微机型阻抗继电器设计

第 I 页 摘 要 随着我国电力工业的飞速发展，对电力供应的安全性和可靠性的要求也越来越高，而继电保护则是实现电力供应安全可靠的不可缺少的措施之一。在继电保护中，应用得最为广泛的保护方式是距离保护，它是一种在电网中能够快速切断故障的保护，相比较于其他的保护方式，其受电力系统的结构和运行方式的影响低，灵敏度高，所以在结构复杂的高压电网中被广泛使用。距离保护系统的核心组成元件是阻抗继电器，其主要作用是测量短路点到保护安装处的距离。随着计算机通讯技术和集成电路设计的飞速发展，微机保护的技术不断得到完善，阻抗继电器在经历了电磁型、电子 型的发展阶段后，向微机型发展已成为普遍趋势。 本次设计尝试了如何设计基于微机的阻抗继电器装置 ， 总结出了实现微机阻抗继电器的电路原理方案和软件设计方法 ， 并针对所设计电路的某独立功能制作相应的硬件接口装置 。 本次设计具体所做的工作有 ： 介绍距离保护的作用及原理 ， 分析距离保护的整定方法和整定计算 ； 对三种特性阻抗继电器分析 ， 设计阻抗继电器的各个模块电路 ，并制作相应地硬件演示装置；编写系统软件程序；介绍系统振荡及振荡时带来的影响，阐述了针对系统振荡采取的具体措施。 关键词 ： 继电保护 ； 距离保护 ； 阻抗继电器 ； 微机 ； 软件 ； 系 统振荡 第 s of is is of to is in It is a of in It is by of is So it is in of is is to to of of is of a In to an on is of to of is of of of of of in of of 目录 目 录 摘 要 . I . 绪论 . 1 题背景，目的和意义 . 1 电保护的发展现状 . 1 文开展的工作 . 2 章小结 . 2 2 高压线路距离保护 . 3 离保护的作用和原理 . 3 离保护的时限特性 . 3 离保护整定计算 . 4 段的整定 . 4 . 4 . 5 抗保护特性分析 . 6 . 6 . 8 . 9 章总结 . 10 3 硬件系统设计 . 11 据采集系统 . 11 通滤波 . 12 数转换 . 13 控系统 . 14 闸电路 . 15 机通讯电路 . 15 示电路 . 16 章小结 . 16 4 硬件演示装置制作 . 17 流检测 . 17 . 17 ，目的和意义 在当今的社会中，电力能源已经成为使用最为广泛、地位最为重要的能源，人们的生活也与之息息相关。因此，电力系统的安全性、稳定性和可靠性对人们的生活乃至社会稳定有着至关重要的影响，因此需要大力加强对电力系统的安全维护。其中，使用继电保护装置是最为有效直接的保护手段。 距离保护就是其中的一种，由于其受电力系统的结构和运行方式的影响不高 ,所以经常应用于高压电网中。实现距离保护的主要装置是阻抗继电器，其主要作用就是测量短路点到保护安装处的之间的阻抗值。它在线路保护各种工况下面的动作行为十分复杂，它的动作特性对电力系统的稳定性和安全性有决定性的作用。阻抗继电器在经历了电磁型、电子型的发展阶段后，向微机型发展已成普遍趋势。 电保护的发展现状 (1)机电式继电器：在 20 世纪 50 年代以前，主要有三种类型的继电器： 电磁型继电器、感应型继电器、电动型继电器 。 优点：使用的范围 大，发展的时间长，研究的比较透彻。 缺点：但它的外形很大，耗能比较高，反应动作比较迟钝，转动位置和触点损坏很快，而且维修时很困难。 (2)晶体管式机电保护装置：上世纪 50 年代左右 ，人们针对机电式继电器的缺点进行改进，从而开始研究晶体管式机电保护装置。经过 20多年的研究，在 70年代左右，就基本替代了机电式继电器，成为当时最主要的继电保护装置。 优点：在机电式继电器的基础上，改善了其缺点。使得继电器运输方便，安装简单。 缺点：由于它主要是由晶体管元器件构成，因此会受到外部环境的电磁干扰，很有可能出现误动现象，所 以它的可靠性不高。 (3)集中电路继电保护装置：在晶体管式机电保护装置广泛应用时，人们就开始研究怎么提高保护装置的可靠性，使它不会误动作。八十年代时，集成芯片技术得到大力发展，所以人们便将继电保护装置用集成芯片来实现。 