中压配电网微机线路保护原理分析程序设计

毕业设计论文题目中压配电网微机线路保护原理分析程序设计学院电气与信息工程学院专业电气工程及其自动化姓名学号指导老师刘娜完成时间2013529摘要本次毕业设计以10KV馈线为例，介绍了中压配电网线路的微机保护，并进行了相关的原理分析和程序设计。同时根据继电保护的配置原理，对所选择的保护进行整定和灵敏性校验，确定方案中的保护。设计分为五个章节。第一章为设计的基础，主要介绍了微机保护的形成、发展、装置特点及与传统继电保护装置的对比；第二章为微机保护的硬件结构分析，包括数据采集系统、开关量等，并对微型机主系统进行了简要的介绍；第三章为微机保护的算法分析；第四章是保护方案的选择（电流保护，自动重合闸），包括整定计算及灵敏性校验；第五章是流程图及程序设计，程序的优化等。关键词中压配电网、电流保护、微机保护、算法、程序设计ABSTRACTTHEGRADUATIONDESIGNWITH10KVFEEDERASANEXAMPLE,INTRODUCESTHEMICROCOMPUTEROFMEDIUMVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORKLINEPROTECTION,ANDHASCARRIEDONTHERELATEDTHEORYANALYSISANDPROGRAMDESIGNACCORDINGTOTHEPRINCIPLEOFTHERELAYPROTECTIONCONFIGURATIONATTHESAMETIME,THECHOICEOFPROTECTIONSETTINGANDSENSITIVITYCHECK,DETERMINETHESCHEMEOFPROTECTIONDESIGNISDIVIDEDINTOFIVECHAPTERSFIRSTCHAPTERFORTHEDESIGNOFFOUNDATION,MAINLYINTRODUCESTHEFORMATIONANDDEVELOPMENTOFMICROCOMPUTERPROTECTION,ANDDEVICECHARACTERISTICSANDWITHTHECONTRASTOFTRADITIONALRELAYPROTECTIONDEVICECHAPTER2ASTHEHARDWARESTRUCTUREOFTHEMICROCOMPUTERPROTECTIONANALYSIS,INCLUDINGTHEAMOUNTOFDATAACQUISITIONSYSTEM,SWITCH,ETC,ANDTHEMINIATUREMACHINELORDSYSTEMWASBRIEFLYINTRODUCEDTHETHIRDCHAPTERFORTHEMICROCOMPUTERPROTECTIONALGORITHMANALYSISTHEFOURTHCHAPTERISTOPROTECTTHESCHEMECURRENTPROTECTION,AUTOMATICRECLOSING,INCLUDINGSETTINGCALCULATIONANDSENSITIVITYCALIBRATIONCHAPTERVISTHEFLOWCHARTANDPROGRAMDESIGN,PROGRAMOPTIMIZATION,ETCKEYWORDSMEDIUMVOLTAGEDISTRIBUTIONNETWORK,CURRENTPROTECTION，MICROCOMPUTERPROTECTION,ALGORITHM,PROGRAMDESIGNING目录摘要IABSTRACTII目录III1绪论111微机保护的概述112微机保护与传统继电保护的对比分析213微机继电保护装置特点314研究本课题的意义42微机保护的硬件结构分析521硬件结构概述522数据采集系统（模拟量输入系统）6221电压形成回路6222采样保持电路和滤波器8223模拟量多路转换开关（MPX）9224模数转换器10225VFC数据采集系统1123微型机主系统1324开关量（或数字量）输入/输出系统14241光电耦合器14242开关量输入回路15243开关量输出回路153微机保护的算法分析1731算法的概念及分类1732算法的评价指标1733采样算法介绍18331两点乘积算法18332突变量电流算法18333傅里叶级数算法20334RL模型算法2134算法的选择224中压配电网线路电流保护的整定及自动重合闸2341整定方案2342相间短路的电流保护23421电流速断保护23422