10KV电力电容器运行保护测控装置的研究毕业设计论文.docx

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10KV电力电容器运行保护测控装置的研究毕业设计论文

毕业设计论文

10KV电力电容器运行保护测控装置的研究

摘要

电力电容器作为电力系统中主要的无功补偿装置，其在电网中的有效应用可以起到提高电网功率因数，改善电网供电质量,降低电网损耗等作用。

但是电力系统运行过程中的一些不确定性因素使其在运行过程中不能正常工作，并且产生故障，这不仅仅影响电网的供电质量，而且影响整个电网的安全可靠运行。

因此，研究一种先进，可靠并且实用的电力电容器保护装置就显得尤为重要。

本文主要讨论了基于DSP技术的电力电容器微机保护测控装置，主要包括:

电力电容器保护装置的基础性理论研究，电力电容器保护装置硬件和软件的设计以及技术上的实现。

基于对现有电力电容器微机保护装置的分析和对比，本论文对硬件和软件系统进行了模块化设计。

硬件部分主要包括：

电源系统模块，模拟调理模块，开关量输入输出模块，人机接口模块和通讯电路模块。

在硬件的基础上，结合交流采样和傅立叶算法，本论文完成了主程序服务模块，中断服务子程序模块，键盘电压模拟量采集模块和通信模块等软件部分的设计。

关键词：

电力电容器；微机保护；TMS320F2812；DSP。

THERESEARCHONCAPACITORPROTECTIONDEVICE

ABSTRACT

Capacitoraspowercompensationdevicecanimprovethepowerfactor,betterthepowernetquality,reducetheloss,andsoall.Butduringtherunning,therealwaysexistssomeunsureelementswhichwilleffectthecapacitor’sworkandmakesomemalfunctions,thisnotonlyeffectsthepowernetqualitybutalsoendangerthewholepowernet’ssaferunning.So,itseemsnecessarytoresearchoutanadvanced,dependableandpracticalcapacitorprotectiondevice.

ThisthesismainlydiscussestheresearchontheMicrocomputerprotectiondeviceofcapacitorbasedonDSPtechnology.Itmainlyincludes:

thereseachontheprotectionofpowercapacitor,thehardwaredesignonthecapacitorprotectiondeviceandtheresearchonhowtorealizethetechnology.

Basedonthesyntheticalanalyzingandcontrastingthecapacitorprotectiondevicenowavailable,combiningwithCPLDtechnology,thisthesisdesignedthehardwareandsoftwaresystemunited.Thehardwareembraced:

powersystemunit,mimicrecuterateunit,swithedinandoutunit,connectionbetweencomputerandmenunit,andthecommunicationofelectriccircuitunit.RelayedonthedesignofthehardwareandconbinedwiththeACstampingandFourieralgorithmthisthesiscompletedthedesignofeverysoftware,includingthemainroutineandtheinterruptserviceroutine,keyinterruptserviceroutine,communicationinterruptserviceroutine,A/Dprocedureanddatainandoutserviceroutine.

Keywords:

powercapacitor,TMS320F2812,microcomputerprotection

第1章：

绪论

本章论述了电力电容器保护装置技术的发展，主要内容包括国内外的发展方向，在此基础上提出了研究电力电容器保护的意义，以及本课题需要做的工作。

1.1本课题研究的意义

电力电容器作为电力系统中主要的无功补偿装置，其在电网中的有效应用可以起到提高电网功率因数，改善电网供电质量,降低电网损耗等作用。

但是电力系统运行过程中的一些不确定性因素使其在运行过程中存在内部故障和外部故障。

内部故障表现在电容器内部极板之间的绝缘介质如有薄弱环节，在高电压的作用下很容易发生过热，游离直到局部击穿与短路。

外部故障是指系统电压过高或过低，可能危及电容器安全运行。

往往会影响电力电容器的正常工作，使其产生故障，这不仅会影响电网的供电质量，也会危及整个电网的安全可靠运行。

传统的电力电容器运行保护装置虽然也可起到保护作用，但是由于可靠性低，功能少，灵敏度低而不能及时切断以排除故障，避免大型事故的发生。

针对上述情况，希望所设计的基于DSP技术的微机保护装置能够及时的将电容器从电力系统中快速,自动的切除,使其损坏程度减至最轻,保证电容器使用寿命，并且防止故障进一步扩大。

