KV箱式变电站自动保护装置设计.doc

编号 毕业设计 论文 说明书 题 目 10KV 箱式变电站 自动保护装置设计 学 院 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 学 号 指导教师单位 机电工程学院 姓 名 职 称 实 验 师 题 目 类 型 理 论 研 究 实 验 研 究 工 程 设 计 工 程 技 术 研 究 软 件 开 发 摘 要 箱式变电站是世界上一种主要由高压开关设备和配电变压器以及低压变电装置构 成的变电站 随着我国市场经济的迅猛发展 国家在城市乡镇电网的建设和改造中 要求高压能够直接进入负荷中心 形成高压受电 变压器降压 低压配电的供电格局 供配电要向着节地 节电 紧凑型 小型化 安全 无人值守的方向发展 箱式变电 站 简称箱变 正是拥有这些特点的最佳产品 所以在城乡电网中得到广泛应用 箱式变 电站的自动保护装置是在实现中无人值班看守的主要装置 它可以在系统发生故障时 候 自行处理 并且发出故障信号与记录故障信息等功能 自动保护装置是通过两次 互感器的作用然后把高压电变成 0 5V 的电压 接着再通过交流采样和采样保持 最后 通过 A D 转换电路变换成微机可以处理的数字信号 再通过一定算法 判断系统是否 发生故障或则不正常现象 当故障发生时 发送跳闸信号和报警信号等动作 从而实 现箱式变电站的自动保护工作 本课题的主要内容 二次系统的电路微机继电保护设计其中包括电流速断保护 电 流延时速断保护 过电流保护 过电压保护 低电压保护和电流电压变换电路设计 数据采集电路设计 以及箱式智能控制设计 报警 人机对话 通信等电路的设 完 成一套完整的箱式变电站自动保护装置 10kv 箱式变电站的高压侧额定电压是 10kv 低压侧额定电压是 0 4kv 关键词 箱式变电站 数据采集 自动保护 微机继电保护 Abstract Box type substation is a high voltage switchgear distribution transformers and low voltage substation equipment with the development of market economy the state in urban and rural power grid construction and transformation Required high voltage directly to the load center formed under high pressure The step down transformer power supply low voltage power distribution pattern Section for distribution to land energy saving compact small safe unattended direction box type transformer substation referred to as Box change is the best product with these features so get in urban and rural power grid widely used Box type substation automatic protection device is the main guarantee to achieve unattended it can be when a system failure automatic processing and signal and record functions The role of the two transformers by the high pressure transformation into a 0 5V voltage during the exchange sample and hold last A D converter circuit transforms into a computer to handle the digital signal through a certain algorithm to determine whether the system failure or unusual scene when the failure to send trip signals and alarm signals etc and to achieve box type substation automatic protection This topics of main content second times system of circuit computer following electric protection design which including electric velocity broken protection and current extended speed broken protection and had current protection and had voltage protection and low voltage protection and current voltage transform circuit design and data acquisition circuit design and box type intelligent control design alarm and interactive and communications circuit of set completed a full of box type substation automatically protection