限时电流速断保护26423定时限过电流保护2843自动重合闸31431自动重合闸的概念31432对自动重合重闸的基本要求31433三相一次重合闸3144单相接地的零序保护325电流保护的程序设计3351程序流程的概念及基本结构3352中断的概念及作用34521中断的概念34522中断的作用3453电流保护流程图35531系统程序流程36532中断服务程序的流程37533系统程序和中断服务程序的关系3854提高电流保护的灵敏度39541提高电流保护的灵敏度的方法39542提高电流保护的灵敏度的程序4155中断服务程序4256启动元件44561电流突变量和相电流稳态量44562突变量及稳态量启动子程序45总结48参考文献49致谢50附录511绪论11微机保护的概述计算机技术的飞速发展，给科学技术、生产和生活方式带来了巨大的变化，在继电保护领域也不例外，微机保护正是随着计算机技术的发展逐步发展起来的。继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。早在1965年，英国剑桥大学的PGMCLAMR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SAMPLINGTECHNIQUEAPPLIEDTODERIVATIONLETTER的文章。1967年澳大利亚新南威尔士大学的LFMORRISON预测了输电线路计算机控制的前景2。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。但由于当时微型机尚未出现，因此该保护装置是由一台小型计算机实现的。在整个70年代，各国的专家学者围绕算法理论作了大量的工作，为计算机继电保护的发展奠定了比较完整和牢固的基础。经过80年代的继续努力，现在计算机保护的算法己比较完善和成熟。到70年代末期，出现了一批功能足够强的微型机，价格也大幅度降低，具备了用一台微型机来完成一个电气设备保护功能的条件。同时还可以设置多重化的硬件，用几台微型机互为备用构成一个电气设备的保护装置，从而大大提高了可靠性。由于微机保护具有优良的动作特性，它的发展非常迅速，应用也十分广泛。在高压输电线路保护上使用微机保护装置，已经成为目前的一种标准保护配置方案。其他元件微机保护的发展也非常迅速，应用领域也在不断扩大。微机保护不但能够实现传统保护无法实现的更为复杂和优良的保护性能，而且运行维护更为简单，更重要的是其动作可靠性大大优于传统保护。由于计算机技术的不断发展，微机保护的性能价格比也在不断提高。目前，微机保护除了在高压、超高压电网中广泛使用外，也广泛应用于中低压输配电网络中。在我国，计算机继电保护技术的研究和开发起步比较晚，比先进国家大约延后10年，但进展却很快。国内自1979年开始微机继电保护的研究工作，首先在各高校和一些科研单位开展了微机保护的研究工作，1984年4月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP1型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置。以多个8位单片机组成的多微机系统。以16位单片机组成的多微机系统。由于我国继电保护工作者的努力，到目前为止，计算机继电保护特别是输电线路的微机保护己达到了大量采用的程度。输电线路的微机保护从用于500KV系统的保护装置到用于10KV线路的微机保护装置均有相应得产品，近年来，发电机、变压器以及大型发电机变压器组和母线的微机保护也相继研究成功，己投入使用。据2001年全国电力系统继电保护动作情况的统计数据，2001年我国220KV以上电网的继电保护动的正确动作率达到9913，元件保护的正确动作率达到了903。这些成果无疑与微机保护的成功应用分不开。12微机保护与传统继电保护的对比分析电力系统继电保护的基本任务是自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；反应电气设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳闸。为此，首先要取得与被保护电气设备有关的信息，根据这些信息，按不同的原理，进行综合和逻辑判断，最后做出抉择，并付诸执行。所以，继电保护的基本结构大致上可以分为三部分信息获取与初步加工；信息的综合、分析与逻辑加工、决断；决断结果的执行。