110KV数字式线路保护装置毕业设计.doc
《110KV数字式线路保护装置毕业设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《110KV数字式线路保护装置毕业设计.doc（62页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
石河子大学本科毕业论文摘要周专
摘要
继电保护装置是一种反应电力系统故障和不正常运行状态，并动作于断路器跳闸和发出信号的设备。
而且，电力系统的规模在不断扩大，用户对电能质量的要求也在不断提高。
因此，对继电保护装置本身的要求也越来越高。
本文的主题是110kV线路保护装置的研究。
首先简要介绍了电力系统微机继电保护的发展历史、现状、技术特点及其发展方向。
在本装置设计中，距离继电器由正序电压极化，使其有很好的方向性；设计了低压距离继电器可以保证母线三相故障时继电器不可能失去方向性。
还对装置中采用的保护、采样算法进行了论述。
本文从软硬件两个方面着手，对110kV线路微机保护装置进行了设计。
它的硬件结构核心由80C296和ADSP2181组成，CPU完成装置的总启动元件和人机界面及后台通信功能，DSP完成所有的保护算法和逻辑功能，CPU内设总启动元件，启动后开放出口继电器正电源，使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。
本文还对装置进行了软件结构设计，对各个模块的功能作了具体介绍。
关键词：
微机保护；110Kv输电线路；数字信号处理（DSP）；微机保护算法
ii
石河子大学本科毕业论文Abstract周专
Abstract
ProtectiverelayistheoneofdevicestoresponsethefaultandabnormalofelectricpowersystemtosendoutsignalstotripCB.Withtheexpansionofthepowersystemandtheconsumerhigherrequirementforqualityofpowerenergy,theprotectionrelay'scriteriamustbeimprovedgreatlyanddevelopedtosatisfythehigherrequirement.
Thisthesisistheresearchof110kV-linecomputerbasesdprotectionrelay.Thispaperrecalledthehistory,thecurrentdevelopmentandfutureblueprintofcomputerrelayprotection.Inthispaper,itproposedthedistancerelaywithpositivesequencepolarizedvoltagewhichwillhavebetterfault-directionrecognization.Directionrecognizationalsocanbeeffectivewhenthreephasefaulttakesplasebecauseoflow-voltagerelayintroduction.Itisalsodiscussedprotectionalgorithminthethesis.
Thispaperdevelopeda110kvtransmissionlinecomputerbasedprotectionwithitshardwareandsoftwaredesigns.Thehardwareisdevelopedbymainchip80C296andADSP2181.TheCPUfullfelsrelaystart-up,MMIandcommunicationandtheDSPprocessesrelayalgorithmandlogicfunctions.Thestart-upfunctionintherealyistoenergizetriprelaypositivepoleofDCpowersupply.Theprotectionhasveryhighinherentreliabilityandsecurity.Thispaperdevelopedthesoftwareoftheequipment.Thesoftwarefunctionofeachblockhasbedetailed
Thepreventiontheinterventionofelectric-magneticisintroducedintherelay.Testingproveditsaccuracyandreliabilityinprinciple,algorithm,hardwareandsoftware.