device 10kV rated voltage 10kV high voltage side of the box type substation low voltage side voltage rating is 0 4kv Key word box type transformer substation Data Acquisition Automatic protection Microcomputer relay protection 目 录 1 绪 论 1 1 1 引言 1 1 2 电力系统继电保护的作用及对它的要求 1 1 2 1 微机继电保护的概念及其作用 1 1 2 2 电力系统对继电保护的基本要求 2 1 2 3 自动装置与继电保护的关系 3 1 3 继电保护的发展及微机保护的特点 3 1 3 1 继电保护的发展过程 3 1 3 2 微机保护装置的特点 4 1 3 3 线路主保护 后备保护整定原则 5 2 供 配电系统微机保护综述 8 2 1 供配电系统主要功能 8 2 2 硬件实现方案 9 2 2 1 微机继电保护装置 9 2 2 2 计算机监控系统 11 2 3 软件实现方案 14 2 3 1 微机继电保护软件设计 14 2 3 2 监控系统软件功能 14 3 主要器件的选择 15 3 1 SEPAM 1000 20综合继电保护系统 15 3 1 1Sepam 1000 20 系列的特点 16 3 1 2Sepam 1000 20 系列模块化连接 16 3 2 CV 1高压断路器 17 3 3 C4监控系统 18 3 4 其他主要设备 18 3 4 1 高压配电柜 KYN28 12 18 3 4 2 低压配电柜 GCK 18 4 10KV变电站自动保护装置设计 19 5 软件设计及参数整定 24 5 1 保护装置软件的基本功能 24 5 2 自动保护装置软件的主流程 24 5 3 采样中断程序流程 26 5 4 线路的三段式电流保护整定 27 5 4 1 启动元件 27 5 4 2 判别元件 27 5 4 3 方向闭锁元件 27 5 4 4 低电压闭锁元件 27 6 系统制作 28 6 1 硬件部分 28 6 2 软件部分与数据整定 29 6 3 数字核心部分 31 6 3 1AT89S52 介绍 31 6 3 2AT89S52 引脚的功能介绍 32 6 3 3 主电路及其报警电路 35 6 4 电路板制作与调试 35 6 4 1 电路板的制作 35 6 4 2 硬件与软件调试 36 7 结论 37 谢 辞 38 参考文献 39 附 录 40 附录 1 模拟电路原理图 40 附录 2 模拟电路 PCB图 41 附录 3 模拟电路主程序 42 附录 4 模拟电路 0809采集程序 44 附录 5 模拟电路显示程序 47 1 绪 论 1 1引言 随着国民经济的不断发展 用电用户对供电质量的要求越来越高 国家在城乡电 网建设和改造中 要求高压直接接入负荷中心 因此加强电网建设和改造成为电力系 统中又一工作重心 所以依靠科学技术的发展 采用现代化的手段来对电网进行管理 势在必行 变电站是电力系统组成的一个重要部分 是电力网中线路的连接点 其作用是变 换电压 汇集和分配电能 变电站可否正确运行直接关系到电力系统的稳定和安全问 题 所以对变电站进行监控和保护有着相当重要的意义 高压受电一变压器降压一低压配电已经随着市场经济的发展成为了新的供电格局 供配电向节约占地 节约用电 小型化 紧凑型 安全可靠 灵敏性 快速性 无值 守人的方向发展 箱式变电站正式具有这些众多特点的最优变电站 在现在的供电系 统中广泛使用 10KV 箱式变电站在实际运用中被大量使用 由于此种级变配电站在配电网中的承 接上下的作用 怎么提高该级变配电站运行的可靠性和稳定性 成为电网提供高质量 的用电的关键之处 其中 10KV 箱式变电站微机保护为变电站的安全控制做出了重大的 贡献 本课题主要讲述 10KV 箱式变电站微机保护的基本内容 1 2电力系统继电保护的作用及对它的要求 1 2 1 微机继电保护的概念及其作用 社会的发展使人们的生活与电的关系越来越紧密 确保电力系统运行的安全可靠 是每个电力工作者的第一任务 电力系统可否安全可靠地供电 由组成电力系统的各 个电气元件能否正常运行来决定 而且电力系统的组成元件数量众多 结构不同 覆 盖的地域广 运行情况复杂 任何一个元件出现故障或者不正常运行都将影响电力系 统的正常供电 电气元件最常见的故障是各种形式的短路 短路故障一旦发生 对电力系统将造成 极大的危害 例如 很大的短路电流在故障点燃起的电弧将故障元件损坏 短路电流流过一些非故障元件 如发电机 变压器 母线等 引起的发热和电 动力将损坏这些非故障元件 故障点附近的电压大大降低 使电力用户的正常工作和生活遭到破坏 破坏电力系统并列运行的稳定性 引起系统振荡 甚至使系统瓦解和崩溃 系统的不正常运行状态是指系统中的电气元件并无故障 但是因为某种干扰 参数 偏离正常值 这些非正常运行状态若不及时处理 就有可能发展成故障 我们虽然不可能避免电力系统中的电气元件发生故障或者非正常运作 但是我们可 以预防系统事故的发生 如果在加强电气设备的检修和维护的同时 在电力系统中的 每个电气元件上加装一个有效的装置 当电气元件发生故障或者非正常运行的时候 此种有效装置可以快速准确的切断元件故障的供电或则发出警报信号 则可以大大减 少事故发生的概率 这种作用的装置在电力系统当中被叫做继电保护装置 其作用在 于 当电力系统发生故障时 自动 迅速 有选择地将故障设备从电力系统中切除 保证系统其余部分迅速恢复正常运行 防止故障进一步扩大 当发生不正常工作情况时 能自动 及时地选择信号上传给运行人员进行处理 或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备 可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分 