10KV线路微机保护装置软件设计_毕业论文Word文档格式.doc
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目次
1绪论 1
1.1论文选题的背景及意义 1
1.2继电保护的国内外研究现状和发展趋势 1
1.3本设计的主要内容 2
2线路继电保护原理和算法 4
2.1继电保护装置的基本功能概述 4
2.2线路故障分类及其原因 5
2.3继电保护的原理与算法 6
3线路保护装置的算法分析与软件设计 13
3.1FIR数字滤波器的设计 13
3.2保护装置的采样算法 15
3.3主程序设计 17
3.4故障处理与A/D交流采样程序设计 18
3.5液晶显示程序设计 19
3.6键盘设计 22
4CDT规约及其设计 25
4.1电力系统通讯规约 25
4.2CDT规约及其设计 25
结论 30
参考文献 32
附录A滤波器算法程序代码 33
附录B微机保护傅氏算法程序 33
附录C键盘扫描程序 35
附录D液晶显示程序 36
附录ERS232串口通信程序(接收和发送) 42
44
1绪论
1.1论文选题的背景及意义
现代电力系统是一个巨大的统一的整体,系统中的装置以及用电设备都是由线路连接且都是开放设备。
继电保护的基本任务是:
当电力系统发生故障或异常工况时,在可能实现的最短时间和最小区域内,自动将故障设备从系统中切除,或发出信号由值班人员消除异常工况根源,以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
近年来随着微型计算机和微处理机的飞速发展,继电保护装置的计算速度不断加快,可靠性也大为提高。
微机继电保护的对象一般包括电动机、变压器和线路。
线路是电力系统重要的组成部分,但是由于线路容易受到周围环境以及自然灾害的影响下,其发生故障的可能性很大。
2008年冬季的冻灾当中,由于输电线路受损导致受灾省份供电一度中断,很多企业蒙受了经济损失尤其是对电力依赖较大的企业如电解铝厂,减产明显。
这次灾害体现了线路保护重要性。
1.2继电保护的国内外研究现状和发展趋势
我国继电保护技术进入微机保护时代以来,微机保护在电力系统的各个方面及各种电压等级上均有较大的发展,如线路保护、发电机保护、变压器保护、励磁调节系统。
1988年我国开始研究基于DSP的保护、控制、测量一体化微机装置。
采用32位微机芯片除了考虑精度之外,关键是32位微机芯片具有很高的集成度、工作频率和计算速度,同时芯片内部的寻址空间较大,外部的端口资源丰富,具有存储器管理功能、保护功能等,能够满足继电保护算法对芯片数据处理速度和精度的要求。
我国线路保护主保护在1994年推出LFP-901、WXH-15高频方向原理技术,线路保护主保护采用高频方向、高频距离原理。
由于光纤通道抗干扰能力强,解决了高频相差、高频距离很难解决的系统振荡、选相等问题,2000年以后,光纤电流差动保护成为我国线路主保护。
随着光互感器(光TA、光TV)的研究和推广使用,保护装置应能够适用于光互感器,国内目前开展了适用于光互感器的继电保护装置的研究。
自20世纪90年代中后期开始,国外著名继电保护制造商如GE、ABB等公司的产品就已经向保护测控装置网络化的方向发展,开始将网络设计思想引入装置内部硬件设计中。
ABB公司生产的数字式保护就是基于通用标准化硬件设计的理念,采用了B448C总线作为保护内部各模块之间通信的方式。
并且ABB公司于1998年推出的RE系列数字式保护装置就是具有代表性的网络化新一代继电保护装置。
现代继电保护装置的发展趋势是向微机化、网络化、智能化和功能一体化。
(1)微机控制化
电力系统对微机保护的要求不断提高,除了实现继电保护的基本功能外,还需要保护装置具有存放故障报告和各种电参量的存储空间、高速和准确的数据处理功能、可靠的通信能力以及与其它继电保护装置联网共享数据、信息的能力,能够运行C/C++等高级语言的程序代码。
(2)保护装置网络化
继电保护的作用是保护电力系统的安全稳定,能够及时判断电网出现的故障,启动相应的保护动作,这就要求每个保护单元都能共享运故障报告的数据,各个保护单元在分析这些数据的基础上动作,避免出现误动作或是拒动作。
这就要求继电保护装置实现网络化。
继电保护装置能够通过网络得到的故障信息越多,根据软件算法的分析,就能越准确地判断所发生故障的性质、位置和距离并启动保护动作。
(3)算法智能化
人工智能技术如神经网络、遗传算法等在电力系统各个领域都得到了应用。
神经网络是一种非线性映射的方法,很多传统方法难以求解的复杂的非线性问题,应用神经网络方法就能方便的解决。
其它智能化算法例如遗传算法、动态规划等方法也都各有特点,将这些算法相结合,可使求解的速度和准确度大幅提高。
(4)功能一体化
继电保护技术在实现了微机化、网络化和算法智能化后,继电保护装置实际上就成为一台高性能、多功能的计算机,可以从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据,通过智能化的算法对这些数据进行快速准确的分析并作出判断,生成故障报告,发出相应的保护动作指令,同时将存储的被保护器件的运行和故障数据通过网络传送到控制中心或其它终端。