Keywords:
Computerrelayprotection；110KVtransmissionline；DigitalSignalProcessing（DSP）
石河子大学本科毕业论文第一章绪论周专
62
石河子大学本科毕业论文目录周专
目录
第一章绪论 5
1.1电力系统微机保护的概述 5
1.2微机保护的特点 5
1.3微机保护的国内外研究概况与发展趋势 6
1.4本课题研究背景和意义 7
1.4.1本课题研究的背景 7
1.4.2本课题研究的意义 7
1.5本论文各章节的主要内容 8
第二章线路保护装置配置与原理分析 9
2.1引言 9
2.2110kV线路保护配置 9
2.2.1距离保护 10
2.2.2零序方向电流保护 10
2.2.3重合闸 11
2.3微机距离保护的原理与特点 11
2.3.1短路时母线残压计算的一般公式 12
2.3.2低压距离继电器 13
2.3.3接地距离继电器 16
2.3.4相间距离继电器 17
2.4零序方向过流保护的原理与特点 19
2.5振荡闭锁 19
2.5.1起动开放元件 19
2.5.2160ms后发生区内不对称故障开放元件 20
2.5.3对称故障开放元件 20
2.6双回线相继速动保护 22
2.7不对称相继速动保护 22
2.8重合闸 22
2.9本章小结 23
第三章线路微机保护的算法 24
3.1引言 24
3.2采样算法选择 24
3.2.1假定输入为正弦的算法—半周积分算法 24
3.2.2周期函数算法—傅氏算法 27
3.2.3快速傅立叶算法 28
3.3保护算法分析 30
3.3.1方向阻抗继电器算法 30
3.3.2零序方向继电器算法 30
3.4本章小结 31
第四章装置硬件设计 32
4.1引言 32
4.2硬件系统基本结构设计 32
4.3电源插件（DC） 33
4.4交流输入变换插件（AC） 33
4.5低通滤波插件（LPF） 34
4.6CPU插件（CPU） 34
4.6.180C296SA性能特点 35
4.6.2ADSP2181性能特点 35
4.6.3CPLD可编程逻辑设计 37
4.6.4CPU扩展电路设计 38
4.7系统复位电路 40
4.8通信插件（COM） 40
4.924V光耦隔离插件（OPT） 41
4.10继电器出口插件（OUT） 41
4.11显示面板（LCD） 42
4.12操作回路插件（SWI） 42
4.13本章小结 44
第五章装置软件设计 45
5.1引言 45
5.2保护程序结构 45
5.3主程序设计 46
5.4采样程序设计 48
5.5装置起动程序设计 49
5.5.1装置总起动元件 50
5.5.2保护起动元件 50
5.6正常运行程序设计 50
5.7故障运行程序设计 51
5.8本章小结 53
第六章总结和展望 54
致谢 55
参考文献 56
附录A：
装置保护功能实现逻辑 57
A.1距离保护方框图 57
A.2过流保护方框图 58
A.3跳闸逻辑方框图 59
A.4重合闸逻辑方框图 60
石河子大学本科毕业论文第三章线路微机保护的算法周专
第一章绪论
1.1电力系统微机保护的概述
电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效益，继电保护是组成电力系统必不可少的子系统，它承担着断开故障和支持电力系统安全运行的任务,在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。
继电保护装置除了在故障的很短时间内动作外，长期是不动作的。
因而被喻为电力系统的无声警卫。
因此装置的某些缺陷可能不被觉察，从而成为故障，是不正确动作的隐患。
微机保护的自我监测和监视功能可以消除这一隐患。
众所周知，对电网继电保护的基本性能要求，包括了可靠性、选择性、快速性和灵敏性。
所谓可靠性，是要求所配置的继电保护装置只能在事先规定需要它动作的情况下动作，在其他一切不需要它动作的情况下不动作。
在术语上，前者称之为可信赖性，后者称之为安全性或稳定性；继电保护的选择性要求，是期望能在电力元件发生故障时，又在靠近故障元件的继电保护装置断开故障；动作的快速性，对电网继电保护系统来说，重要在于快速跳闸对提高电网暂态稳定的作用；动作灵敏性要求，是出于保护装置可靠动作的需要。
这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。
继电保护的困难在于不仅要满足测量的精度，更重要的是在各种复杂的情况下都要能满足相互矛盾的四项要求，即“要正确动作，该动则动，不该动则不动。
