切换开关。

自动准同期装置的微机自动准同期控制器具有对两侧电压的频差、电压差进行自动检测控制的功能。

微机自动准同期控制器显示面板上能够显示同步发电机的输出电压及频率，同时具有同期参数选择及设置功能，能够进行一些主要参数的测定（如断路器开关时间、合闸误差角等）。

自动准同期控制器面板上也设有手动合闸同期按钮开关，以备控制器故障时进行手动同期合闸，控制器具有通信接口，用于远方通信。

同步发电机的并列操作是在原动机启动操作，发电机励磁启动操作，无穷大电源投入操作以及输电线路开关投入操作等完成之后进行的，手动并列时也可以通过控制面板上的同期表来进行，根据同期表中的电压表指针偏转以及频率表指针偏转情况，手动调整发电机的励磁与转速，在观察到两侧相位角差接近于零时提前一个时间间隔进行手动合闸。

四、发电机的解列与停机

发电机的解列操作与开启操作是一个可逆的过程。

首先调节发电机的励磁和原动机的功率，使发电机输出的有功和无功功率为零，然后按下发电机的停止按钮和实验台面板上的“手跳闸”按钮，此时发电机已经系统解列。

然后通过实验台面板上的“灭磁试验”按钮进行灭磁，再缓慢调节原动机电枢调节旋钮，使发电机减速，逐渐停止转动，最后按下实验台上的停止按钮，断开三相漏电断路器即可。

实验台面板上设有网压切换开关，通过切换可以读到系统电压和发电机发出的不同相别电压。

转换开关为远方就地的转换，若配有监控系统，在监控站后台进行操作时将转换开关打到远方，而在实验台操做时需要打到就地位置。

保护装置下面的端子是各个保护的硬压板，做保护实验时，需要将正电接到对应端子上，保护硬压板才能投入，是保护动作的前提条件。

面板上的“开入+”端子正是我们所需要的正电，若将检修状态端子给上正电，此时装置保护不能动作，可以对装置进行硬件检修。

五、故障模拟

发电机组可以模拟的故障有：

Ø定子一点接地故障模拟实验

图2－4

通过实验台面板上的定子一点接地开关，点动后，定子一点接地发生，若保护装置中定子一点接地保护的软压板和硬压板投入，定值合理整定后，因定子一点接地产生基波零序电压，若大于保护装置中的整定值，则保护装置的定子一点接地保护动作，按照整定的时限动作于跳闸或信号。

Ø负载特性实验

图2－5

通过实验台面板上的负载特性实验开关，按下后为有载，若不按下则为空载状态；有载状态下可以进行不平衡电流、短路实验和过负荷实验。

Ø过负荷故障模拟实验

参考图2－5

在负载特性试验按钮按下的前提下，通过实验台面板上的过负荷实验开关，点动后，过负荷故障发生，若保护装置中过负荷保护的软压板和硬压板投入，定值合理整定后，保护装置的对应过负荷保护动作于跳闸。

Ø短路故障模拟实验

图2－6

并参考图2－6

在负载特性试验按钮按下的前提下，通过实验台面板上的短路实验开关，点动后，短路故障发生，若保护装置中过流保护的软压板和硬压板投入，定值合理整定后，保护装置的对应过流保护动作于跳闸。

Ø失磁故障模拟实验

图2－7

手动调节发电机励磁电压使其达到失磁保护的动作范围，或通过实验台面板上的失磁实验开关，点动后，回路失磁，若保护装置中失磁保护的软压板和硬压板投入，定值合理整定后，保护装置的失磁保护动作于跳闸。

Ø灭磁模拟实验

参考上图

通过实验台面板上的灭磁实验开关，点动后，回路磁性消失。

发电机的电流表和功率表指零。

Ø相间短路故障模拟实验

图2－8

通过实验台面板上的相间短路实验开关，点动后，相间短路故障发生，若保护装置中差动保护的软压板和硬压板投入，定值合理整定后，保护装置的差动保护动作于跳闸。

注：

保护动作后，对应各个保护的动作值在保护装置上都有记录显示，若有监控系统，那么监控台上也有各个保护动作信息的采集，另外，在进行一项实验时，应该将其他无关实验的软压板和硬压板退出。

六、保护装置介绍

（1）动作于跳闸出口的保护，配置有硬压板和软压板；动作于信号的保护只有软压板。

（2）保护动作指示灯说明：

所有动作于跳闸出口的保护动作时，装置面板上运行和跳闸指示灯同时点亮；所有动作于信号的保护动作时，装置面板上只有运行和告警指示灯点亮（电源插件上继电器出口时，需要控制跳线才能使对应的指示灯点亮）。

保护动作检查说明：

保护动作后，除了检查面板指示灯和保护动作报告是否正确之外，还要求检查保护的输出触点（跳闸和信号）是否正确动作。

对于跳闸的保护在保护动作后，应检查该保护对应的信号触点及出口跳闸触点；对于发信号的保护在保护动作后应检查该保护对应的信号触点。

Ø保护装置功能配置

实验台上配备的微机发电机保护装置有主保护WFB-821和后备保护WFB-822。

WFB-821的主要保护功能配置有：

发电机差动保护；TA断线；励磁变速断、过流保护；装置故障告警以及故障录波。

WFB-822装置的主要保护功能配置有：

速断（过流）保护；复压（记忆）过流保护；定子一点接地保护，转子一点接地保护；定子过负荷（定、反时限）保护；负序过流保护；过电压保护；失磁保护；TV断线保护；逆功率保护；调相失压保护；非电量类保护，装置故障告警。