对保证系统安全运行 保证 电能质量 防止故障的扩大和事故的发生 都有极其重要的作用 1 2 2 电力系统对继电保护的基本要求 微机继电保护在电力系统中如果要起到以上所说的作用 则应该在技术上须满足 以下四个基本要求 选择性 选择性指的是微机继电保护在动作的时候 对故障元件从电力系统中切出具有选 择性 从而能够保障非故障元件任然可以继续安全工作 避免故障造成的停电范围扩 大 在电力系统中 为了安全可靠的切出故障 一个电器元件上一般安装有几套保护 装置 在电力系统中我们称这些保护分别为主保护 后备保护 辅助保护 主保护 反映在被保护元件上的故障 并能在相对短的时间内作出切除故障动作 的保护 后备保护 在主保护不起作用的时候 做出切除故障动作的后补保护 一般情况下主保护的动作时间在 1 2s 内 后备保护根据其特点 动作时间相应 调整 速动性 速动性指的是保护装置的动作时间应该尽可能短 这样可以 使系统电压恢复快 减少对广大用电用户的影响 降低电气设备在故障中的损坏程度 防止故障进一步扩大 有利于恢复闪络处绝缘强度 自动重合闸的成功率得以提高 但是 我们也不能一味的追求保护作用的快速性 应该根据实际情况 按照系统 稳定性的要求和微机继电保护整定配合的需求来确定保护的动作时间 灵敏性 灵敏性指的是继电保护对其保护范围中发生的故障或者不正常运行状态的反映能 力 灵敏度高 说明继电保护装置反映故障的能力强 可以加速保护的起动 对反映故障参数大于整定值而动作的保护 Klm 保护范围末端发生金属性短路时故障参数的最小计算值 保护的整定值 对反映故障的参数小于整定值而动作的保护 Klm 保护的整定值 保护范围末端发生金属性短路时故障参数的最大计算值 对各种保护的灵敏系数要满足规程的要求 可靠性 可靠性指的是保护在需要动作的时候 不能不动作 在不需要动作的时候 不能 误动 通常来说继电保护的可靠性决定于保护装置的品质和调试的水平 除了以上四个基本的要求外 在实际的选用中 还必须考虑到经济性 在能实现 电力系统安全运行的前提下 尽量采用投资少 维护费用低的保护装置 1 2 3 自动装置与继电保护的关系 电力系统自动装置是一种为了提高供电可靠性 保证电能质量 提高电能生产和分 配经济以及减轻劳动强度的自动装置 微机继电保护是一种速度而又有选择性地切除 故障元件的自动装置 显然继电保护从它发明开始就是作为自动装置而应用的 继电 保护的重要性和他之后的发展让继电保护成为了一个独立的学科 随着科学技术的发 展 继电保护和自动装置又渐渐的组合在一起 虽然它们各自依然有其独立性 但是 他们的区分却开始淡化了 现在的微机保护大多数集成了自动装置 这并不是为了其实现多功能运作 而是为 了提高它的保护性能 这种集成了自动装置的微机保护装置之所以拥有多功能的特点 得益于微机保护的组成 其组成采用了多单片微机系统的硬和软件的资源共享的特点 继电保护功能要采集的系统基本参数基本都是一样的 数据采集部分使用的硬 软件 程序也都是一样的 它们之间的区别在于数据处理和程序逻辑部分的不同 显然 继 电保护装置只需要添加小部分自动装置的功能的数据处理和逻辑判断功能部分 但是 我们不能说这样微机保护和自动装置就可以互相取代 因为微机保护装置的重要性 无论什么时候都要注意保持继电保护的可靠性和独立性 除了继电保护装置要求功能可以相对独立外 自动装置中的一些重要控制装备 例 如备用的电源的自动投入 还有自动跟踪消弧圈也得独立设置 其数据采集部分不依 赖于通信网络 1 3 继电保护的发展及微机保护的特点 1 3 1 继电保护的发展过程 继电保护的发展过程要与世界工业技术的飞速发展关系密切 继电保护是随着电 力系统的发展而同步发展起来的 20 世纪初随着电力系统的飞速发展 继电器开始广 泛应用于电力系统的保护 这个时期是继电保护技术发展的正在开始兴起 熔断器是 最早的最简单的电流保护装置 自从 20 世纪 50 年代至 90 年代末 在 40 多年的时间 里 继电保护完成了发展的四个阶段 即从电磁式保护装置发展到晶体管式继电保护 装置 然后发展到集成电路继电保护装置 最后再到微机继电保护装置 随着电子技术和计算机技术以及通信技术的飞速发展 人工智能技术像人工神经 网络 遗传算法 进化规模 模糊逻辑等相继在微机继电保护领域中得到的研究应用 继电保护技术正在向计算机化 网络化 一体化 智能化方向迅速发展 19 世纪的最后 25 年中 作为最早的继电保护自动装置熔断器已开始应用 电力系 统的发展 电网结构的日益复杂 短路容量不断增大 到了 20 世纪初期产生了作用于 断路器上的电磁型继电保护装置 虽然在 1928 年电子器件已开始被应用于保护装置上 但谁电子型静态继电器的也在大量推广和生产 只不过是在 50 年代其他固态元器件和 晶体管迅速发展过后才得以实现 静态继电器有比较高的灵敏度和动作速度 不但维 护简单而且寿命长 体积小 消耗功率小等优点 但是较易受环境的温度和外界的干 扰的影响 1965 年出现了应用计算机的数字式继电保护 大规模集成电路技术的飞速 发展 微处理机和微型计算机的普遍应用 极大地推动了数字式继电保护技术的开发 目前微机数字保护正处于日新月异的研究试验阶段 并已有少量装置正式运行 目前随着电力系统容量日益增大 范围越来越广 仅设置系统各元件的继电保护装 置 远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故 为此必须从电力系统全 局出发 研究故障元件被相应继电保护装置的动作切除后 系统将呈现何种工况 系 统失去稳定时将出现何种特征 如何尽快恢复其正常运行等 系统保护的任务就是当 大电力系统正常运行被破坏时 尽可能将其影响范围限制到最小 负荷停电时间减到 最短 此外 机 炉 电任一部分的故障均影响电能的安全生产 特别是大机组和大 电力系统的相互影响和协调正成为电能安全生产的重大课题 因此 系统的继电保护 和安全自动装置的配置方案应考虑机 