1、本科毕业设计说明书煤矿 110kV 变电所副井保护系统设计110KV COAL MINE TRANSFORMER SUBSTATION AUXILIARY SHAFT PROTECTION SYSTEM DESIGN学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气工程及其自动化 08-6 班 学生姓名： 邱国强 指导教师： 杨岸 副教授 2012 年 5 月 25 日安徽理工大学毕业设计I副井保护系统设计摘要本次毕业设计是有关变电所变配电设计和变电所监控系统微机保护系统方面的内容。其中，变配电设计部分以淮南潘三矿为对象进行了配电选型计算和相关继电保护的计算。对主要设备如主变压器，架空线路，母
2、线和开关柜进行了选型计算及校验，微机保护部分的设计选用 PLC 进行硬件系统配置和软件的设计。本论文介绍了矿井提升机及其继电保护保护装置，指出了矿井提升机继电保护装置的必要性。然后介绍了继电保护的原理，再结合实际情况，提出了一套运用 PLC 技术来设计矿井提升机综合继电保护装置的方案。该套综合后备保护装置的原理为:通过采集各种信号，由软件程序进行处理，并判断是否动作及报警，处理后的数据用于显示和存储查询。文中着重继电保护装置的硬件和软件设计进行了分析和说明，其中软件设计是该装置的控制部分，硬件是该装置的执行部分。另外给出了硬件的组成图及程序框图和程序流程图。关键字：继电保护，PLC，微机监控安
3、徽理工大学毕业设计II110KV COAL MINE TRANSFORMER SUBSTATION AUXILIARY SHAFT PROTECTION SYSTEM DESIGNABSTRACTThe graduation project is about changing power distribution substation transformer substation monitoring system design and microprocessor-based protection systems content. Among them, the part of distri
4、bution design change to the 3rd Mine of Pan,Huai-nan Mining Industry,the distribution for the selection of subjects related to computing and the calculation of relay protection. Major equipment such as main transformers, incoming lines, bus bar and switchgear for the selection of calculation and che
5、ck.The part of microprocessor-based protection system design,selected PLC hardware system configuration and software design. This paper introduces the auxiliary shaft hoist and its protective relaying protection device .The paper points out that mine hoist relay protection device is necessary .Then
6、it introduces the principle of relay protection, combined with the actual situation, proposed a set of using single chip computer technology to the design of mine hoister synthetic protection device for. The integrated backup protective devices principle is: through the acquisition of a variety of s
7、ignals, a software program for treatment, and determine whether the action and alarm, the processed data is displayed and stored for query.This paper focuses on the relay protection device hardware and software are introduced and analyzed.The software design is the portion of the controlled apparatu
8、s, hardware is the operative portion of the devices. Furthermore the hardware structure and program flow diagram and the program flow diagram are given.Keywords: Relay，PLC，Microcomputer monitoring 安徽理工大学毕业设计i目录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 概述 .11.2 副井提升机继电保护要求 .11.3 副井监控系统的任务 .21.4 微机监控系统的组成及特点 .21.4.