优点：它的形状又再次变小，可靠性也得到了提高，不易出现误动作。 (4)微机保护： 90 年代后，随着计算机技术的飞速发展。微机装置开始出现在人们的视野中。微机继电保护装置也随之问世，由于其功能的多样性，运行的稳定性和保护的可靠性，迅速成为继电保护中的主力军。 第 2 页 共 49 页 优点：功能具有多样性；能够实现多种继 电保护，而且微机保护能够自己检测线路，判断是否有故障发生，并且能够自行切除故障，因此它具有很高可靠性和稳定性；而且硬件电路较为前几种继电保护装置而言，更为简单。 文开展的工作 本文通过查阅继电保护的相关书籍及资料，了解距离保护中的核心器件 阻抗继电器的动作特性和工作原理，设计出一套基于微计算机的阻抗继电器装置。 章小结 本章是全文的开篇概述，主要介绍了本题目的提出背景和意义，介绍了微机距离保护的现状，微机距离保护的发展方向。阐明利用微机型阻抗继电器相比于传统阻抗继电器的优越性。为下文的深入研究做了充分的铺垫。 第 3 页 共 49 页 2 高压线路距离保护 离保护的作用和原理 距离保护是通过检测保护点到故障点线路上的电压和电流值，从而算得测量阻抗，再与整定阻抗比较。测量值小于整定值，保护装置就会动作；反之，若测量阻抗大于整定阻抗时，保护装置就不会动作。所以，距离保护又称低阻抗保护。 在电网中的 距离保护主要有：启动、测量、振荡闭锁、电压回路断线闭锁、配合逻辑和出口等几部分构成。 (1)启动部分 启动部分用来判断电力系统是否发生故障，如果检测到有故障发生就会快速启动保护。 (2)测量部分 测量部分是用来测量系统发生故障时，故障点离距离保护装置处的距离和方向，是整定距离保护的核心。 (3)振荡闭锁部分 当电力系统发生振荡，系统的电压和电流会周期性变化像发生了短路现象一样，导致装置误动作，但是系统振荡并不是短路，保护装置不应该动作。为了防止保护误动作，振荡闭锁部分必须判断出系统是否振荡，如果是，应该立即闭锁保护。 (4)电压回路断线部分 当电压回路断线时，保护测量的电压值降低，这样就会使得测量阻抗值偏低，导致距离测量元件发生误动作，应该将保护闭锁。 (5)配合逻辑部分 其作用是协调距离保护中各个模块之间的工作关系以及距离保护中一段至三段之间的时间配合。 (6)出口部分 主要是跳闸电路和信号 输出 。 离保护的时限特性 其所指的是动作时间和保护点到故障 处 距离的关系 ，通常分为三段。 （ 1）距离保护段 它的保护动作是瞬间完成的，没有延迟。距离段保护只能保护全线路的 80% 85%，整定阻抗为线路全长 80% 85%的阻抗。 （ 2）距离保护第段 这段距离保护相比较距离保护一段，其保护动作有一定的延时，距离 的动作 第 4 页 共 49 页 时限需要和相邻的下一条线路保护相配合。 （ 3） 距离保护第段（距离段） 距离 为后备保护。它的动作阻抗就是整定的最小负荷阻抗 。 离保护整定计算 段的整定 距离保护 I 段的 整 定值 2 = 1 （ 2 式中 :为 被保护线路的长度； 1 为 线路正序阻抗， / 为 可靠系数， 通常 取 距离保护 0% 85%，所以要设置 定阻抗 需要 与相邻线路配合。 (1)整定阻抗的计算 与 相邻线路距离保护 配合。 其测量阻抗为 2 = + 21 + （ 2 距离 的整定阻抗为 2 1r e ls e t （ 2 式（ 2 可靠系数 ， 取 分支系数最小值 若与相邻变压器配合 。距离 应与变压器的快速保护相配合， 整定计算公式为 I I I Is e t . 2 r e l A - B b . m i n T= + )Z K Z K Z( （ 2 式中 可靠系数 K 在计算 距离保护的整定阻抗时 ，应该将上面所说的两种方法都计算一次。然 第 5 页 共 49 页 后通过比较两个所得的计算结果，取两个结果中小的那个作为 距离保护的整定阻抗值 。 和 相邻下级线路配合 整定 I I I I I I ( x )s e t . 2 r e l A - B b . m i n s e t . 1= + )Z K Z K Z（ （ 2 和电流、电压保护配合 整定 I I I I I Is e t . 