基于微机保护的电力系统继电保护的设计

青岛农业大学毕 业 论 文（设计）题 目： 基于微机保护的电力系统继电保护的设计 姓 名： 吕永红 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2012.01 学 号： 20122810 指导教师： 白皓然 2016 年 06 月 16 日毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目 录摘 要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 选题背景及研究意义 .11.2 继电保护装置在国内外发展现状 .11.3 研究目标及内容 .21.4 本文的总体结构 .32 系统硬件电路设计 .42.1 系统测控部分硬件的整体设计 .42.2 系统硬件设计中使用的各部分功能模块介绍 .52.2.1 主控芯片 STM32 .52.2.2 霍尔电流传感器 .62.2.3 限压电路设计 .72.2.4 有源低通滤波电路设计 .82.2.5 TFT 触摸屏的介绍及电路设计 .102.2.6 跳合闸信号继电器的设计 .112.3 配电箱设计 .122.4 模拟三相系统设计 .133 下位机系统程序设计 .153.1 程序总流程 .153.2 主程序功能详细介绍 .163.2.1 主程序中继电器逻辑判断输出程序的设计 .173.2.2 主程序中有效值计算子程序的设计 .173.2.3 主程序中串口接收发送程序的设计 .183.3 各子程序模块功能详细介绍 .193.3.1 ADC 初始化子程序块设计 .193.3.2 LCD 显示屏初始化和数据写入子程序块设计 .203.3.3 定时器子程序块设计 .213.3.4 信号继电器初始化子程序块设计 .213.3.5 实时时钟显示子程序块设计 .224 上位机监控系统的设计 .234.1 C#编程语言和 Microsoft Visual Studio 2013 集成开发环境简介 .234.2 三相电流继电保护系统 Windows 窗体设计 .234.2.1 登录界面的设计 .234.2.2 三相电流继电保护系统主界面设计 .244.2.3 修改密码界面设计 .264.3 三相电流继电保护系统上位机部分底层功能的设计实现 .275 总结与下一步的工作 .30参考文献 .31致谢 .32附录 1 下位机系统部分代码 .33附录 2 上位机主界面部分代码 .41I基于微机保护的电力系统继电保护的设计电气工程及其自动化 2012.01 吕永红指导教师 白皓然摘 要本设计主要完成了一套基于微机保护的新型继电保护整体设计方案，在分析了我国微机保护发展的历史和现状并结合了工作效率和器件性价比后，确定了 C# + STM32 的系统设计解决方案。本设计以意法半导体公司生产的 STM32F407 芯片制作成测控板实现保护逻辑与信息传递功能，该测控板主要负责电流测量变换及电压形成、A/D 采样、继电保护逻辑判断和输出、有效值计算、TFT 屏幕显示测量值、与上位机通信。上位机采用 Microsoft 公司开发的设计语言 C#和开发环境 Visual Studio 2013设计上位机监视控制界面，主要实现采样数据的接收与采样波形显示功能和远程控制断路器跳合闸功能。本文详细阐述了各部分功能的设计思路和设计方法，稍作改进便可用于实际电力系统保护当中，也可另用作继电保护实验教学装置。关键词：微机保护；电流保护；C#; STM32IIThe Design of Power System Relay Protection Based on Microcomputer ProtectionStudent majoring in Electrical Engineering and Automation grade 2012 class 1: Lv YonghongTutor: Bai HaoranAbstractThrough the analysis of the history and current situation of the development of microcomputer protection in our country, and consider the factors such as work efficiency, development efficiency and device performance. Ultimately determine the use of C# + STM32 technology of a new relay protection scheme based on microcomputer protection.STM32F407 chip produced by the St Semiconductor Corporation is made into the measurement and control board to realize the function of protection logic and information transfer. Furthermore, the measurement and control board is mainly responsible for the current measurement transformation and voltage formation, A / D sampling, relay protection logic judgment and output, RMS value of the calculation, TFT screen real-time display of measured values and communication with the upper computer. Specifically, using the design language of C# developed by the Microsoft company and development environment of visual