信息要通过电压、电流传送，有时还通过一些开关量传递。早期，在机电型继电器中，电流电压直接加到继电器的测量机构，变换成机械力，然后在机械力的层次上进行比较判别，中间并不需设置其他的变换、隔离等环节。随着电子技术的引入，为了适应电子器件的弱信号的要求，在电流互感器、电压互感器与电子电路之间要求设置一些传变环节。通常使用所谓的电流变换器、电压变换器以及电抗变换器等等。在晶体管型继电保护、整流型继电保护以及集成电路型继电保护中都采用类似的变换环节，其间并没有本质的差别，这些环节，可以称为“信息预处理”环节。由于计算机是数字电路，其工作电平比集成电路的工作电平还低，因此，计算机继电保护同样也需要设置信息预处理环节，需要隔离屏蔽、变换电平等等处理。在这个问题上计算机保护与原来的模拟式保护是一致的。换言之，在这个问题上，模拟式保护的一些经验也是适用于计算机保护的。继电保护的主要任务是操作、控制与被保护电气设备有关的断路器，使发生故障的电气设备迅速与电力系统分隔离开来，最大限度地减轻故障对电力系统的影响，减轻故障设备的损坏程度。这种操作是通过控制跳闸线圈实现的，也就是给线圈通入电流实现的。电流可以由接点控制，也可以由无接点的半导体器件控制。出于可靠性的考虑，目前基本上仍是采用有接点的小型中间继电器，组成必要的出口逻辑。这个方面计算机继电保护与传统继电保护也是基本一致的。微机继电保护与传统继电保护的根本区别是在中间部分，即信息的综合、分析与逻辑加工、判断环节。区别主要是在于实现上述功能的手段不同。传统继电保护是靠模拟电路（或继电器元件）的构成来实现的，即用模拟电路实现各种电量的加、减、乘、除和延时与逻辑组合需求。而计算机保护，即数字式继电保护却是用数字技术进行数值（包括逻辑）运算来实现上述功能的。计算机上的数字和逻辑运算是通过软件进行的，即这些运算要通过预先按一定的规则（语言）制定的计算程序进行的。这是与模拟式继电保护截然不同的工作模式。也就是说，微机继电保护是由“硬件”和“软件”两部分组成的，硬件是实现继电保护功能的基础，而继电保护原理是直接由软件，即由计算机程序实现的，程序的不同可以实现不同的原理，程序的好坏、正确与错误都直接影响继电保护性能的优劣、正确或错误。因此，微机保护的实质就是以微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的具有继电保护功能的自动化安全装置。13微机继电保护装置特点微机保护主要有以下特点（1）性能稳定、可靠性高。机械型继电器的运动机构可能失灵，触点可能接触不良，模拟式静态继电器的元器件可能有故障，而微机保护中的功能是由软件实现的，没有上述缺陷。批量生产的保护装置程序相同，各功能的特性一致，不受温度等条件的影响，所以性能稳定。而且微机保护装置在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动。另外它还有自诊断能力，能够自动监测出本身软硬件的异常并报警，因而大大提高了装置的可靠性。（2）逻辑判断清楚、正确。机械型保护由触点构成逻辑回路，模拟式静态保护由门电路构成逻辑回路，微机继电保护中主要由程序作逻辑判断。前两者逻辑依赖电路实现，不符合人的思维逻辑，而且从硬件上看环节多，易出错，不可靠。而在微机继电保护中功能均由软件完成，程序语句表达的逻辑完全符合人的思维，十分自然简单。一般错误均能在程序调试和动模试验中发现，并得以纠正。所以无论保护如何复杂，许多功能之间的复杂逻辑关系都编制在一个程序之中，都能正确反映设计思想，不会出错，并且程序被正确地复制到成批生产的各套保护装置之中。（3）维护调试方便。由于微机保护装置的硬件结构原理大致相同，各种复杂的功能是通过软件来实现的，所以也可以编制相应的软件来简化调试工作。而且微机保护装置大都具有自诊断功能，一旦发现异常会自动报警，所以只要装置没有报警，就可认为装置是完好的，从而大大减轻运行维护的工作量。（4）灵活性大。由于微机保护装置的特性主要由软件决定，因此只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，所以能灵活地适应电力系统运行方式的变化。（5）易于获得附加功能。应用微处理器后，如果配置打印机，或者其它显示设备，就可以在系统发生故障后提供多种信息。（6）保护性能得到很好改善。由于微机的应用，使很多原有形式的继电保护中存在的技术问题可找到新的解决方法。