2 r e l A - B b . m i n m i n= + )Z K Z K Z（ （ 2 式中 相邻元件电流、电压保护的最小保护范围对应的阻抗值。 最小负荷阻抗 整定 . m a x. m i n. m a x . m a x( 0 . 9 0 . 9 5 )（ 2 式中 母线额定电压 ； 正常运行母线电压的最低值 ； 被保护线路最大负荷电流 。 运用 全阻抗继电器时，它的整定阻抗 值 为 2 . m i e t Lr e l s s r K（ 2 式中 可靠系数 电动机自启动系数 阻抗测量元件的返回系数 要是 用全阻抗继电器 还是 不能够达到所需的灵敏度，此时 就 需要方向阻抗继电器 。其 动作阻抗随阻抗角变化： . m i n.2 c o s ( )Ls e tr e l s s r e s e t K （ 2 式中 为整定阻抗的阻抗角； 为 负荷阻抗的阻抗角。 通过 上面三种方法及算 ， 然后得到三个整定阻抗值 。 取三个整定阻抗值中最小的那个作为 的整定阻抗 。 第 6 页 共 49 页 抗保护特性分析 通过检测保护点到故障点线路上的电压和电流值，从而算得测量阻抗，再与整定阻抗比较，再判断是否动作的器件通常称为阻抗继电器。保护的线路有故障时，测量阻抗值和动作时的阻抗值都表示在一个复数平面上，形成特性曲线。通过将输入继电器的电压和电流之间的数学关系看做是这些曲线。那么继电器的特性动作方程就是那些函数关系。 圆特性的的阻抗继电器主要有三种，分别是偏移圆特性阻抗继电器、方向圆特性阻抗继电器、全阻抗特性继电器。这三种特性的阻抗继电器有一个共同的特点，就是它们的动作区域是一个圆。 1. 偏 移圆特性阻抗继电器 如图 2示，它的动作区域是一个圆，它有两个整定阻抗：正方向整定阻抗 们尾部之间的直线就是特征圆的直径。当测量阻抗在圆的内部时，保护动作。反之，在圆的外部就不会动作。 动作方程两个不同的表达式：（ 1）绝对值比较原理表达式。（ 2）相位比较原理表达式。绝对值比较原理表达式对应的是绝对值比较动作方程，相位比较原理表达式对应的是相位比较动作方程。 移圆特性 (1)绝对值比较原理 动作条件为 | 12(1 + 2)| 12|1 2| （ 2 (2)相位比较动作方程 测量元件的动作条件为 90 12 90 （ 2 偏移圆特性阻抗继电器主要安装在距离保护 ，作为后备保护。 第 7 页 共 49 页 在上述的的偏移圆特性中，如果令 2 = 0， 2 = 1，则动作特性就变化成方向圆特性，动作区域如图 2示。特性曲线经过 O 点，圆心的位置处于整定阻抗矢量值得 1/2 处，半径是整定阻抗值大小的一半。 向圆特性 (1)绝对值比较 将 2 = 0， = 1代入式 (2绝对值比较动作方程为 | 12| |121| （ 2 (2)相位比较 将 2 = 0， = 1代入式 (2得到相位比较方程为 90 90 （ 2 应用方向圆动作特性设计的装置主要是保护主保护段 。（ I 段和 ） 在上述的的特性中，如果令 2 = ， = 1，就是全阻抗圆特性，保护的动作区域如图 2示。它的圆心就是原点，半径等于 |。 阻抗圆特性 (1)绝对值比较原理 将 2 = ， = 1代入式 (2得到绝对值动作方程 | | （ 2 (2)相位比较方程 第 8 页 共 49 页 将 2 = ， = 1代入式 (2得到相位动作方程 90 + 90 （ 2 由于阻抗圆的圆心处于原点位置，所以它的整定阻抗值都是大小相等的，无论是在哪个方向上，其整定阻抗都是一样的，不会因为方向的改变而改变其动作阻抗。所以说，其本身不具有方向性。由于它不具有方向性，因此只能用于简单的单侧电源系统；而如果要应用在复杂的系统中时，还需要装设方向元件，与之配合使用。 直线阻抗继电器主要有 3种，分别是 :电阻型继电器、电抗型继电器、 限相继电器。其阻抗特性就是一条直线。测量阻抗的大小直接就能决定电阻继电器会不会动作。同理，电抗的大小决定电抗继电器会不会动作。从上面所述中，可以得知其判定条件很简单，但是没有反向性。所以用它时会有很大的误差，在应用时得到的结果不准确。 1. 