炉等设备的承变能力 机 炉设备的设计制造 也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要 为了巨型发电机组的安全 不仅应 有完善的继电保护 还应研究 推广故障预测技术 1 3 2 微机保护装置的特点 微机保护主要是由硬件和软件两个部分组成的 硬件主要是包含计算机的输入信号的预处理系统 一台计算机和系统向计算机中输 入信息和计算机向外部输出信息的输入和输出端口 打印机 键盘以及调试整定设备 等 而软件主要是通过用汇编语言编写的计算机初始化程序 针对保护原理从而设计的 测量和判断故障的程序 数字滤波程序 计算机硬件和软件的自检程序等等 微机保护具有以下的优点 一台微机保护装置除了具有保护的功能外 同时还能兼具故障滤波 故障测距 或者重合闸等之内功能 微机保护装置可以通过用软件设计而改变保护定值和特性以便适应电力系统运 行方式变化的需求 有的时候还可以增加现有硬件的功能从而改变保护的性能 并且可以与计算机交换信息 微机保护装置因为具有自动检测和自诊断功能 可以自动检测出硬件的故障和 对输入数据进行校验改错 是的检测监视工作变得更加容易 从而使保护可靠 性能大大提高 同时 因为它的硬件和软件的测试是自动进行的 故不存在大 量的调试工作 因为一套微机保护装置同时能够具有保护和测距以及滤波等功能 再加上它的 体积小 耗电量少 维护工作量小 而微处理器的价格也在慢慢的降低 这样 使得用户的投资成不也在降低 但是 微机保护同时也存在一些问题 对于硬件和软件的可靠性的要求比较高 而且硬件很容易被新的硬件淘汰 它与传统的保护有着根本的差别 传统的保护装置是每个构成部分都是由硬件 构成的 保护的连线和张哥动作过程可以直接观察容易理解 使用者对于装置 的动作原理和接线以及维护比较容易掌握 但微机保护的软件只有专门的设计 人员才可以改写或者是调试 使用者比较难掌握它的操作和维护的过程 因此 为了适应微机保护装置的普及运用 必须更多的北洋专业化的微机保护的工 作人 1 3 3 线路主保护 后备保护整定原则 单侧电源输电线路相间短路的电流电压保护 1 瞬时 无时限 电流速断保护 1 整定计算 瞬时电流速断保护 又称第 段电流保护 它是反映电流升高 不带时限动作的一 种电流保护 在单侧电源辐射形电网各线路的始端装设有瞬时电流速断保护 当系统电源电势一 定 线路上任一点发生短路故障时 短路电流的大小与短路点至电源之间的电抗 忽 略电阻 及短路类型有关 三相短路和两相短路时 流过保护安装地点的短路电流为 lXEIsk13 lsk2 式中 系统等效电源相电势 系统等效电源到保护安装处之间的电抗 sX 线路单位公里长度的正序电抗 1 短路点至保护安装处的距离 l km 电流速断保护的动作电流可按大于本线路末端短路时流过保护安装处的最大短路电 流来整定 即 max 1kB relopIKI 式中 保护装置 段瞬时电流速断保护的动作电流 又称一次动作电 流 可靠系数 考虑到继电器的整定误差 短路电流计算误差和非rel 周期分量的影响等而引入的大于 1 的系数 一般取 1 2 1 3 被保护线路末端 B 母线上三相短路时流过保护安装处的最大短max kBI 路电流 一般取次暂态短路电流周期分量的有效值 2 灵敏系数的校验 瞬时电流速断保护的灵敏系数 是用其最小保护范围来衡量的 规程规定 最小保 护范围 不应小于线路全长的 15 20 minl 解式 1 得最小保护长度 23 1max 1ins opsXIEXl 式中 系统最小运行方式下 最大等值电抗 max s 输电线路单位公里正序电抗 1 km 同理 解式 2 得最大保护区 min 1maxs opsXIEl 式中 系统最大运行方式下 最小等值电抗 in sX 通常规定 最大保护范围 为被保护线路长度 最小保护范围ll 50ax 时 才能装设瞬时电流速断保护 ll 20 15 min 2 限时电流速断保护 由于瞬时电流速断保护不能保护线路全长 因此可增加一段带时限的电流速断保 护 又称第 段电流保护 用以保护瞬时电流速断保护保护不到的那段线路 因此 要求限时电流速断保护应能保护线路全长 1 整定计算 限时电流速断保护的动作电流 应大于相邻支路的瞬时电流速断保护的动作电 opI1 流 即 写成等式为 opI2 opI21 relK 式中 配合系数 因考虑短路电流非周期分量已经衰减 一般取 1 1 1 2 l 2 灵敏系数的校验 其计算公式为 opksenIKmin 式中 在被保护线路末端短路时 流过保护安装处的最小短路电流 i k 被保护线路的限时电流速断保护的动作电流 opI 规程规定 5 1 3 sen 3 时限整定 为了保证选择性 保护 1 的限时电流速断保护的动作时限 还要与保护 2 的瞬 t1 时电流速断保护 保护 3 的差动保护 或瞬时电流速断保护 动作时限 相配合 t 3 即 tt 213 式中 时限级差 t 对于不同型式的断路器及保护装置 在 0 3 0 6s 范围内 t 3 定时限过电流保护 1 整定计算 定时限过电流保护动作电流整定一般应按以下两个原则来确定 A 在被保护线路通过最大正常负荷电流时 保护装置不应动作 即 max 1L opI B 为保证在相邻线路上的短路故障切除后 保护能可靠地返回 保护装置的返回电 流 应大于外部短路故障切除后流过保护装置的最大自起动电流 即re max sImax sI 根据第 B 条件 过电流保护的整定式为 max 1Lres lopIKI 式中 可靠系数 取 1 15 1 25 l 负荷自起动系数 由电网电压及负荷性质所决定 取 2 5 s 返回系数 与保护类型有关 电流继电器的返回系数一般取re 0 85 0 95 最大负荷电流 max LI 2 灵敏系数的校验 其计算公式为 opksenIKin 当过电流保护作为本线路主保护的近后备保护时 应采用最小运行方式下 min kI 本线路末端两相短路的短路电流来进行校验 要求 