9、1 微机监控保护系统的组成 .21.4.2 微机监控保护系统的特点 .32 副井变电所一次设备选型 .32.1 总体负荷计算 .32.2 无功补偿的目的 .52.3 无功补偿的计算 .52.4 主变压器的选型 .62.4.1 主变压器选择原则 .62.4.2 主变台数的选择 .72.4.3 主变压器容量的选择 .73 主接线方案的确定 .83.1 电气主接线的设计原则 .83.1.1 安全性要求 .83.1.2 可靠性要求 .83.1.3 灵活性要求 .83.1.4 经济性要求 .83.2 电气主接线的设计步骤 .83.3 电气主接线的选择 .93.4 导线的选择 .113.4.1 选择的方法
10、 .113.4.2 气候条件 .113.4.3 高压架空线的选择 .113.4.4 配电母线到变电所的电缆选择 .123.4.5 线路上的电压和功率损失 .12安徽理工大学毕业设计ii3.4.6 高压开关柜的选择 .133.4.7 其它设备的选择 .144 短路电流的计算及设备校验 .144.1 绘制计算电路 .154.2 短路电流计算 .154.2.1 最大运行方式下的计算 .164.2.2 高压开关柜的选择及 10kV 电缆的选择 .174.3 电气设备的选择和校验 .204.3.1 选择与校验电器的原则 .204.3.2 10kV 高压电气设备的选择与校验 .214.3.3 断路器的选择
11、与校验 .214.3.4 负荷开关的选择和校验 .214.3.5 10kV 母线的选择和校验 .215 副井的继电保护 .235.1 电流速断保护 .235.2 过流保护 .245.2.1 过电流保护的整定计算 .255.2.2 灵敏度检验 .255.3 零序电流保护 .255.4 三相一次重合闸 .266.硬件设计 .276.1 设备的功能要求 .276.1.1 传统设计方案的缺点 .276.1.2 新方法的引入 .276.2 硬件设计电路 .276.2.1 S7-200 系统概述 .276.2.2 S7-200 系列 PLC 的特点及产品类型 .286.2.3 S7-200 系列 PLC
12、的基本硬件组成 .286.3 可编程控制器基本结构 .306.3.1 CPU 模块 .306.3.2 存储器 .306.3.3 输入/输出模块 .316.3.4 电源模块 .316.3.5 底板与机架 .32安徽理工大学毕业设计iii6.3.6 可编程控制器系统的其他设备 .326.4 系统硬件电路设计 .326.4.1 主保护板的设计 .326.4.2 人机接口板电路的设计 .357 软件流程 .387.1 PLC 的工作过程 .387.1.1 输入采样阶段 .387.1.2 用户程序执行阶段 .387.1.3 输出刷新阶段 .387.2 软件设计总体结构 .397.3 主保护程序软件设计
13、.397.4 故障判断处理程序 .417.5 人机接口的通信 .428 设计线路图 .438.1 NSP788 测量回路 .438.2 操作回路，信号回路 .448.2.1 合闸操作 .458.2.2 跳闸操作 .458.3 断路器防跳 .458.4 断路器信号回路和辅助回路 .468.5 储能回路 .47总结 .48参考文献 .49致谢 .50安徽理工大学毕业设计11 绪论1.1 概述80 年代以来，我国微型计算机及其应用技术发展很快，在电力系统继电保护和自动装置的领域里影响深远。虽然我国在计算机保护方面的研究工作起步较晚，但进展迅速，并卓有成效。在我国,微机继电保护的发展大体上经历了三个阶
14、段:第一阶段为以单 CPU 硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式的 AD574 芯片构成，硬件及软件的设计符合我国高压线路保护装置的“四统一”设计标准，特点是采用单 CPU 结构及多路转换的ADC 模数转换模式，以 1984 年华北电力学院研制的 MDP-1 型微机保护为代表；第二阶段为以多个单片机构成的多 CPU 硬件结构为主，数据采集系统为 VFC 电压一频率转换原理的计数式数据采集系统硬件，软件的设计方面，利用多 CPU 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可定位到插件，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施防止拒动和误动，代表产品为华北电力学院研制的 WXH-11 和 WXB