电抗特性 图 2电抗继电器动作特性 (1)绝对值比较原理 | | | 2 |m m s e j X (2 (2)相位比较 9 0 a r g 9 0m s e ts e tZ j (2 (3)实用电抗特性 9 0 a r g 9 0m s e ts e tZ j (2 2. 电阻特性 第 9 页 共 49 页 图 2阻继电器动作特性 (1)绝对值比较原理 | | | 2 |m m s e R （ 2 (2) 相位比较 9 0 a r g 9 0m s e ts e （ 2 （ 3）实用电抗特性动作方程 9 0 a r g 9 0m s e ts e （ 2 3. 方向特性 （ 1）绝对值比较原理 | | | 2 |m s e t m s e Z Z （ 2 （ 2）相位比较 9 0 a r g 9 0ms e （ 2 它是 直线特性继电器的改良版，它在直线特性的基础上增加了方向性。在以前的电力系统保护 中 ，由于实现的条件很复杂，因此基本没有得到使用。但如今，由于科技飞速发展，随着微机型继电器的出现，使其在微机继电器中得到了广泛应用。 第 10 页 共 49 页 m O 图 2边形阻抗继电器动作特性 21s e t m s e X(2 21s e t m s e R(2 章总结 本章介绍了阻抗继电器在实际的输电线路的保护中 ， 是如何进行保护的 ， 并且介绍了距离保护的整定计算 ， 为下文的阻抗继电器装置的设计奠定了基础 ，为 下文的深入研究做了充分的铺垫。 第 11 页 共 49 页 3 硬件系统设计 按照系统设计的功能的要求，初步确定设计 阻抗继电器 由单片机主控模块、 电压电流数据采集电路 、 A/D 转换电路、 显示模块、 输出跳闸 模块 等 组成。单片机 选择 51 系列 的 这种 单片机 性能 稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。 二次侧数据 保护系统人机通讯输出显示输出跳闸数据采集低通滤波A / 置结构框图 据采集系统 阻抗继电器是保护输电线路的 ， 用于高压输电线路的保护和监测 ，由于要设计的阻抗继电器的工作参数为 0 0以在阻抗继电器接入输电线路时 ， 要先装 设有 电压 、 电流互感器 ，使 接入阻抗继电器的电压为 100V,电流为 5A。 微机保护装置要想从被保护的线路中取得电压、电流信号，就必须把二次侧上的电压值（ 100V）和电流值（ 5A）再次经过交流变换，降低为 0可被微机保护装置的模数转换模块读取。 一次侧滤波变换器（ 滤波A / D 微机一次侧 5 5 压形成回路 因为电磁干扰对微机保护装置的影响很大 ，为了避免电压或电流在输入时的影响， 第 12 页 共 49 页 所以在用到电压、电流互感器时 ,应配备有隔离和屏蔽的装置。所以在变换器的二次侧需要并联有电阻和电容，不仅能够起到屏蔽效果 ,而且还能够得到强电信号 ,使其变为装置允许范围内的最大电压。 图 3流变换原理图 通滤波 在进行数据采集时，输入信号的频率有高频也有低频。因为数据采集一直是按固定的频率运行的，因此在采集数据时，可能会出现采样频率不足，使数据采集受到影响。所以为了能够达到需要的采样频率，就一定要限制待测信号的频率，使其控制在一定的范围中。不仅如此，输入信号还含有一定的高次谐波分量。故障发生时，高次谐波的分量很大，所以在输入到 A/要先经过滤波处理。所以需要装设有模拟低通滤波器。 模拟低通滤波器可分为：有源和无源滤波器两种。 1. 有源滤波器： 它主要是用运放和电阻，电容组成，电路中没有电感元件。本身 的电路就比较复杂，因此会使装置更加复杂。 2. 无源低通滤波器： 其构成的原理很简单 ,组成的元件只有电容和电阻还有电感，再通过将这些无源元件匹配使用，构成一个简单的电路就能实现。因为它的价格低廉，工作时的效率较高，构成电路简单，当有故障时，很容易就能检测出故障，维护起来十分简单等特点，使它在电力系统中的应用广泛。如今，在无源低通滤波器中，应用得较为广泛的有各阶次的单调谐滤波器和高通滤波器。 单调谐滤波器：单调谐滤波器有不同阶次的滤波器，如今常用的有一阶和二阶单调谐滤波器。 （ 1） 一阶单调谐滤波器，顾名思义，它是两种单调谐滤波器中结