1.3本设计的主要内容
本设计主要是针对10kV微机线路保护装置开发软件,分析了该保护装置的软件程序和通信方式。
本设计的主要内容如下:
1)绪论,主要介绍论文的背景和意义,国内外继电保护的研究现状以及微机线路继电保护的今后发展方向。
2)线路故障与微机保护原理分析,主要介绍线路保护的常见故障,对线路继电保护原理和故障判据进行了分析。
3)10KV微机线路保护的软件算法设计,主要分析了线路保护的常用算法并对保护装置的主要程序,如交流采样程序,显示程序,键盘程序等以流程图的形势表示出来。
4)10KV微机线路保护装置的通信设计,本设计采用的RS232通信接口,同时分析了CDT通信规约。
2线路继电保护原理和算法
10KV电网线路是重要的公用基础设施。
如何正确有效地判断、查找、处理配电线路故障,及时恢复供电非常重要。
2.1继电保护装置的基本功能概述
当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时,能够向运行值班人员及时发出警告信号,或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备,一般通称为继电保护装置。
2.1.1继电保护装置的主要作用
1)当被保护的电力系统元件发生故障时,应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令,使故障元件及时从电力系统中断开,以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏,降低对电力系统安全供电的影响,并满足电力系统的某些特定要求(如保持电力系统的暂态稳定性等)。
2)反应电气设备的不正常工作情况,并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人员)发出信号,以便值班人员进行处理,或由装置自动地进行调整,或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。
反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。
由此可见,继电保护装置直接关系到电力系统的安全运行。
不仅如此,设计、选用完善的继电保护装置,对于进一步提高供电质量也有很大作用。
例如,继电保护装置与自动重合闸、备用电源自投、故障点定位等装置的配合使用,可以大大缩短故障停电时间等。
但是,如果继电保护装置本身的质量不高或使用维护不当,不仅起不到积极作用,还会给电力系统的安全运行造成不利的影响。
2.1.2继电保护的基本原理和构成方式
继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功率、频率等)的变化,构成继电保护动作的原理,也有其他的物理量,如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。
大多数情况下,不管反应哪种物理量,继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、逻辑部分、执行部分。
2.1.3电力系统对继电保护的基本要求
继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求:
这四“性”之间紧密联系,既矛盾又统一。
1)可靠性是指保护装置该动作时可靠动作,不该动作时应可靠不动作。
可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。
2)选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障,当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时,才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。
为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件(如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件)的选择性,其灵敏系数及动作时间,在一般情况下应相互配合。
3)灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时,保护装置应具有必要的灵敏系数,各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。
选择性和灵敏性的要求,通过继电保护的整定实现。
4)速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障,其目的是提高系统稳定性,减轻故障设备和线路的损坏程度,缩小故障波及范围,提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。
