基于PLC的10kv630A电气装置的设计.docx
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基于PLC的10kv630A电气装置的设计
毕业设计任务书
一、目的和意义
该装置是厂（矿）变电站高压侧配电装置，主要通过PLC技术实现对电气线路的检测、控制和保护，并进行相关试验，有很强的实际应用价值。
二、设计要求
（一）技术要求
1.主回路应具备基本的短路、过电压保护；
2.控制回路要实现断路器通过电机合闸、电磁分闸（正常脱扣）、失压分闸；
3.整个线路通过PLC控制；
4.该装置通过电动分、合闸，可进行过载、短路、温度等试验。
（二）主要技术参数
1.主回路额定电压：
10KV额定电流：
630A
2.控制回路额定电压：
110V额定电流：
10A
（三）设计任务
1.主回路的设计
1）根据产品的使用场所，完成主回路的总的构架；
2）短路电流的计算；
3）元件的选型。
2.控制回路的设计
1）根据设计要求，完成控制回路的总的构架；
2）整流滤波电路的设计；
3）元件的选型；
4）总的控制回路的设计。
3.PLC控制电路的设计
1）PLC主模块的选取；
2）PLC控制电路的设计；
3）程序设计；
4）完成CAD制图。
三、设计成果
（一）字数在1万到1.2万之间
（二）必须完成一次线路的设计
（三）终端设备部分
1.完成信号的采集和处理线路的设计；
2.完成终端机与控制中心信息的传递。
（四）软件部分要有程序执行框图
（五）毕业设计须附图纸一张，为整个线路图
（六）完成终端设备的结构图
摘要
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。
三段式电流保护是10KV线路保护中较常用的保护方式。
本文首先介绍了三段式保护的基本原理及接线方式。
其次按照整定计算原则推导了三段式保护的动作值、灵敏度及时限整定等内容。
接着设计并制作了基于OMERON公司的CPM1A-40的线路保护装置一套，最后通过软硬件线路实现了10KV，630A的电气装置的设计。
本次设计所研究的三段式电流保护装置，具有动作可靠，选择性较好，功能较齐全等特点，它能够使各段保护相互配合，具有一定的应用前景。
关键词：
PLC；三段式电流保护；继电保护
ABSTRACT
PLCisaspecializedinindustrialenvironmentanddesignoftheapplicationoftheelectronicdevicedigitalcomputingoperations.Itusescanbuildprogramsmemory,Initsinternalstorageusedtoperformthelogicoperation,orderprocessing,timing,countingandarithmeticoperationinstruction,anddigitaloranalogthroughtheinputandoutput,thecontrolofthevarioustypesofmachineryortheproductionprocess.PLChasbeenusedwidelysteel,petroleum,chemicalindustry,electricpower,buildingmaterials,machinerymanufacturing,automotive,lighttextile,transportation,environmentalprotectionandculturalentertainment,etc,ithashighreliabilityandanti-interferenceabilitystrong,powerful,flexible,learn,iseasytouse,smallvolume,lightweight,pricecheapcharacteristics.
3-sectionalcurrentprotectionis10KVlinesintheprotectionofthemorecommonlyusedprotectionway.Thispaperfirstintroducedthebasicprincipleandthethree-stepprotectionwiringway.Secondlyaccordingtotheprincipleofsettingcalculationistastingtheactionofprotectionvalue,sensitivityandtimelimitsetting,etc.Then,designandproductionOMERONcompanybasedontheCPM1A-40ofthelineprotectiondeviceAset,finallythroughthesoftwareandhardwarecircuitrealized10KV,630Aelectricaldevicedesign.
Thedesignofthestudy3-sectionalcurrentprotectiondevice,withthereliable,selectivity,thefunctionismorecompleteandothercharacteristics,itcanmakeparagraphsprotectionandcooperatewitheachother,andhasacertainapplicationprospect.