”继电保护的正确动作取决于一系列的因素：
保护原理、装置的软硬件设计、产品质量、整定和调试、二次回路以及运行管理等。
1.2微机保护的特点
（l）维修调试方便：
相比较于过去大量使用的整流型继电保护装置，微机保护装置几乎可以不用调试，微机保护对硬件和软件都有自检功能，装置上电时，有故障就会立即报警，可以大大地减轻运行维护的工作量。
（2）可靠性高：
在各种保护方法中，考虑到了电力系统中的各种情况，具有很强的综合分析和判断能力。
微机系统运行时，可以不断进行自检，因此，可以立即检查出微机保护内部的大多数随机故障，而采取适当的纠正措施。
（3）易于获得各种附加功能：
由于计算机的通用性，因而在继电保护硬件的基础上，可以很方便地通过增加软件的方法获得保护之外的功能。
例如，保护的动作顺序记录，故障谐波分析，故障测距，低频减载等。
（4）保护性能易于改善：
对于相同的硬件，可以通过算法的不同，实现不同的保护。
这样，也就可以通过改善算法来不断完善保护性能，而不需要改动硬件。
通过软件算法的改善，可以较好地解决原有模拟继电保护装置无法解决的一些问题。
（5）便于远方监控：
目前的微机保护装置均设有通信接口，这样可以方便地将各地保护装置纳入变电站综合自动化系统，可以实现远方修改定值与投切保护装置。
（6）灵活性大：
目前，国内中低压变电站内不同一次设备的保护装置在硬件设计时，尽可能采用同样的设计方案。
而超高压电力系统保护装置若采用多CPU实现多种保护功能时，每块CPU模块的硬件设计也倾向于尽量相同。
由于保护的原理主要由软件决定，因此，只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，从而可灵活地适应电力系统发展对保护要求的变化，也减少了现场的维护工作量。
（7）经济性好：
微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，而电磁型继电器的价格在同一时期内却不断上升。
而且，微机保护装置是一个可编程序的装置，它可基于通用硬件实现多种保护功能，使硬件种类大大减少。
这样，在经济性方面也优于传统保护。
1.3微机保护的国内外研究概况与发展趋势
近四十年来，计算机技术发展日新月异，它的广泛应用给各行各业带来了翻天覆地的变化。
计算机技术也同样影响了继电保护技术的发展。
七十年代中、后期国外已有少数样机在电力系统中试运行，到八十年代初，各国都在这些方面继续做了很多努力，使计算机保护逐渐趋于实用。
我国对计算机保护的研究始于70年代后半期，开始是几个高等院校和水电部南京自动化研究所的一些继电保护工作者对国外计算机保护的发展作了广泛的介绍和综述分析。
70年代末至80年代初广泛地开展了各种算法以及样机的研制。
1984年，华北电力学院研制的第一套6809（CPU）为基础的距离保护样机投入试运行。
该年底在华中工学院召开了我国第一次计算机保护学术会议，标志着我国计算机保护的开发开始进入了重要的发展阶段。
90年代，南京电力自动化研究院将工频变化量方向继电器（1982年提出）在CKF、CKJ系列集成电路保护中的成功经验运用于计算机保护。
此后，各个厂家以80C196微控制器为控制核心相继研制了各自的线路保护，并在国内电力系统110kV～500kV线路中广泛运用，有代表的制造厂家有：
南瑞继保、南京电力自动化总厂、四方公司、许昌继电器厂等。
继电保护所应用元器件的发展，在一定程度上将推动继电保护技术的发展。
晶体管的出现推动了比相原理的发展，集成电路已具备了一定的计算功能，目前已广泛使用的微机保护，使继电保护步入了数字化的领域。
微机技术引入继电保护领域，扩展了继电保护装置的应用功能，基于微处理器的继电保护装置，具有一系列的特点：
可以集主保护、后备保护的完整功能于一身，大大简化了继电保护二次接线；远方通信功能，管理人员可以随时监测保护装置的运行状态、调用数据、改变定值，为现代化管理提供了必要的物质基础；自检功能，自动故障定位，及时发出警报，用备用插件置换故障部件，可以在实验室集中进行专业检修。
这一切都为提高保护装置的安全运行水平，显著地延长运行检测周期和减少运行检测项目提供了前提，同时也必将直接影响到专业人员的配置，从而大幅度的提高继电保护的管理水平和专业人员的劳动生产率。
目前，我国电力系统已大量采用的微机保护，大多采用80年代末期90年代初期推出的数字芯片，如Intel公司的80C196等。