当然，与传统的模拟式保护相比，微机保护也存在不少缺点，如与传统的保护有根本性的背离；对硬件和软件都要求高度可靠；硬件很快变成过时等。14研究本课题的意义中压配电网（KV）是电力系统的一部分，是企业供电的重要组成部分。106它能否安全、稳定、可靠地运行，不但直接关系到企业用电的畅通，而且涉及到电力系统能否正常的运行。因此要全面地理解和执行地区电业部门的有关标准和规程以及相应的国家标准和规范。中压配电系统中包含着一次系统和二次系统。一次系统比较简单、更为直观，在考虑和设置上较为容易，而二次系统相对较为复杂，并且包括了大量的继电保护装置、自动装置和二次回路。所谓继电保护装置就是在供电系统中用来对一次系统进行监视、测量、控制和保护，由继电器来组成的一套专门的自动装置。为了确保10KV供电系统的正常运行，必须正确合理地设置继电保护装置。A/DMPUFLASHRAM定时器出口电路并行接口电压形成LPFS/H人机对话电压形成LPFS/H串行接口光电隔离多路转换开关MPX模拟量输入由TA和TV二次侧来光电隔离通信开关量输出（跳闸、信号）开关量输入打印机数据采集系统微型机系统输入/输出系统采样脉冲总线2微机保护的硬件结构分析21硬件结构概述微机保护的硬件一般包括三大部分数据采集系统（模拟量输入系统）。包括电压形成、模拟滤波、采样保持S/H、多路转换MPX以及模数转换A/D等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为微型机能够识别的数字量。微型机主系统。微型机主系统包括微处理器MPU、只读存储器ROM或闪存内存单元FLASH、随机存取存储器RAM、定时器、并行接口以及串行接口等。微型机执行编制好的程序，对输入至RAM区的原始数据进行分析、处理，完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能。开关量输入/输出系统。开关量输入/输出系统由微型机的并行接口（PIA或PIO）、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号、外部触点输入、人机对话及通信等功能。图21微机保护硬件结构示意框图目前，随着集成电路技术的不断发展，已有许多单一芯片将微处理器、只读存储器、随机存取存储器、时钟、模数转换器（A/D）、并行接口、闪存单元（FLASH）、DSP、通信接口等多种功能集成与一个芯片内，构成了功能齐全的单片机微型机系统，为微机保护的硬件设计提供了更多选择。此外，还出现了芯片对外连线没有了任何数据总线、地址总线和控制总线的微型机，实现了“总线不出芯片”的设计，有利于与提高微机保护设备的可靠性和抗干扰能力。22数据采集系统（模拟量输入系统）模拟量输入电路的结构框图如图22所示。主要包括电压形成回路、采样保持电路和滤波器、模拟量多路转换开关及模数转换器等部分。下面分别叙述这几个部分的工作原理及作用。电压形成电压形成低通滤波器低通滤波器采样保持器采样保持器多路转换开关模数转换器主机模拟量输入（电压、电流等）图22模拟量输入电路结构框图221电压形成回路继电保护动作与否的判据来自被保护的电力线路或设备上的电气参数，例如电流、电压等，这些原始模拟量的数值一般都非常大，其数量级可能为千伏或千安级等。为了保障设备安全和人身安全，需要降低和变换原始模拟量数值。在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为5V或10V范围内的电压信号，因此，一般采用中间变换器来实现以上变换。交流电压信号可以采用电压变换器；而将交流电流信号变换为成比例的电压信号，可以采用电抗变换器或电流变换器，两者各有优缺点。输入电压的电压形成回路，即通过电压变换器实现。输入电流的电压形成回路（有以下2种方法实现）1）电抗变换器。电抗变换器具有阻止直流、放大高频分量的作用，因此当一次流过非正弦电流时，其二次电压波形将发生严重的畸变，这是不希望的。电抗变换器的优点是线性范围较大，铁芯不易饱和，有移相作用；另外，其抑制非周期分量的作用在某些应用中也可能成为优点。2）电流变换器。电流变换器的最大优点是，只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的传变可使原信息不失真。这点对微机保护是很重要的，因为只有在这种条件下作精确地运算或定量分析才是有意义的。至于移相、提取某一分量或抑制某些分量等，在微机保护中，根据需要可容易地通过软件实现。