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1、 摘要输电线路是电力系统中的组成部分，负责电力输送与联网的重要任务。电力系统对供电质量提出了更高的要求，而快速准确地切除线路故障是保证电网安全的关键。本文采用微机控制方法设计了1套线路保护装置，对10kV线路故障和非正常运行状态进行判断和保护。这套线路保护装置采用ATmega128芯片作为控制核心，硬件电路主要包括芯片外围电路，模拟信号处理和采样电路，开关量输入输出电路，电源电路和RS-485通信电路等。考虑到户外复杂的电磁环境，在硬件电路中还进行了抗干扰设计，本文详细阐述各部分电路的组成和功能。在软件设计方面，研究了输电线路发生的各种主要故障，采用MATLAB仿真对故障进行了模拟，程序用C语
2、言编程方法，按照不同的功能采用模块化设计。在通信设计方面，本文阐述了保护装置所采用的RS-485通信电路和Modbus通信规约。关键词：线路保护 线路故障 交流采集 / ABSTRACTElectrical transmission lines is the fundamental part of electrical system, undertakes the important task of power transmission and network. More requests have been raised in the dealing-with the quality of
3、power supply. The paper designs a lines relay protection instrument based on micro processor and aims to detect various lines failure and abnormal operation state and supply protection accordingly. The lines relay protection instrument adopts ATmega128 as micro processor, the hardware circuit mainly
4、 consist of the chip peripheral circuit, analog signals procession and sampling circuit, switch value input-output circuit, source circuit and RS485 communicative physical interface circuit and soon. Considering outdoor complex ferromagnetic condition, the hardware circuit evaluates anti-interferenc
5、e design. The paper expounds composition and function of circuit in detail. On the part of soft ware design, the paper research various faults happened in transmission lines, adopts MATLAB to simulate inadequate influence that faults cause to. The soft ware program adopts C language programming meth
6、od and modular design according to different functions, which facilitates modulation and evaluation. On the part of communicative design, the paper introduce RS-485 communicative interface circuit and Modbus protocol.KEY WORDS: lines protection failure; alternative signals sampling; 目录摘要I目录III第一章绪论1
7、1.1论文选题的背景与意义11.2 继电保护的国研究现状11.3 线路保护的国外研究现状21.5 现代继电保护装置的发展趋势31.6 本论文的主要容和章节4第二章线路保护的原理分析52.1 10kV线路故障分类与其原因分析52.1.1 10kV线路常见故障分类52.1.2 10kV线路短路故障原因分析52.1.3 10kV线路接地故障原因分析62.2 10kV线路异常工作状态分析与仿真62.2.1线路运行于过负荷工作状态分析与仿真62.2.2 线路运行于低电压工作状态82.2.3 线路运行于低频减载工作状态112.2.4 控制回路异常112.2.5 断路器弹簧未储能122.2.6 电压互感器T
8、V断线122.3 继电保护的原理与逻辑分析122.3.1 两段式电流保护的原理与逻辑分析132.3.2 过负荷保护的原理与逻辑分析142.3.3三相一次重合闸的原理与逻辑分析152.3.4后加速保护的原理与逻辑分析162.3.5低电压保护的原理与逻辑分析172.3.6 零序电流保护的原理与逻辑分析212.3.7低频减载保护的原理与逻辑分析222.3.8 控制回路异常告警232.3.9 TV断线告警24本章小结24第三章 10KV线路微机继电保护装置的硬件设计253.1 保护装置硬件设计253.2 三相电压和电流的交流采样电路263.2.1 三相交流信号低通滤波器TCL04的分析263.2.2
