微機(jī)保護(hù)課程設(shè)計(jì)

1、可編輯課程設(shè)計(jì)（論文）題 目10kv干式配電變壓器微機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 班 級 指導(dǎo)教師 評閱教師 完成日期2014 年 12 月5 日10kv干式配電變壓器微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)引言隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，城鄉(xiāng)用電負(fù)荷不斷增加，在電力緊缺的情況下，無油、防火、壽命長、低噪、維修簡單、安全可靠的10kv干式配電變壓器得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文將通過對變壓器微機(jī)保護(hù)原理的闡述和分析，以10kv干式變壓器為對象設(shè)計(jì)一套微機(jī)保護(hù)裝置，包括了與微機(jī)保護(hù)相配合的主接線形式、主要電器設(shè)備及保護(hù)配置方式的選擇，并對保護(hù)裝置的信號、開關(guān)量輸入輸出、時鐘、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能

2、模塊進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，使之具有對變壓器電壓、電流、溫度實(shí)時監(jiān)控，反映故障并對故障信息進(jìn)行存儲和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。關(guān)鍵字：10kv 干式變壓器 微機(jī)保護(hù)目 錄1 緒論32 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及其功能42.1 硬件部分42.2 軟件部分52.3 微機(jī)保護(hù)的功能63 變壓器微機(jī)保護(hù)配置64 微機(jī)保護(hù)功能模塊設(shè)計(jì)74.1 信號處理模塊設(shè)計(jì)74.2 開關(guān)量輸入/輸出模塊設(shè)計(jì)84.3 實(shí)時時鐘模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)95 變壓器微機(jī)保護(hù)演示裝置硬件電路設(shè)計(jì)105.1 鍵盤輸入電路105.2 輸出模塊116 軟件設(shè)計(jì)126.1 單片機(jī)軟件編程126.2 部分程序流程圖136.2.1 數(shù)據(jù)采集程序流程圖1

3、36.2.2 鍵盤顯示程序136.2.3 LCD顯示程序146.3 主程序流程圖如下157 總結(jié)15參考文獻(xiàn)161 緒論伴隨著我國電力行業(yè)的迅猛發(fā)展，對電力系統(tǒng)中各類重要的電氣設(shè)備的保護(hù)措施也得到了長足的發(fā)展。變壓器作為電力系統(tǒng)中重要的電氣設(shè)備，它能否正常運(yùn)行對整個電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作有著重要的意義。相對于高壓配電變壓器，中低壓（110KV及以下）配電變壓器廣泛應(yīng)用于城市居民用電和工業(yè)配電場合，同時由于農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)不斷擴(kuò)大的用電需求，對這些地區(qū)的變壓器安裝安全可靠的微機(jī)保護(hù)裝置就顯得極為重要。本文選擇1250KVA/10KV干式變壓器作為對象設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)。設(shè)計(jì)變壓器一次側(cè)主接線形式、主要電器設(shè)

4、備及保護(hù)配置方式的選擇，并對保護(hù)裝置的信號、開關(guān)量輸入輸出、時鐘、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信等功能模塊進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，使之具有對變壓器電壓、電流、溫度實(shí)時監(jiān)控，反映故障并對故障信息進(jìn)行存儲和與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信等功能。2 微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)組成、特點(diǎn)及其功能微機(jī)保護(hù)主要由硬件和軟件兩大部分構(gòu)成，硬件部分包括微處理器（單片機(jī)），輸入、輸出通道，人機(jī)接口和通訊接口等。軟件部分主要包括用匯編語言編寫的計(jì)算機(jī)初始化程序、針對保護(hù)原理而設(shè)計(jì)的測量和判斷故障的程序、數(shù)字鋁箔程序、計(jì)算機(jī)硬件和軟件的自檢程序等。2.1 硬件部分硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集單元、微機(jī)主控單元、開關(guān)量（數(shù)字量）輸入、輸出電源、人機(jī)接口單元和通信接口單元

5、。圖2-1為硬件系統(tǒng)的總體框圖： 數(shù)據(jù)采集單元輸入/輸出單元人機(jī)接口單元通信接口單元微機(jī)主控單元圖2-1微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)總體框圖（1）數(shù)據(jù)采集單元A/D轉(zhuǎn)換多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持電路低通濾波器變換器模擬量輸入數(shù)據(jù)采集單元是將從被保護(hù)元件的電流互感器、電壓互感器或其他變換器上取得的二次模擬電量，變換成微機(jī)主控單元能夠處理的數(shù)字量。圖2-1-2表示了常用的數(shù)據(jù)采集單元的框圖。微機(jī)主控單元圖2-1-1數(shù)據(jù)采集單元框圖（2) 微機(jī)主控單元微機(jī)主控單元時微機(jī)保護(hù)裝置的核心部分，其典型組成如圖2_3所示：CPUEPROMRAMEEPROM打印機(jī)串口時鐘鍵盤、顯示器總線圖2-1-2微機(jī)主控單元框圖（3）人機(jī)接