Keywords:
PLC;Three-phasecurrentprotection;Relayprotection
前言
电力是现代工业生产的主要能源和动力。
电能既易于由其它形式的能量转换而来，也易于转换为其它形式的能量以供应用。
而电力系统的飞速发展也对继电保护不断提出新的要求。
但是，传统继电保护装置元件数量繁多，结构各异，运行控制复杂等，这就使电力系统在运行过程中容易出现故障不报或误报等不正常运行状态。
所以积极开发和应用新技术在电力系统继电保护之中就显得极为迫切。
PLC（ProgrammableLogicalController）因其具有的高可靠性，灵活性，性价比突出等诸多优点逐渐广泛地应用在各个工控环节之中。
本文就是以欧姆龙PLC作为控制平台，针对电力系统10KV,630A电力线路为监控对象，设计了整流回路、滤波回路、比较回路、接口回路等输入回路和声光报警及断路器动作输出回路等功能模块单元，并制作了实验保护装置一台，初步实现了研究对象的继电保护功能。
该装置通过软硬件联调试验证明信号输入可靠，逻辑判断合理，动作执行正确。
本次课题较紧密地结合现场实际，研究方法较为先进，具有一定的应用价值。
本次设计由于时间紧迫，本人水平有限，所以在论文中定会有不少错误，还请各位老师批评指正。
第一章绪论
1.1继电保护技术的发展和现状
继电保护技术的发展大致经历了四个过程:
即从电磁型、晶体管型（又称半导体型或分立元件型）、集成电路型到微机型。
利用计算机实现继电保护的设想早在20世纪60年代就己提出，但是由于当时技术和经济条件的限制，仅做了计算方法和程序结构等方面的理论探索，这些为微机保护的发展奠定了理论基础。
到了70年代初期，计算机制造技术出现了重大突破，使得以微处理器为核心的微型计算机进入了实用阶段。
到90年代的中后期，微机型继电保护装置己经开始在电力系统中得到广泛应用。
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年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。
50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的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的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的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的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。
因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。
这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的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的时代。
其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛坝500kV线路上，结束了500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代。
在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护己开始研究。
到90年代末集成电路保护己形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。
到90年代初集成电力自动化研究院研制的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的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条Z20kV和500kV线路上运行。
我国从70年代末己开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。
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、不同形式的微机保护装置。
1984年原华北电力学院研制的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的一页，为微机保护的推广开辟了道路。
在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、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的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的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的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、不同机型的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、工作可靠的继电保护装置。
随着微机保护装置的研究，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己进入了微机保护的时代。
随着计算机技术和通信技术以及各种新方法和新理论在继电保护中的广泛应用，微机保护技术未来的趋势是向网络化、综合自动化和智能化发展。
首先是微机保护处理器的发展。
从第一代单CPU硬件结构和第二代多单片机的多CPU硬件结构发展到以高性能单片机构成的第三代硬件结构。
近年来，数字信号处理DSP技术和32位ARM技术开始广泛应用与微机保护领域。
它们都具有计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大的特点。
极大地缩短了数字滤波、滤序和傅立叶变换算法的计算时间，在单板上能够完成数据采集、信号处理的功能。
在数据采集系统方面。
