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标题 110kV输电线路微机保护的初步设计
范文

    于方舟 王自桥

    

    

    

    摘 要:本文利用STC12C5A60S2单片机为主机,初步设计出了一套微机继电保护系统。依据模块化的设计思路,将硬件区分成各个功能模块,包括数据采集模块、开关量输入输出模块、人机接口模块、电源模块和CPU主系统模块,各模块分别实现不同功能并互相配合。同时,选取适当的算法,对输入电气量的采样数据进行分析、运算和处理,从而实现了对于110kV输电线路的微机距离保护。

    关键词:输电线路;微机保护;STC12C5A60S2;设计

    DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.150

    0 引言

    在当今世界,电能已发展为最主要的能源之一,几乎融入到人类一切的日常活动中。等级逐渐提高的电网电压,以及日益增加的负荷,都使得输电安全成为了一项重要的研究课题。

    继电保护作为电力系统重要的一部分,担负着整个电网安全、平稳和可靠运行的责任。伴随着电力系统的高速发展和人们对电能质量的严格要求,为了实现输电线路的安全可靠运行,必须对其实施性能较高的微机保护[1]。因此,本文对于输电线路微机保护的设计和研究,具有十分重要的理论意义和现实意义。

    1 系统总体概况

    硬件电路作为整个微机保护系统的基础,其设计的好坏,直接影响到微机保护装置功能的实现与否,软件的设计同样起着决定性的作用。微机保护系统具体可分为数据采集模块、开关量输入输出模块、人机接口模块、电源模块以及CPU主系统模块等基本部分[2],其结构框图如图1所示。

    (1)数据采集模块:该模块输入端为各模拟电量,可利用该模块将其转化为待处理的数字量。

    (2)开关量输入输出模块:主要进行系统外开关量输入和人机交互、闸间保护、显示信息及告警功能等。

    (3)人机接口模块:微机继电保护的人机接口主要是键盘输入、显示模块与CPU接口电路。

    (4)电源模块:微机保护系统的电源负责逆变功能,对交流电量进行整流,获得CPU系统要求输入的直流电压。

    (5)CPU主系统:该系统对数据采集模块输出的电量进行判断和分析,从而实现继电保护功能和协调功能。

    (6)算法:在输电线路微机保护中,需要在实时性的前提下,快速而精准地读取系统各部分的电压、电流、功率等信息,这就要通过算法把信号的有关特征电量计算出来。

    2 系統的硬件设计

    2.1 CPU主系统模块

    CPU主系统是整个微机保护硬件系统的核心部分,负责保护数据的采集、计算、逻辑判断和保护动作[3]。在51系列中,国产STC公司生产的1T增强系列获得了广泛的应用。例如,STC12C5A60S2就属于宏晶公司自主研发的新一代1T单片机,其指令代码可兼容传统的8051,速度要快8-12倍,且涵盖了MAX810专业的复位电路,两个PWM电路,以及八路快速的十位A/D电路。

    综上所述,本设计采用STC12C5A60S2作为保护控制芯片,其管脚及时钟电路、复位电路如图2所示。其中,时钟电路的提供方法采用无源晶振,即利用外部无源晶振和芯片内部的振荡电路组成并联谐振电路,从而产生时钟信号,电容一般选取10~30pF。

    2.2 数据采集模块

    微机保护中,一般需要输入信号为、或等范围内的各电压信号。本设计以110kV输电线路距离保护为例,模拟量一般设置为、、、、、、总共七个模拟量[4]。在采集电路前端采用LV-20P型电压互感器,可知其原边的电流电压数值,,且变比K为2500:1000。输入该电压互感器原边电压的最大有效值约为64V,故原边的串联电阻值。为形成0~3V范围内的电压,要在电压互感器副边并联一个电阻,,此处选择36。第一级运算放大器构成电压跟随器,第二级运算放大器构成一种同相加法器,将经电压跟随器传送来的电压信号整体向上平移,使其满足微机系统的信号输入要求,并在输出端接有过压保护二极管[5]。其输入输出电压的公式可表示出:

    2.3 开关量输入输出模块

    本次设计采用了4组24V的开关量输入电路,每组均装设光电耦合器。当系统外的接点处于连接状态,光电耦合的二极管相应导通,晶体管随之连通,集电极此时产生低电位;当外部触点断开,集电极将产生高电位。CPU通过并行口的状态,便可获得外部触点的状态。此外该电路中,二极管起保护作用,不但有效防止外部干扰高电压信号的串入而击穿光电耦合器,还可加速继电器的返回;电容为抗干扰电容,仅为几皮法可大大削弱输入回路的干扰信号;输入电阻、主要用于限制输入电流,其值可由下式确定:

