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电力微机距离保护毕业论文
学号_________
班级_________
大学本科毕业论文
输电线路微机距离保护装置的设计
院(系)名称:
专业名称:
学生姓名:
指导教师:
二○一二年三月
重声明
本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知,除文中已经注明引用的容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
本人签名:
日期:
摘要
本毕业设计的宗旨是为了系统地掌握《电力系统继电保护原理》《电力系统、分析》等课程中与本设计相关的知识,通过查阅《微机型继电保护基础》等参考资料,能够掌握微型机继电保护装置软件结构原理,并在此基础上设计了一套高压线路微机距离保护。
本设计主要容有:
高压线路距离保护及特性、微机保护算法设计、微型机距离保护的软件设计、微型机可靠性设计、抗干扰等。
本设计从微型机继电保护在电力系统实际应用出发,以微型机继电保护规程为依据,在设计中介绍了计算机保护几十年来的发展,微机保护的基本构成以及计算机保护的特点;高压线路距离保护原理及微机保护动作特性、整定方法和判别方程。
设计了高压线路微机距离保护的软件程序及算法设计,并设计了提高微型机继电保护装置的抗干扰措施,从而设计出了一套基本功能完备的高压线路距离保护。
关键词:
距离保护;算法;软件;抗干扰;可靠性
Abstract
Theaimofthispaperistomasterknowledgeofsomecurriculums,forinstancepowersystemanalysis,PowerSystemRelayProtectionetcassociatingwiththispaper,andmastersoftwarebasedonmicrocomputerprotection,throughreferringtoreferencesofthebaseofmicrocomputerprotectionandsoon.Thenasuitofdistanceprotectionbasedhighvoltagepowersystemisdesigned.
ThemaincontentsofThispaperarecomposedofthedistanceprotectionandcharacteristicbasedhighvoltagepowersystem、designedonhardwareofmicrocomputerdistanceprotection、designedonreliabilityofmicrocomputeretc.
Basedontheregulationsofmicrocomputerbasedprotectionsettingfromactualapplicationinpowersystem,thispaperintroducethedevelopmentstructureandcharacteristicofmicrocomputerprotectiondistanceprotectionbasedhighvoltagepowersystemandoperationcharacteristicsturningmethodanddiscriminantequationofmicrocomputerprotectionsoftwareprogrammeanddesignofanalgorithmforhighvoltagepowersystemprotectionaredesigned,atonetime,thisthesisrecommendmeasureenhancinganti-interferenceformicrocomputerprotection,thenasuitofself-containeddistanceprotectionbasedhighvoltagepowersystemisdesigned.
KeyWords:
distanceprotectionhardwarealgorithmsoftwareanti-interferencereliability.
第一章绪论
1.1电力系统继电保护的作用和意义…………………………………7
1.2距离保护的发展现状………………………………………………8
1.3输电线路微机保护的发展历史……………………………………9
1.4线路微机保护发展趋势…………………………………………10
第二章微机保护
