1、本科毕业论文（20 届）输电线路、变压器微机保护的综述所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -输电线路、变压器微机保护的综述摘要近年来微机保护在电力系统中的运用越来越广泛，微机保护具有可靠性高、使用方便及工艺结构的优越性等特点。使得其为电力系统中的重要组成部分。研究微机保护的工作原理及对输电线路和电气设备的保护是继电工作者的重要工作。本文首先对微机保护的发展历程做了简单介绍。介绍了微机保护的四个发展阶段。接着对微机保护的硬件装置、微机保护软件基础做了简单介绍。对于硬件结构主要介绍了微机保护对输电线路、变压器的
2、硬件结构结构。软件部分不仅介绍了数字滤波器、保护算法、保护逻辑三类程序，还有微机保护的保护逻辑程序。对微机保护逻辑程序框图原理的主程序和中断程序做了些介绍。接下来是讲微机保护在电力系统中的运用。主要讲述微机保护对输电线路和变电器的保护。介绍了输电线路的微机保护硬件和软件构成，还有线路微机保护的功能。对于变电器微机保护主要介绍其变压器微机保护电流平衡调整、变压器主体保护、主变压器后备保护及其特点。关键词 微机保护；微机保护软件原理；微机保护硬件配置；变压器；输电线路哈尔滨理工大学学士学位论文- II -In Microprocessor-based protectionAbstractIn re
3、cent years, more extensive use of microprocessor-based protection in the power system, computer protection with high reliability, easy to use and process structure of superiority and other features. Making it an integral part in the power system. Study of microprocessor-based protection works and th
4、e protection of transmission lines and electrical equipment is to relay the important work of the workers.Firstly,a brief introduction to the course of development of the microprocessor-based protection. Describes the four stages of development of computer protection. Then, on the hardware devices o
5、f the computer protection, computer protection software infrastructure to do a brief introduction. Hardware structure of a typical structure of the computer protection device. The software part of not only the digital filter, the protection algorithm to protect the logic of three types of procedures
6、, as well as microcomputer protection protection logic program. Do a brief introduction to the main program and interrupt routines of the computer block diagram of the principle of protection of the logic program.Next about the use of microprocessor-based protection in the power system. Focuses on c
7、omputer protection of transmission lines and change electrical protection. Microprocessor-based protection of transmission line hardware and software structure, as well as the function of the line of microprocessor-based protection. Transformer microcomputer protection of Transformer Computer Protec
8、tion current balance adjustment, the transformer main protection, back-up protection and features of the main transformer.Keywords Microprocessor-based protection；Computer protection software principle；Computer protection hardware configuration; Transformer; Transmission line哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要
9、 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 我国线路微机保护的发展历程 .11.2.1 输电线路微机保护的发展趋势 .21.3 我国变压器微机保护的历程 .31.3.1 变压器微机保护发展趋势 .3第 2 章 微机保护软件原理 .52.1 保护算法及其类型和任务 .52.2 微机保护的滤波器 .62.3 继电保护算法 .62.3.1 半周积分算法 .62.3.2 傅氏变换算法 .72.3.3 解微分方程算法 .82.3.4 移相算法 .82.3.5 序分量滤波器算法 .92.4 微机保护逻辑程序框图原理 .92.4.1 微机保护主程序框图原理 .102.4.
10、2 开放中断与等待中断 .122.4.3 采样中断服务程序原理 .122.5 微机保护运行的工作设计原则 .142.6 本章小结 .15第 3 章 输电线路、变压器的微机保护硬件结构 .163.1 输电线路微机保护硬件结构 .163.2 变压器微机保护硬件结构 .173.3 本章小结 .19第 4 章 微机保护在输电线路中的应用 .204.1.线路微机保护的软件结构 .214.2 超高压线路微机保护的功能 .224.2.1 启动元件 .234.2.2 方向元件 .234.2.3 距离元件 .234.2.4 过流元件 .24哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -4.2.5 选相元件 .244.2