studio 2013 both design the upper computer monitoring and control interface, the main achievement of sampling data receiving and sampling waveform display function and remote control circuit breaker jump closing function. In this paper, the design idea and method of each part of the function are described in detail. The simulated relay protection device with a slight improvement can be used in the actual power system protection, and can be used as a relay protection experiment teaching device for teaching.Key words: Microcomputer Protection; Current Protection;C#; STM32青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）11 绪论1.1 选题背景及研究意义为了保障电力系统安全运行，需要实时地监视其运行状况，及时发现电力系统的不正常状态及故障状态。而继电保护装置能检测电力系统的故障及不正常运行状态，快速地通过继电保护装置进行故障的切除并通知运行人员。因此，继电保护是保障电力系统供电优质运行稳定极其重要的手段 1。当前在实际应用中，绝大部分低压配电网或者农村电网并没有故障点定位系统，所以电力系统发生故障如接地故障这种难以发现的故障通常是断路器自动跳闸后人工去排查，由巡线员去现场一根线一根线的寻找故障点在哪儿，然后采取措施解决问题。这样一来，不仅耗费了大量的人力，还导致故障排除效率低下，停电时间过长造成经济损失等问题。当前电力系统需要一套能够自动精确判断故障点经济高效的互联网继电保护装置。随着电力系统规模不断的扩大和电压等级的提高，保护装置芯片也从 8 位微处理器一直发展到 32 位处理器，处理器的运算速度越来越快 2，执行的功能也越来越多，越来越复杂。本设计中采用意法半导体公司生产的 32 位低功耗 STM32F407 芯片作为核心处理器，可极大的提高处理效率并生产和使用节约成本。而上位机采用 Microsoft 公司开发的 C#编程语言和 Visual Studio 2013 开发环境，这种编程语言目前被各大公司广泛使用，因为该语言极大的简化了计算机软件的开发过程，降低了开发难度，并且该语言基于Windows 系统开发出的界面简洁美观，使开发者不用了解晦涩难懂的底层操作方法就可以方便的调用 Windows 提供的各种 API。本设计的主要意义在于能够联网远程精确反映电力系统的各类故障，减少人力物力的投资，使电力系统更加智能化、自动化、节约化。另一方面，由于当前教科书上几乎没有微机保护的实践性教程，学生所学的理论知识无法通过实践来转化为自己对微机保护深刻的认知，因此本设计不仅可以用在实际电力系统中用作电力系统的继电保护，还可以应用于继电保护的实践教学。青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）21.2 继电保护装置在国内外发展现状我国计算机继电保护的研究是从 70 年代末才开始的，随后国内设计出很多优秀的继电保护装置。从 90 年代开始我国继电保护技术进入了微机保护的时代，随着单片机工艺的成熟和硬件制造水平的大大提高，微机保护在软件、算法等方面取得了很多成果，并逐步应用于实践之中 3。现在国内外微机保护均应用了计算机技术领域的先进技术：大规模集成电路，A/D 模数转换、数字滤波技术和抗干扰技术，使微机保护在速动性、可靠性等方面均远远优于电磁型等传统保护。ARM 处理器在速度方面 DSP 不相上下，甚至超过 DSP。而且ARM 集成了丰富的外围控制接口，用户几乎不用再添加外围器件就能实现需要的功能，既节约硬件成本，又降低了设计错误率 4。国外微机保护经历了三代保护设计上的更新换代，并以微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完善创造良好的实现条件 5。虽然国内外在电力系统继电保护装置的研究上取得了不错的成绩，但是在实际应用中依然存在着问题，主要就是保护和监控的一体化和保护装置的经济性问题 6。1.3 研究目标及内容本设计的研究方向是基于微机保护的继电保护的设计，在总结了国内外研究成果的基础上，结合不断发展的嵌入式技术，采用 STM32 芯片作为核心处理器，设计出具有低成本、低功耗、高速度、远程化操作的继电保护装置。研究目标：该系统能够远程监视控制系统运行，在正常运行时精确地显示电力系统的运行状态，电流值、波形等电力系统参数，发生故障时能精确反映，并自动执行跳闸或发出信号等操作，最终保护整个电力系统的安全运行。研究内容：利用以 ARM 为核心的处理器搭建硬件电路，设计出电流继电保护保护装置。硬件系统的设计主要包括：测量电路、以 STM32 为核心的主电路板、信号电路、跳闸电路。软青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）3件程序的设计主要包括：LCD 显示屏界面的设计、信号的采集、继电保护逻辑的判断、对于采集数据的处理算法、利用串口实现下位机与上位机的通信等，利用 Keil 软件实现下位机程序的开发设计。利用 C#语言完成上位机监控软件的设计，实现显示电流有效值，电流波形，并可以控制断路器开合闸的上位机软件。本设计的特色：以 STM32F407ZGT6 处理器为核心的保护装置，实现了低成本、低功耗、高效率处理的设计，利用 C#语言和语言设计了上位机监控界面，实现了下位机和上位机两种方式的监控。上位机使用软件操作，下位机将所有器件封装到一个配电箱里，使保护装置的移动和安装