2.1微机保护具有的特点………………………………………………12
2.2计算机保护的基本构成…………………………………………14
第三章高压线路距离保护
3.1距离保护的作用原理………………………………………………16
3.2微机型阻抗保护特性分析…………………………………………17
第四章计算机继电保护的算法设计
4.1概述………………………………………………………………22
4.2算法举例…………………………………………………………22
第五章微型机距离保护的软件设计
5.1软件设计总框图……………………………………………………26
5.2程序模块介绍………………………………………………………28
第六章提高微机保护装置可靠性设计
6.1总述………………………………………………………………35
6.2干扰源………………………………………………………………35
6.3防止干扰进入微机保护装置的对策……………………………………36
6.4抑制窜入干扰影响的软、硬件对策……………………………………39
6.5提高可靠性的其他措施………………………………………………40
致……………………………………………………………………42
参考文献……………………………………………………………………43
第一章绪论
1.1电力系统继电保护的作用和意义
电力系统在运行过程中常会出现故障和一些异常运行状态与故障状态,其中不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,各电气元件的运行参数偏离了正常允许的工作围,但没有发生故障的运行状态。
最为常见的不正常运行状态有:
因电流超过供电元件的额定值引起的过负荷、发电机突然甩负荷引起的过电压运行、系统中有功缺额引起的频率降低、电气元件温度过高、系统震荡等。
故障状态包括三相短路、两相短路、单相接地短路、两相接地短路、发电机和电动机以及变压器绕组间匝间短路、单相断线、两相断电等,以及由上述几种故障组合而成的复杂故障。
其中,最常见且最危险的是各种类型的短路故障。
电力系统中由电气原件发生短路故障时,可能造成下列严重后果:
故障点通过较大的短路电流,引燃电弧,使故障原件损坏或烧毁。
比正常工作电流大许多的短路电流产生的热效应和电动力效应,使故障回路中的设备遭到损坏或缩短设备使用年限。
部分电力系统的电压大幅度下降,使用户的正常工作遭到破坏,影响产品质量。
破坏电力系统运行的稳定性,使系统产生震荡,甚至引起整个系统瓦解,造成大面积停电的恶性事故。
而这些现象会发展成事故,使整个系统或其中一部分不能正常工作,从而造成对用户少送电,停止送电或电能质量降低到不能容许的地步,甚至照成设备损坏和人身伤亡。
而电力系统各元件之间是通过电或磁建立的联系,任何一元件发生故障时,都可能立即在不同程度上影响到系统的正常运行,因此,切除故障元件的时间常常要求短到1/10S甚至更短,而这个任务靠人是不可能完成的,所以要有一套自动装置来执行这一任务。
我们称之为继电保护。
继电保护的基本任务是:
当电力系统中某电气元件发生故障时,能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除,避免故障元件继续遭到破坏,使非故障元件迅速恢复正常运行。
当系统中电气元件出现不正常运行状态时,能及时反应并根据运行维护的条件发出信号或跳闸。
反应不正常运行状态的继电保护装置,一般不需要立即动作,允许带一定的延时。
综上所述,继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小故障围来提高系统运行一种重要的反事故措施。
在现代化的电力系统中,如果没有继电保护装置,就无法保证电力系统的正常运行。
1.2距离保护的发展现状
1.2.1国继电保护现状
1984年原东北电力学院研制的输电线路微机保护装置首次通过鉴定,并在系统中获得应用,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,在设备保护方面,关于发电机失磁保护、发电机保护和发电机——变压器组保护、微机线路保护装置、微机相电压补偿方式高频保护、正序故障分量方向高频保护等也相继通过鉴定,至此,不同原理、不同机型的微机线路保护装置为电力系统提供了新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。
到90年代,随着微机保护装置的研究,在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果,因此,我国几点保护技术进入了微机保护时代。
1.2.2国外继电保护现状
