1、I太原理工大学继续教育学院毕业设计（论文）题 目 电力变压器的微机保护姓 名学 院太原理工大学继续教育学院专 业 电气工程及其自动化学 号 11421268022指导教师二一 三年 月 日II太原理工大学继续教育学院 毕业设计（论文）任务书学生姓名: 学号: 11421268022 专业: 电气工程及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 电力变压器的微机保护 2 学生设计（论文）时间：自 2013 年 月 日开始至 2013 年 月 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：电力系统继电保护原理工厂供电系统继电保护及自动装置电力系统保护与控制微机原理与接口技术微型计算机继电保护基础4 设计（论
2、文）应完成的主要内容：继电保护的基本概述电力变压器微机保护中各保护的基本原理微机保护的基本组成微机保护的硬件设计微机保护的软件设计5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：论文，严格按照湖南科技大学本科生毕业设计（论文）工作规范的有关要求打印订硬件电路原理图，用 Protel 格式输出打印软件结构流程图6 发题时间： 2013 年 月 日指导教师： （签名）III学 生 ： 摘 要目前，随着超高压、特高压输变电技术在全国范围的广泛应用，对于确保电网安全运行的继电保护装置也由传统的电磁型向微机型发展。而电力变压器作为电业系统中重要的变换电压、联络系统、传送功率的设备之一，作为保护
3、它的装置，要求更加的可靠和快速。本文在全面介绍和评述电力系统的微机保护原理及其发展的趋势的基础上，对电力系变压器的微机保护进行了专门研究。以所制定的保护方案为依据，提出了以中间模拟转换器和电抗转换器，A/D 转换器等各种微机变压器保护装置的具体实现方法。并对保护装置的硬件系统和软件模块设计进行了详细的研究，满足了变压器微机保护装置的要求。本装置将变压器运行工况监测与继电保护结合，体现了新一代微机保护装置的设计思想。关键词：变压器,微机保护,继电保护IVABSTRACTIt is widely used that transferring electric power in China.In o
4、rder to make zhe electrified wrie netting running normally that zhe protective relaying equipment advancing with zhe time.In this paper are introduced comprehensively and electrical system of microcomputer protection principle and development trend of electric power, on the basis of the microcompute
5、r protection of the transformer specially research. With the protection plan formulated for basis, put forward by the middle analog switches and circuit reactance converter, A/D converter transformer protection device of microcomputer as the concrete realization method. For protection device and the
6、 hardware and software module design makes a detailed research, satisfy the requirements of transformer microcomputer protection device. This device will transformer running condition monitoring and relay protection union, reflected the new generation of microcomputer protection device design though
7、t. Keywords: Transformer,Microprocessor-based Protection, Reply protection 太原理工大学继续教育学院本科生毕业设计（论文）V目 录第一章 绪 论 .- 1 -第二章 继电保护的基本概述 .- 2 -2.1 电力系统的故障和不正常运行状态 .- 2 -2.2 继电保护的基本原理、保护装置的组成和基本要求 .- 2 -2.2.1 继电保护的基本原理 .- 2 -2.2.2 继电保护装置 .- 3 -2.2.3 继电保护的基本要求 .- 3 -2.3 微机保护系统简介 .- 4 -2.3.1 微机保护的应用与发展概况 .- 4