因此，研究一种先进、可靠、实用而又多功能，具有高灵敏度，高紧凑性和并且使用方便简洁而成本低廉的的电力电容器运行保护测控装置就显得尤为重要。

下图1-1为保护装置对现场并联电容器组保护示意图：

图1-1并联电容器组保护示意图

该装置具有电流速断、限时过流、过电压、欠电压、过负荷、零序电压/不平衡电压保护的功能。

1.2国内外电力电容器保护技术的发展

传统电力电容器的保护措施是基于电热原理和电磁原理，电流原理就是电流的热效益原理，当电流通过导体时就产生热量。

用热继电器实现的过载保护和用熔断器实现的短路保护就是电热原理的典型应用。

电磁原理就是电磁感应，当电流通过线圈时就产生磁场，而用欠压继电器或接触器实现的欠压，失压保护，用过电压继电器实现的过压保护以及用电流继电器实现的过流，欠流（磁）保护则是电磁原理的应用实例。

由于微机保护的不断发展，并有其与传统保护明显不同的特点，在电力电容器保护中得到不断的应用，同时新的电力电容器保护原理不断提出，其中简单，实用的电力电容器保护已经研制成功并获得应用。

相比较其它电力电容器保护原理，综合保护只需要通过采集电容器各序电流量，经过计算，判断保护动作与或，在理论上和应用上都有很大的价值【1】。

国外研制电力电容器保护装置较早，生产规模较大，种类齐全的应是韩国，美国，德国（都是电子型），如韩国三和技研株式会社的产品主要有交流，直流保护继电器，数显式智能型保护器，电压型保护器。

在微机保护硬件上，第一套以6809为基础的距离保护样机投入试运行，厉经8位，准16位，到现在16位处理器成为主角，32位处理器，DSP处理器跃上历史舞台，新技术，新器件不断涌现，如新型光学电压，电流互感器。

值得一提的是现在DSP的集成度越来越高，其中一些芯片集成了丰富的外部资源，比较有代表性的是TI公司的TMS320C/F24XX系列和AD公司的ADMC系列芯片，特别适用于应用在工控，仪表领域，并有逐步取代传统微控制器的趋势，发展前景非常广阔。

当前硬件上的主要任务是通过积极采用成熟的新技术，新器件来提高保护装置的可靠性，通用性。

随着系统变电容量的增加，电容器及其装置正向着大容量、紧密型、高可靠性，并集控制和保护设备于一体的的电力电容器成套装置方向发展【2】。

1.3本课题所做的工作

本课题为基于DSP技术的电力电容器运行保护测控装置的研究，主要做的工作如下

（1）查阅大量文献资料，研究电力电容器的工作原理；

（2）研究电容保护的工作原理，种类及功能；

（3）研究电力电容器在运行过程中容易发生的故障以及发生故障的原因；

（4）研究电力电容器保护装置的工作原理和采用的手段；

（5）研究基于DSP技术的电力电容器运行保护测控装置的重要新理论；

（6）研究基于DSP技术的电力电容器运行保护测控装置所具有的功能；

（7）研究基于DSP技术的电力电容器运行保护测控装置所采用的技术手段；

（9）研究算法，用Protel软件制图，软件的模块化设计；

（10）试验，调试。

第2章：

电力电容器保护的理论研究

本章讲述了电力电容器发生故障的原因和现象，针对这些故障，对故障发生的原因进行了电容器保护原理的分析，从而提出了每种保护的判据，为电容器保护的硬件及软件设计提供了理论基础。

2.1电力电容器的故障分析及处理

2.1.1电力电容器发生故障的原因

电力电容器作为电力系统中的主要元部件在运行过程中存在内部故障和外部故障。

内部故障表现在电容器内部极板之间的绝缘介质如有薄弱环节，在高电压的作用下很容易发生过热，游离直到局部击穿与短路；外部故障是指系统电压过高或过低，可能危及电容器安全运行【3】。

2.1.2电力电容器发生故障的现象

（1）瓷套管及外壳渗漏油

电容器是全密封的电气设备,由于制造工艺、运输等原因,出现渗漏油,导致套管内部受潮,绝缘电阻降低。

随着电容器运行电压、温度等变化,内部压力增加,渗漏油部位多发生在瓷套管与金属外壳的联接处以外及金属外壳的焊接缝等处。

（2）瓷绝缘表面放电闪络

电容器在运行中若缺乏定期清扫和维护,其瓷绝缘表面因污秽严重,在电网出现内、外电压和系统谐波的情况下导致绝缘击穿,局部放电,造成瓷套管闪络破损。

（3）外壳鼓肚

当电容器内部元件发生故障击穿时,介质中将通过很大的故障电流,电流产生的电弧和高温使浸渍剂游离而分散产生大量气体,使得电容器内部压力增大,导致其外壳膨胀鼓肚。

这是运行中电容器故障的征兆,应及时处理,避免故障的蔓延扩大。

（4）电容器爆炸

当电容器内部元件故障击穿造成电容器极间贯穿性短路时,与其并联运行的其它电容器将对故障电容器充电,若注入故障电容器的能量超过其外壳承受的爆破能量,则电容器爆炸；当电弧点燃的液体介质溢流时,还会造成火灾。

