1、1本科毕业论文设计论文题目：35kV 变电所线路微机保护研究与设计姓名 专业 机械电子工程（本科）导师 论文完成日期 2011 年 9 月 25 日2摘 要论文论述了微机保护装置在国内外的发展历史和研究现状，设计了35KV线路保护功能配置方案和故障判据，对装置的算法进行设计，选择滤波性能良好的全波傅氏算法作为装置的算法，这样在无需增加硬件电路的基础上，即可完成数据采集。为了验证装置设计的故障判据的正确性，本文以小电流系统中的最常见的单相接地故障为例，建立了电力系统故障模型，通过仿真对小电流系统单相接地故障进行了分析，并提出了预防方法；并采用RBF神经网络算法对故障模拟量进行滤波仿真。分析与仿真
2、表明：小电流系统发生单相接地短路时，线电压仍然对称，对负荷的供电基本没有影响，但是为了防止故障进一步扩大，可以根据零序电流的变化来发出告警信号；RBF算法具有良好的滤波性能，可以滤掉故障情况下模拟量的高次谐波，从而准确的采集数据进行计算以达到有效判断故障的目的。本文设计了一套35KV线路微机保护装置，装置的硬件结构由双CPU构成，包括由CPUl控制的按键电路、液晶显示电路和由CPU2控制的低通滤波电路、数据采集电路、继电器控制电路；针对硬件开发了系统的软件，包括按键和液晶显示系统软件、串口通讯软件、数据采集系统和故障处理系统软件；实现了保护的三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT
3、断线检测，三相一次重合闸等功能。最后通过实验验证了装置的算法和保护功能。测试结果表明：数据采集系统的精度满足系统的要求，装置能实现预定的功能。关键词：微机保护；数据采集；傅氏算法；单相接地短路；RBF神经网络算法。目录31 绪论111 电力系统微机保护的历史及发展现状11.1.1 电力系统微机保护概述11.1.2 微机保护的国内外历史及发展概况11.1.3 国内外关于线路微机保护的研究现状212 论文的主要内容 32. 35KV 线路微机保护功能配置方案及算法设计42.1 35KV 线路保护的功能配制方案 42.1.1 三段式电流电压联锁保护 42.1.2 小电流告警42.1.3 过负荷保护5
4、2.1.4 PT 断线检测52.1.5 三相一次重合闸52.2 35KV 线路保护的原理和特点52.2.1 三段式电流电压联锁保护原理 52.2.2 输电线路方向性电流保护的工作原理102.2.3 单相接地报警原理122.3 基于多次谐波的周期函数算法-傅氏算法 132.4 本章总结163 电力系统故障分析和基于神经网络的非线性滤波173.1 电力系统运行故障分析173.1.1 系统建模及参数调节173.1.2 系统中物理量的分析1932 谐波概述213.3 RBF 网络拓扑结构及训练算法223.4 RBF 神经网络用于非线性滤波233.5 本章总结2644.1 系统硬件基本结构设计框图274
5、.2 前端滤波和数据采集电路硬件设计274.2.1 低通滤波电路274.2.2 数据采集电路284.3 开关量输入输出电路设计334.4 键盘和液晶显示电路设计344.4.1 LCD 的功能及引脚介绍374.4.2 键盘和液晶显示电路工作原理384.5 单片机出口控制电路和通讯电路设计394.5.1 单片机出口控制电路设计394.5.2 串口通讯电路设计394.6 装置的硬件抗干扰措施404.7 本章总结415 线路微机保护系统的软件设计425.1 微机保护软件的系统配置 425.1.1 软件系统概述 425.1.2 系统软件系统构成 425.2 监控系统软件设计 435.2.1 监控系统实现
6、功能 435.2.2 监控系统程序设计 435.3 串口通讯软件设计 445.3.1 串口通讯功能 445.3.2 串口通讯软件设计445.4 保护功能程序软件设计465.4.1 保护功能软件实现功能465.4.2 数据采集系统软件设计475.4.3 故障处理系统软件设计5055.5 装置的软件抗干扰措施515.6 本章总结526 装置实验结果536.1 装置的实验结果536.1.1 数据采集系统采集精度测试536.1.2 保护功能测试536.2 本章总结547 结束语 55致谢56参考文献5711 绪 论11 电力系统微机保护的历史及发展现状1.1.1 电力系统微机保护概述电力是整个国民经济