当过电流保护作为51 3 seK 相邻线路的远后备保护时 应采用最小运行方式下 相邻线路末端两相短路时的min kI 短路电流来进行校验 要求 作为 连接的变压器远后备保护时 短路类21 seKdy 型应根据过电流保护接线而定 3 时限整定 为了保证选择性 过电流保护的动作时限按阶梯原则进行整定 这个原则是从用 户到电源的各保护装置的动作时限逐级增加一个 t 在一般情况下 对于线路 的定时限过电流保护动作时限整定的一般表达式为nL ttn max 1 式中 线路 过电流保护的动作时间 s 由线路 供电的母线上所接的线路 变压器的过电流保护最长动作时ax 1 ntn 间 s 2 供配电系统微机保护综述 2 1 供配电系统主要功能 变配电站继电保护能够在变配电站运行过程中发生故障 三相短路 两相短路 单 相接地等 和出现不正常现象时 过负荷 过电压 低电压 低周波 瓦斯 超温 控 制与测量回路断线等 迅速有选择性发出跳闸命令将故障切除或发出报警 从而减少 故障造成的停电范围和电气设备的损坏程度 保证电力系统稳定运行 变配电站综合自动化系统的管理计算机通过通信电缆与安装在现场的所有微机保护 与监控单元进行信息交换 管理计算机可以向下发送遥控操作命令与有关参数修改 随时接受微机保护与监控单元传上来的遥测 遥信与事故信息 管理计算机就可通过 对信息的处理 进行存盘保存 通过记录打印与画面显示 还可以对系统的运行情况 进行分析 通过遥信可以随时发现与处理事故 减少事故停电时间 通过遥控可以合 理调配负荷 实现优化运行 从而为实现现代化管理提供了必须的条件 220 380V低压配电系统的保护现在仍采用低压断路器 因此220 380V只有监控没 有保护 监控包括电流 电压 电度 频率 功率 功率因数 温度等测量 遥测 开关运行状态 事故跳闸 报警与事故预告 过负荷 超温等 报警 遥信 与电动开关 远方合分闸操作 遥控 等三个内容 简称三遥 而没有保护 继电保护根据变配电站运行过程中发生故障时出现的电流增加 电压升高或降低 频率降低 出现瓦斯 温度升高等现象超过继电保护的整定值 给定值 或超限值后 在整定时间内 有选择的发出跳闸命令或报警信号 根据电流值来进行选择性跳闸的 为反时限 电流值越大 跳闸越快 根据时间来进行选择性跳闸的称为定时限保护 定时限在故障电流超过整定值后 经过时间定值给定的时间后才出现跳闸命令 瓦斯 与温度等为非电量保护 可靠系数为一个经验数据 计算继电器保护动作值时 要将 计算结果再乘以可靠系数 以保证继电保护动作的准确与可靠 其范围为 1 3 1 5 发生故障时的最小值与保护的动作值之比为继电保护的灵敏系数 一般 为1 2 2 应根据设计规范要进行选择 继电保护装置动作的灵敏性和可靠性以及监 控装置的稳定性决定着本系统的性能 系统总体结构框图如图2 1所示 RS 485接口标准旧是一种平衡传输方式的串行接口标准 它和RS 422兼容 它允 许一个发送器驱动多个负载设备 负载设备可以是被动发送器 接收器或收发器组合 单元 它是工业界使用最为广泛的双向 平衡传输标准接口 支持多点连接 允许创建多达32个节点的网络 具有传输距离远 最大传输距 离1200m 传输速率快 1200 m时为100kb s 抗干扰能力强 布线简单等优 点 图2 1 总体结构框图 2 2 硬件实现方案 2 2 1微机继电保护装置 微机继电保护装置一般采用插件式结构 通常包含交流变换插件 模数转换和微处 理器插件 人机管理插件 开关量输入插件 电源插件和继电器插件等 尽管不同厂 家的产品采用的微处理器和模数转换方式可能不同 但微机保护装置的结构却基本相 同 典型的微机保护装置结构框图如图2 22所示 图2 22 典型的微机保护装置结构框图 其中模数转换包括A D和VFC两种不同方式 其工作原理如图2 23所示 开关量输 入和开关量输出一般都经过光电隔离 以增强抗干扰能力 a 多路转换采样保持的A D转换方式 b VFC数据采集方式 图 2 23 微机保护的两种数据采集方式 随着微处理器技术的发展 内部集成的资源越来越多 一个处理器芯片往往就是一 个完整的微处理器系统 使得硬件设计变得非常简单 较复杂的微机保护装置通常采 用多CPU结构 多个保护CPU通过串行通讯总线与人机管理CPU相连 通过装置面板上的 键盘和液晶显示实现对保护CPU的调试与定值设置 人机管理CPU设计通过现场通信总 线与调度直接连接 便于实现变电站无人值守和综合自动化 表 2 1 各种保护需要采集的模拟量情况 2 2 2计算机监控系统 对35kV以下的高压中心配电站主进 出线 母联可采用电力综合仪表来实现遥测 遥信 遥控功能 该仪表与CT PT直接相连 采集高精度交流信号 经过离散数学计 算 即可测量出各个回路电量参数 测量精度为0 5 该仪表具有八路开关量输入 四路继电器输出 同时带有自检功能 可与综合继电保护装置配合使用 如 一般在 高压10kV中心配电站的主进 母联以及出线柜中采用电力综合仪表与综合继电保护装 置进行配合使用 来实现高压10kV中心配电站的监测与保护要求 具体接线如图2 24 所示 由图2 4可知 1 CT PT直接接人电力综合仪表测量回路中 即可测量出该回路的电量 参数 实现该回路的 遥测 保护名称 数量 电压模拟量 电流模拟量 线路保护 9 UA UB UC UO UX IA IB IC IO 变压器纵连差动 7 或 10 用于频率跟踪的高压 侧相 线 电压 1 个 两侧 双卷变 三项电流三 侧三相电流 三卷变 负序过流 低压过流 4 接自母线的线电压 任 1 个 IiA IiB IiC 低压或复压过流 6 UA UB UC Ia Ib Ic 零序方向过流 1 变压器中性点引出线上的 I 变压器 过负荷 1 或 3 一相 I 双卷变 三侧各一 相 I 三卷变 纵差动 6 横差动 1 两中心点之间的电流 1 个 I 发电机 负序过流及单项式低 压过流 4 线电压 任 1 个 中性点侧 IA IB IC 2 