6、口單元人機(jī)接口單元主要是由打印機(jī)、鍵盤、液晶顯示器或數(shù)碼管組成，完成打印，整定值得設(shè)定、修改及顯示，裝置功能設(shè)置，狀態(tài)顯示和指令設(shè)置等人機(jī)交互任務(wù)。（4）開關(guān)量（數(shù)字量）輸入/輸出單元微機(jī)保護(hù)裝置輸入的開關(guān)量經(jīng)過光耦隔離接入微機(jī)主控單元；保護(hù)裝置發(fā)出的跳閘命令和中間信號等經(jīng)過光電隔離器件帶動中間繼電器，最后由中間繼電器的觸點(diǎn)帶動輸出繼電器執(zhí)行相應(yīng)的功能。（5）通信接口單元近年來隨著變電站綜合自動化的逐步實(shí)現(xiàn)，對保護(hù)裝置的通信要求越來越高。在綜合自動化的分層系統(tǒng)中，微機(jī)保護(hù)裝置除完成保護(hù)功能外，還要向站主機(jī)傳送其動作信息、時間記錄和故障報(bào)告等信息。在變電站無人值班時，調(diào)度所可通過站內(nèi)主機(jī)對微機(jī)保

7、護(hù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制，如軟件投退、修改定值等。2.2 軟件部分軟件部分可分為兩大組成部分：監(jiān)控程序和功能程序。監(jiān)控程序主要實(shí)現(xiàn)微機(jī)系統(tǒng)的初始化、硬件部分的自檢、人機(jī)對話等；功能程序應(yīng)完成整個保護(hù)及數(shù)據(jù)記錄功能，一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算、動作判斷和出口、發(fā)信及通信功能等。2.3 微機(jī)保護(hù)的功能變壓器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)完成完成的功能：（1）通信功能各保護(hù)單元必須設(shè)置有通信接口，除了與微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信外，還包括通過監(jiān)控系統(tǒng)和控制中心的數(shù)據(jù)通信。（2）故障記錄功能當(dāng)被保護(hù)對象發(fā)生事故時、能自動記錄保護(hù)動作前后有關(guān)的故障信息，包括短路電流、故障發(fā)生時間和保護(hù)出口時間等，以利于分析故障。對于電壓等級較高

8、或非常重要的變電站還單獨(dú)設(shè)置故障錄波裝置。（3）統(tǒng)一時鐘對時功能，以便準(zhǔn)確記錄發(fā)生故障和保護(hù)動作的時間。（4）存儲多種保護(hù)整定值（5）當(dāng)?shù)仫@示與多處觀察和授權(quán)修改保護(hù)定值 除了在各保護(hù)單元上要能顯示和修改保護(hù)定值外，考慮到無人值班的需要，通過當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)方調(diào)度端，應(yīng)能觀察和修改保護(hù)定值。（6） 故障自診斷，自閉鎖和恢復(fù)功能。 每個保護(hù)單元應(yīng)有完善的故障自診斷功能，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有故障，能自動報(bào)警，并能指明故障部位，以利于查找故障和縮短維修時間；對于關(guān)鍵部位故障，例如，轉(zhuǎn)換器故障或存儲器故障，則應(yīng)自動閉鎖保護(hù)出口；如果是軟件受干擾、造成“飛車”的軟故障，應(yīng)有自啟動功能，以提高保護(hù)裝置的可靠性。3

9、 變壓器微機(jī)保護(hù)配置變壓器的不正常工作狀態(tài)主要有過負(fù)荷、外部短路引起的過電流，外部接地短路引起的中性點(diǎn)過電壓，油箱漏油引起的油面降低或冷卻系統(tǒng)故障引起的溫度升高，變壓器的過勵磁故障等。針對以上情況，變壓器一般采用以下幾種保護(hù)方式：（1）變壓器瓦斯保護(hù)：反映變壓器油箱內(nèi)部各種故障和油面降低。0.8MVA及以上油浸式變壓器和0.4MVA及以上車間內(nèi)油浸式變壓器，均應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護(hù)。當(dāng)油箱內(nèi)故障產(chǎn)生輕微瓦斯或油面下降時，應(yīng)瞬時動作于信號；當(dāng)產(chǎn)生大量瓦斯時，應(yīng)動作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。帶負(fù)荷調(diào)壓的油浸式變壓器的調(diào)壓裝置，亦應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護(hù)。（2）縱聯(lián)差動保護(hù)或電流速斷保護(hù)：反映變壓器引出線、套管及內(nèi)部短