7、的命脉，也是现代化工业生产的主要能源。变电所是电力系统的重要组成部分，11OKV、35KV 及以下的变电站一般与电力系统直接相关。变电所的可靠运行与国民经济的发展密切相关，其最大特点是发电、输配电，用电都必须在同一时刻完成，因此对整个电力系统的运行有着极为严格的要求。但是，由于自然因素和运行过程中的老化、操作错误等原因使电力系统产生故障及不正常运行状态，为了及时处理这些故障，必须建立经济合理、技术先进的变电所继电保护系统，实现变电所的综合自动化。输电线路的保护是变电所继电保护系统中最重要的部分，一旦线路产生故障，将造成供电线路供电的不正常，严重时甚至造成整个电力系统的瘫痪。因此必须设计一套线路
8、保护系统，将产生故障的线路迅速切除，线路保护系统的功能包括：(1)三段式电流的保护。(2)电流电压联锁保护和方向电流保护。(3)单相接地保护(4)过负荷保护。(5)重合闸和后加速保护。(6)线路 PT 断线检测。(7)低周减载保护。1.1.2 微机保护的国内外历史及发展概况微机继电保护指的是以数字式计算机(包括微型机)为基础而构成的继电保护。它起源于 20 世纪 60 年代中后期，在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。早在 50 年前，美国著名学者 JL Blackburn 就提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是因为当时计算机的价格较高，同时无法满足继电保护高速的要求，最
9、终没有应用到实际，但是却对继电保护的理论计算方法和程序结构做了很多研究，这也为继电保护后来的发展奠定了基础。21975 年初，英国 GEC 公司应用微处理机于变电所的控制和自动重合闸上的情况己有报道。1979 年，IEEE 的教育委员会组织了第一次世界性的计算机保护研究班。之后，世界各大继电器制造商都先后推出了各种商业性微机保护装置，微机保护逐渐趋于实用。意大利专家 VCalderaro 在基于安全性和可靠性的基础上，提出自适应算法处理电网故障，并通过微处理器程序实现了反时限特性，曲线受微处理器温度、风速、辐射和光照的影响 15。在电力系统微机保护技术方面，日本、美国、英国、德国发展最快。在国
10、内，我国的继电保护起步晚，但是近 30 年来，计算机技术的飞速发展影响到人们生活的各个领域，同样，也推动了电力系统微机保护的发展。我国在对微机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起了先导的作用。从 70 年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学自动化研究院都相继研制了不同原理和不同型式的微机保护装置。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得以应用，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。随着微机保护系统的成熟，系统的算法也越来越多样化，Zoran MRadojevi6 在文章中提出了用于计算故障距离和判断故障类
11、别的两种算法131，计算故障距离的算法将线路的正序、零序阻抗作为输入参数计算出距离；判断故障类别的算法将三次谐波的参数作为输入，计算出电弧电压的幅值，从幅值可以判断故障是暂时性故障还是永久性故障。到目前为止，从有关变电所自动化产品方面看。国内目前已有众多厂家能生产微机远动、微机保护等设备，大部分都已达到能投入实际运行的水平，有些产品如微机保护已跻身国际先进行列。综上所述，目前国内微机保护自动化工作正处于飞速发展、蒸蒸日上的阶段。1.1.3 国内外关于线路微机保护的研究现状目前国内外应用于微机保护的处理器有单片机、DSP 和嵌入式的处理器。其中，DSP 由于其独特的算法处理功能而在最近的国内外市
12、场上占有主导地位。单片机是通过大规模集成电路技术将 CPU、ROM、RAM 等封装在一个芯片中，具有接口设计简单、可靠性高、低功耗和性价比高的特点，从最初的 8 位单片机3到 16 位、32 位单片机的保护设计；从最初的单 CPU 到现在的多 CPU，都在电力系统微机保护中得到了广泛的应用。目前应用最广泛的处理器。DSP 处理器与单片机处理器不同，它是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器，DSP 的硬件资源丰富，开发平台先进，还具有计算能力强、精度高、总线速度快等特点，将 DSP 应用于微机保护系统，可以缩短数字滤波和算法的计算时间，还可以完成单片机的控制功能。总的来说，用单片机实
