微机保护--35KV输电线微机保护装置设计.doc
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1、课题名称:35KV输电线微机保护装置设计 学 院: 电气工程学院 专业班级: 姓 名: 学 号: 指导老师: 摘 要2第1章 绪论31.1研究的目的和意义31.2国内外发展情况4第2章 线路保护装置的原理与算法52.1 线路保护基本原理52.1.1 三段式过电流保护52.1.2 方向电流保护7第3章 系统硬件电路设计93.1 主控制器113.2 模拟量采样电路123.2.1 电流互感器123.2.2 电压互感器133.2.3 低通滤波电路133.2.4功率因数测量电路143.3 采集电路143.4 输出及报警电路143.4.1开关量输出电路143.4.2 报警电路143.5 LCD显示电路15
2、3.6 通讯电路153.7 供电电源153.7.1 微处理器供电电路153.7.2 放大器供电电路16第4章 系统软件设计174.1 软件系统构成174.2 监控系统设计174.2.1 监控系统实现的功能174.2.2 监控系统程序设计184.3 保护功能程序设计194.3.1 数据采集系统软件设计194.3.2 故障处理系统软件设计20结 论22参考文献23摘 要在电力系统中,输电线路是最重要的部分,因此,对输电线路的保护对于整个电力系统的稳定运行有非常重要的意义。继电保护装置是一种反映电力系统故障和不正常运行状态、并且作用于断路器跳闸和发出告警信号的设备,随着电力工业的发展和电压等级的不断
3、升高,对微机保护装置的要求也越来越高,继电保护装置是保证电力系统安全运行和提高电能质量的重要工具, 随着变电站综合自动化技术的发展及其推广应用,微机保护装置已成为电力部门的普遍要求。本文的主题是35KV线路保护装置设计,首先介绍了研究该装置的目的和意义、国内外的发展情况,并详细介绍了保护装置的原理与算法。随后,本文详细介绍了装置所采用的单片机(AT89C52)和各辅助芯片的功能作用,以及相关电路的设计。本装置硬件包括数据采集系统、开关量输出电路、键盘显示电路、通讯电路以及供电电源等。最后,针对本文的硬件编写了系统的软件部分,包括按键和液晶显示系统软件、串口通讯软件和保护功能程序软件,实现了对3
4、5KV线路的三段式过电流保护和方向电流保护功能。关键词 : 微机保护 线路保护 单片机 第1章 绪论线路是电力系统的命脉,也是最容易发生故障的环节。输电线路一旦发生故障,及时判断并进行故障排除,对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行意义重大1。微机型继电保护由于具有功能强、维护调试方便等一系列优点,自问世以来就受到普遍重视与欢迎,近年来更是在国内外得到广泛应用。由于输电线路保护在继电保护中具有重要地位,且随着超高压、长距离输电线路的发展,对输电线路保护的功能提出了更新更高的要求,加之输电线路保护本身具有的复杂功能和逻辑,使微机保护在输电线路保护这一领域获得了广泛应用2。1.1研究的目的和意义继
5、电保护装置是任何电力系统必不可少的组成部分,研制开发一套切合实际的微机继电保护装置,对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和故障的发生,有作极其重要的作用。由于输电线路保护在继电保护中具有重要地位,且随着超高压、长距离输电线路的发展,对输电线路保护的功能提出了更新更高的要求,加之输电线路保护本身具有复杂功能和逻辑,使微机保护在输电线路保护这一领域获得了广泛应用3。目前国内外应用于微机保护的处理器有单片机、DSP和嵌入式的处理器。其中,DSP由于其独特的算法处理功能而在最近的国内外市场上占有主导地位4。单片机是通过大规模集成电路技术将CPU、ROM、RAM等封装在一个芯片中,具有接口设
6、计简单、可靠性高、低功耗和性价比高的特点,从最初的8位单片机到16位、32位单片机的保护设计;从最初的单CPU到现在的多CPU,都在电力系统微机保护中得到了广泛的应用。总的来说,用单片机实现微机保护系统有以下几个优点:(1)单片机价格低廉,接1:3电路设计简单,扩展外围电路比较容易。(2)单片机主要面向控制领域,抗干扰能力强,可靠性比较高。(3)单片机技术基本已经成熟,可参考的例子和资料非常多,可以缩短开发周期5。1.2国内外发展情况微机型继电保护技术未来趋势是向计算机化、网络化、智能化及保护、控制、测量和数据通讯一体化发展。为了保证系统的安全稳定运行,这就要求各个继电保护及其自动装置共享全系
