微机线路继电保护装置研究与设计.docx
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微机线路继电保护装置研究与设计
第1章绪论................................................................................................,,1
1.1研究测控保护装置的意义...........................................................................1
1.2继电保护的发展历程...................................................................................1
1.3继电保护装置的分类……………………………………………………….2
1.4继电保护的未来发展………………………………………………………3
1.5本文所做的主要工作………………………………………………………4
第2章微机系统功能配置与算法……………………………………………6
2.1保护功能置基本原理......................................................................................6
2.1.1三段式电流保护..........................................................................................6
2.12方向性三段式电流保护……………………………………………………….7
2.1.3自适应电流保护..........................................................................................8
2.1.4零序电流保护..............................................................................................9
2.2测量功能.................................................................................................102.3通讯功能…………………………………………………………………….10
2.4控制功能.......................................................................................................11
2.5保护算法.......................................................................................................11
2.5.1常用算法简单介绍....................................................................................11
2.5.2傅氏算法...........................................................................................12
2.5.3所用算法能力的分析.......................................................................13
2.6本章小结.......................................................................................................15
第3基于DSP的微机线路保护装置的硬件系统设计……………..23
31保护装置的整体设计要求.............................................................23
32插件的设计（CPU）...........................................................,,…………….23
3.21CPU一TMS320F2812..........................................................,,23
32.2外部复位电路........................................................................,,26
32.3储器的扩展.............................,,,............................................28
32.4通信接口的设计....................................................................,,31
32.5测频电路................................................................................,,34
32.6CPLD的设计........................................................................,,35
32.7数据采集的硬件结构及其实现............................................,,37
33交流插件的设计（PTCI,）.........................................................,,……..40
34输入直流输入插件（DIDC）.........................................,,……………..41
34.1开关量输入............................................................................,,41
34.2直流输入................................................................................,,42
35操作回路插件（（OPERAT）...................................................,,……42
36人机接口插件（MMI）………………………………………………..43
37电源插件（POWER）...............................................................................44
38本章小结.......................................................................................,….44
第5章系统的软件设计................................................................................45
5.1系统软件的总体设计原则...............................................................................45
5.2程序设计语言的选择………………………………………………………….45
5.3测控部分的软件设计..........................................................................................46
5,4保护部分软件设计.............................................................................................46
5.4.1软件定时处理程序………………………………………………………..46
第6章论文的结论与展望…………………………………………………………..47
6.1结论..............................................................................................,,47
6.2展望............................................................................................,,47
1.1研究电力系统测控保护装置的意义
随着计算机技术、电子技术和通讯技术的高速发展，电力系统调度自动化、配电自动化
和变电站综合自动化正在世界范围内逐步实施起来。
分布式的变电站自动化系统目前已经是
发展的必然趋势。
近几年来，我国电网中变电站的自动化水平也在发生着新的变化。
各地区
已经逐渐出现了大量采用自动化技术的变电站，有的还实现了无人值班。
同时，电力系统自
动化的分布式开放系统结构这一发展趋势使原有的电网监测、控制、保护、记录、通信联网
等各分立装置正在发生一场根本性的变革。
变电站自动化对配电线路微机保护和测控一体化装置的研制提出了要求。
为了适应变电
站自动化系统全分布和面向对象的趋势，就要有与之相配套的集测量、监控、保护、记录、
远动和通讯联网等多功能综合一体化的微机保护和测控装置，而目前普遍使用的功能独立的
各种装置已不能完全适应变电站自动化改造和现代化电能管理的需要。
90年代以来，国际上出现了继电保护、操作控制和监测集成化、一体化的发展趋势，特
别是90年代中期以来，这种趋势越来越强劲。
传统意义上讲，继电保护是强调独立的，主要是因为继电保护对可靠性的要求很高。
但随