    式中,为光电耦合器输入二极管的正向压降,一般为0.9~1.1V,此处选用1V;输入电流I可取5mA,代入式(3)算得,如图4所示。

    要想增加开关量输出电路的可靠度,提高抗干扰性能,也应在数据输出端和继电器间采用光电耦合器。此外,任何一路的输出均使用了两条并行输出线和与非门,用来控制开关量输出电路,可加强驱动力,抑制了干扰产生的误动。图中两路输出P2.4和P2.5中,一路经反相器,一路不经反相器,使得两个相反的条件互相制衡,能预防拉合直流电源时继电器产生的误动[6]。电阻可由外接电源值除以输入电流值来确定,如图5所示。

    2.4 人机接口模块

    为了简化操作,保护系统的键盘数量应当尽量少。本设计采用4个独立式按键,通过按键对液晶显示器进行菜单操作,如对装置进行定值、保护方式设置等,也可通过按键直接进行合分闸操作。由于只需要少量按键,因此可用最简单的独立式键盘电路,每个按键经上拉电阻连接+5V电源,简化了电路,使得键盘程序更简便易行,如图6所示。

    显示器选用了OCMJ型中文液晶模块,驱动电压+5V。该系列的液晶显示器具有位点阵和字节点阵两种图形显示功能,标准用户硬件接口采用REQ/BUSY握手通讯协议,简单可靠。如图7所示。

    2.5 电源模块

    采用了逆变稳压电源,总共三组稳压电源:+5V供给CPU系统使用,12V供给数据采集模块使用,+24V则供给起动、跳闸、信号及报警继电器[7]。各输出电源设有发光二极管作正常运行指示信号,输入正、负220V各采取双LC滤波措施,以增加其抗干扰能力,如图8所示。

    3 算法选择

    分析评估不同的算法优缺点,主要考虑精度和速度。实际情况下,输电线路产生故障时电路电压和电流会发生变化,不是纯正弦量。本身具有数字滤波作用的交流采样算法基于周期函数模型,可准确求出基波谐波分量,包括傅立叶算法和沃尔什函数。其中,全波傅立叶算法原理简易,计算精度高,在滤波、稳定度和精度上都有很强优势,因此在微机保护中得到广泛使用[8]。本设计结合距离保护的原理,经过综合考量,采用了全波傅立叶算法。

    傅立叶算法假定待处理的各信号为周期性,即为恒稳直流、基波以及各谐波量,如下式:

    式中,表示n次输入谐波量振幅的实部;表示n次输入谐波量振幅的虚部;表示n次输入谐波量振幅的有效值;表示n次输入谐波量振幅的相角。

    为了缩小衰减直流分量对于傅立叶算法的影响,可以在算法前增加一次差分滤波环节。不但可削弱直流分量,并在可控范围内上减轻衰弱的非周期分量,并且当基波信号频率相对额定值偏离时,单独的一次差分对清除衰减非周期分量具有较好的效果,得到的基波的幅值与实际值最为接近。

    4 结语

    微机继电保护是当今电继电保护领域的前进方向,具备传统保护方式无法替代的优势。本文以110kV输电线路的距离保护为例,完成了微机继电保护的初步设计,还存在诸多待改进的地方,如在硬件设计中,还可附加以太网通信和报警电路等。

    参考文献:

    [1]张敏.浅谈微机继电保护的优点及抗干扰措施[J].中国设备工程,2018(16):177-178.

    [2]于群,曹娜.电力系统微机继电保护[M].北京:机械工业出版社,2008.

    [3]周伟锋.35kV变电站及输电线路运行维护及微机保护探讨[J].低碳世界,2017(22):74-75.

    [4]曲骅.智能电网中继电保护技术的应用[J].电工技术,2016(12):12-13.

    [5]周陽.微机继电保护测试系统[J].科学技术创新,2017(21):13-14.

    [6]李惜玉,梁嘉明,梁尚达等.基于220kV变电站的线路微机继电保护特性研究[J].计量与测试技术,2015(12):7-9.

    [7]仁奎,闫冉.110kV变电站继电保护故障及应对措施[J].电子技术与软件工程,2018(21):206.

    [8]刘军,慕晓静,谭港.基于误差补偿傅里叶算法的微机继电保护[J].青岛科技大学学报,2013(04):431-435.

    作者简介:于方舟(1996-),男,山东泰安人,硕士研究生在读,研究方向:电气工程。

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更新时间:2025/3/15 16:54:16