该仪表的八路开关量输入分别采集该柜 图 2 24 电力综合仪表与综合继电保护装置的接线图 说明 综合继电保护装置输出继电器B内的辅助点 端子为68 69 引至电力综合仪表 提 供接地故障跳闸信号 综合继电保护装置输出继电器C内的辅助点 端子为80 81 iJI至电力综合仪表 提供过电流跳闸报警信号 综合继电保护装置输出继电器E内的辅助点 端子为74 75 弓1至电力综合仪表 提供电流速断跳闸信号 综合继电保护装置输出继电器F内的辅助点 端子为70 72 弓1至电力综合仪表 提供综合继电保护器内部故障跳闸信号 中断路器的分合闸状态 手车工作位置 电机储能状态以及接地刀闸位置 同时 对综合继电保护装置中的故障跳闸信号和内部故障进行采集 分析 给予报警 并显 示该回路的故障类型 实现该回路的 遥信 3 该仪表的继电器输出分别接至断路器的分 合闸线圈上 实现断路器的远程 控制 即断路器的 遥控 0 4kV低压主进 母联同样采用电力综合仪表来实现 三遥 功能 该仪表与CT 母线直接相连 采集高精度交流信号 测量该回路的实际电量 实现遥测 同时对主 进 母联开关的断路器合 分闸状态 框架式开关的位置以及故障报警等开关量实现 遥信 并对断路器实现远程遥控 具体接线方式与图2 4基本相同 根据电力综合仪表的功能特点也可实现低压配电出线回路的 三遥 功能 因配电 室低压出线回路较多 故采用该仪表分散安装于开关柜内 分别对各回路实现 三遥 功制 模块集中组屏 可方便电力管理者对低压站出线回路集中管理 1 遥信 利用开关量采集输入模块采集各出线回路开关分合闸状态 开关故障报警信号 失 压报警信号 过压报警信号以及框架式开关的位置 并对变压器的风机状态 高温 超高温信号等开关量实现监控 一个单独模块可采集16路开关状态 具体接线方式如 图2 25所示 图 2 25 开关量采集模块接线原理图 2 遥测 1 通过电流量输人采集模块采集各出线回路的各相电流 单个模块可采集16回 路电流 具体接线方式如图2 26所示 每一个回路可以由电流量输入模块采集该回路的电流 并根据测量的实际电压 功 率因数等来计算该回路的实际用电量 2 通过模拟量输入模块采集变压器的温度信号 湿度信号以及液位信号等模拟 量信号 各个模拟量信号需有4 20mA或O一5V输出 图 2 26 电流量采集模块接线原理图 3 遥控 通过继电器控制输出模块分别对低压各出线回路 带有电动操作机构 失压 脱扣器的开关1实现开关的远程分 合闸功能 单个模块共有16路继电器输出 具体接线方式如图 2 27 所示 图 2 27 继电器控制输出模块接线原理图 现场管理机在本系统中位于中央管理机与各模块之间 作为一级底层控制单元 增加系统的可靠性 其功能是 进行现场调试 利用现场管理机动性对各模块进行现 场参数整定 独立完成现场显示工作 并将信号整理后通过ILS485通讯线发送给中央 管理机 同时接受中央管理机所下达的命令 可作为中央管理机的备用机 具有显示 功能 自检功能 2 3 软件实现方案 该变配电系统软件设计方面主要分为微机继电保护和监控系统两部分 这部分的 软件实现各厂家在产品的设计实现过程中均已编写好程序 这里不作简单的重复 大 概予以介绍 2 3 1微机继电保护软件设计 微机型继电保护实验装置的软件设计有三方面的内容 1 实现微机保护数据采样和预处理的DSP程序 包括半周积分算法 全周傅氏算 法 解微分方程算法等多种算法 不同算法的精度和速度有所差别 在实验时可以灵 活选用 2 保护逻辑判断原理程序 所有实现各种保护原理的程序都存放在PCI04中高速 存取的CF卡上 不同保护原理对应不同的程序模块 3 实验微机操作平台的辅助教学软件采用多媒体技术 把采样数据处理成表单 或曲线图的形式 将动作过程处理成动画形式 可以帮助实验人员获得直观 形象的 感性认识 加深对抽象的继电保护实验原理的理解 同时内部的信号分析工具 还可 以显示电气量的向量关系 信号的频谱等 便于研究人员进行深入的离线分析 2 3 2监控系统软件功能 变配电站计算机监控系统所安装的监控软件是基于Windows环境下的电力系统专用 组态软件 能够运行在Microsoft晰11dOW 9x NT 2000 XP平台上 给用户提供的是 全中文界面 简洁的画面设计 灵活的组态方式 高性能DDE驱动程序 支持诸多工控 产品 并遵循开放式数据库联接 ODBC 标准 允许通过第三方 如 MicrosoftAccess SQL Server Oracle等访问本系统数据库 因而它带给您的是像 Word Excel等软件轻松 实用 高效的工作环境 系统软件功能 1 显示功能 显示变配电站实际开关柜体图 一次系统图 并在一次系统图上显示各开关的分 合状态 显示各配电回路的三相电流 三相电压 有功功率 无功功率 有功电度 无功 电度 频率以及功率因数等电量参数 显示各开关的分 合状态和事故报警类别等 显示各回路电量参数的实时曲线图 显示变压器的运行状态以及高温 超高温报警 显示其他工艺设备的运行状态及故障情况 2 报警功能 状态报警 当变配电系统的开关出现过载跳闸 短路故障跳闸以及综合继电保护 装置内部故障时 计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间 站号 回路名称 事故类别 超限报警 当变配电系统的各电量参数出现超过额定值时或其他工艺设备超限运 行时 计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间 站号 回路名称 三相不平衡系数报警 当变 配电系统的三相电流或三相电压值出现不平衡时 可 自定义范围 计算机能够通过多媒体音箱发出声音报警并自动记录时间 站号 回路 名称 3 控制功能 在变配电站总值班室中央管理机处 可以通过鼠标器控制各种高 低压开关 带有 电动操作机构或者带有交流接触器 的合闸和分闸 同时也可实现电气闭锁功能 以防 止具有闭锁回路的开关误操作 