新一代数字芯片的出现，特别是高速数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）以其高速、实时、低功耗和高集成度而得到大量的推广及应用，这必将引起继电保护新一轮的革命。
将高性能的微处理器应用于整个装置中，可以大大提高其运算速度，减少运算时间，这对电力系统继电保护来说也一个非常关键的问题。
1.4本课题研究背景和意义
1.4.1本课题研究的背景
在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系统的安全稳定运行提出了更高、更严格的要求。
零序电流保护、距离保护作为线路保护的基本组成部分，其工作性能对电力系统的安全稳定运行有着直接和重要的影响。
保护性能改善的一个重要方面是在确保其动作的可靠性和选择性的条件下，加快保护的动作速度。
目前，提高保护速度面临的主要问题是距离保护采用故障后的稳态基频分量，在实际故障信号中包含有大量非基频噪声信号的情况下，保护动作速度越快，基频分量的滤波精度越差。
为了适应现代高压电网稳定运行的要求，设计者们除了在软件上尽力简化算法和提高算法的效率，对硬件的要求也越来越高。
目前电力系统继电保护设备中最常用的微处理器包括51系列和96系列等控制型器件。
但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高以及新的保护算法的不断出现，这些器件在许多方面，特别是在计算能力、存储容量方面，已不能很好地适应电力系统的要求。
本课题将对上述问题进行探讨，从硬件和软件两方面对电力系统微机保护设备进行深入分析，并设计一套完整的微机保护装置。
1.4.2本课题研究的意义
随着电力工业的发展，高压输电网络的结构、用电负荷性质和用户对供电的要求都发生了很大的变化，这也对继电保护工作提出了越来越高的要求。
对系统保护性能和功能需求的不断提高，也是促使担任微机保护装置的处理器位数不断提升的主要原因之一。
采用高性能高位数的DSP+CPU处理器芯片构成微机保护装置，已经成为电力系统保护产品的发展趋势。
本设计正是顺应这一趋势，针对保护的要求以及处理器芯片的性能特点，选取了AD公司定点DSP芯片ADSP2181和INTEL公司的80C296作为本设计的核心处理器。
1.5本论文各章节的主要内容
本文深入研究了以正序电压为极化量的距离继电器，使其有了很大测量故障过渡电阻的能力。
针对出口三相短路难以区分故障正反向的问题提出的低压距离继电器可以有效地保证母线三相故障时继电器不失去方向性。
本装置选择半波积分算法和快速傅立叶算法两种不同算法作为故障信号分析和保护总启动用的算法。
从算法上保证了装置的可靠性。
本课题设计了一套结构简单、功能齐全、工作可靠的微机保护硬件系统。
硬件采用双CPU结构，微处理器的CPU采用80C296，信号处理的CPU采用ADSP2181。
把故障信号分析和装置总启动的器件分开，从硬件上保证了装置的可靠性。
针对保护功能，进行了程序设计。
以下本论文各章节的主要内容：
1．第一章绪论：
概述了电力系统继电保护，简要介绍了微机保护的国内外研究概况与发展趋势。
指出继电保护所应用元器件的发展，在一定程度上将推动继电保护技术的发展。
本文将利用新一代的数字芯片对110Kv线路保护进行设计。
2．第二章线路保护装置配置与原理分析：
介绍了110Kv线路保护装置的配置，详细阐述本文设计装置时所应用到的保护原理。
以正序为极化量的距离保护应用于线路保护具有很好的动作性能。
3．第三章线路微机保护的算法：
阐述了本装置用到的正弦函数模型算法、傅氏算法和快速傅立叶等采样算法。
介绍了方向阻抗继电器和零序方向继电器两种保护算法。
4．第四章装置硬件设计：
设计了一套结构简单、功能齐全、工作可靠的微机保护硬件系统。
采用80C296+DSP的结构，将主、后备保护集成在一块CPU板上，DSP和单片机独立采样，由DSP完成所有的数字滤波、保护算法和出口逻辑，由CPU完成装置的总启动元件和人机界面、后台通信及打印功能。
5．第五章装置软件设计：
对装置程序整体设计进行分析，针对保护功能，进行了程序设计，并详细分析了其基本实现过程。
6．第六章结论及展望：
对论文展开的工作进行总结，并对本装置有待改进的地方予以展望
第二章线路保护装置配置与原理分析
2.1引言
电力系统中的输电线路，应装设短路故障和异常运行保护装置。
线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。
主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护线路故障的保护。