着计算机技术的飞速发展，下面两个原因使继电保护和监控系统的紧密结合成为可能。
1.功能集成和资源共享
在中、低压配电网络中，继电保护相对比较简单，其独立性的要求也相对低一些。
这种情
况下，特别是伴随着现代微控制器的高速发展，继电保护的硬件资源比较充裕。
因此，有可
能将监测、控制操作的一些任务交由继电保护的硬件平台来承担。
此时，只要对硬件做小量
的修改，而在软件上扩充一些功能。
另外，由于传统的保护、测量、监控、远动等硬件资源相互独立，往往造成接线复杂和二
次设备的重复投资。
随着配网自动化和变电站自动化在电力系统中的推广应用，过去的保护、
测量和监控方式已经不能完全满足新形势的需要。
新一代智能化保护单元是集保护、监测、
控制、远动和通讯一体化的装置，能适应新形势的需要。
2.远方控制和信息共享
计算机和网络技术的飞速发展，为继电保护的信息系统纳入整个自动化系统提供了可能。
在信息共享方面，主要是继电保护装置可以将记录的故障前后以及跳闸前后的信息提供给
监控系统乃至控制中心，以便调度管理人员作全局性的分析和控制。
多功能配电线路微机保护和测控装置可以取代传统的感应式电表、变送器和RTU，实时提
供电网的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电度等参数，另外它还具有继电保
护功能，构成一个完整的电力系统单元式二次模块。
总之，研制和开发功能全面、精度较高的配电线路微机测控保护装置已成为各国电力部门
的普遍要求。
1.2继电保护的发展历程
继电保护及自动装置是一门新学科,从形成概念到现在刚过百年.但其技术却
有飞速发展,从最初的机电型发展到今天的微机型,经历了四代的更新"与其他技术
不同的是新技术不能完全取代/老0技术;电力系统中运行的继电保护及装置可
以说是/四世同堂0"各代装置的特点性能和优缺点见表1一1"
表1-1不同类型的继电保护即自动装置性能比较
保护类型
优点
缺点及存在问题
机电型
简单可靠，价廉，技术成熟，耐浪涌性强
动作速度慢，不易实现复杂的装置
晶体管型
动作速度较快，可实现复杂的装置，比较经济，易于掌握
抗干扰差，元器件多，易发生特性变化和原件损坏
集成电路型
动作速度快。
易实现较为复杂的装置，有自检功能
元器件较多，接线复杂，抗干扰差，价格高
微机型
动作速度快，易于实现复杂装置，自检功能完善，有很好的附加功能，调试方便
技术跨度大，厂家对软件保密，用户检修难度大
1.3继电保护装置的分类
继电保护装置的分类方法通常有以下几种
（1）根据保护装置反应物理量的不同分为；电流保护，电压保护，距离保护
差动保护和瓦斯保护。
（2）根据被保护对象的不同分为；发电机保护。
输电线保护，母线保护，变压器保护
电动机保护等。
电气化铁道牵引供电系统中，主要有110KV输电线保护，变压器
保护，牵引网保护及补偿电容保护等。
（3）根据保护装置的组成愿你ian不同分为；电磁型，半导体型，数字型及
微机保护装置等。
（4）根据保护装置的不同可分为；主保护，后备保护，以及为了改善保护的装置的
莫衷性能，而专门设置的辅助保护装置等。
1.4继电保护的未来发展
继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护，控制，测量和数据通信一体化发展。
（1）计算机化
随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展，原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经经历了3哥发展阶段；从8位单CPU结构的微机保护问世，不到5年的时间就发展到多CPU结构，后来又发展到总线不出模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。
中华理工大学研制的微机保护也是从8位CPU，发展到以工控机核心部分为基础的32位微机保护。
南京电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为基础的微机线路保护，已得到大面积的推广，目前也在研究32位保护硬件系统。
东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过多次的改进和提高，天津大学一开始即研制以16位多CPU为基础的微机线路保护。
1988年即开始研究以32位数字信号处理为基础的保护，控制测量一体化微机装置，目前以与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的32位大模块，一个模块就是一个小型计算机，采用32位微机芯片并非只是眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度。
很大的寻址空间。
丰富的指令系统和较多的输入输出口。
CPU的寄存器。
数据总线。
地址总线都是32位的。
具有存储器管理功能，存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存和浮点数都集成在CPU内。
电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其他保护控制装置和调度联网以共享安全系统数据，信息和网络资源的能力，高级语言编程等，这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能，在计算机保护发展初期，曾想过用一台小型计算机做成继电保护装置，由于当时小型机体积大，成本高。
可靠性差，这个设想是不现实的，现在，同微机保护装置大小的相似的工控机的功能，速度，存储器容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机做成继电保护的时间已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一，天津大学以研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控加以改造做成的继电保护装置，这种装置的优点是。
（1）具有486PC机的全部功能，能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求
（2）尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良，防震，防过热，方电磁干扰能力强，可运行与非常恶劣的工作环境，成本可接受（3）采用STD总线或PC总线，硬件模块化对于不同的保护可任意选用不同的模块，配置灵活，容易拓展
继电保护装置的微机化计算机话是不可逆转的发展趋势，但对于如何更好的满足电力系统的要求如何进一步提高继电保护的可靠性如何取得较大的经济效益和社会效益，尚需进行具体深入的研究。
（2）网络化
计算机网络作为信息和数据通信工具已经成为信息时代的技术支柱。
是人类生产和社会生活面貌发生了根本的变化，它深刻影响哥哥工业领域提供了强有力的通信手段，到目前为止，除了差动保护和纵连差保护外，所有继电保护装置只能反应保护安装出的电气量，继电保护的作用也只限于切除故障原件，缩小事故影响范围，这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段，国外早已经提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置，因继电保护的作用不只是限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行，这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作。
确保系统的安全稳定运行。
显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统哥哥主要设备的保护装置用计算机网络发展连接起来。
即实现微机保护装置的网络化，这在当时的技术条件下是完全可能的。
由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性和可能性。
这是微机保护发展的必然趋势。
（3）保护，控制测量，数据通信一体化
在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下。
保护装置实际上就是在一台高性能多功能的计算机是整个电力系统计算机网络上的一个只能终端。
它可以网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将他所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端，因此每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量控制数据通信功，也可实现保护，测量，数据通信一体化、
（4）智能化
近年来，人工智能技术如神经网络，遗传算法，进化规划，模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已经开始，神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法可迎刃而解，咧如在输电线俩测系统电势角度摆开情况下发生经过度电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确做出故障位置的判别。
从而造成误动或据动，如果用神经网络方法，经过大量故障样本训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障都可以正确判别。
其他遗传算法，进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力，讲这些人工只能方法结婚可是求解速度更快，天津大学从1996年起进行神经网继电保护的研究，已经取得初步成果。
可以预见。
人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决常规方法难以解决的问题。
1.5本文所做的主要工作
基于DSP的微机线路保护装置能够实现保护的智能化!