一般从装设速动保护(如高频保护、差动保护)、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保护的作用、减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性。
当电力系统发生故障或出现不正常运行状态时,系统的电气参量将有显著变化。
例如:
电流增大,电压降低,以及电压与电流之间的相位角改变等。
继电保护装置就是通过测量这些参量的变化来反应故障并构成对电力系统的保护。
例如,反应电流增大的电流保护;
反应电压降低的电压保护;
反应电流增大及电压降低的阻抗保护等。
2.2线路故障分类及其原因
2.2.1线路常见故障分类
一般来说,l0kV线路常见故障包括:
1)短路故障:
短路故障分为2类:
第1类是线路瞬时性短路故障(断路器重合闸成功);
第2类是线路永久性短路故障(断路器重合闸不成功)。
短路故障中常见故障包括线路金属性短路故障;
跌落式熔断器、隔离开关弧光短路故障等。
2)接地故障:
接地故障分为线路瞬时接地故障和线路永久性接地故障。
2.2.2线路短路故障原因分析
造成线路短路故障原因包括:
1)线路金属性短路故障:
外力破坏造成故障,电缆上设备例如变压器、开关等被外力刮碰短路。
2)线路缺陷造成故障:
弧垂过大引起碰线或短路引起碰线。
3)线路引跳线断线弧光短路故障:
线路老化引起断线等。
4)跌落式熔断器、隔离开关弧光短路故障:
跌落式熔断器熔断引起熔管爆炸或拉弧引起相间弧光短路。
2.2.3线路接地故障原因分析
造成线路接地故障原因包括:
1)线路瞬时性接地故障:
外抛物或树木碰触导线引起单相接地;
线路绝缘子湿度高的天气出现对地闪络。
2)线路永久性接地故障:
线路隔离开关、跌落式熔断器因绝缘老化击穿引起;
线路绝缘子老化或存在缺陷击穿引起。
2.3继电保护的原理与算法
2.3.1过电流保护的原理与算法
当流过被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时,保护装置启动,并用时限保证动作的选择性,使断路器跳闸或给出报警信号,这种继电保护称为过电流保护。
(1)定时限过电流保护的原理
定时限过电流保护是指过电流保护的动作时限是固定的,与通过其上电流的大小无关。
1)当被保护线路中电流增大且超过整定值时,电流继电器启动,同时启动时间继电器,待时间继电器延时到预先整定时间,保护装置动作切除故障并报警。
2)定时限过电流保护在供电系统中多采用两相式。
(2)定时限过电流保护的原理接线
图2.1定时限过流保护原理图
由电流继电器1KA与2KA,时间继电器KT和信号继电器KS组成。
其中,1KA、2KA是测量元件,用来判断通过线路电流是否超过预设值;
KT为延时元件,它以适当的延时来保证装置动作有选择性;
KS用来发出保护动作的信号。
正常情况下,断路器QF闭合保护,保持正常供电,线路中流过正常电流,此时电流继电器不会启动。
当线路发生相间短路故障是,线路中流过的电流迅速增加,使电流继电器KA瞬时动作,启动时间继电器KT,经过延时,KT延时触点闭合,使串联的信号继电器(电流型)KS和中间继电器KM动作,KS触点闭合接通报警线路,KM触点闭合,接通跳闸线圈YR回路,使断路器QF跳闸,切除断路故障。
在断路故障切除后,继电保护装置除KS外的其他所有继电器都自动返回起始状态,而KS需手动复位。
图2.2定时限电流保护展开图
正常运行时,1KA、2KA、KT、KS的触点都是断开的,当被保护区故障或电流过大时,1KA和2KA动作,通过其触点启动时间继电器KT,经过预定的延时后,KT的触点闭合,将断路器QF的跳闸线圈YR接通,QF跳闸,同时起动了信号继电器KS,信号牌掉下,并接通灯光或音响信号。
这样不正常状态或故障被切除。
(3)定时限过电流保护动作电流整定
(2.1)
返回电流:
(2.2)
(2.3)
—可靠系数,一般取1.05-1.25。
—自动启动系数,一般取1.5-3。
(2.4)
(2.5)
—返回系数,DL型取0.85,用GL型0.80
1)为保证在正常情况下过电流保护绝对不动作,显然保护装置的起动电流必须整定得大于该线路上出现的最大负荷电流;
同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复,负荷自起动电流作用下保护装置必须能够返回,其返回电流应大于负荷自起动电流。
2)一般情况下,负荷自起动电流大于最大负荷电流,因此往往以负荷自起动电流决定过电流保护的启动电流。
2.3.2零序电流保护的原理与算法
(1)零序电流保护的原理
当电力系统出现不对称运行时,就要出现零序电流。
可以直接测到零序电流互感器输出的零序电流。
造成零序电流的故障包括接地故障,单相重合闸过程中的两相运行等。
零序分量具有以下特点:
1)故障点的零序电压最高为,距故障点越远处的零序电压越低,如图2.3所示。
图2.3零序电压分布图
2)由于零序电流是由零序电压产生的,因此零序电流的大小和相位由零序电压和中性点至故障点的零序阻抗决定即:
(2.6)
式(2.6)说明零序电流的分布主要决定于线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗。