后备保护是主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护，后备保护可分为近后备和远后备两种方式：
远后备是当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备；近后备是当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现的后备保护，或当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现的后备保护。
2.2110kV线路保护配置
继电保护的配置，从原则上来说，继电保护的配置应当满足两点最基本的要求：
1）任何电力设备和线路，不得在任何时候处于无继电保护的状态下运行。
2）任何电力设备和线路在运行中，必须在任何时候有两套完全独立的继电保护装置分别控制两台完全独立的断路器实现保护。
前一点要求极为简单明了，后一点则是前一点的具体体现。
特别需要强调的是“完全独立”的含义。
需要有两套保护装置分别控制两台断路器是为了可靠的实现备用。
目的是为了当任意一套保护装置或任意一台断路器拒绝动作时，能够有另一套保护装置或另一台断路器动作完全可靠的断开故障。
对于110kV及以下电压的电力网，基本上实现的是“远后备”，即当最邻近故障元件的断路器上配置的继电保护拒绝动作或断路器本身拒绝动作时，可以由电源侧上一级断路器处的继电保护装置动作断开故障。
这样就充分实现了“完全独立”，从而获得了完整意义上的后备保护。
对于110kV及以下电网，应当尽可能以辐射状网络方式运行，地区电源也应当以辐射线路接入联络变电所。
实行环状或双回线布置，但以开环或线路变压器组方式运行，这是应当遵循的原则。
根据规程要求，110kV线路保护包括完整的三段相间和接地距离保护、三段零序方向过流保护,用以切除相间短路、单相接地故障和满足系统稳定要求；装置包含了具有速动特性的单端保护（双回线相继速动和不对称相继速动）。
装置配有三相一次重合闸功能、过负荷告警功能；装置还带有跳合闸操作回路以及交流电压切换回路。
众所周知，输电线的故障有单相短路接地故障、两相短路接地和不接地故障及三相短路故障等10种。
单相短路故障的几率最多，其次是两相接地短路。
两者合计约占输电线路故障总数的90%。
接地故障用零序电流保护、接地距离保护可以满足要求。
两相短路不接地故障的几率很小，约占2%～3%，其原因多半是由于两导线受风吹而摆动的频率不等造成的，三相短路基本都是不接地的，相间距离保护可以有效切除故障。
输电线路故障不外是绝缘下降和雷电造成的。
在我国110kV线路上通常有避雷线，所以故障时接地电阻一般小于5欧姆、单相经高电阻接地发生在树枝生长导致导线经树枝对地放电时，接地电阻往往很大，这时由后备保护切除故障。
远后备保护的关键在于避开负荷状态。
对于接地故障用零序电流保护可以取得满意的结果；对于相间故障都用阻抗继电器实现。
2.2.1距离保护
距离保护根据测量阻抗的大小，反应故障点的远近，故称距离保护。
同时，由于它是反应阻抗参数而工作的，又称为阻抗保护。
距离保护在任何复杂形式的电网中都可有选择性的切除故障，而且具有足够的灵敏性和快速性，因此在高压及超高压线路中获得了最广泛的应用。
该装置设置了完整的三段相间和接地距离保护。
距离继电器是距离保护的主要测量元件，应满足以下要求：
1）在被保护线路上发生直接短路时继电器的测量阻抗应正比于母线与短路点间的距离。
2）在正方向区外故障时不应超越动作。
超越有暂态超越和稳态超越两种。
暂态超越是由短路的暂态分量引起的，继电器仅短时动作，一旦暂态分量衰减继电器就返回。
稳态超越是由短路处的过渡电阻引起的。
3）应有明确的方向性。
正方向出口短路时无死区，反方向短路时不应误动作。
4）在区内经达过渡电阻短路时应仍能灵敏的动作（又称动作特性能覆盖大过渡电阻），但这主要是接地距离继电器要考虑的问题。
5）在最小负荷阻抗下不动作。
6）不受系统振荡的影响。
第一条在2.3.1中将作详细说明（残压计算）；第二、三、四条在分析各阻抗继电器动作特性时将重点分析；第五条将由负荷限制电抗继电器实现；第六条在讨论振荡闭锁时得以体现。
2.2.2零序方向电流保护
110kV电网都采用中性点直接接地方式。
在这类电网中发生接地短路（单相接地短路或两相接地短路）时，往往有很大的短路电流经过电网和接地故障处，阶段式零序电流保护能准确、有效地切除故障几率占到90%的接地故障，因此在110
升级会员 