国外的继电保护已经走过一个多世纪的历程。
上世纪90年代,随着微机保护的发展,不断有新的改善继电保护性能原理和方案出现,这些原理和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。
由于集成电路和计算机技术的飞速发展,微机保护装置硬件的发展也十分迅速,结构更加合理,性能更加完善。
近年来,与微机保护领域密切相关的其他领域的飞速发展给微机保护带来了全新的革命。
国外微机保护发展了近15年,精力了三代保护设计上的更新换代,并以微机处理器技术与多种已被提出并被可靠证明和广泛应用的算法相结合为基础,不断为新型微机保护的开发和完善创造着良好的实现条件。
1.3输电线路微机保护的发展历史
自1901年第一代机电型感应式过电流继电器在电力系统应用以来,继电保护技术的发展已历经一个多世纪。
随着人们认识的不断深入,不同的保护原理相继提出,如差动保护(1908年)方向电流保护、(1910年)距离保护、(1923年)、高频保护(1927年)等。
在继电保护原理研究不断取得进展的同时,继电保护装置的实现技术也发生了重大的变革,经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微处理机式等不同的发展阶段。
计算机在继电保护领域里的应用是继电保护发展史上一个重要的里程碑。
微机继电保护的研究始于上个世纪六十年代。
1965年初,英国剑桥大学的P.G.McLaren等提出利用采样技术实现输电线路的距离保护。
随后,澳大利亚新南威尔士大学的I.F.Morrison等学者对计算机技术在保护和变电站控制领域的应用问题进行了探讨,并对相关保护算法进行了理论研究。
1969年前后,美国西屋公司的G.D.Rockefeller等开始进行具体装置的研制,并于1972年发表该装置的试运行样机的原理结构与现场实验结果。
但自从六十年代计算机保护概念提出开始,到七十年代末,由于受当时计算机技术水平和价格的限制,计算机继电保护的研究重点主要是不同保护原理的实现方式和算法,除少量的试验装置外,计算机保护没有在电力系统中得到广泛采用。
随着计算机技术的不断进步,特别是微处理器技术的成熟和应用,极推动了计算机保护技术的发展。
20世纪80年代,以微处理器为核心的微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟,微机保护开始在工业发达中得到推广应用。
我国对微机保护的研究从20世纪70年代末开始。
虽然起步相对较晚,但由于受到科研和运行部门的高度重视,因此,无论是在理论研究,还是在实现技术研究方面均得到了快速发展。
1984年上半年,华北电力学院研制的第一套以6089(CPU)为基础的保护样机投入运行。
标志着我国继电保护的开发进入了重要的发展阶段。
进入20世纪90年代以后,微机型保护在我国已得到大量应用,成为了继电保护装置的主要形式。
微机型保护具有强大的数字计算和逻辑判断能力以及优良的信息记忆能力,为传统保护原理的改善以及新原理的应用提供了良好硬件支持。
此外,微机型保护易于实现较完善的硬件自检和软件自检功能,有助于提高其抗干扰能力和运行的稳定性。
随着计算机技术、网络通讯技术的飞速发展,微机保护的智能化水平不断提高,故障录波、事件记录、故障测距以及数据通讯等辅助功能也得以在保护中实现,这极简化了保护的运行维护管理,同时也为事故分析和事故后的处理提供了极大方便。
由于微机型保护装置具有的巨大优越性和潜力,因而已取代传统的模拟式保护,成为继电保护的主流形式。
1.4线路微机保护发展趋势
当前,高压微机线路保护的保护趋势,由实用观点来看,主要有以下几个方面:
信息网络技术的应用
当代计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱,使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变法。
它深刻影响着各个工业领域,也为各个工业领域提供了强有力的信息交互手段。
从微机保护的发展和近年来电力系统的新要求来看,大量的利用信息网络技术也将是未来微机保护的技术特点之一。
自适应保护
自适应保护的基本思想是根据电力系统的运行方式和故障状态的变化来实时改变保护的性能、特性或定值。
由于电力系统在运行过程中,其网络结构、参考等会随时变化,继电保护要在所有情况下保证选择性,就要按最不利的情况计算整定值,因而灵敏度可能不满足要求。
计算机强大的记忆、计算和逻辑功能为自适应原理在几点保护中的应用创造了条件。
这个概念在距离保护、差动保护、过流保护、重合闸等方面都有广泛的应用前景。
