计算机技术在继电保护中的应用毕业设计论文文档格式.docx

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参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）：

1、《电力系统继电保护原理》

主编：

贺家李、宋从矩

出版发行：

中国电力出版社

版次：

1994年10月第3版

2、《电力系统继电保护》

主　　编：

税正申、施怀谨

重庆大学出版社

版　　次：

1997年9月第1版、

3、《供用电网络继电保护》

主编:

马丽英

出版发行:

中国电力出版社

版次:

2004年9月第1版

4、《电气工程专业毕业设计指南—继电保护分册》

韩笑

中国水力水电出版社

2003年3月第1版

5、《电力系统继电保护》

主编：

许建安陕春玲

出版发行：

黄河水利水电出版社

2008年12月第1版

6、《电力系统微机继电保护》

许建安

2001年版

设计成果要求：

1、开题报告：

1000字

2、论文：

6000字

3、其他：

进

度

计

划

安

排

起止日期

要求完成的内容

1、2011.9.26~2010.10.2

2、2011.10.3~2010.10.30

3、2011.10.31~2011.11.13

4、2011.11.14~2011.11.27

5、2011.11.28~2011.12.4

1、完成开题报告。

2、完成毕业设计（论文）初稿，指导老师审核。

3、完成毕业设计（论文），装订成册，连同电子文档一并上交指导老师。

4、指导老师完成毕业设计（论文）的批阅，评阅小组完成毕业设计（论文）的评阅。

5、毕业答辩。

审核（系主任）

批准（院长）

开题报告

课题名称计算机技术在继电保护中的应用

学生姓名裴丹

指导教师陕春玲

教学单位三峡电力职业学院

一、正文

（1）、课题来源：

由指导教师提供；

（2）、研究目的意义：

继电保护装置是一种自动控制装置，在电力系统中担负着保护电力系统安全可靠运行的重要任务，它随时监控系统的运行状态，并能迅速发现故障，并有选择的通过断路器切除故障部分。

此外，当系统出现异常情况时，继电保护装置向值班人员发出信号，值班员及时采取措施，排除故障，使系统恢复正常运行；

并且该装置与其他自动装置配合，消除瞬时性故障。

因此，继电保护装置是保证供电系统安全运行和可靠供电的重要设备。

（3）、阅读的主要文献、资料名称，国内外现状和发展趋势、学术动态，综合分析提出研究课题的主攻方向：

随着计算机技术日新月异的发展，它在电力系统继电保护方面得到了广泛的应用，使继电保护得到了飞速的发展。

（4）、研究的内容、途径及技术路线：

微机保护可以实现逻辑判断准确、保护性能稳定、进行数值计算、多重判别、完善的保护装置和双重化等性能。

（5）、工作的主要阶段、进度和技术指标：

完成开题报告；

完成毕业设计（论文）初稿，指导老师审核；

完成毕业设计（论文），装订成册，连同电子文档一并上交指导老师；

指导老师完成毕业设计（论文）的批阅，评阅小组完成毕业设计（论文）的评阅；

毕业答辩。

（6）、最终目标及完成时间：

2011年12月04号

毕业设计（论文）

学院三峡电力职业学院

专业发电厂及电力系统

年级班别20093093

学号2009309320

学生姓名裴丹

指导教师陕春玲

2011年12月04日

摘要

随着电力系统的发展、“西电东送”建设的加快，超高压、远距离、大容量输电及全国性联网的局势已成必然。

继电保护装置在电力系统中发挥着重要作用，其正常工作与否将对电力系统的运行造成重大影响。

因此如何提高继电保护装置的可靠性也就成为人们日益关注的重要课题。

本设计论文首先阐述了电力系统继电保护的可靠性,接着分析影响继电保护装置可靠性的各种因素.并主要对电力系统数字式保护的可靠性评估进行了探索.主要分如下两点:

1.分析二次系统软/硬件特点,提出二次设备和系统中的软/硬件可靠性模型和失效率预测方法.

2.结合数字保护的工作特点,应用保护系统马尔可夫模型和状态空间模型,求解保护拒动失效率,保护误动失效率,保护误动频率,保护拒动频率和保护可用度.