2.1.3电力电容器的故障分析

（1）运行电压过高【4】

电容器的运行电压是指电容器所接变电站母线的系统电压,它直接影响电容器的寿命和出力。

运行中电容器内部的有功功率损耗由其介质损耗和导体电阻损耗组成,而介质损耗占电容器总有功功率损耗的98%以上,其大小与电容器的温升有关,可用下式表示:

（2－1）

式中P——电容器的有功功率损耗（kW）;U——电容器的运行电压（kV）。

Q——电容器的无功功率（kvar）;tanδ——介质损失角正切值;

ω——电网角频率（rad/s）;C——电容器的电容量（μF）;

由公式知,电容器的有功功率损耗和电容器输出的无功功率大小均与电容器的运行电压的平方成正比。

随着电容器的运行电压的增高,电容器的有功功率损耗增加很快,温度迅速升高,则绝缘寿命降低。

（2）运行温度过高

电容器长期处于高电场强度和高温下运行将引起绝缘介质老化和介质损失角δ的增大,使电容器内部温升超过允许值而发热,缩短电容器的使用寿命,严重时,在高电场强度作用下导致电容器热击穿而损坏。

（3）高次谐波引起过电流

电容器对高次谐波最敏感,它可能在某一频率下产生谐振,造成谐波电流过大。

当谐波源负荷和电容器连接时,电容器容抗和系统的感抗在某一频率下正好大小相等方向相反,而生并联揩振时,谐波电流在系统和电容器之间流动,使电容过电流。

减少此谐波过电流可将电抗器与电容串联,以错开谐振点。

2.2电力电容器的保护功能及原理

电力电容器的保护【5】类型主要包括过压保护、欠压保护、过流保护、过压保护，不平衡保护等。

实现这些保护的主要措施有基本保护（包括熔断器、避雷器、保护用电感）、继电器保护以及目前被广泛采用的微机保护.