在中央管理机处鼠标下达操作命令时具有密码识别功能 只有操作人员输入正确 密码时 才可下达操作命令 4 统计和打印功能 统计和打印所监控的所有电流值 电压值 功率值 频率值 功率因数值以及这 些参数一天24小时变化曲线 统计和打印各断路器运行状态变化时间及故障报警时间和类别 统计和打印各断路器的操作时间及操作人员代码 统计和打印有功电度 无功电度的一天24小时内单位小时用电量及电量棒图 同 时具有峰谷计费功能 5 历史记录 值班室计算机软件能将所监测并统计的各种电量参数 各断路器或开关的状态变 化时间 报警故障类别 操作人员代码和时间 开关机时间等永久保存 以便对整个 变 配电系统的运行情况进行分析 6 通讯功能 系统内部遵循KS485通讯协议 与上位机通讯遵循RS485或TCP 口通讯协议 7 自检功能 本系统具有完善的自诊断功能 当系统发生故障时 诊断功能将提供详细的故障 信息 以便及时排除故障 3 主要器件的选择 在本设计采用微机继电保护装置后 在高压侧采用常熟开关有限公司CV 1高压断 路器 配合施奈德公司的Sepaml000 20综合继电保护系统 满足高压侧的供电保护要 求 低压侧采用常熟开关有限公司日月牌CMlZ低压塑壳断路器以及施奈德公司的PM500 智能仪表 通过C4配电系统微机监控 提高对系统运行的实时监控和故障排除能力 3 1 Sepam 1000 20综合继电保护系统 3 1 1Sepam 1000 20系列的特点 Sepam系统功能强大 可以完成各种电压等级下的保护 控制 监控 PLC 可编程 四遥 报警 事件记录等功能 保护功能先进 可靠 全面 为了查找故障原因及了 解故障的严重程度 能提供跳闸时每相及接地故障电流值 根据开关检修及预试周期 的特点 能记录开关动作次数 以便及时查询哪台开关需要检修 大屏幕高清晰度的 液晶显示 能显示和查找各种电量参数和非电量信息 故障显示通过每相跳闸电流的 读取和贮存显示故障相 设置独有的EMS 电磁兼容 板 即使在有强干扰的环境下 如I IV变电站 也能安全 可靠运行 全面符合IEC标准 使它能够在变电站内采用高级的数字技术而不需要采用 任何防护措施 带电时每个端子之间都是互不连接的 维护简单 定值整定和测试非 常方便 控制逻辑功能强大 通过简单的参数设定就能满足多种应用模式的需要 特别是设有具有强大内置的PLC 使得变换设置更灵活 该系统具有连续动态自检 能力的智能电子装置 输入输出接点的数量可通过加装扩展板来实现 读取数据可以 带有相位 给运行 维护人员带来了极大的方便 由于通常保护CT需要大饱和倍数 正常测量精度不能满足准确的控制 测量和报警的要求 而测量CT低饱和倍数难以满 足保护大过流倍数的要求 因此Sepam以基于特殊的Rogo wski线圈原理制作的CSP线圈 的电流互感器 无磁芯 可以提供很宽的动态范围和突出的线性度 3 1 2Sepam 1000 20系列模块化连接 施耐德电气Sepaml000 20综合继电保护系统模块化连接如图3 1所示 其系统的 模块化有如下特点 1 有四种可选模块 逻辑输入 输出扩展模块 MESll4 101 40 MESIl4E 101 40 MESll4F 10I 40 通讯接口模块 ACE949 2 2线RS485 ACE959 4线I塔485 ACE937 光纤 温度检测模块 METl48 8路温度 模拟量输出模块 MSA 141 可选择不同的输出范围 2 可汉化的人机界面以及整定软件 3 结构紧凑 安装简便 图3 1 Sepatal000 20的模块化连接 3 2 CV 1高压断路器 CV 1真空断路器是常熟开关有限公司提供的新一代高压电器产品 适用于交流 50Hz 额定电压12KV及以下的电网 起控制和保护作用 广泛用于工矿企业 变电站 等场所1191 断路器有固定式和手车式 可安装于KYN28 KYN44A型开关柜或配套于其 它铠装中置柜 适用于重合闸操作 并适用于频繁操作场所 CV l户内高压真空断路器按GBl984 2003最新国家标准通过了国家高压电器质量 监督检测中心全部型式试验 短路电流开断次数达277次 通过了EMC电磁兼容性试验 在预期的短路电流开断次数期间 不需维修 E2级 在容性电流开断过程中具有非常 低的重击穿概率 C2级 可进行免维护频繁操作 机械寿命不小于10000次 M2级 表3 1 CVl系列户内高压真空断路器主要技术参数表 项目 单位 数据 额定电压Ur KV 12 1min工频耐压Ud 有效值 KV 42额定绝 缘水平 雷电冲击耐受电压Up 峰值 KV 75 额定频率fr Hz 50 额定电流lr A 630 1250 1600 2000 2500 3150 额定短路开断电流lsc 有效值 KA 25 31 5 40 额定短路持续时间tk s 4 额定背对背电容开断电流Ibb 有效值 A 400 额定背对背电容器组关合涌流Ibi 峰值 KA 20 4250Hz 自动重合闸 O 0 3s CO 180s CO额定操作顺序 非自动重合闸 O 180s CO 180s CO 合闸和分闸装置额定电源电压Uop V AC 110 230 DC 110 220 辅助回路额定电源电压Ua V AC 110 230 DC 110 220 在本文中 开始考虑使用ABB公司的VD4高压断路器 VD4真空断路器是厦门ABB开 关有限公司提供的 以空气为绝缘的户内式开关设备元件 符合GB厂 r1984 DL r403 德国DN VDE0670与匝C62271 100 2001及60694等标准的规定 在 正常使用条件下 只要在断路器的技术参数范围内 它就可以保证安全 可靠地运行 于相应电压等级的电网中 VD4真空断路器可在工作电流范围内进行频繁的操作或多次 开断短路电流 机械寿命可高达30 000次 满容量短路电流开断次数可高达100次 经过对两种产品的各项技术指标的对比分析 认为CV 1在各项主要技术指标上均和VD4 不相上下 但是价格上具有较大的优势 