电流变换器的缺点是，在非周期分量的作用下容易饱和，线性度较差，动态范围也较小。在微机保护中，一般采用电流变换器将电流信号变换为电压信号。采用电流变换器的连接方式如图23所示。其中Z为模拟低通滤波器及A/D输入端等回路构成的综合阻抗，数值很大；而R为电流变换器二次侧的并联电阻，数值远小LH于Z（R/说明程序中包含标准输入输出库函数INCLUDE/说明程序中包含数学函数DEFINEPI31415926VOIDSENSITIVE/提高灵敏度函数DOUBLE,M,N,P,S,R,QIACMAXIINDOUBLEAA0,AB0,CA0,CB0/定义浮点型变量DOUBLESAMPLE12,2/定义采样寄存数组INTI/定义整形变量FORI0,IMC/如果，INIMINCINCIIF/5REPORTI1/如果或者/5并且/定义采样寄存数组DOUBLEQ/QACIDOUBLEAA0,AB0,CA0,CB0/定义浮点型变量DOUBLE,M,N,P,S,R,/定义浮IIM3STITAIC点型变量DOUBLETN200,TN300/定义变量并初始化，时钟清零INTI,J,T/定义整形变量PRINTFPLEASEENTER/N/N/N/N/在屏幕上显示输入IIIIIISCANFF,/从键盘读入一个数赋给变量IISCANFF,/从键盘读入一个数赋给变量SCANFF,/从键盘读入一个数赋给变量IIFORI0,IAIC/如果则MAICMAELSE/否则ICMCIFQM/如果Q则3I3IMELSEQ/否则Q3MI3MIIFTRIPPING1REPORTI1/如果，发出跳闸命令，报告I段动作MIIIFSTITTRIPPING1REPORTII1/如果TN2，发出跳闸命令，报告II段动作STITIFSTITTRIPPING1REPORTIII1/如果TN3，发出闸命令，报告III动作STIT56启动元件561电流突变量和相电流稳态量微机保护通常采用电流突变量作为主要的启动元件，监视绝大部分的故障；再用相电流和零序电流作为辅助启动元件，监视大过渡电阻接地等极少数电流变化较缓慢的故障。有启动标志C相启动判别置启动标志1AK1AK3AK有启动标志NNYYYNNNYA相启动判别0AK启动元件入口图56突变量启动流程示意图562突变量及稳态量启动子程序INCLUDE/说明程序中包含标准输入输出库函数INCLUDE/说明程序中包含数学函数VOIDSTART/启动元件函数DOUBLE,AI0CIAKCDOUBLEA1,A2,MA,NA,PADOUBLESAMPLE12M,2/定义采样寄存数组INTI/定义整形变量INT/定义整形变量CAK,PRINTFPLEASEENTER/N/N/N/在屏幕上显示输入AI0C0AI0CI0SCANFF,/从键盘读入一个数赋给变量AI0AI0SCANFF,/从键盘读入一个数赋给变量CI0CI0FORI212,I/判别定值IAI0IAAI01AKIF3TRIPPING1SENSITIVEELSETURNCELSEIF（）0AKTURNCELSE1AKTURNCVOIDTURNC/C相启动判别函数DOUBLEC1,C2,MC,NC,PCINTKFORK212,K/判别定值CI0KICCI01CKIF3TRIPPING1SENSITIVEELSEIF/稳态量启动，相电流、的最大值SETMI0AICMITRIPPING1SENSITIVEELSEIF（）0CKIF/稳态量启动SETMI0TRIPPING1SENSITIVEELSE1CK总结通过近两个月的研究与设计，本设计基本达到了预先设定的目标，保证全部逻辑正确完成。在本课题设计工作中，除了锻炼了自己的能力外，也积累了不少经验，现总结如下本次毕业设计的主要内容是对中压配电网10KV馈电线路微机保护的原理分析和程序设计。经过对设计要求，设计内容的分析可知，首先要利用电力系统继电保护的知识，确定保护方案。由于电力系统继电保护的相关知识掌握得比较好，因此这一步进行得比较顺利。接下来分析电流保护，在分析这一步过程中遇到了一些小困难，通过查找相关的书籍，同时在老师的指导下也很快的迈了过去。其次，根据经验习惯，通过方案比较，论证选择了一套初始的保护。为了能够确定这些保护是否满足要求，是否有足够的实用性，还需要对它们进行整定计算和灵敏性校验。中间走了不少的弯路，遇到了不少的困难，但是经过认真分析，仔细思考后问题仍然得到了解决。随着社会的发展，微机保护将成为继电保护的主流，是社