8、 -2.3.2 微机保护的基本构成 .- 5 -2.3.3 微机保护的特点与发展前景 .- 6 -第三章 电力变压器微机保护中各保护的基本原理 .- 8 -3.1 瓦斯保护 .- 8 -3.2 纵差动保护 .- 9 -3.3 过电流保护 .- 10 -3.4 温度信号 .- 10 -第四章 微机保护的基本组成 .- 11 -4.1 概述 .- 11 -4.1.1 模拟量输入系统 .- 11 -4.1.2 开关量输入/输出系统 .- 12 -4.1.3 CPU 主系统 .- 12 -4.2 微机保护的抗干扰措施 .- 13 -第五章 微机保护的硬件设计 .- 14 -5.1 微机保护系统的基本结
9、构 .- 14 -5.2 数据采集系统 .- 14 -5.2.1 模拟量输入变换 .- 14 -5.2.2 前置模拟低通滤波器 .- 15 -5.2.3 采样保持电路 .- 16 -5.2.4 多路转换电路 .- 19 -5.2.5 A/D 转换电路 .- 21 -5.3 CPU 主系统设计 .- 23 -5.3.1 CPU8086.- 23 -5.3.2 时钟发生器 8284 电路 .- 24 -太原理工大学继续教育学院本科生毕业设计（论文）VI5.3.3 内存储器及有关电路 .- 24 -5.3.4 外围输入输出器件译码电路 .- 25 -5.3.5 计数计时电路 .- 25 -5.3.6
10、 中断管理电路 .- 25 -5.4 开关量输入/输出系统 .- 25 -5.4.1 可编程并行 I/O 接口芯片 8255A.- 26 -5.4.2 开关量输入电路 .- 27 -5.4.3 开关量输出电路 .- 28 -5.4.4 光电隔离电路 .- 29 -5.4.5 人机接口回路 .- 29 -第六章 微机保护的软件设计 .- 32 -6.1 微机保护软件的基本结构 .- 32 -6.2 数字滤波 .- 32 -6.3 微机保护的基本算法 .- 34 -6.4 微机保护软件流程 .- 36 -6.4.1 软件框图及软件流程图 .- 36 -6.4.2 数据采集 .- 36 -6.4.3
11、 8255 并行接口输出 .- 37 -6.4.4 数字滤波 .- 37 -6.4.5 输出部分 .- 38 -6.4.6 键盘部分 .- 38 -第七章 结论 .- 40 -参考文献 .- 41 -致 谢 .- 42 -附录 A: 元件清单 .- 43 -附录 B: 程 序 清 单 .- 44 -附录 C：电力变压器微机保护硬件原理图 .- 58 - 0 -第一章 绪 论在电力系统微机继电保护研究领域中，变压器保护的研究和开发一直受到人们的广泛关注。一方面，将传统的保护原理比如率制动和二次谐波制动原理应用于微机保护，并借助计算机计算机所具有的技术优势，重点针对保护原理的具体实现技术进行改进和
12、完善，以提高变压器的保护的总体性能。另一方面，充分利用计算机的数字运算，逻辑处理以及长记忆能力，不断的探索新的保护原理，如采用故障电流实现差动保护、采样值差动保护、波形对称性原理、以及根据变压器磁通变化特性来判断励磁涌流等。但这些原理的实际应用无不对微机保护的指挥中心CPU 的内核结构、高速运算能力以及与实时信号处理相适应的寻址方式等许多方面的特性提出了更高的性能。在研制开发矿井 35KV 主变微机保护的调研时发现，当前应用于电力系统微机保护的中所采用的 CPU 多为 8 位或 16 位 CPU。如 INTEL 公司的 8086、MCS51 系列及其兼容产品、8098、8086 以及 80C1
13、96 等.本文主要在全面介绍和评述电力系统的微机保护原理及其发展的趋势的基础上，对电力系变压器的微机保护进行了专门研究。以所制定的保护方案为依据，提出了以中间模拟转换器和电抗转换器，A/D 转换器等各种微机变压器保护装置的具体实现方法。并对保护装置的硬件系统和软件模块设计进行了详细的研究，满足了变压器微机保护装置的要求。本装置将变压器运行工况监测与继电保护结合，体现了新一代微机保护装置的设计思想。- 1 -第二章 继电保护的基本概述2.1 电力系统的故障和不正常运行状态变压器是电力系统中大量使用的重要的电气设备。它的安全运行直接关系到电力系统供电的可靠性及运行的稳定性。变压器在电力系统的使用数
14、量较多，且变压器一旦发生故障，其影响范围较大。因此，为了保证电力系统及变压器的安全，并把故障和异常运行状态限制在最小，在变压器中必须装设动作可靠的，性能良好的继电保护装置。电力变压器广泛采用油浸式结构，其故障可分为变压器油箱内部故障和油箱外部故障两大类。 内部故障由于变压器置身油箱内部，因而变压器油箱内部故障应包括有绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地系统侧的接地短路。当变压器油箱内部发生这些故障时，短路电流在故障点产生的高温电弧不仅可能烧坏绕组绝缘材料和铁心，而且由于绝缘材料和变压器油剧烈气化产生大量气体，可能使变压器油箱局部变形，严重时甚至引起油箱爆炸。因此，变压器油箱内部故障是电力系统最