关键词:

继电保护,可靠性,马尔可夫模型

1绪论………………………………………………………………………………………….1

1.1研究的目的和意义………………………………………………………………………..1

1.2微机保护的优越性……………………………………….……………………………..2

1.3优越性能……………………………………………………………………….………..2

1.3.1逻辑判断正确……………………………….………2

1.3.2保护性能稳定……………………………….………3

1.3.3进行数值计算……………………………….………3

1.3.4实现多重判别……………………………….………3

1.3.5完善的保护装置和双重化……………………………….………3

1.3.6简化定期检查…………………………………………….…...4

2微机保护的硬件系统……………………………….………………..4

2.1传统保护装置硬件系统构成……………………….…………………………..4

2.2微机保护装置硬件系统构成………………………………….………..6

2.2.1数据采集单元………………………………………………….…………..7

2.2.2采样保持（S／H）电路及采样频率的选择…………………………….……….7

2．2.3.模拟低通滤波器（ALF）……………………………………………….………..10

2.2.4模拟量多路转换开关（MPX）…………………………………….………..11

2.2.5模数转换器（A／D）…………………………………….………..11

2.3数字量输入／输出接口……………………………………………………….………..19

2.3.1开关量输入回路…………………………………………….…….…..19

2.3.2开关量输出回路…………………………………………….…………...21

2.3.3打印机并行接口回路…………………………………………………………...21

2.3.4人机对话接口回路……………………………………………………………...21

2.4通信接口………………………………………………………………………………...21

2,.5电源……………………………………………………………………………………...26

3微机继电保护软件工作原理…………………………………………….…………..26

3.1微机保护装置软件部分…………………………………………….………..…..26

3.2软件失效率曲线…………………………………………………….………………..…..27

3.3模糊评定法…………………………………………….……………………..…..29

5实例分析…………………………………………….………………………………...….29

5.1赤沙站220kV黄赤乙线跳闸报告…………………………………………….………..30

5.2事故结果分析…………………………………………….…………………………….30

结论…………………………………………….………………………………………...…..32

参考文献…………………………………………….…………………………………...…..33

致谢…………………………………………….………………………………………….....34

1绪论

1.1研究的目的和意义

随着我国电力工业的迅速发展，电力网络也进一步发展，互联容量增加，互联区域扩大，网络结构日趋复杂化，最终形成相互联系、相互支持又相互制约的超大系统。

电网的发展和互联在给人们带来巨大利益的同时，也给电网的运行带来各种潜在的威胁。

电力系统运行、维护的复杂性日益增加，电网事故的波及面和危害程度也越来越大。

近年来接连发生的几次大停电事故，也给电力工作者许多启示，使得电力工作者越来越重视与关注电力系统可靠性研究。

因此在我国电力工业飞速发展的进程中，加强电力系统可靠性研究就具有现实的迫切性和重要的应用价值。

为提高电力系统可靠性，防止各种事故的发生或连锁反应，保证系统安全、稳定和经济运行，不但需要高度可靠的一次设备（发电机、变压器、母线、线路等）及其组成的系统，而且对各级二次装置和系统也提出了很高的要求。

1965年的纽约大停电事故就是继电保护装置的误动引起的；

2003年“8．14”美加大停电的主要原因之一是调度自动化系统的失效。

所以我们应认识到，电力系统可靠性是包括一二次系统在内的一个系统工程，二次系统可靠性是大电网安全运行、防止事故连锁反应的重要保证。

一直以来，业界对电力可靠性研究主要集中在一次系统上，由于数字二次系统比较复杂，可靠性涉及因素较多，所以到目前为止其可靠性研究还处于定性分析的阶段，定量评估和研究文献甚少。

因此有必要对其可靠性进行全面、系统地研究。

如图1.1所示，该研究对保证各级电网的安全稳定运行具有迫切的实际意义，也是电力可靠性研究的崭新领域，具有重要的理论价值。

，当时德国为了对导弹的可靠性做出估计，提出了关于系统可靠性的一个重要理论：

任一元件故障可能导致系统故障的系统（即串联系统），其可靠性等于各独立元件可靠性的乘积。

因此，系统的可靠性要比这些元件中最坏的一个还要低。

尽管这个结论是非常简单的，但在当时却是一个崭新的发现。

战后，可靠性理论伴随着航空工业和军事技术的应用而发展起来时；

在电子、核子、空间技术以及其他技术领域里得到了越来越广泛的应用[1-3]，并迅速发展成为一门独立的学科。

电力系统可靠性起始于二战后。

1946年Adler，Miller和Seelye用二项式定理计算元件组合系统停运的平均持续时间和频率，1947年Calabrese正式提出了失负荷概率（LOLP）的概念，他根据二项式定理计算发电系统的失负荷概率，并且推广到计算负荷损失的电能期望值。