10、路故障的縱聯(lián)差動保護(hù)或電流速斷保護(hù)。保護(hù)瞬時動作于斷開變壓器的各側(cè)斷路器。 對 6.3MVA以下廠用變壓器和并列運(yùn)行的變壓器，以及10MVA以下廠用備用變壓器和單獨(dú)運(yùn)行的變壓器，當(dāng)后備保護(hù)時間大于0.5s時，應(yīng)裝設(shè)電流速斷保護(hù)。 對6.3MVA及以上廠用工作變壓器和并列運(yùn)行的變壓器，10MVA及以上廠用備用變壓器和單獨(dú)運(yùn)行的變壓器，以及2MVA及以上用電流速斷保護(hù)靈敏性不符合要求的變壓器，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。 對高壓側(cè)電壓為330kV及以上變壓器，可裝設(shè)雙重縱聯(lián)差動保護(hù)。 對于發(fā)電機(jī)變壓器組，當(dāng)發(fā)電機(jī)與變壓器之間有斷路器時，發(fā)電機(jī)裝設(shè)單獨(dú)的縱聯(lián)差動保護(hù)。當(dāng)發(fā)電機(jī)與變壓器之間沒有斷路器時，100

11、MVA及以下發(fā)電機(jī)與變壓器組共用縱聯(lián)差動保護(hù)；100MVA以上發(fā)電機(jī)。除發(fā)電機(jī)變壓器共用縱聯(lián)差動保護(hù)外，發(fā)電機(jī)還應(yīng)單獨(dú)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)。對200300MVA的發(fā)電機(jī)變壓器組亦可在變壓器上增設(shè)單獨(dú)的縱聯(lián)差動保護(hù)，即采用雙重快速保護(hù)。（3 ）零序電流保護(hù)：反映大接地電流系統(tǒng)中變壓器外部接地短路的零序電流保護(hù)。110kV及以上大接地電流系統(tǒng)中，如果變壓器中性點(diǎn)可能接地運(yùn)行，對于兩側(cè)或三側(cè)電源的升壓變壓器或降壓變壓器應(yīng)裝設(shè)零序電流保護(hù)，作變壓器主保護(hù)的后備保護(hù)，并作為相鄰元件的后備保護(hù)。此外還有超溫保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、輸入端過壓保護(hù)等。4 微機(jī)保護(hù)功能模塊設(shè)計(jì)4.1 信號處理模塊設(shè)計(jì)信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱

12、模擬量輸入系統(tǒng)，它的作用是將互感器二次側(cè)輸出的電壓、電流等模擬量經(jīng)過隔離、采樣、AD轉(zhuǎn)換等步驟轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受與識別的數(shù)字量，然后經(jīng)過CPU主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算。互感器的作用是采集母線上的電流和電壓，并將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可接受的電流和電壓值。由于要求實(shí)現(xiàn)零序保護(hù)，電流互感器設(shè)定為零序互感器，電流變換器是將互感器的二次側(cè)電流再一次變換。互感器二次側(cè)采集到的電壓電流值均為交流值，故在輸入A/D轉(zhuǎn)換之前均需要經(jīng)行整流，常用的整流電路有整流橋，示意圖如圖所示圖4-1-1 單相橋式整流電路輸入模塊整體電路如下圖：4.2 開關(guān)量輸入/輸出模塊設(shè)計(jì)開關(guān)量輸出輸入系統(tǒng)的作用主要是輸出跳閘、信號等信息，下圖

13、中，開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后與CPU相連。其中，當(dāng)輸入端為高電平時，輸出端為低電平。圖4-2-1 開關(guān)量輸入電路當(dāng)檢測到電壓電流值超過整定值時，單片機(jī)發(fā)出斷路跳閘命令，電路示意圖如下圖所示：圖4-2-2 開關(guān)量輸出電路4.3 實(shí)時時鐘模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計(jì)時鐘模塊：微機(jī)保護(hù)裝置配備的高性能實(shí)時時鐘，用來記錄微機(jī)保護(hù)動作、開關(guān)變位、事故與預(yù)告等事件的時間信息，從而形成完整的事件順序記錄，對分析繼電保護(hù)的動作行為、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性具有重要意義。時鐘模塊電路圖：圖4-3-1 時鐘模塊電路存儲模塊：存儲模塊能夠?qū)⑽C(jī)保護(hù)過程中電量越限信息及保護(hù)裝置的動作信息記錄下來，以供相關(guān)維護(hù)人員實(shí)時查看，分析