15、危险的故障之一，在配置变压器保护时应该注意。 外部故障变压器油箱外部故障主要是在电力系统绝缘套管和引出线上发生的相间短路和中性点接地系统侧的接地短路。变压器的异常运行状态有多种，常见的有外部短路引起的过电流、过负荷、油箱漏油造成的油面降低或冷却系统，系统故障引起的油温升高。外部接地短路引起的中性点过电压及系统过电压或频率降低引起的过励磁等。2.2 继电保护的基本原理、保护装置的组成和基本要求2.2.1 继电保护的基本原理继电保护装置要能正确工作，首先必须具备有区分被保护设备正常运行与发生故障和异常运行状态的能力。电力系统发生故障时，电流电压的大小和相位发生变化，还会产生负序、零序电流电压分量。
16、当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。利用故障中电气量的特征，可以构成不同原理的继电保护装置。如：反应电流增- 2 -大的过电流保护，反应电压降低的低电压保护，反应电压和电流的比值，即阻抗变化的距离保护等。2.2.2 继电保护装置供电系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流、电压间相位角的变化。因此，利用故障时参数与正常运行时的差别，就可以构成不同原理和类型的继电保护。继电保护的种类很多，一般由三大部分组成：即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构图如图 2.1 所示。测量部分 逻辑部分 执行部分故障参数量整定值输出信号图 2.1 继电保护装置的原理
17、结构图 测量部分：测量被保护元器件分量，经过转换和构成后，将其与整定值比较，据比较结果给出“是” 、 “非” 、 “大于” 、 “不大于” 、等于“0”或“1”等逻辑信号，从而判断保护是否应该起动。 逻辑部分：根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态，出现次序或组合方式，确定保护装置是否动作。 执行部分：根据逻辑部分所做出的判断，执行保护装置的任务。如发出信号、跳闸或不动作等。2.2.3 继电保护的基本要求电力系统继电保护的基本性能有可靠性、选择性、快速性、灵敏性，这些要求之间，有的相辅相承，有的相互制约，针对不同的使用条件，侧重点也有所不同。 继电保护的可靠性继电保护的可靠性是对电力
18、系统继电保护的最基本性能要求，它又分为两个方面，即可信赖性与安全性。 可信赖性要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下，能够准确地完成动作；安全性要求继电保护在非设计要求它动作的其他所有情况下，能够可靠地不动作。- 3 -可信赖性与安全性，都是继电保护必备的性能，但两者相互矛盾。在设计与选用继电保护时，需要依据被保护对象的具体情况，对这两方面的性能要求适当地予以调解。 选择性继电保护的选择性是指在对系统影响可能最小的处所，实现短路器的控制操作，以终止故障或系统事故的发展。电力元件继电保护的选择性，除了决定于继电保护装置本身的性能外，还要求满足：a、由电源算起，愈靠近故障点的继电保护的故障
19、起动值相对愈小，动作时间愈短，并在上下级之间留有适当的裕度；b、要具有后备保护作用，如果最靠近故障点的继电保护装置或断路器因故拒绝动作而不能断开故障时，能由紧邻的电源侧继电保护动作将故障断开。 快速性继电保护的快速性是指继电保护应以允许的可能最快速度动作于断路器跳闸，以断开故障或中止异常状态发展。继电保护快速动作可以减轻故障元件的损坏程度，减小对用户工作的影响，提高系统的稳定性。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。由于快速性与选择性在一般情况下是矛盾的，为兼顾两者，一般允许带有一定的延时切除故障。故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。 灵敏性继电保护的灵敏性是指保
20、护装置对于其保护范围内所发生的各种金属性短路故障，应具有足够的反应能力。保护装置的灵敏性要求与选择性要求关系密切，在电力系统故障时，故障设备的保护必须先能够灵敏地反应故障，才可能有选择性的切除故障。因此能有选择切除故障的保护，必须同时具备有灵敏性。 保护装置的灵敏性通常用灵敏系数 Ksen（又称灵敏度）的大小来衡量。灵敏系数越高，表示保护装置对故障的反应能力越强，反之，则越弱。因此，过量保护和欠量保护对于灵敏系数的定义是不同。在最不利情况下保护装置的灵敏系数应大于 1，一般为 1.22.0。2.3 微机保护系统简介2.3.1 微机保护的应用与发展概况计算机的出现是 20 世纪最令人瞩目的事件。自从世界上公认的第一台电子计算机电子数字积分计算机 ENLAC 于 1946 年在美国诞生以来，计算机的发展速度很快，特别是微处理器的出现，给工业自动化控制带来了深刻的变革。广泛而深入地影响着