电子计算机的出现和应用，改变了概率计算繁重而且费时的局面，使电力系统可靠性评估朝着更复杂、更细致和更实用的方向发展。

此后出现了一批这方面的文章，使前人的思想在计算机上得以实现，从此电力系统可靠性评估开始进入实用阶段。

1958年MonteCarlo模拟原理开始被应用到电力系统可靠性评估中[4-5]。

该方法是根据抽样原理，通过大量随机模拟物理过程来获得可靠性指标。

随着电子计算机的发展和模拟法收敛速度的改善，其在可靠性评估中的应用得到发展，并成为一种主要的评估方法[6-9]。

在我国，王锡凡教授等也开展了模拟法在电力可靠性评估方面的研究，并成功应用于发电及输电系统可靠性评估中[10-12]。

1964年，Desieno和Stine首次将Markov过程数学模型引入电力系统可靠性评估[13]。

其后Billinton和Stanton通过求解由Markov过程模型中转移矩阵构成的线性代数方程，计算系统长期概率分布的平均故障时间和平均修复时间[14]。

在Markov过程数学模型的基础上，建立了电力系统可靠性评估的另一种主要方法——解析法。

在我国，任震教授等较早的开展了解析法在电力系统可靠性评估中的应用研究，取得了可喜的成果[15.16]。

MonteCarlo模拟法和解析法各有所长，且各自的优缺点相互补充。

混合法将这两种方法相结合，充分发挥各自的优点[17-20]，是理想的可靠性评估方法。

混合法的基本思想是：

在MonteCarlo模拟过程中，尽可能地利用解析法所提供的信息，以降低模拟统计量的方差，从而显著的减少模拟所消耗的时间。

1.2微机保护的优越性

近年来，随着计算机技术的快速发展，微机保护在电力系统的继电保护当中，已得到了广泛的应用。

经过长期的实践与论证，微机保护技术与传统的模拟式保护相比，更显现出巨大的优越性。

1.3微机保护的优越性能

1.3.1、逻辑判断准确

微机保护要由计算机程序作出逻辑判断。

不论逻辑关系如何复杂，都可按人的思维逻辑编写程序；

不论保护如何复杂，只要将多种功能之间复杂的逻辑关系编制在一个程序之中，就能正确地反映设计思想，并且，程序被正确地复制于成批生产的各套保护装置之中。

因此，和传统的保护相比，微机的应用使复杂的保护得到了简化，继电保护的动作准确率也得到了提高。

1.3.2、保护性能稳定

微机保护的功能是由软件实现的，因此，不存在象电气元件的机构失灵、触点接触不良等现象。

批量生产的微机保护装置程序相同，各功能的特性一致，不受温度、湿度等外界因素的影响，所以性能很稳定。

复杂的微机保护都能采集到齐全的交流量信息。

因此，只要写出一项功能动作判据的数学表达式，中央处理单元（CPU）按保护算法就可实现该项功能。

1.3.3、进行数值计算

微机保护既能对以瞬时值也能对以相量值表达的动作判据进行计算，不仅能计算交流输入量，也能计算其对时间的导数和积分值。

微机可方便地存储数据，因此不仅可以记忆相量的相位，也可以记忆其幅值。

所以，微机保护可以实现传统保护无法实现的优良性能。

例如：

利用电气量变化速度可以区分振荡与故障。

在微机保护中，可以准确地计算阻抗的变化率（dZ/dt）、阻抗电阻分量的变化率（dR/dt）以及两次振荡中心电压差的变化率（dUcosφ/dt）等，因而可以更好地检测出振荡。