最后决定在设计中采用CV 1断路器 3 3 C4监控系统 在线监控软件是C4系统为调度所调度人员 变电站值班人员提供的操作平台 视 适用的场合不同 以网络工作站的形式出现或独立计算机的形式出现 任何一台运行 在线监控系统的机器 都称为监控终端 3 4 其他主要设备 3 4 1高压配电柜KYN28 12 目前在高压配电柜中 较多采用KYN28 12型铠装中置式交流金属封闭开关柜 该 型号高压柜采用敷铝锌板多重折弯后栓接而成 柜内主开关配用空气绝缘的中落手车 式真空断路器 能满足GB3906 IEC298等标准要求 并且具有防止误操作断路器 防 止带负荷拉手车 防止带电关合接地开关 防止接地开关在接地位置时送电和防止误 入带电隔离等 五防 功能 既可配用常熟开关有限公司公司的VD4真空断路器 又可 配用VSl真空断路器 是一种性能优越的配电装置 本课题中选用的高压中置柜为额定电压3 12kV三相交流50Hz单母线及单母线分段 系统的成套配电装置 该型号中置柜适用于发电厂送电 电业系统和工矿企业变电所 受电 配电及高压电动机启动等 实现控制 保护 检测之目的 3 4 2低压配电柜GCK GCK低压抽出式开关柜 以下简称开关柜 由动力配电中心 PC 柜和电动机控制中 一L MCC 两部分组成 该装置适用于交流50 60 HZ 额定工作电压小于等于690V 额 定电流4000A及以下的控配电系统 作为动力配电 电动机控制及照明等配电设备 由于目前市场上相关产品比较多 而且技术上比GCK先进的型号也不少 经过对用 户的访问调查 GCK在接线的方便性和维护上比其他型号更方便 在本项目中 由于低 压配电柜的主要作用是针对各主要用电点 其后端还有相应的低压配电装置 馈出线 径比较大 而象GCS等型号的低压配电柜 均在右侧小门内进行馈出电缆的连接 不适 合大线径的电缆出线 并且GCK在价格上比其他型号更经济 因此在本项目中采用GCK 低压配电柜 GCK开关柜符合IEC60439 1 低压成套开关设备和控制设备 GB7251 1 1997 低压成套开关设备和控制设备 GB T14048 1 93 低压开关设备和控制设 备总则 等标准 且具有分断能力高 动热稳定性好 结构先进合理 电气方案灵活 系列性 通用性强 各种方案单元任意组合 一台柜体所容纳的回路数较多 节省占 地面积 防护等级高 安全可靠 维修方便等优点 4 10KV变电站自动保护装置设计 随着计算机技术的高速发展 随着电力系统的不断扩大 智能化 微机型继电保 护装置在电力系统应用成为了必然 它应该具备以下特点 1 强大的存储和运算能力 软件功能的可扩充性 2 设备抗干扰 自检和自适应能力 3 适应标准规约的通信 能力 1 存储和运算 软件功能的可扩充性 存储能力 装置除能存储定值 程序 故障信息及一些重要的数据外 还应存放采样值 以 便对系统进行分析 尤其是故障前后的数据 一般在设计中根据数据的特点分三块进 行存储 RAM用于存放采样值及一些l 缶时的计算结果 EPROM用于存放程序 EEPROM 用于存放整定值及一些重要的数据 定值转换 i 电流电压定值 A D转换得到的数字量要除以一定的比例系数才能真实地反映实际的电流电压值 为了尽量避免除法运算和减少定值比较时的计算量 可以将原始电流电压定值乘以一 定的比例系数之后再与计算值进行比较 另外由于傅氏计算中为了避免开方运算 实 际得到的是幅值平方 故原始定值可以取平方与计算值比较 ii 时间定值 时间计数是在软件定时器中断中完成的 时间定值转换成定时器中断次数与时间 计数进行比较 滤波及傅氏算法 设A D采样得到的原始样值为jk 则采用差分滤波算法得到的差分样值Ik ik ik 2 式中ik为第k次原始采样值 ik 2为第k 2次原始采样值 输入信号是周期函数时 可以采用傅氏算法分离其基频及倍频分量 以基频分量 为例 按每周波采样12次 由于全周傅氏算法必须在系统发生故障一周后计算才有效 其最小响应时间至少 为20ms 为使计算能在更快的时间内得出结果 可以采用半周傅氏算法计算如下 采用半周傅氏算法最小响应时间可缩短为10ms 突变量方式启动 投跳闸保护采用突变量方式起动 即连续三次 Ik Ik 12 Ik 12 Ik 24 突变量时启动保护 突变量在定时器中断程序里 进行判断 以保证跳闸时间的准确性 式中Ik为当前差分样值 Ik 12为一周波前差分 样值 Ik 24为两周波前差分样值 人机对话 一方面当保护动作或装置故障时 在屏幕上显示相关的故障信息 另一方面接受 用户的整定值并存入EEPROM 为了方便用户调试整套装置的硬件 可专门设置一些人 机对话形式的调试程序 如对RAM的读写 时钟的对时 采样通道的校验 重要算法的 校验 开关量的校验 串行通信的校验等 2 设备抗干扰 自检和自适应 硬件抗干扰 i 磁环和抗干扰电容 所有交流输入端子 开关量输入端子 直流电源输入端子均先经磁环和抗干扰电 容后再进入装置 所有继电器出口均先经磁环和抗干扰电容后再输出至端子 本措旌 具有极强的电磁兼容性 ii 复位电路 采用M 嘲M公司的微处理器监控芯片MAX706 实现以下功能 A 系统上电或手动复位时产生复位脉冲输出至CPU B 独立的看门狗 Watchdog 输出 在一定的时间内看门狗输入未被触发 则看门 狗输出使CPU复位 设置看门狗功能提供了一种使系统从瞬时故障中自动恢复的能力 MAX706看门狗功能与CPU内部的看门狗功能配合使用以达到双重化的目的 软件抗干扰 i 冷 热启动入口不同 开机上电启动时的初始化入口称为冷启动入口 其它原因引起的复位启动入口称 为热启动入口 当热启动的初始化工作不同于冷启动时 可采用冷 热启动入口不同 的方法解决 设置一个校验字 程序入口处判校验字正确与否 冷启动时由于放置校 验字的单元为随机数 故执行冷启动初始化程序并置校验字单元的值 热启动时校验 字正确则进入热启动初始化程序入口 具体流程见图4 10 图4 10 冷 熟启动入口程序流程图