7、统的运行和故障信息数据,各个继电保护及其自动装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作,确保系统的安全稳定运行。实现这种功能的基本条件是将全系统继电保护及其自动装置用计算机网络连接起来,即实现继电保护及其自动装置的网络化。早在1965年,英国剑桥大学的P.G.Mclamr及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想,并发表了Sampling Techniques applied to derivation Letter的文章。1969年美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置。这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机保护装置,它具备了计算机保护的基本组成部分。但由于当
8、时微型机尚未出现,因此该保护装置是由一台小重庆大学工程硕士学位论文绪论型计算机实现的。70年代中期出现了单片微型计算机,微处理器和单片机的出现使计算机应用于电力系统继电保护更加成为现实。1979年,国际电子电气工程师学会教育委员会组织了一次世界性的计算机继电保护研修班,对20世纪70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流。到20世纪80年代中期计算机保护在电力系统中获得了广泛的应用8。第2章 线路保护装置的原理与算法本文首先介绍了35KV线路保护的基本原理,包括三段式电流保护和方向电流保护,随后介绍了傅氏算法的原理和特点,从精度、速度和系统的要求各方面综合考虑,最后选择全波傅氏算法作为
9、装置的算法。2.1 线路保护基本原理2.1.1 三段式过电流保护在输电线路中,特别是60kV及以下的线路上广泛采用电流电压保护,因其原理较简单而可靠性较高。与常规保护相同,微机电流保护也是设计成三段式的。I段是瞬时电流速断保护,II段是限时电流速断保护,III段是过电流保护,三段均可选择带方向线路保护或不带方向的馈线保护10。1. 瞬时电流速断保护(I段):(1)电流速断保护的特点:简单可靠,动作迅速,因而获得广泛应用;不能保护线路的全长。保护范围直接受系统运行方式变化的影响:系统运行方式变化很大时,速断保护可能没有保护范围;被保护线路的长度很短时,速断保护可能没有保护范围;没有保护范围时,需
10、采用其它性能更好的保护。2. 电流限时限速断保护(II段):(1)电流限时限速断保护的特点:切除本线路速断范围以外的故障,保护本线路的全长;作为速断的后备。(2)动作原理:保护范围延伸到下一条线路;为保证选择性,必须使保护的动作带有一定的时限;为了使动作时限尽量缩短,考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围;其动作时限比下一条线路的速断高出一个时间阶段 11 。3. 定时限过电流保护(III段):(1)定时限过电流保护的特点:保护本线路及相邻下条线路的全长;本线路I、II段保护的近后备(装置故障);相邻线路的保护的远后备(装置故障及开关失灵)。(2)工作原理:起动电流大于(躲开)最大负
11、荷电流;起动电流大于(躲开)最大自起动电流;保护定值不能保证选择性;为保证选择性,必须使保护的动作带有一定的时限;相邻线路动作时限配合关系:阶梯时限特性 12 。2.1.2 方向电流保护1. 电流保护的方向性问题:图2-1 电流保护方向性问题在双电源网络中,当线路L1上发生K1点短路时,装在线路L1两侧的保护1、2动作,使断路器QF1、QF2断开,将故障线路L1从电网中切除。故障线路切除后,接在A母线上的用户以及B、C、D母线上的用户,仍然由A侧电源和D侧电源分别继续供电。从而大大地提高了对用户供电的可靠性。但是,这种电网也给继电保护带来了新的问题。若将电流、电压保护直接用在这种电网中,靠动作