它具有能够改变系统响应,增强可靠性、提高保护性能等有点。
随着理论研究的深入,更多的自适应方案将会出现,特别是随着通信网络的完善,自适应保护远离将不再局限在保护判据、保护算法的自适应,整个电网继电保护系统的自适应配置、定值的自适应在线调整等更大围、更复杂的自适应应用也有可能实现。
第二章微机保护
2.1微机保护具有的特点
(1)维护调试方便
传统的电磁型、整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大,尤其是一些复杂的保护,例如超高压线路的保护设备,调试一套保护常常需要一周,甚至更长的时间。
这类保护都是布线逻辑的,保护的每一种功能都由相应的硬件器件和连线来实现。
为确认保护装置是否完好,就需要把所具备的各种功能都通过模拟实验校核。
微机保护中,各种复杂的功能是由相应的软件来实现,只要简单的操作就可以完成微机保护的软硬件调试,从而大大减轻运行维护工作量。
(2)可靠性高
微机保护在程序指挥下,有极强的综合分析和判断能力,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作。
微机保护具有自诊断功能,能够自动检测出本身硬件的异常部分,有效的防止拒动,具有很高的可靠性和抗干扰能力。
(3)易于获得附加功能
微机保护可以配置打印和显示功能,当系统发生故障时,可提供相关信息,例如保护各部分的动作顺序和动作时间记录,故障类型和相别及故障前后电压和电流的波形记录等。
对于线路保护,还可以提供故障点的位置。
这样有助于运行部门对事故的分析和处理。
(4)灵活性
由于微机保护的功能特性主要由软件决定,不同原理的保护可以采用通用的硬件,因此只要改变相应的功能软件,就可以改变保护的特性和功能,从而灵活的适应电力系统运行方式的变化。
(5)保护性能提高
由于微机保护的应用,使很多原有继电保护中存在的问题得以解决,例如对接地距离保护的允许过度电阻的能力,距离保护如何区别振荡和短路,大型变压器差动保护如何识别励磁涌动和部故障等问题都已提出了许多新的原理和解决方法。
(6)实现网络化
微机保护具有很强的数据通信能力,微机保护装置可通过通信接口,实现网络连接,将所有信息传至中心站,实现信息共享,集中管理和远程操作维护。
实现遥测、遥控、遥信、遥调功能,提高设备管理水平,确保电力系统安全、稳定、经济运行。
从计算机保护出现以来,人们都不断对它的发展、前途和优缺点等作出过评述和估计。
计算机保护的优缺点如下
优点:
程序可以实现自适应性,可按系统运行状态而自动改变整定值和特性;
有可存取的存储器;
在现场可灵活地改变继电器的特性;
可以使保护性能得到更大的改进;
有自检能力;
有利于事故后分析;
可与计算机交换信息;
可增加硬件的功能;
可在低功率传变机构工作。
缺点:
与传统的保护有根本性的背离;
使用者较难维护;
要求硬件和软件有高度可靠性;
硬件很快成为过时;
在操纵和维护过程中,使用人员较难掌握。
微机保护的优缺点既取决于技术方面,又与各国的技术经济发展状况有关。
但计算机良好的记忆存储能力和强大的运算能力,这两个重要的优点,正被广泛引起重视。
利用计算机的记忆能力,可以方便地获取故障分量并保持较长时间且有较好的准确性。
而在模拟式保护装置,其记忆时间主是靠电感、电容元件的“惯性”来实现存储的,而这些“惯性的存储”是随时间而衰减的,因此是定量地利用所记忆的电量来准确地获取故障分量是不容易的。
利用计算机的强有力的运算能力,可以将自动控制理论的一些成果引入继电保护。
基于这些理论的应用,可以使继电保护的动作特性从根本上得到一些改进。
2.2计算机保护的基本构成
传统的继电保护是利用各种继电器等硬件构成,如定时限过流保护是由过流继电器、时间继电器、信号继电器等组成;而微机保护是由硬件装置和软件构成。
从功能上来划分,微机保护装置可以分为6个部分:
1.模拟量输人系统(或称数据采集系统);
2.继电功能回路(CPU主系统);
3.开关量输入/输出回路;
4.人机接口回路;
5.通信回路;
6.电源回路。
图2-1微机距离保护装置硬件结构框图
微机继电保护的主要部分是计算机本体,它被用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障,然后决定是否发出跳闸信号。
因此,除计算机本体外,还必须配备自电力系统向计算机输入有关信息的输入接口部分和计算机向电力系统输出控制信息的输出接口部分。
第三章高压线路距离保护
3.1距离保护的作用原理
距离保护是反应故障点至保护安装处之间的距离(或阻抗),并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。