Ø人机接口使用说明

●键盘与显示器

人机接口采用大屏幕320×240彩色液晶显示屏，显示屏下方有一个8键键盘（如下图），显示屏右侧还有一个复归键。

图2－9

键盘中各键功能如下：

↑键：

命令菜单选择，显示换行，或光标上移

↓键：

命令菜单选择，显示换行，或光标下移

→键：

光标右移

←键：

光标左移

+键：

数字增加选择

-键：

数字减小选择

退出键：

命令退出返回上级菜单或取消操作

确认键：

菜单执行及数据确认

复归键：

复归告警及动作信号

在装置上电或复位后，管理机将自动搜寻各个保护模块，并与管理机内的保护模块注册表进行比较，如果当前登记的模块是新插入的模块，则需通过键盘对此模块进行模块号设定。

▲注意：

在每次插入新模块后，必须对新模块进行模块号设定。

Ø主菜单

主菜单的树型目录结构

图2－10

在树型结构的每一级菜单中，按下“退出”键可以返回上一级菜单，按下“确认”键可以进入下一级菜单。

在菜单选项或显示数据过多的情况下将采用滚动显示的方法，显示屏的最右侧将出现“↑”和“↓”两个图标，按“↑”键及“↓”键使屏幕分别向上及向下滚动。

如果屏幕右侧只出现“↓”图标则表示本屏为滚动显示的第一屏，如只出现“↑”则表示本屏为滚动显示的最后一屏。

装置主菜单共有4个选项，包括运行、继保、厂家、帮助。

运行：

运行人员监视，其下的具体内容为：

浏览：

查看实时运行参数，按位、按硬压板查看开入量。

区号：

查看及修改定值区号。

压板：

查看及投退保护软压板。

报告：

查看保护动作报告及保护装置记录。

打印：

打印保护定值、保护实时运行参数、保护动作报告、装置记录、出口矩阵、故障波形、保护软压板、保护硬压板状态，终止当前打印及手动启动录波等。

密码：

修改系统密码。

时钟：

修改系统时钟。

继保：

继保维护操作，除了包括运行菜单中的浏览、区号、压板和打印外，还提供以下内容：

整定：

浏览及修改保护定值，定值区间复制定值。

报告：

清除保护动作报告、装置记录及保护录波记录。

传动：

按保护传动和按通道传动。

系统：

设置密码、时钟和通讯参数。

厂家：

厂家设置调试，除了包括继保菜单中的浏览、区号、打印、整定、报告、传动和系统外，还提供以下内容：

压板：

除按保护查看及投退软压板外，还可按模块统一投退软压板。

装置：

包括设置模块号码、校正通道系数、整定通道额定值及查看修改出口矩阵。

帮助：

查看帮助信息，包括装置版本及CRC码说明等。

附录1：

功率角指示器原理使用说明

同步发电机组装有功率角指示器装置，用它来测量发电机电势与系统电压之间的相角δ，及发电机转子相对位置角。

实验采用闪光测速原理来测量功角δ。

及在发电机轴上固定一个圆盘，根据发电机的极数是四，则在圆盘上画上相应数量的四箭头。

图2－11功率角指示器原理图

闪光灯采用普通日光灯管，日光灯管要在两端电压达到一定值时，才会放电发光，因此，加上交流电压时他便按交流电压的频率变化而闪光。

正常时，由于所加交流电压较高，闪光持续时间较长。

如果控制交流电压频率的幅值或使之波形变为尖峰波，则闪光持续时间较短，只有它在电压达到最大值瞬刻才闪光。

这样，日光灯管的闪光时刻便可以代表所施电压的相位，并且转盘箭头清晰。

另外闪光灯的电源使从“无穷大电源”取得的，所以闪光灯的频率就是系统频率，因为闪光灯是发闪的。

电压高时最亮，否则熄灭，因此一秒钟内有100个最亮点，100个最不亮点，当最亮时，人的眼睛能看到箭头，否则看不见。

如果电机旋转一周所需的时间与闪光灯两次闪光的间隔时间相等或整数倍，则箭头每次到达同一位置时便能看见它。

这样，我们便可看见箭头好像停在一个地方不动。

我们称此时发电机电源频率与无限大电源频率同步。

如果电机的旋转速度小于同步转速时，箭头如像往后倒退；反之，则似向前转。

每分钟向前转的转数表示每分钟大于同步转速的转数。

发电机与系统并网以后，发电机电势与系统电压的频率同相，功率角δ=0，此时箭头所指的位置，表示为δ=0的位置。

调整机架上的刻度盘，将零刻度值对准箭头，即为功角测量调零。

当增加发电机有功功率输出时，功角将增大到δ=δ0的值，即发电机电势超前系统电压的角度。

当箭头转到发电机电势为最大值的位置时，而系统电压尚未到达最大值，日光灯不闪光，所以看不到箭头，要等箭头再转一个角度后，电压U才达到最大值，即日光灯闪亮，我们便看见箭头指向新位置，这新的位置与原来的δ=0的位置间的夹角，便是功角δ0，刻度角都是按该发电机的电角度来刻划