早期的微机保护装置采用逐次逼近式ADC，该系统使用芯片比较多，电路复杂，抗干扰性较差。
第二代微机保护采用电压/频率（VFC）式ADC，抗干扰能力强，容易实现与多单片机的多CPU接口。
现在由于以ANN为代表的人工智能技术和小波分析理论等逐步引入继电保护领域，对采样的速度和精度提出了更高的要求。
有的厂商生产出了能够同时采样多通道数据的ADC。
比如TI公司生产的ADS83fi4，它最高采样频率达到250kHz,16位分辨率，最少转换时间3.2ns，能进行6个通道同时采样，以及与多数微处理器兼容的并行接口。
在嵌入式软件编程方面，从最初流行的汇编语言和前后台程序架构，发展到以C,C++语言为主，结合C/OS-II,QNX,PSOS,等实时操作系统的新型架构，不但把广大编程人员从专注与复杂、难懂的汇编程序设计中解放出来，转而对保护算法和逻辑构造的研究，同时也给软件的维护、调试和添加功能模块带来便利。
从功能上来划分，微机保护装置可以分为6个部分：
1.模拟量输入系统（或称数据采集系统）；2继电功能回路（CPU主系统）；3.开关量输入输出回路；4.人机接口回路；5通信回路；6电源回路。
在继电保护算法方面。
目前广泛采用全波傅氏算法作为电力系统微机保护提取基波分量的算法。
全波傅氏算法能滤除所有整数次谐波分量，对非整数次谐波分量也有较大的抑制作用，且稳定性好，但需要的数据窗较长，要用到一周波数据才能完成参数计算，响应速度比较慢。
随着电力系统的不断发展，对保护的要求也越来越高，继电保护的性能都力求能适应各种运行方式和各种复杂故障，而传统的微机保护算法自适应能力有限，这就要求新的算法来满足这些要求。
人工智能包括人工神经网络、模糊控制、遗传算法等。
人工智能技术在电力变压器的故障诊断与保护中研究较多。
另外，目前传统的电力系统信号分析工具对稳态信号的分析是有效的，如快速Fourier变换、Kalman滤波等。
然而这些传统方法不适用于处理非稳态信号。
小波变换把一个信号波形分成不同尺度和位置的小波之和，可以方便地研究信号的动态特性，它在时域和频域同时具有良好的局部化特性，能灵活地调整时频窗的大小。
此外，它按频带而不是频点的方法处理信息，对信号的微小波动具有较强的鲁棒性。
因此小波分析与计算机相结合成为研究新一代微机保护装置的强有力工具。
目前，继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行。
微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性。
通过网络口将各个保护装置连接起来，共享全系统运行和故障的数据，各个保护单元和重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，可以大大提高全系统的安全稳定运行。
继电保护、操作控制和监测的集成化趋向称之为变电所等的综合自动化。
每个保护装置是一台多功能计算机，不但可以从网上获取电力系统运行和故障的信息，也可以将它获得的被保护元件的信息传送给网络控制中心或任一终端。
1.2本课题的主要内容
在60年代末，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想。
因当时小型计算机价格昂贵，难以在实用上采用，但由此开始了对继电保护计算机算法的大量研究，对后来微型计算机式保护的发展奠定了理论基础。
随着微处理器技术的迅速发展及其价格急剧下降，在70年代后半期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。
80年代微机保护在硬件结构和软件技术上已趋成熟，并已在一些国家推广应用，这就是第三代的静态继电保护装置。
微机保护具有巨大的计算，分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可以实现任何性能完善且复杂的保护原理。
微机保护可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高，此外，微机保护可用同一硬件实现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实现保护装置的标准化。
微机保护除了保护功能外，还可兼有故障录波，故障测距，事件顺序记录，和调度计算机交换信息等辅助功能，这对简化保护的调试，事故分析和事故后的处理等都有重大意义。
由于微机保护装置的巨大优越性和潜力，因而受到运行人员的欢迎，进入90年代以来，在我国得到大量应用，将成为继电保护装置的主要形式。
但是，由于单纯运用PC机来实现对工厂现场的控制存在较多缺陷和不稳定因素，如：
1，价格昂贵，经济性不好，不利于大规模推广2，抗干扰性能不强，易误动作3，输入，输出接口复杂等方面。
故我们提出了利用PLC的高可靠性与良好的经济性作为主控设备安装在工业现场，并利用PC机的良好人机界面与PLC进行远方联系来完成电力系统的电流保护。
因此，基于PLC的保护装置市场需求很大。
在本次设计中，可编程控制器PLC起的作用就是基本测控单元，用它来实现对电气线路的检测、控制和保护。
而如何让PLC接收到线路的信息是本次设计的关键，我们知道，PLC能接收到的信息是24V的开关量，而线路上运行的是10KV的交流量，因此，我们先要对数据信息进行采集，本次设计采用的是电流互感器加上变送器形成电压电路，然后对电路进行整流滤波，和电压给定值进行比较，最后把比较的信息传送给PLC，让PLC进行判断线路的故障。
在输出回路中，由于PLC不能直接和高压相连，必须通过中间继电器，然后把信息传送给断路器去执行。
根据RTU遥信，遥测功能实现上的差别，RTU主要存在以下几种实现方案：
1.直流采样方案
这类RTU采集遥测量的方法是先利用中间变送器将交流量转换成直流量，然后利用A/D转换装置将直流量转换成数字量。
由于采样的是整流后的直流量，所获得的数值难以反映交流电量的瞬时变化，不能用于谐波分析，由于变送器的存在，导致整套RTU装置成本高，体积大,使用方便性差。
扩充也比较困难。
然而直流采样方案的运算量不大，对硬件的快速性要求不高，因此，早期的RTU装置都采用直流采样方案。
2.交流采样方案
随着数字技术的发展及硬件性能的提高，在90年代初出现了交流采样方案的RTU装置。