实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗大小,故有时又称阻抗保护。
实质是用整定阻抗Zdz与测量阻抗Zcl比较。
当短路点在保护围以时,即Zcl<Zdz时,保护动作;反之保护不动作。
因此,距离保护又称低阻抗保护。
如图
图3-1距离保护又称为低阻抗保护
3.1.2距离保护的时限特性
距离保护的动作时间与保护安装处至故障点之间距离的关系,称为距离保护的时限特性。
为了保证选择性,广泛应用的是阶梯形时限特性,这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同,一般也做成三阶梯式,即有与三个动作围相对应的三个动作时限。
图3-2距离保护的三个动作围相对应的三个动作时限
(1)距离保护第Ⅰ段(距离Ⅰ段)
为无延时的速动段,其动作时限仅为保护装置的固有动作时间。
Ⅰ段的保护围不能延伸到下一线路中去,而为本线路全长的80%~85%,动作阻抗整定为80%~85%线路全长的阻抗。
(2)距离保护第Ⅱ段(距离Ⅱ段)
为带延时的速动段,为了有选择性地动作,距离II段的动作时限和启动值要与相邻下一条线路保护的I段和II段相配合。
(3)距离保护第Ⅲ段(距离Ⅲ段)
距离III段为本线路和相邻线路(元件)的后备保护,其动作时限的整定原则与过电流保护相同,即大于下一条变电站母线出口保护的最大动作时限一个Δt,其动作阻抗应按躲过正常运行时的最小负荷阻抗来整定。
3.2微机型阻抗保护特性分析
在继电保护技术中,阻抗保护占有相当重要的地位。
微机型阻抗保护也是分析微机保护的主题。
1理想的阻抗保护动作特性
设在图3-2A所示的网络中的3DL上装阻抗保护,将线路阻抗表示在复平时如图3-2B所示的MN,以3DL上阻抗第Ⅰ段保护为例,设整定阻抗为ZS处故Rg
则理想的阻抗保护动作特性应该是以ZS为一个边,为障点的过渡电阻为Rg;另一个边所围成的平行四边形(图3-2B中的ABCO),这样在保护围故障时,保护都能可靠地动作。
但上述特性用于实际时,有两个严重的缺点:
其一,在保护出口三相对称短路时会出现死区;其二,是在下级出口(图3-2中K2点)短路时,保护可能会超越性动作。
为此,对上述平行四边特性必须加以修正。
在传统的保护中,大多是修正成圆特性(图3-3)所示。
从图3-3可看出,平行四边形超越动作的部分被“切掉”即不会发生超越性动作;但抗过渡电阻的能力却明显下降,特别是在保护出口处故障,抗过渡电阻的能力更差。
传统的保护若是实现四边形特性,接线将十分复杂,若是解决四边形特性中的超越问题,实现起来以更困难了。
改成圆特性后,超越问题得到很好的解决,且接线也比较简单,但一直受抗Rj能力差困扰,也存在保护出口处三相短路时死区的问题。
2微机阻抗保护动作特性
微机阻抗保护由于用软件实现保护功能,最容易实现多边形特性,如图3-4。
它可充分利用微机的强记忆功能和快速计算能力,根据各种算法在电压和电流的相量采样后,通过阻抗计算求得X和R分量值来确定故障点是否处于动作区。
图3-4中第二象限和第四象限的边界线均倾斜15o角,是因为tg15o≈1/4,实现最方便。
为提高长线路避越负荷阻抗的能力,多边形一边与实轴夹角选定为60o。
α值的选择原则以躲区外故障时的超越为准。
为了解决向出口故障的死区问题,保证向出口可靠的动作,动作特性除了执行多边形特性外,还叠加了一个包括坐标圆点在的一个小矩形区域,二者构成“或”的关系。
图3-4包括原点的阻抗动作特性图3-5微机阻抗原件动作特性区域划分
除了小矩形之外的动作区域的判据,就不像常规距离保护那么容易,不能用一个简单动作方程式来判别,其原因是特性不是一规则形状,为此将其分成三个动作区域A1、A2、A3,如图3-5所示。
3计算阻抗落于动作区的判据
由计算阻抗Zcal(R.X)落于阻抗平面的A1区域时如图3-6所示,过Z点作DC和CB的平行线,分别与R轴、jX轴交于B1和D1点。
因B1和D1的位置可由下述计算而得
图3-6计算阻抗落于动作区
OB1=OG1−B1G1=R−
(3-1)
OD2=OF+FD2=X+Rtgδ=X+
由此可见计算阻抗Zcal落于动作区域的判据为
OB1≤OB
OD1≤OD(3-2)
即
(3-3)
式中
、
—采样值计算出的电阻和电抗值。
最后只需判断是否满足下列条件
(3-4)
同理,落于A2区动作方程为
(3-5)
落于A3区动作方程为
(3-6)
4微机阻抗元件第Ⅲ段整定计算方法
整定计算中可采用标么值进行计算,由运行方式提供的最大负荷视在功
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