9、三相交流信号的采样电路273.3 角度测量电路293.4 SD2200时钟电路313.5 8路开关量输入输出电路323.6 按键电路333.7 6路开关量输出电路333.8 液晶显示电路34本章小结35第四章线路保护装置的主程序364.1 主程序设计分析364.2 故障判断与处理程序374.3 SD2200时钟软件设计384.4 液晶显示软件设计384.5 主菜单的软件设计394.6 实验结果分析40本章小结43第五章总结与改进45参考文献47致49第一章 绪论1.1论文选题的背景与意义现代电力系统是一个巨大的统一的整体,系统中的装置以与用电设备都是由线路连接且都是开放设备。继电保护研究电力系
10、统故障和危与安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。继电保护的基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。近年来随着微型计算机和微处理机的飞速发展，计算速度不断加快，可靠性也大为提高，微机继电保护被广泛使用。微机继电保护的对象一般包括发电机，电动机，变压器和线路。线路是电力系统重要的组成部分，但是由于线路容易受到周围环境以与自然灾害的影响下，其发生故障的可能性很大。2008年冬季的冻灾当中，由于输电线路受损导致受灾省份供电一度中断，很多企业
11、蒙受了经济损失尤其是对电力依赖较大的企业如电解铝厂，减产非常明显。这次灾害体现了线路保护重要性。本文针对输电线路设计开发出一套10kV线路微机继电保护装置，该继电保护装置采用高性价比的ATmega128作为中央处理器，能够提供2段式电流保护，过负荷保护，后加速保护等11项线路保护功能，能对10套保护定值进行独立的整定，通信采用RS-485/MODBUS通信方式，具有很好的兼容性和抗干扰能力。1.2 继电保护的国研究现状我国电力系统继电保护技术经历了电磁型保护、晶体管保护、集成电路保护、微机保护四个阶段。从上世纪90年代开始我国继电保护技术进入微机保护时代。微机保护在电力系统的各个方面与各种电压
12、等级上均有较大的发展，如线路保护、发电机保护、变压器保护、励磁调节系统。1988年我国开始研究以32位数字信号处理器DSP为基础的保护、控制、测量体化微机装置，目前已研制成一种功能齐全的32位大模块，个模块就是个小型计算机。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受AD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；关键是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(cache)和浮点数部件都集成在
13、CPU，完全满足继电保护算法对处理器的计算速度和精度更高的要求近年来，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得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学习等特点，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非线性优化等问题。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，应用神经网络方法则迎刃而解。1.3 线路保护的国外研究现状我国线路保护主保护1994年前主要采用高频相差、高频距离，通道采用电力载波高频通道。1994年推出LFP-901、WXH-15高频
14、方向原理技术，逐渐运行成熟，线路保护主保护采用高频方向、高频距离原理为主，高频相差原理逐渐推出。随着电力系统逐步采用光纤通道(OPGW)，2000年后光纤差动逐步成为线路保护主保护。由于光纤通道抗干扰能力强，解决了高频相差、高频距离、高频方向很难解决的系统振荡、高阻接地、选相、复故障等问题，光纤电流差动保护成为主保护主流。随着光互感器(光TA、光TV)的研究采用,保护装置应适用于光互感器，国目前开展了适用于光互感器的保护装置的研究。自20世纪90年代中后期开始，国外著名继电保护制造商GE、ABB等公司的产品就已经在向保护测控装置网络化设计的方向发展，开始将网络设计思想引入装置部硬件设计中。AB
15、B公司早期的数字式保护如发电机保护REG216，就是基于通用标准化硬件设计的理念，采用了B448C总线作为保护部各模块问互连和数据传送的方式。并且ABB公司于1998年前后推出的REx5xx系列数字式保护装置就是具有代表性的全面实现网络硬件平台设计的新一代继电保护装置。1.5 现代继电保护装置的发展趋势现代继电保护装置的发展趋势是向计算机化，网络化，智能化和保护、控制、测量以与数据通信一体化。1) 微机控制化电力系统对微机保护的要求不断提高，除了对保护的基本功能要求外，还要求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它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程例如C语言编程等。2) 保护装置网络化继电保护的作用是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闸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微机保护装置的网络化。继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。ModBus总线具有通用和成熟的第三方标准测试软件与较低的成本等优点。本保护装置采用RS-485串行通信方式和ModBus通信规约。3) 算法智