零序III段保护的整定为:
1)零序过电流保护的动作电流应躲过本线路三相短路时的最大不平衡电流即:
(2.7)
是零序III段可靠系数,取1.2—1.3,为三相短路时最大不平衡电流。
2)与相邻线路零序111段保护进行配合,本段的灵敏度系数要小于下一段的灵敏度系数,如图2.4所示。
图2.4零序三段保护示意图
在图16中,零序电流的动作电流为:
(2.8)
为配合系数取1.1-1.2,为保护2零序III动作电流。
3)如果线路允许非全相运行,则动作电流应大丁非全相运行叫出现的零序电流。
(2.9)
为可靠系数,为非全相远行时的最大零序电流。
零序电流经过零序互感器可以直接取样获得,当3倍零序电流大于零序电流保护定值时,通过算法判断是否启动告警或是跳闸。
(2)零序电流保护的整定与算法
表2.1零序电流保护的整定
零序电流定值
零序电流时限
零序电流压板
零序电流跳闸
0.010s~100s
投入或退出
投入(跳闸)或退出(告警)
表2.1中零序电流保护时限整定范围0s—l00s,整定步长为0.01s,零序电流定值整定范围,整定步长为0.01。
零序电流保护逻辑框图如图2.5所示。
图2.5零序电流保护逻辑图
2.3.3瞬时电流速断保护
(1)工作原理
为了获得动作的快速性与保护的选择性,保护区范围不能超出全线范围。
如图所示,线路L1最大短路电流曲线用1表示,最小短路电流曲线用2表示,短路电流曲线与线路L1末端的交点用虚线表示。
考虑电流互感器的误差因素,为避免保护1在线路L2首端故障时误动作,保护1的动作电流应比最大短路电流曲线与线路L1交点对应的数值还要大一点,其动作值用Iop表示,Iop与最大短路电流曲线的交点为M,与最小短路电流曲线的交点用N表示。
故保护1的最大保护范围为A—M,最小保护范围为A—N。
瞬时电流速断保护,是反映电流升高而动作,是不带时限动作的一种保护,也称Ⅰ段保护。
图2.6瞬时电流速断保护原理图
图2.7单相原理接线图
(2)瞬时电流速断保护的构成
任何一套保护都是由测量部分、逻辑部分和执行部分构成,瞬时电流速断保护反应的物理量是电流,所以其测量部分是电流继电器;
依靠电流继电器的动作值来满足保护之间的配合要求,因此它的逻辑部分也是电流继电器,保护的任务是在被保护对象发生短路故障时起切出故障作用,因此它的执行部分包括信号继电器和中间继电器,信号继电器通过相应的信号回路发出音响和灯光信号,中间继电器则去驱动断路器操作机构完成跳闸动作。
(3)保护动作过程
被保护对象上发生短路故障,流入电流继电器的电流大于预先设定的数值(整定值),电流继电器动作,其接点立即闭合,从而接通中间继电器KM线圈的电压回路,中间继电器动作,KM的接点经过信号继电器线圈接通跳闸线圈YT的电压回路,QF实现跳闸,同时信号继电器KS的接点也动作,接通信号回路,发出相应的灯光、音响信号。
(4)瞬时速断保护的优缺点
瞬时速断保护动作速度快是其主要特点,有利于切除故障,保护设备安全。
但其保护范围要随运行方式的变化而变化,特别是在运行方式变化比较剧烈的情况下(引水式中小型水电站),甚至可能在最小运行方式下没有保护范围。
一般只能作为辅助保护使用。
3线路保护装置的算法分析与软件设计
3.1FIR数字滤波器的设计
3.1.1数字滤波器
(1)概述
数字滤波是由乘法器、加法器和单位延时器组成的一种运算过程,其功能是将输入的离散信号通过一定的运算处理后转变成另一组频谱结构不同的离散信号。
实现数字滤波的离散时间系统,其系统函数可用多种算法实现,各种算法又对应有各自不同的网络结构。
(2)FIR数字滤波器的结构
设h(n),n=0,1,2…N-1为滤波器的冲激响应,输入信号为x(n),则FIR滤波器就是要实现下列差分方:
(3.1)
式(3.1)中,y(n)为输出信号,即经过滤波之后的信号;
N为滤波器阶数。
FIR滤波器的最主要特点是没有反馈回路,因此是无条件稳定系统,其单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列。
由式(3.1)可见,FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算,不断地输入样本x(n),经延时做乘法累加,再输出滤波结果y(n)。
对式进行Z变换,整理后可得FIR滤波器的传递函数为:
(3.2)
FIR滤波器的一般结构如图3.1所示。
图3.1FIR滤波器结构图
3.1.2 FIR滤波器的C语言算法实现
由上述分析可知,FIR滤波器的算法实际上是一个乘累加运算。
在这个乘累加运算中,主要涉及到3个要素:
输入信号x(n)、冲击响应即滤波器系数h(n)和输出信号y(n)。
其中,x(n)和h(n)为已知,y(n)为待求。
(1)输入信号x(n)的获取
假设输入信号是频率为1000Hz和2500Hz的正弦波合成的波形,希望得到输入信号的256个抽样点,为了与整个系统保持一致,抽样频率fs规定为8000Hz。
利用C
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