1、三段电流保护

三段电流保护包括速断、限时速断、定时限过流。

其中速断动作时间固定为0秒，其余两段动作延时可独立整定。

电流保护动作条件如下：

IΦ＞IZDIΦ为A、B、C任意一相电流，IZD为电流定值

T＞TZDTZD为延时时间定值

2、反时限过流保护

装置的过流保护通过软压板可选择定时限或反时限方式。

当选为反时限后，对应定时限的电流定值即为反时限起动电流定值，定时限的时间定值即为反时限时间常数。

其反时限特性公式如下：

（2－2）

式中：

I为三相电流中的最大值

Ip为保护的启动电流整定值，与过流保护电流定值共用。

τ为时间常数，与过流保护时间定值共用。

由上式可知，Ip和τ为常数，而I与t为变值，当I>Ip时，t随I的增大而减小，二者呈反时限特性。

3、过电压保护

装置取母线线电压判别。

当开关处于合位，且

、

、

任一高于过压定值，延时时间到后跳闸或发信。

过压保护动作条件如下：

1）断路器处于合位

2）ULL＞UGYZD；

ULL为线电压UAB、UBC、UCA；UGYZD为过压保护电压定值

3）T＞TGYZD；T为动作时间,TGYZD为过压保护延时定值。

4、失压保护

为防止电源跳开后，重投电源时电容器未放完电而承受过电压损坏，应装设失压保护，其时限应小于上级电源进线重合闸或备自投动作时限。

当开关处于合位，且母线UAB、UBC、UCA任一线电压低于定值，延时时间到后装置跳闸并发信。

失压保护动作条件如下：

1）断路器处于合位；2）无PT断线闭锁；

3）ULL

ULL为线电压UAB、UBC、UCA；USYZD为失压保护电压定值

4）T＞TSYZD；T为动作时间,TSYZD为失压保护的延时定值。

低压保护与失压保护的区别是：

低压保护加判了门槛电压（固定为10V），即当母线电压跌落到10V以下则闭锁低压保护，防止误切。

一般低压与失压保护只投其一。

5、不平衡电流、电压保护

该保护用于反映电容器组内部故障，当引入独立的不平衡电流或电压时可实现平衡保护。

不平衡电流保护动作条件如下：

1）IBPH＞IBPHZD；IBPH为不平衡电流，IBPHZD为不平衡电流保护电流定值；

2）T＞TIBPHZD；T为动作时间,TIBPHZD为不平衡电流保护延时定值

不平衡电压保护动作条件如下：

1）UBPH＞UBPHZD；UBPH为不平衡电压，UBPHZD为不平衡电压保护电压定值；

2）T＞TUBPHZD；T为动作时间,TUBPHZD为不平衡电压保护延时定值

6.零序电压保护

当补偿电容器组为三相星形接线时可以采用零序电压保护，其原理接线如图2-４所示。

图2-4零序电压保护逻辑原理框图

对于多台电容器串并联组成的电容器组，零序电压保护定值可由下式计算：

（2－3）

上三式中：

U0.set-动作电压（V）；NTV-互感器变比；

Klm-灵敏系数，取1.25-1.5;Uch-差电压（V）；

K-因故障而切除的电容器台数；N-每相电容器的串联段数；

β-任意一台电容器击穿元件的百分数；

M-每相各串联段电容器并联台数；

7、电容器自动投切功能

投入此功能，只需给出母线电压合格运行范围，例如为10.2～10.7KV。

母线电压大于9.5KV并且小于10.2KV时，给一定延时自动投入电容器；母线电压大于10.7KV时，同样给予一定延自动切除。

为防止电容器自动投切次数过于频繁，一般其延时不小于30秒。

自动投入电压最小值9.5KV已由装置给出，用时只需整定其自投电压值如10.2KV和自切电压值如10.7KV

在电容器保护跳闸或手动跳闸后，将自动闭锁电容器自投功能。

2.3电力电容器的保护装置及原理

本节介绍了国内外部分典型电力电容器保护装置所采用的方法，配置，及其特点【4】。

（1）基于工业PC机的高压并联电容器保护装置

并联电容器是目前国内采用最普遍的无功补偿措施，它是解决电网无功电源容量不足，提高功率因数，保证电力系统安全经济运行的重要措施。

由于电力系统中时有电容器爆破和火灾事故的发生，并联电容器的故障类型和保护配置，对保证大量无功补偿电容器的安全，有重要的实际意义。

（2）基于DSP的分布式微机电容器保护测控装

它是一种基于TI公司的嵌入式数字信号处理器TMS320F2407的分布式微机电容器保护测控装置,该装置可就地采集电压、电流等信息量,实时完成保护、测量、控制等功能,具有抗干扰性强、精度高的特点。

（3）多功能微机电容器保护装置

该微机电容器保护装置有以下8种保护功能可供选择:

1.电流速断;2.限时过流保护;3.过电压保护;4.欠电压保护;

5.零流保护;6.零压保护;7.差流保护；8.差压保护。

它的辅助功能是基于使微机保护装置既可独立应用于各种电压等级的变电站和不同接线方式的电容器组的保护,又可作为变电站综合自动化系统的一个子系统,同时能满足无人值班变电站的需要，可实现全自动控制系统。

（4）金属氧化物改进了电容器的保护装置

采用金属氧化物非线性电阻元件，可提高高压串联电容器保护系统的保护性能，使用这种新的保护系统，在故障情况下，可以使电容补偿完全不受影响。

（5）基于DSP的电力综合保护测控装置

该装置利用DSP技术和EDA技术的发展及其优越性能,在基于DSP+CPU+CPLD电力综合保护测控装置具体设计中,针对这种新型智能系统所具有的特点,为保证该系统的安全可靠的运行,从硬件和软件方面行进了干扰抑制和消除。

本设计采用就是这种装置。

（6）高压电机综合保护测控装置

ISA-347G微机综合保护测控装置可应用于200kW及以上的10kV高压电机。

微机保护测控装置有保护、测量、显示、通信等在线监测功能。

通过自身完善的保护功能,对电机的轴承损坏、定转子相擦、匝间短路等产生的发热情况能起到很好的保护作用。

并且保护装置体积小,可就地安装在高压开关柜上,通过通信电缆与外部连接,后台电脑实时监控和遥控,较容易实现自动控制及在线监测。

微机综合保护装置的参数整定可在保护装置面板上完成,也可在后台监控系统上完成,检查和输入方便。

第3章：

电力电容器微机保护装置的硬件设计

本章针对电力电容器保护特点，详尽的叙述了保护装置的硬件设计。

主要内容包括：

处理器选择，DSP最小硬件系统设计，模拟量采集模块，开关量输入输出模块，键盘、显示模块，看门狗电路，通讯模块及电源模块的设计。

模块化设计从系统最低功耗要求出发，以避免混合系统带来的影响。

3.1微机保护的CPU方案

3.1.1传统的MCU+PSD保护方案

微机保护装置要向体积小，功能强的方向发展。

在选用CPU芯片时，就必需对芯片的集成度有所要求，尽量避免使用外扩设备，从而减少印制版的面积。

传统的CPU片由于片内资源有限，所需的外围设备较多，如地址锁存器EPROMRAMPLD等，可编程单片机通用外围接口芯片（PSD）实现了将单片机所需的多个外围芯片集成在一个芯片内，从而可以大大减化电路的设计【6】。