13、现微机保护系统有以下几个优点：(1)单片机价格低廉，接 1：3 电路设计简单，扩展外围电路比较容易。(2)单片机主要面向控制领域，抗干扰能力强，可靠性比较高。(3)单片机技术基本已经成熟，可参考的例子和资料非常多，可以缩短开发周期。12 论文的主要内容本文设计了一套 35KV 微机线路保护装置，主要包括功能配置方案和故障判据设计、系统硬件设计、系统软件设计、抗干扰设计等，另外通过建立电力系统模型对电力系统常见故障进行仿真分析，并通过 RBF 算法对故障模拟量进行仿真滤波。论文的具体章节安排如下： 第一章绪论：主要介绍了线路微机保护的历史、现状及发展趋势。第二章 35KV 线路微机保护功能配置方
14、案及算法设计：设计了 35KV 线路保护的功能配置方案和故障判据，详细分析了 35KV 线路保护的原理和特点；介绍了傅氏算法的工作原理和特点。第三章电力系统故障分析和基于电力系统的非线性滤波：通过建立电力系统故障模型并对单相接地故障进行了仿真，最后将 RBF 算法应用于非线性滤波仿真。第四章线路微机保护系统的硬件设计：设计了 35KV 线路微机保护系统的硬件系统详细分析了其工作原理及实现功能。最后介绍了装置的硬件抗干扰措施。第五章线路微机保护系统的软件设计：开发了 35KV 线路微机保护系统的软件系4统，给出了程序设计的流程图，详细分析了其原理及实现功能。最后介绍了装置的软件抗干扰措施。第六章
15、装置实验结果：通过实验验证了系统的算法和保护功能.2 35KV 线路微机保护功能配置方案及算法设计本章首先设计了 35KV 线路保护的功能配置方案和故障判据，装置的主要功能包括三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT 断线检测、三相一次重合闸。然后详细分析了 35KV 线路保护的故障判据和原理，介绍了傅氏算法的原理和特点，从精度、速度和系统的要求各方面综合考虑，最后选择全波傅氏算法作为装置的算法。2.1 35KV 线路保护的功能配制方案在 35KV 线路微机保护装置中，配置了三段式电流电压联锁保护、小电流告警、过负荷保护、PT 断线检测、三相一次重合闸等功能。相应的保护功能框图如图
16、 21 所示。装置的功能判据如下：2.1.1 三段式电流电压联锁保护在 35KV 电网中，短路故障占系统总故障的 80以上，当电网中发生相间短路的时候，短路电流比正常工作时的电流要大的多，同时相间电压下降，根据这个特点，在设计中选择三段式电流电压联锁保护，I 段为电流速断保护，II 段为限时电流速断保护，I段为过电流保护，其中 I 段、段为主保护，5段为后备保护，电压保护采用低电压闭锁保护。2.1.2 小电流告警在 35KV 中性点不接地电网发生单相接地短路时，故障点仅流过对地的电容电流，数值很小，这时电网的线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影响，在这种情况下，可以允许继续运行 1-2
17、小时，不需立即跳闸，但是为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而影响供电，设计小电流告警功能，以便运行人员采取措施给予解决。2.1.3 过负荷保护装置设计过负荷保护功能，即监视三相电流，如果发现相电流超过线路正常运行时允许通过的最大电流时，经设定的延时后动作(跳闸或告警)。2.1.4 PT 断线检测装置设计 PT 断线检测功能，通过检测三相线电压和三相电流，当有任意一个线电压0.1A 时，这种状态持续 10s 就判断为母线 PT 断线。2.1.5 三相一次重合闸输电线路的故障分为瞬时性故障和永久性故障，其中大多数为瞬时性故障，瞬时性故障多为天气、鸟兽等自然原因引起，这种故障当保护装置反映跳
18、闸后，故障已经消失，这时，装置配制的重合闸功能会自动重合一次，如为瞬时性故障，则继续运行，如为永久性故障，则再次加速反映出口跳闸。2.2 35KV 线路保护的原理和特点2.2.1 三段式电流电压联锁保护原理输电线路发生短路时，相电流突然增大，线电压降低，当故障线路上的相电流大于某一个规定值同时保护安装处母线电压小于某一个规定值时，保护将跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电，这就是电流电压联锁保护的工作原理。其中，规定值就是电流、电压联锁保护的动作电流和动作电压，它是能使电流保护动作的最小电流和使电压保护动作的最大电压，通常用 IDZ和 UDZ表示。电流电压联锁保护在 35KV 及以下的输电线路中被广泛应用。下面对三段式