在电力系统中采用交流采样，分布式，智能化的RTU的发展方向。
在交流采样方案中，RTU每点的信号都直接取自电流互感器，电压互感器及电线杆上的互感器，无需中间变送器。
采样速度快，反映的是交流电量的瞬时值，可以进行谐波分析，采样运算量大，采样元件的速度要求快，而计算机，电子技术的飞速发展正好迎合了这种要求。
因此，交流采样方案的RTU不仅体积小，成本也比较低廉。
由于条件的限制，采用直流采样方案。
第2章10KV继电保护原理
2.110KV系统中应配置的继电保护
按照工厂企业10KV供电系统的设计规范要求，在10KV的供电线路上一般应设置以下保护装置：
10KV线路应配置的继电保护
10KV线路一般均应装设过电流保护。
当过电流保护的时限不大于0.5s～0.7s,并没有保护配合上的要求时，可不装设电流速断保护；自重要的变配电所引出的线路应装设瞬时电流速断保护。
当瞬时电流速断保护不能满足选择性动作时，应装设略带时限的电流速断保护。
2.210KV系统中继电保护的配置现状
目前，一般企业高压供电系统中均为10KV系统。
除早期建设的10KV系统中，较多采用的是直流操作的定时限过电流保护和瞬时电流速断保护外，近些年来飞速建设的电网上一般均采用了环网或手车式高压开关柜，继电保护方式多为交流操作的反时限过电流保护装置。
很多重要企业为双路10KV电源、 高压母线分段但不联络或虽能联络但不能自动投入。
在系统供电的可靠性、故障响应的灵敏性、保护动作的选择性、切除故障的快速性以及运行方式的灵活性、运行人员的熟练性上都存在着一些急待解决的问题。
2.3继电保护的基本概念
2.3.110KV供电系统的几种运行状况
（1） 供电系统的正常运行
这种状况系指系统中各种设备或线路均在其额定状态下进行工作；各种信号、指示和仪表均工作在允许范围内的运行状况。
（2） 供电系统的故障
这种状况系指某些设备或线路出现了危及其本身或系统的安全运行，并有可能使事态进一步扩大的运行状况。
（3）供电系统的异常运行
这种状况系指系统的正常运行遭到了破坏，但尚未构成故障时的运行状况。
2.3.210KV供电系统继电保护装置的任务
（1） 在供电系统中运行正常时，它应能完整地、安全地监视各种设备的运行状况，为值班人员提供可靠的运行依据；
（2）如供电系统中发生故障时，它应能自动地、迅速地、有选择性地切除故障部分，保证非故障部分继续运行；
（3）当供电系统中出现异常运行工作状况时，它应能及时地、准确地发出信号或警报，通知值班人员尽快做出处理；
不难看出，在10KV系统中装设继电保护装置的主要作用是通过缩小事故范围或预报事故的发生，来达到提高系统运行的可靠性，并最大限度地保证供电的安全和不间断。
可以想象，在10KV系统中利用熔断器去完成上述任务是不能满足要求的。
因为熔断器的安秒特性不甚完善，熄灭高压电路中强烈电弧的能力不足，甚至有使故障进一步扩大的可能；同时还延长了停电的历时。
只有采用继电保护装置才是最完美的措施。
因此，在10KV系统中的继电保护装置就成了供电系统能否安全可靠运行的不可缺少的重要组成部分。
2.3.3 对继电保护装置的基本要求
对继电保护装置的基本要求有四点：
即选择性、灵敏性、速动性和可靠性。
（1） 选择性
当供电系统中发生故障时，继电保护装置应能有选择性地将故障部分切除。
也就是它应该首先断开距离故障点最近的断路器，以保证系统中其它非故障部分能继续正常运行。
系统中的继电保护装置能满足上述要求的，就称为有选择性；否则就称为没有选择性。
主保护和后备保护：
10KV供电系统中的电气设备和线路应装设短路故障保护。
短路故障保护应有主保护、后备保护，必要时可增设辅助保护。
当在系统中的同一地点或不同地点装有两套保护时，其中有一套动作比较快，而另一套动作比较慢，动作比较快的就称为主保护；而动作比较慢的就称为后备保护。
即：
为满足系统稳定和设备的要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护，就称为主保护；当主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护，就称为后备保护。
后备保护不应理解为次要保护，它同样是重要的。
后备保护不仅可以起到当主保护应该动作而未动作时的后备，还可以起到当主保护虽已动作但最终未能达到切除故障部分的作用。
除此之外，它还有另外的意义。
为了使快速动作的主保护实现选择性，从而就造成了主保护不能保护线路的全长,而只能保护线路的一部分。
也就是说，出现了保护的死区。
这一死区就必须利用后备保护来弥补不可。
辅助保护：
为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护，称为辅助保护。
（2） 灵敏性
灵敏性系指继电保护装置对故障和异常工作状况的反映能力。
在保护装置的保护范围内，不管短路点的位置如何、不论短路的性质怎样，保护装置均不应产生拒绝动作但在保护区外发生故障时,又不应该产生错误动作。
（3） 速动性
速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障。
缩短切除故障的时间，就可以减轻短路电流对电气设备的损坏程度，加快系统电压的恢复，从而为电气设备的自启动创造了有利条件，同时还提高了发电机并列运行的稳定性。
所谓故障的切除时间是指保护装置的动作时间与断路器的跳闸时间之和。
由于断路器一经选定，其跳闸时间就已确定，目前我国生产的断路器跳闸时间均在0.02S以下。
所以实现速动性的关键是选用的保护装置应能快速动作。
（4） 可靠性
保护装置应能正确的动作，并随时处于准备状态。
如不能满足可靠性的要求，保护装置反而成为了扩大事故或直接造成故障的根源。
为确保保护装置动作的可靠性，则要求保护装置的设计原理、整定计算、安装调试要正确无误；同时要求组成保护装置的各元件的质量要可靠、运行维护要得当、系统应尽可能的简化有效，以提高保护的可靠性。
2.4继电保护的基本原理
（1）电力系统故障的特点
电力系统中的故障种类很多，但最为常见、危害最大的应属各种类型的短路事故。
一旦出现短路故 障，就会伴随其产生三大特点。
即：
电流将急剧增大、电
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