14、故障原因，了解微機(jī)保護(hù)裝置的實(shí)時工作狀況，對保證變壓器正常運(yùn)行具有重要的意義。存儲模塊電路如下圖：圖4-3-2 存儲模塊電路5 變壓器微機(jī)保護(hù)演示裝置硬件電路設(shè)計(jì)本次硬件設(shè)計(jì)選擇微機(jī)保護(hù)中的溫度保護(hù)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主控單片機(jī)采用AT89S52芯片，溫度信號采集使用DS18B20溫度傳感器，LCD1602顯示實(shí)時溫度值，鍵盤輸入風(fēng)機(jī)啟動溫度，跳閘溫度，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器超溫報(bào)警，風(fēng)機(jī)超溫啟動，超溫繼電器跳閘。微機(jī)保護(hù)溫度保護(hù)模塊系統(tǒng)組成框圖如圖所示主控單片機(jī)鍵盤輸入測溫模塊液晶顯示模塊報(bào)警電路切閘電路風(fēng)機(jī)控制電路圖5-1溫度保護(hù)模塊系統(tǒng)框圖5.1 鍵盤輸入電路鍵盤是人機(jī)交換中的一個重要部分，通過鍵盤，操作

15、者可以對系統(tǒng)輸入、發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信。這里選用按鍵常開型鍵盤，通常鍵的兩端處于斷開狀態(tài)，一旦鍵被按下，則彈片將開關(guān)兩端導(dǎo)通，對系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)作用。圖5-1-1鍵盤輸入電路5.2 輸出模塊本設(shè)計(jì)的輸出模塊由三部分組成：風(fēng)機(jī)控制、超溫報(bào)警、超溫跳閘風(fēng)機(jī)控制電路：圖5-2-1風(fēng)機(jī)控制電路報(bào)警電路：圖5-2-2 報(bào)警電路報(bào)警電路與風(fēng)機(jī)控制電路接線大致相同，因無電機(jī)啟動時電流過大的問題故無需增加限流電阻。跳閘電路：圖5-2-3 跳閘電路圖中K1為一繼電器，當(dāng)單片機(jī)發(fā)出切閘信號時，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈吸合，開關(guān)吸至另外一側(cè)，控制電路斷開，LED指示燈滅。考慮到切閘時會產(chǎn)生短暫的沖擊電流，故在繼電

16、器兩端加一個二極管作續(xù)流用。6 軟件設(shè)計(jì)6.1 單片機(jī)軟件編程本次程序設(shè)計(jì)部分采用的是通用性較廣、較易于理解的C語言進(jìn)行軟件部分編程。系統(tǒng)程序的整體設(shè)計(jì)思路為：上電后程序進(jìn)行LCD顯示初始化，并顯示預(yù)先設(shè)置好的溫度閥值。之后進(jìn)行各類開中斷設(shè)置，對溫度傳感器采集到得溫度數(shù)據(jù)經(jīng)行首次處理，隨后通過循環(huán)程序?qū)囟葌鞲衅鲗?shí)時采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，同時將采集到轉(zhuǎn)換后的溫度值與設(shè)定的溫度閥值進(jìn)行比較，若超過設(shè)定值則進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警切閘動作。中斷程序設(shè)定為鍵盤程序，通過觸發(fā)中斷可以對溫度的設(shè)定值進(jìn)行修改。本次程序的設(shè)計(jì)過程中采用了結(jié)構(gòu)化的方法，它將一個復(fù)雜的系統(tǒng)按功能劃分為幾個獨(dú)立的模塊，模塊劃分遵循“功

17、能獨(dú)立”原則，每個模塊的功能分配明確，有利于軟件的調(diào)試，修改和維護(hù)。6.2 部分程序流程圖6.2.1 數(shù)據(jù)采集程序流程圖 圖6-2-1數(shù)據(jù)采集程序流程圖6.2.2 鍵盤顯示程序 中斷開始判斷確定鍵是否按下顯示溫度初值判斷加鍵是否按下初值加1判斷減鍵是否按下初值減1顯示設(shè)定值顯示設(shè)定值否中斷返回是是否否是圖6-2-2 鍵盤掃描流程圖6.2.3 LCD顯示程序本次設(shè)計(jì)采用的顯示模塊為LCD1602，其顯示方式與其他常用的顯示模塊（如數(shù)碼管）不同。其顯示數(shù)據(jù)時首先需通過程序?qū)⒐鈽?biāo)定位至所要顯示的位置上（如第1行第2個位置），然后向該位寫數(shù)據(jù)并顯示，每寫完一個數(shù)據(jù)則必需通過程序?qū)⒐鈽?biāo)移至下一個需要寫數(shù)據(jù)的位置，如此往復(fù)。6.3 主程序流程圖如下開始初始化LCD溫度轉(zhuǎn)換處理溫度值溫度值比較溫度顯示啟動風(fēng)機(jī)并報(bào)警跳閘低于設(shè)定值高于風(fēng)機(jī)啟動溫度高于跳閘溫度中斷設(shè)置圖6-3-1 主程序流程圖7 總結(jié)本課題根據(jù)變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)，吸取了以往各種保護(hù)方法的長處，提出了一套可靠的