15、-11 型保护；第三阶段为以高性能的 16 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不引出芯片，电路简单的特点，抗干扰能力进一步加强，完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力的环境，其代表产品为北京四方公司开发的 CSL-101 系列的线路保护和 CST-200 系列的变压器保护。本课题针对副井提升机继电保护，对其供电进线中各种主要设备和二次保护进行研究和设计。涉及的主要包括：负荷计算、主变压器的选型、110kV 架空线和母线的选型及校验、10kV 母线的选型、短路电流的计算、并联电容器和高压开关柜的选择、继电保护的整定计算等，其中以副井提升机进线的微机保护及监控作为重点。1.2
16、副井提升机继电保护要求继电保护的基本要求有四项：A）可靠性：保护动作在应当动作时可靠动作，非动作情况下应不动作。B）选择性：首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，保证无故障设备继续运行，当故障设备或线路本身的保护或断路器等拒动时，允许有相邻设备或线路的保护或断路器等设备切除故障部分。C）灵敏性：在设备或线路的保护范围内发生故障时，保护装置应有必要的灵敏系数以保障其保护的可靠运作。D）速动性：保护装置能尽快切除故障以提高系统的稳定性，减轻故障设备和线路安徽理工大学毕业设计2的损坏程度，缩小故障波及范围，提高重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果。然而随着微机技术的不断发展，特别是网络技术的应
17、用，使得继电保护向网络化智能化发展，相应的，变电所远程监控与保护系统的覆盖范围越来越广，功能也越来越强大。本课题下讨论的关于副井提升机继电保护的变电所微机远程监控与保护系统有如下功能：a）数据采集功能：系统对所有的模拟量、开关量进行实时和定时数据采集，定时数据可根据设定的时间间隔自动转存于硬盘作为历史记录，并能报表打印。b）数据处理功能：系统能对模拟量进行合理性的校验和上下限比较，对开关量进行实时扫描，对事件记录输出并报警，对重要的历史数据进行处理并存盘。c）远程控制与操作：可依照既定保护方案以程序控制方式对断路器进行自动操作，或者，通过监控主机的键盘和鼠标以人工方式对断路器进行控制操作。1.
18、3 副井监控系统的任务目前我国众多大中型企业都面临技术改造问题，随着监控的覆盖面的扩大，监控系统的任务也日益繁重，系统技术改造是一项重要的技改工作。此微机远程监控保护系统的主要任务就是监视副井提升机进线的运行生产过程,实现各类操作控制，完成其生产过程的监测、保护与控制。所以该系统首先要能够实时生产过程中的各种实时信息，更新数据库，为监控系统提供真实可靠的运行信息。能提供正常情况下的运行显示，调用所有的数据，完成各种管理提示及统计报表等工作。实时监视生产过程中的各类异常报警( 如短路、过载、过压、欠压、过电流等)信号，并做出相应的保护与控制。此外，此系统不仅要在本地完成监视现场运行数据，对现场仪
19、表进行标定，对操作参数进行修改，实现各种先进控制，方便地完成对控制系统的监视、设置参数等功能，而且在远程和异地也能实现控制系统操作和运行数据的传输，实现资源共享。1.4 微机监控系统的组成及特点1.4.1 微机监控保护系统的组成110kV 微机远程监控保护系统由主站设备（PC 机）和远端设备 PLC 监控单元两部分构成。系统硬件由主机及其外部设备，多台 PLC 智能控制单元及其外部设备，RS-485 接口组成。远端设备安装在变电所内（每路一台） ，主要完成对模拟量的采集和检测，将运行状态和数据发送给主站，并能接收主站发送来的命令。主站设备是一台装有监控软件的 PC 机，安装在控制中心或值班室，
20、进行设置参数或控制，通过串口和远安徽理工大学毕业设计3端设备相连。远端设备站软件可以管理整个系统的所有远端设备，如，当远端送来的被控对象出现异常信息时，主站会提示报警，将数据存入数据库中，并能提供历史数据查询及数据曲线的绘制等。上位机与下位机的通信采用主从式 RS-485 接口通信网络。1.4.2 微机监控保护系统的特点采用微机远程监控保护系统后，对于一次系统没有影响，一次设计仍按常规设计。二次系统的设计除保护外，在开关柜上有测量与控制信号，控制室的控制与信号屏上仍有一套测量与控制信号，这两套测量信号与控制都进入计算机，为了减小二次回路的负担，减少事故隐患，设计的工作量，工程投资及日后的维护工作，取消了保护屏、信号屏、控制屏及