1.3.4、实现多重判别

在传统的保护中，每一元件都由独自的硬件构成。

为了不使保护过于复杂，总是希望所采用的元件的性能能适应各种工况下的各种故障。

在微机保护中，既然各项功能都是由软件实现的，而软件又非常可靠，因此可以增加功能，实现多重判别，获得更完善的保护性能。

1.3.5、完善的保护装置和双重化

由于微机有很强的数据和逻辑处理能力、足够的运算速度，现在，一套微机保护一般都包含了主保护和后备保护的功能。

既有纵联保护，又有阶段式距离保护，能保护相间和接地短路故障以及经高电阻接地故障。

既采用常规的反应稳态量的保护，又采用先进的反应突变量的保护。

微机保护包含了通常所说的高频、距离、零序、重合闸的全部功能。

所以说，现在的一套微机保护相当于以前的多套继电保护。

每套微机保护既有主保护，又有后备保护，这样采用了两套微机保护之后，不但主保护而且后备保护也实现了双重化。

两套微机保护装置并无主次之分，而是互为备用。

1.3.6、简化定期检验

在微机保护中，继电器的动作是微机直接按动作判据进行数学计算得到的结果，所以没有必要通过试验取得动作特性的方法来检验继电器。

微机保护的继电器是由软件实现的，所以，也没有必要象传统保护那样，对每一个继电器进行调试。

对微机保护的检验，主要是检验各个通道（交流量、开关量、输入和输出）是否良好，确认各项功能是否按设计要求正确地起作用。

检验的项目和内容与传统的继电保护试验相比，可大大简化，节省了大量的人力与物力，检验周期也可延长。

2.微机保护的硬件系统

3.1传统保护装置硬件系统构成

电力系统发生故障时，有关参数将发生变化。

例如，电流增大、电压降低以及电流与电压之间的相位角变化等。

利用故障与正常运行时这些基本参数的差别，就可构成不同原理的继电保护装置，如：

•1）反应电流变化的有电流速断、定时限过电流保护、反时限过电流保护。

•2）反应电压变化的有低电压、或过电压保护、或电压闭锁电流保护。

•3）既反应电流变化又反应输送功率方向的有方向过电流保护。

•4）反应输入电流与输出电流之差值变化的有差动保护。

•5）反应电压与电流比值变化的有距离保护。

根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但一般情况下，它们都是由三个基本部分组成，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理方框图如下所示：

•各基本部分的作用是：

测量部分的作用是测量被保护设备工作状态（正常状态、故障状态或不正常工作状态）的一个或几个有关的电气量。

•逻辑部分的作用是根据各测量元件输出量的大小、性质、组合方式、出现的顺序，来判断被保护设备的工作状态，以决定保护是否应该动作。

•执行部分的作用是根据逻辑部分所作出的决定，执行保护装置所承担的任务，即发出信号、跳闸或不动作。

•现以输电线路的电流保护为例，说明传统保护装置的基本工作原理及其组成元件。

图1为方向过电流保护装置的单相原理示意图。

图中的机构及触点状态是按断路器在分闸状态，保护在非动作状态下绘制的。

在正常运行时，断路器处在合闸位置，线路中只有负荷电流，因而电流互感器的二次侧的电流较小，流过电流继电器线圈的电流所产生的电磁力不足以吸动衔铁，其动合触点打开着，即继电器处于不动作状态。

•当线路上发生故障时，线路上流过很大短路电流，因此继电器线圈中的电流也按比例地增大。

当此电流足够大时，产生的电磁力吸动衔铁，使继电器触点闭合，若功率方向元件判定故障为正方向，接通断路器的跳闸回路（正电源→继电器的触点→断路器的辅助触点→跳闸线圈→负电源），跳闸线圈中便有直流电流通过，其铁芯磁化并撞开锁扣机构，于是断路器在跳闸弹簧的作用下，迅速断开，将故障切除。

