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输电线路微机继电保护系统设计论文

电气工程及其自动化专业综合设计(论文)输电线路微机继电保护系统设计DESIGN OF MICROCOMPUTER RELAY PROTECTION SYSTEM FOR TANSMISSIONLINE毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

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作者签名:日期:指导教师签名:日期:使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名:日期:学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日注意事项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300字左右)、关键词4)外文摘要、关键词5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括:任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。

4.文字、图表要求:1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他人代写2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印4)图表应绘制于无格子的页面上5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档5.装订顺序1)设计(论文)2)附件:按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订摘要输电线路继电保护是整个电力系统的重要组成部分,它的任务是快速准确地切除线路故障,保证电网安全运行。

本文采用微机控制方法,对高压输电线路故障进行诊断和切除,取代传统电磁型继电保护装置。

线路保护装置采用STC12C5A60S2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,电源电路等。

本文首先对整个控制系统进行软件仿真,然后再将设计应用到实际当中,阐述三段式电流保护的控制流程和软件实现方法。

关键词单片机;继电保护;整流;电流互感器目录1绪论 (1)1.1设计背景 (1)1.2微机继电保护的发展趋势及特点 (1)1.3 本文主要工作 (2)2 系统硬件设计 (3)2.1系统框架 (3)2.2 系统仿真 (4)2.2.1 仿真设计 (4)2.2.2 部分电路分析 (5)2.2.3 仿真结果 (8)2.3系统硬件 (7)2.3.1 主要芯片和器件的选择 (8)2.3.2 单片机最小系统设计 (11)2.3.3 硬件实物与模块调试 (13)2.4 三段式电流保护理论 (14)2.4.1 电流速断保护(第I段) (14)2.4.2 限时电流速断保护(第II段) (15)2.4.3 定时限过电流保护(第III段) (16)2.4.4 三段式电流保护小结 (16)3 系统软件设计 (17)3.1 系统软件设计方案 (17)3.2 系统程序 (18)4系统调试 (22)4.1 硬件电路连接 (23)4.2 运行结果 (23)总结 (25)致谢 (26)参考文献 (27)1 绪论1.1 设计背景当今社会,电能已经成为人类最重要的能源之一,它几乎已经渗透到人类一切的活动当中。

由于电能的生产是在相对集中的区域完成,所以电能的输送成为电力系统中重要组成部分。

随着电网电压等级的不断升高和用电负荷的不断增加,输电安全也逐渐成为重要研究课题。

传统电力系统继电保护经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段。

20世纪70年代以后,电力系统继电保护进入微机时代。

微机继电保护降低了设备成本,提高了设备可靠性,同时具有控制灵活、准确,性能优良等特点,成为当今主流的继保控制核心。

本文采用51单片机为核心,通过低压数字微机信号采集、数据分析、动作输出,实现对高压输电线路的诊断、分析、故障切除,保护电力系统安全运行。

1.2 微机继电保护的发展趋势及特点继电保护技术发展趋势向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用,新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中,以期取得更好的效果,从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展,出现了一些引人注目的新趋势[1]。

微机继电保护主要有以下特点:1.改善和提高继电保护的动作特征和性能,动作正确率高。

主要表现在能得到常规保护不易获得的特性;其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护;可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等,其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。

2.可以方便地扩充其他辅助功能。

如故障录波、波形分析等,可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。

3.工艺结构条件优越。

体现在硬件比较通用,制造容易统一标准;装置体积小,减少了盘位数量;功耗低。

4.可靠性容易提高。

体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响,不易受元件更换的影响;且自检和巡检能力强,可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。

5.使用灵活方便,人机界面越来越友好。

其维护调试也更方便,从而缩短维修时间;同时依据运行经验,在现场可通过软件方法改变特性、结构。

6.可以进行远方监控。

微机保护装置具有串行通信功能,与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性等等。

1.3 本文主要工作本文在借鉴国内外微机继电保护发展的成功经验结合现有资源对输电线路继电保护系统进行了软件仿真以及硬件实物的设计。

其主要内容包括以下几个方面:1.简单概述了微机继电保护技术[2]。

主要介绍了国内国外微机继电保护的发展史、继电保护的几大特点、主要的理论技术和成果以及今后总的发展要求和趋势。

2.三段式电流继电保护的原理,及整定方法。

3.利用protues软件进行系统的电路设计并仿真。

4.与仿真软件配合进行单片机软件编程。

5.系统硬件设计原理与过程。

包括单片机最小系统电路设计、A/D模块、AC/DC整流稳压电路设计、三段式电流速断保护电路连接。

6.系统联合调试。

2 系统硬件设计2.1 系统框架随着电力系统的发展,电网结构的日益复杂,对其保护、控制、变量、通信等功能的要求越来越高,而且由于新一代、高性能微控制器的出现,微机保护装置将逐步实现高集成度、全功能化。

本系统着重考虑了保护的特殊性和实验的灵活性要求,采用了STC新型的高性能FLASH型MCU,从而使本装置既满足了继电保护的“四性”要求,又能灵活的适应各种保护原理的需要。

本系统硬件核心采用美国STC公司STC12C5A60S2芯片作为微制器,并配以适当的外围电路来完成各项功能。

本系统的硬件结构主要包括:中央处理单元、数据采集单元(模拟量和数字量)、人机接口(键盘与显示)单元、开关量输出单元,各部分如图所示。

图2-1系统总体结构图2.2 系统仿真2.2.1 仿真设计本系统采用Proteus软件仿真。

Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB 设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。

其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面,它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。

由于Protues不对stc12系列单片机提供支持,我暂且用AT89系列代替。

用外部AD转换芯片进行模数转换。

并且用变压器来代替电流互感器。

根据系统设计要求作如下仿真:图2-2系统仿真图2.2.2 部分电路分析1、本系统采用桥式整流电路,整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电,这就是交流电的整流过程,整流电路主要由整流二极管组成。

经过整流电路之后的电压已经不是交流电压,而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。

此时需要在电路中加入滤波电容,让电流波形更加趋于平滑。

电路如下:如下图所示,在整流电路电压输入输出端加入示波器来对比显示整流效果a(整流前) b(整流后)图2-4 整流前后对比图2、光电隔离。

光电隔离的目的是使测控装置与现场仅保持信号联系,而不直接发生电的联系。

隔离的实质是把引进的干扰通道切断,从而达到隔离现场干扰的目的。

由于本系统现场信号是从高压输电线路中取得,而控制装置是低压的数字芯片,两者必须隔离才能工作,否则低压芯片很容易被烧毁。

见图2-5,光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。

输入的电信号驱动发光二极管,使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。

这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。

由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力图2-5光耦合器图3、仿真中选用ADC0832芯片作为模数转换模块。

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