12、值和动作时限的配合,不能完全满足保护动作选择性的要求14。(1)瞬时电流速断保护的方向问题: 要满足选择性要求,保护动作电流要按A、B母线短路时流过保护安装时最大短路电流进行整定,若A母线短路电流大于B母线,与单侧电源线路相比,保护的整定值将被提高,灵敏度下降。(2)过电流保护的方向问题: 对于过电流保护,若不采取措施,将会发生无选择性误动作。图中对B母线两侧的保护2和3而言,当K1点短路时,为了保证选择性,要求T2T3;而当K2点短路时,又要求T3T2。显然,这两个要求是相互矛盾的。说明过电流保护在双侧电源的网络中无法满足选择性的要求。(3)分析: 在双侧电源网络中,短路电流是分别从2个电源
13、指向短路点,短路电流流经保护时有方向,如:线路L1的K1点发生短路时,右侧电源流经保护2的短路功率方向是由母线指向线路,而流经保护3的短路功率是由线路指向母线;当线路L2的K2点发生短路时,左侧电源流经保护2的短路功率方向是由线路指向母线,而流过保护3的短路功率方向是由母线指向线路。 若规定短路功率方向是由母线指向线路时,才能允许保护动作的话,则前叙的方向问题就可解决。可将该类网络视为2个独立的单电源供电网络,在保护的配合上不再考虑方向的影响。(4)结论: 从分析可看出,只有当短路功率的方向从母线指向线路时,保护动作才是有选择性的。若在过电流保护的基础上加装一个功率方向判别元件-功率方向元件,
14、 并且规定短路功率方向由母线指向线路为正方向。只有当线路中的短路功率方向与规定的正方向相同,保护才允许动作15。第3章 系统硬件电路设计图3-1 系统的总体结构框图 微机保护装置实际上是一个具有继电保护功能的计算机系统。当然应包括硬件和软件两部分。微机保护的硬件电路随所采用的单片机不同而有很大差别。另外,随所保护对象的不同在硬件上也有所不同。因此,微机保护装置具有一般微机系统的基本结构18。本设计是以AT89C52单片机为核心,采集量为三相电流与三相电压的数字型微机继电保护装置。将采集量通过电流互感器与电压互感器转变成小电流与低电压,再经过滤波电路、采样保持和A/D转换,将数字量传入单片机,与
15、输入的保护整定值进行比较,而后将结果经过通讯模块与上位机进行交流传输,从而决定继电气开关量的输出,并将结果通过数码管呈现给工作人员。(1)数据采集系统。模拟量输入通道为电流、电压信号,由于电流、电压为随时间变化的连续信号,而计算机只接收数字信号,因此需要将这种类型的模拟信号转变为数字信号,完成模拟量到数字量的转换。该系统包括电流、电压形成和模数转换模块,以完成模拟输入量准确转换为数字信号的功能。(2)数据处理系统(计算机系统)。计算机系统包括微处理器、存储器、随机存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序,对由数据采集系统输入至随机存储器中的数据进行分析处理,以完成各种
16、继电保护功能。(3)开关量输出通道。微机继电保护装置通过数字量输出实现对断路器等控制。开关量输出通道由若干并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成,完成各种保护出口跳闸、信号报警、外部触电输入及人机对话功能。(4)通讯接口。它包括通讯接口电路和接口,以实现多机通讯或联网。本设计采用以RS-485的通讯电路。(5)电源。电源的作用是将220V或110V交流电源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及放大器所需要的弱电电压,有12V、+5V等。3.1 主控制器AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes
17、的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用19。图3-2 AT89C52管脚图3.2 模拟量采样电路3.2.1 电流互感器1.电流互感器的作用:电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流,用来进行保护、测量等用途,如变比为400/5的电流互感器,可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。2.电流互感器的接线方式:a.一相式接线 b.两相不完全星形接线 c.两相电流差接线 d.三相完全星形接线
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- 微机 保护 35 KV 输电线 保护装置 设计
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