3.1.2选取具有快速数据处理能力的数字信号处理器

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。

目前应用最广的可编程DSP芯片是TI公司的TMS320C2000系列芯片，其特点如下【7】：

改进哈佛结构允许数据在程序空间和数据空间之间传输，从而增加了速度和器件的灵活性；并行处理结构使得功能模块和操作指令流水线工作可行；专用硬件乘法器使得乘法运算在单指令周期内就能完成，提高了处理速度；特殊DSP指令可以尽量减少指令周期，提高处理速度；快速指令周期小，最小达到20ns，这使其适合实时处理的应用领域；附加功能模块加强了处理速度，数据吞吐量以及外围控制功能，如DMA控制器，定时器，外部中断控制器等。

通过比较TMS320C2000系列芯片，决定选择TMS320F2812进行实验性研究，TMS320F2812主要集成了DSP、A/D、PWM、UART、CAN、USB、SCI、SPI和串行EEPROM+RTC实时时钟等外设。

DSP系统的特点：

接口方便，编程方便，稳定性好，精度高，可重复性好，并且集成方便。

3.2本设计系统硬件结构图3-1：

图3-1系统硬件结构

该装置的结构包括信号的采集与处理，A/D转换，开关量的输入与输出，键盘与液晶显示，看门狗电路，仿真及通讯与电源控制模块等。

3.3微机保护装置中的DSP芯片设计

3.3.1时钟电路设计

本装置DSP芯片的时钟电路是利用芯片内部的振荡电路与X2，X1/XCLKIN引脚之间连接一只晶体管与两个电容组成并联谐振电路，如图3-2所示：

该电路可以产生与外加晶体同频率的时钟信号，电容C1，C2取值24PF。

它们可以起到对时钟频率微调的作用。

图3-2时钟电路

3.3.2复位电路设计

DSP芯片可以通过/TRS引脚使DSP复位到一个已知状态，为保证DSP可靠复位，/RST引脚必须为低电平，且保持至少两个主频时钟周期，当复位发生时DSP终止程序运行，并使程序计数器复位。

电路如图3-3所示：

图3-3RC复位电路

3.3电源模块

由于DSP芯片的工作匹配电压一般为0～3.3V，所以本设计选用IT公司的电源芯片TPS76815和TPS76833提供F2812芯片所需的+1.8V（内核电压）和+3.3V（外围器件引脚电压）的电压，其最大的工作电流为1000mA，足以满足DSP芯片的工作电压和各外围器件的供电需求。

为了防止继电器动作电压以及外界通讯电压对F2812芯片的影响，本设计开关电源产生的+12V，V12V及V24V，-12V相互独立隔离【8】。

图3－4MC7805BD2T电路

在12V有源信号的输入下，首先通过C101和C104储能电容器对信号进行小波段的滤波，用弧电容C002和C005对信号进行大波段的滤波，之后通过MC7805BD2T芯片降压，降压后再对不纯的信号进行弧电容器的滤波以达到DSP的工作电压5.5V。

在TPS76815电路中两个电容器作用相同。

图3-5TPS76815电路

3.4模拟量采集模块

模拟量采集模块是由若干个电压，电流互感器组成，其作用是将来自现场的交流电量转换到处理器模块可以接受的范围内。

本课题选用四只电压互感器来测量Ua、Ub、Uc的电压，实现电力电容器过电压，欠电压和零序电压的保护；选用三只电流互感器来测量Ia、Ib、Ic的电流，实现过电流的保护【9】。

模拟量采集电路原理图如图3-6，3-7所示：

图3-6电压采集电路

图3-7电流采集电路

图3-6中，电阻Ｒ1是限流电阻，用以产生电压互感器所需2mA电流，满足电压互感器工作条件；电阻和电容的并列起补偿相位的作用；1.5V的直流偏移量是使输入到A/D转换器的电压从双极性变为单极性，这是由A/D转换中采用逐次逼近原理决定