图1方向过电流保护的原理示意图

•在图1中，电流互感器LH和电压互感器YH、功率方向继电器和电流继电器的电压线圈、电流线圈是保护装置的测量部分。

它监视着被保护设备的工作状态，只有在发生故障时，短路功率方向为正方向并且电流增大到大于预定整定值时才动作。

因此，测量部分根据所反应的电气量的大小可处于动作或不动作两种状态。

•继电器的触点回路和延时元件是保护装置的逻辑部分。

逻辑部分接受测量部分送来的信号，再根据信号的组合和顺序来确定是否能使逻辑部分构成回路，如能构成通路，则向执行部分送出执行信号。

•执行部分一般是由中间继电器担任，它接到逻辑部分送来的信号后，发出使断路器跳闸或动作于音响信号的脉冲，以完成整套保护装置的动作。

3.2微机保护装置硬件系统构成

•微机保护装置硬件系统包含以下五个部分：

•

（1）数据采集单元即模拟量输入系统。

包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量的功能。

•

（2）数据处理单元即微机主系统。

包括微处理器、只读存储器、随机存取存储器以及定时器等．微处理器执行存放在只读存储器中的程序，对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。

•（3）数字量输入/输出接口即开关量输入输出系统。

由若干并行接口、光电隔离器及中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话等功能。

•（4）通信接口。

包括通信接口电路及接口以实现多机通信或联网。

•（5）电源。

供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。

保护装置的硬件示意图如下所示：

图2微机保护硬件示意框图

下面分别介绍各子系统的电路构成原理：

2.2.1数据采集单元

（l）电压变换

微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息，但这些互感器的二次数值的输入范围对微机保护装置硬件电路并不适用，故需要降低和变换。

在微机保护中通常要求输入信号为±

5V或±

10V的电压信号，具体取决于所用的模数转换器。

因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。

例如电流变换器和电压变换器。

交流电流的变换一般采用电流变换器，在其二次侧并联电阻取得所需电压。

改变电阻值就可以改变输入电流范围的大小。

例如，当图3中R１和R2阻值相等，若R2断开时电流允许输入范围为0～50A，则R2并联接入后，电流的输入范围为0～100A。

电流变换器最大的优点是，只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上电压的波形就可基本与一次电流成比例且同相，即可以做到不失真变换。

这一点对微机保护是很重要的。

因为只有在这种条件下作精确的运算与定量分析才是有意义的。

电流变换器的缺点是在非周期分量的作用下容易饱和，线性度差，动态范围也小。

但只要妥善设计是可以克服这个缺点的。

图3

•电流电压变换回路除了起电量变换作用外，还起到隔离作用。

它使微机电路在电气上与电力系统隔离，在初级和次级绕组之间应有接地的屏蔽绕组以防止来自高压系统的电磁干扰。

2.2.2采样保持（S／H）电路及采样频率的选择

采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟/数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。

即把随时间连续变化的电气量离散化。

采样保持电路的工作原理可用图4说明。

图4

•它由一个电子模拟开关K，电容C以及两个阻抗变换器组成。

开关K受逻辑输入端电平控制。

在高电平时K闭合，此时，电路处于采样状态，C迅速充电或放电到电容上电压等于该采样时刻的电压值（Ui）。

K的闭合时间应满足使C有足够的充电或放电时间即采样时间。

为了缩短采样时间，这里采用阻抗变换器l，它在输入端呈现高阻抗，输出端呈现低阻抗，使C上电压能迅速跟踪等于Ui值。

K打开时，电容C上保持住K打开瞬间的电压，电路处于保持状态。

同样为了提高保持能力，电路中亦采用了另一个阻抗变换器2，它对C呈现高阻抗。

采样保持的过程如图5所示。

图5

•图5所示采样间隔Ts的倒数称为采样频率fs。

采样频率的选择是微机保护硬件设计中的一个关键问题。

采样频率越高，要求微处理器的速度越高。

因为微机保护是一个实时系统，数据采集系统以采样的频率不断地向微处理器输入数据，微处理器必须要来得及在两个相邻采样间隔时间Ts内处理完对每一组采样值所必须作的各种操作和运算，否则,微处理器将跟不上实时节拍而无法工作。

相反，采样频率过低，将不能真实反映被采样信号的情况。

•采样定理：

如果被采样信号中的最高频率分量为fmax，则采样率应大于fmax的二倍，否则信号失真。

即fs>

2fmax

•微机保护所反应的电力系统参数是经过采样离散化之后的数字量。

那么，连续时间信号经采样离散化成为离散时间信号后是否会丢失一些信息，也就是说这离散信号能否真实地反映被采样