网络化和信息化,同
时也为算法的实现提供了很好的平台"中国电力科学研究院变电站自动化公司提
出开发以DSP（TMS32OF2812）为核心技术的应用于电力系统微机保护!
监测和配
电自动化的软硬件产品平台"我主要从事DSP板的硬件电路设计和软硬件调试工
作,在此平台基础上完成35KV微机线路保护装置的研制"
本课题的具体工作是在学习DSP技术,包括DSP芯片的电气性能!
内部结构!
外围接口!
开发工具的使用方法!
指令特点以及目标文件的生成等相关技术的基
础上,开发出以TMS320F2812为微处理器的硬件平台及相应软件,系统平台主要
由主板!
开关量输入直流输入板!
操作回路板等共同组成,实现系统所要求的AD
转换!
开关量输入输出!
异步串口通信!
CAN网通信等一系列功能,同时,编制相
应的底层驱动软件和运行软件以完成系统对外界信号的数据采集!
快速傅立叶变
换等数字信号处理操作"最后对在该平台上设计好的35KV微机保护装置进行性能
测试,包括保护功能的测试,运行稳定性的测试等,并对测试结果进行分析"
第2章微机系统功能配置
2.135KV线路保护基本原理
传统的线路保护按动作原理可分为相间短路的电流保护!
相间短路的方向电
流保护!
零序电流保护!
距离保护!
差动保护!
高频保护等"但微机保护的出现
使得保护装置不再拘泥于某一种动作原理,可以充分利用各种保护原理各自的优
点,在实际应用中根据不同的情况,选择不同原理的保护或几种原理的组合,以
达到满意的灵敏度,提高保护动作的可靠性"
2.1.1三段式电流保护
目前,35KV线路相间短路大多仍采用三段式电流保护"电流速断!
限时电流
速断和过电流保护都是反应于电流升高而动作"它们之间的区别主要在于按照不
同的原则来选择起动电流"速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定,限时
速断是按照躲开前方各相邻元件电流速断保护（或差动保护）的动作电流整定,
而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定lv1"
三段式电流保护最主要的优点是简单!
可靠,并且在一般情况下能够满足快
速切除故障的要求,因此在电网中特别是35KV及以下的较低电压网络中获得了广
泛的应用"
3.1.2方向性三段式电流保护
在35KV环网中,为了保证保护动作的方向性,采用方向性三段式电流保护"
对继电保护中方向元件的基本要求是:
1.应具有明确的方向性"即在正方向发生各种故障时,能可靠动作,而在
反方向故障时,可靠不动作"
2故障时继电器的动作有足够的灵敏度"
根据这些要求,目前反应相间短路的功率方向元件采用90"接线,灵敏角
叭""取一45"或一300"其动作方程为:
若切表示U*超前人的角度,则用功率的形式表示动作条件,上式可写成:
由上式可见,当余弦值为负或u!
!
人任一项等于零时,继电器将不能动作,
此时存在死区"
利用方向元件与三段式电流保护与门出口就构成了方向性三段式电流保护"
2.1.3自适应电流保护
电流保护直接反映电流的大小,其实现简单,可靠性高"传统的电流速断保
护其动作电流是按躲过被保护线路末端短路时的最大短路电流来整定以适应电力
系统运行方式和故障类型的变化,保证系统保护的选择性"但是这种整定方式得
出的定值在最小运行方式或最不利的故障情况下保护范围很小甚至有可能是零,
由于实际故障电流的大小与系统运行方式故障类型有关因此会影响电流保护的灵
敏度许多专家和学者对此提出了一些解决方法:
（一）采取自适应电流保护15,9,-01"它利用故障分量实时求取系统背侧阻抗,
并判断故障类型动态整定保护定值使保护范围始终处于最佳状态"这一方案基本
上可以较好地解决系统运行方式和故障类型对保护灵敏度的影响,但需要电压信
号和故障选相"
（二）将高压线路保护中常用的距离保护应用于中低压电网中"距离保护最
大的优点就是受系统运行方式和故障类型影响较小,并且保护范围稳定,因此在
高压电网的线路保护中得到了广泛的应用"可以说距离保护本身就具有自适应系
统运行方式和故障类型变化的能力"在使用两相CT的小电流接地系统中发生两相
接地短路或两相短路时除了AC相故障可以直接获取故障相间电压和相间电流计
算短路阻抗外,其他相别的两相故障都只能得到A相或C相的故障电流,根据小
电流接地系统中接地短路的特点可知,无论是两相短路还是两相接地短路两个故
障相的电流大小相等方向相反,根据这一特点相间故障时短路阻抗的计算十分简
单"
（
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