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3. 安全自动装置的功能与分类
在电力系统中，安全自动装置是保障系统稳定运行的重要设备。它们能够根据
系统运行状态，自动采取措施，防止或减轻系统故障的影响，确保电力系统的
安全可靠运行。本节将详细介绍安全自动装置的主要功能及其分类。
3.1 安全自动装置的主要功能
安全自动装置的主要功能可以归纳为以下几个方面：
3.1.1 故障检测与判断
安全自动装置能够实时检测电力系统的运行状态，包括电压、电流、频率等参
数。一旦检测到系统异常或故障，装置能够迅速判断故障类型，并采取相应的
措施。例如，当检测到线路短路时，安全自动装置会迅速跳闸，断开故障线路，
防止故障扩大。
3.1.2 保护动作
保护动作是安全自动装置的核心功能之一。当检测到故障时，装置会根据预设
的保护逻辑，迅速采取动作，如跳闸、闭锁、告警等。这些动作有助于隔离故
障区域，保护设备免受损坏，确保系统的安全运行。
3.1.3 系统稳定控制
安全自动装置不仅能够检测和处理故障，还能在系统运行过程中实施稳定控制
措施。例如，当系统频率下降时，装置可以自动切除部分负荷，恢复系统的频
率稳定。此外，装置还可以通过调节发电机的出力，维持系统的电压水平。
3.1.4 信息采集与处理
安全自动装置需要采集大量的系统运行信息，包括各种电气参数和运行状态。
这些信息经过处理后，可用于故障检测、保护逻辑判断和系统稳定控制。信息
采集和处理的准确性直接影响装置的性能和可靠性。
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3.1.5 通信与监控
安全自动装置通常具备通信功能，可以与监控中心或其他设备进行数据交换。
通过通信网络，监控中心可以实时获取装置的运行状态和故障信息，进行远程
监控和管理。通信功能还支持装置之间的协调联动，提高系统的整体保护效果。
3.2 安全自动装置的分类
安全自动装置根据其功能和应用场合，可以分为以下几类：
3.2.1 继电器保护装置
继电器保护装置是最常见的安全自动装置之一。它们主要通过继电器的动作来
实现对电力系统的保护。继电器保护装置可以根据不同的保护逻辑，检测并处
理各种故障，如短路、过载、接地等。
3.2.1.1 短路保护继电器
短路保护继电器用于检测线路短路故障，并迅速跳闸以隔离故障区域。常见的
短路保护继电器有电流速断继电器、定时限过电流继电器等。
电流速断继电器
电流速断继电器是一种快速动作的保护装置，适用于线路短路故障的快速切除。
其原理是当检测到电流超过预设的速断定值时，继电器立即动作，跳闸断路器。
原理
电流速断继电器的工作原理基于电磁感应。当线路发生短路时，电流迅速增大，
继电器的电磁铁产生足够的吸引力，使继电器触点闭合，发出跳闸命令。
例程
以下是一个简单的电流速断继电器的仿真模型示例，使用 Python 和 Matplotlib
进行故障检测和动作模拟。
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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#
定义电流速断继电器的参数
class CurrentInstantaneousRelay:
def __init__(self, setting_value, time_delay=0.01):
"""
初始化电流速断继电器
:param setting_value:
速断定值
(A)
:param time_delay:
动作延时
(s)
"""
self.setting_value = setting_value
self.time_delay = time_delay
self.time_start = None
self.is_activated = False
def detect_fault(self, current, time):
"""
检测故障并判断是否跳闸
:param current:
当前电流
(A)
:param time:
当前时间
(s)
:return:
是否跳闸
"""
if current > self.setting_value:
if self.time_start is None:
self.time_start = time
if time - self.time_start >= self.time_delay:
self.is_activated = True
else:
self.time_start = None
self.is_activated = False
return self.is_activated
#
模拟故障电流
time = np.linspace(0, 1, 1000)
current = np.piecewise(time, [time < 0.5, time >= 0.5], [5, 10])
#
初始化电流速断继电器
relay = CurrentInstantaneousRelay(setting_value=7, time_delay=0.02)
#
模拟故障检测过程
trip_times = []
for t, i in zip(time, current):
if relay.detect_fault(i, t):
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trip_times.append(t)
#
绘制电流和跳闸时间
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(time, current, label='电流 (A)')
plt.axhline(y=relay.setting_value, color='r', linestyle='--', label='速断定值 (A)')
for t in trip_times:
plt.axvline(x=t, color='g', linestyle='--', label='跳闸时间 (s)')
plt.xlabel('时间 (s)')
plt.ylabel('电流 (A)')
plt.title('电流速断继电器故障检测与跳闸模拟')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()
3.2.2 低频减载装置
低频减载装置用于检测电力系统的频率下降，并自动切除部分负荷，以恢复系
统的频率稳定。当系统频率降至预设的低频定值时，减载装置会根据负荷的重
要性，选择性地切除负荷，防止系统频率进一步下降。
3.2.2.1 原理
低频减载装置的工作原理基于频率检测。当系统频率低于预设的定值时，装置
通过计算频率下降速率和持续时间，决定切除哪些负荷。通常，负荷被分为多
个等级，优先切除对系统影响较小的负荷。
3.2.2.2 例程
以下是一个低频减载装置的仿真模型示例，使用 Python 进行频率检测和负荷切
除模拟。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
#
定义低频减载装置的参数
class LowFrequencyLoadShedding:
def __init__(self, setting_value, time_delay=0.1):
"""
初始化低频减载装置
:param setting_value:
低频定值
(Hz)
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:param time_delay:
动作延时
(s)
"""
self.setting_value = setting_value
self.time_delay = time_delay
self.time_start = None
self.is_activated = False
def detect_fault(self, frequency, time):
"""
检测频率下降并判断是否切除负荷
:param frequency:
当前频率
(Hz)
:param time:
当前时间
(s)
:return:
是否切除负荷
"""
if frequency < self.setting_value:
if self.time_start is None:
self.time_start = time
if time - self.time_start >= self.time_delay:
self.is_activated = True
else:
self.time_start = None
self.is_activated = False
return self.is_activated
#
模拟系统频率下降
time = np.linspace(0, 1, 1000)
frequency = np.piecewise(time, [time < 0.5, time >= 0.5], [50, 49])
#
初始化低频减载装置
load_shedding = LowFrequencyLoadShedding(setting_value=49.5, time_delay=0.1)
#
模拟频率检测过程
shed_times = []
for t, f in zip(time, frequency):
if load_shedding.detect_fault(f, t):
shed_times.append(t)
#
绘制频率和负荷切除时间
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(time, frequency, label='频率 (Hz)')
plt.axhline(y=load_shedding.setting_value, color='r', linestyle='--', label='低频定值 (Hz)')
for t in shed_times:
plt.axvline(x=t, color='g', linestyle='--', label='负荷切除时间 (s)')
plt.xlabel('时间 (s)')