11、.6 震荡闭锁元件 .254.2.7 重合闸及后加速 .254.2.8 其他辅助功能 .264.2.9 高压输电线路保护电容电流补偿方式 .264.3 中低压线路保护 .264.3.1 电流速断保护 .264.3.2 限时电流速断保护 .274.3.3 定时限过流保护 .274.3.4 反时限过电流保护 .284.4 监控信息 .284.5 本章小结 .29第 5 章 变压器微机保护 .305.1 微机变压器保护的特点 .305.2 变压器的过流 保护 .305.3 变压器微机保护电流平衡调整 .315.3.1 微机主变压器保护 TA 接线原则 .315.3.2 电流平衡调整系数 .315.4
12、 变压器的差动保护 .325.5 变压器本体主保护 .335.6 主变压器后备保护 .345.6.1 复合电压闭锁方向过电流保护 .345.6.2 变压器零序保护 .345.7 变压器微机保护的优越性 .345.8 本章小结 .35总结 .36致谢 .37参考文献 .38附录 .39哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景自从 20 世纪 60 年代末期，计算机开始从离线分析电力故障系统和进行继电保护整定计算阶段，逐步进入直接构成计算机保护装置阶段。这在继电保护领域中是一个重大转折，从此继电保护进入微机保护的发展阶段。到了 70 年代初期，计算机的制造技术出现了重大
13、突破，使得以微处理器为核心的微型计算机进入了实用阶段，从而带来了微机型继电保护的研究高潮。到 90 年代的中后期，微机型继电保护装置已经开始在电力系统中得到广泛应用。1.2 我国线路微机保护的发展历程我国计算机继电保护研究起步较晚。到 70 年代末期才开始从事这方面的研究和探索。起初是由华北电力大学、华中理工大学、西安交通大学、天津大学等院校和南京自动化研究所的继电保护科研人员在吸取国外先进研究成果的基础上研制出了不同型式、不同原理的微机保护装置。在 1984年由华北电力大学研制的一套微机距离保护 MDP-1 型经运行后通过了科研鉴定，其型号即通常说的“01”型，于 1987 年投入批量生产。
14、揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的发展开辟了道路。在我国微机保护的初始阶段，微机保护装置的主要特点是采用单 CPU 结构及多电路转换的 ADC 模数变换模式。进入 20 世纪 90 年代以后，微机型保护在我国已得到大量应用，成为了继电保护装置的主要形式。微机型保护具有强大的数字计算和逻辑判断能力以及优良的信息记忆能力，为传统保护原理的改善以及新原理的应用提供了良好硬件支持。此外，微机型保护易于实现较完善的硬件自检和软件自检功能，有助于提高其抗干扰能力和运行的稳定性。随着计算机技术、网络通讯技术的飞速发展，微机保护的智能化水平不断提高，故障录波、事件记录、故障测距以及数据通讯等辅助
15、功能也得以在保护中实现，这极大地简化了保护的运行维护管理，同时也为事故分析和事故后的处理提供了极大方便。由于微机型保护装置具有的巨大优越性和潜力，因而已取代传统的模拟式保护，成为继电保护的主流形式。应用于输电线路的保护方式主要有两种：即阶段式保护（如零序电流保护、距离保护等）和纵联保护。阶段式保护仅利用输电线路一侧的电气量来确定故障发生的范围，为保证保护动作的选择性及考虑各种误差因素的影响，这类保护的原理通常采用阶段式特性，因此不能实现全线无延时哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -保护的要求。纵联保护是当线路发生故障时，两侧保护借助于通道交换信息使两侧同时跳闸来实现全线范围内的快速切除故障的保
16、护方式。由于它只反映输电线路内部故障，又称输电线路的单元保护。根据保护动作原理的不同，线路纵联保护又分为方向纵联保护、距离纵联保护和差动纵联保护三大类。方向纵联保护和距离纵联保护均通过本侧就地电气量信号，对故障方向（范围）进行分析判断，然后利用通道将本侧判断结果传送到对侧。每侧保护根据两侧保护的判断结果经过逻辑比较，来区分是区内还是区外故障；而差动纵联保护则是利用通道将本侧电流的波形信号或数据信号传送到对侧，每侧保护根据对两侧电流之差的差电流结果来区分是内部还是外部故障。1.2.1 输电线路微机保护的发展趋势继电保护的任务就是检测故障信息、识别故障信号，并由此决定保护的动作行为。因此，故障信息
17、的识别、处理和利用是继电保护技术发展的基础，不断发掘和利用故障信息对继电保护的进一步发展有着十分重要的意义。基于故障分量的继电保护原理的研究和应用在继电保护技术的发展历程中一直占用重要地位。在模拟式保护中，以故障分量为基础的零序电流保护、负序电流保护以及差动电流保护得到了广泛使用，并取得了良好的运行效果。在微机保护中，由于计算机具有的数据计算和存储能力，使得故障分量的获取更为方便，从而极大地推动了基于故障分量的保护新原理的发展。自上世纪 80 年代，人工智能技术的理论和方法取得了突破性进展，人工智能技术在继电保护领域的应用研究引起了人们的极大兴趣。人工智能就是由计算机来表示和执行人类的智能活动
18、，如判断、识别、理解、学习、规划和问题求解等。人工智能技术被广泛地应用于求解非线性问题，较之于传统方法有着不可替代的优势，迄今，国内外已开发出多种人工智能工具，包括：专家系统（ES） 、人工神经网络（ANN ） 、模糊集（FS） 、启发式搜索（HS ）等，相关技术在电力系统中的应用研究也逐步展开，其中人工神经元网络技术在继电保护中的应用研究受到了广泛关注。当代继电保护技术的发展，正在从传统的模拟式、数字式探索进入信息技术领域。计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的信息交互手段。
19、到目前为止，所有的继电保护装置只能利用被保护设备的一侧或多侧电气量信息、保护动作特性和定值，特别是后备保护的特性和定值大多是按预设的“最严重情况”考虑，因此，极大降低了保护在其它故障情况下的工作性能。尤其严重的是，一旦某处保护动作异常且相邻保护失去配合，或者系统发生连锁性复杂故障，可能导致整个电网保护系统的崩溃，造成全网性的重大停哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -电事故，给国民经济和社会生活带来极大危害。为了从根本上解决上述问题，继电保护的设计与运行不应仅局限于被保护设备本身，而应从保证整个电力系统安全稳定运行的角度，构建具有全局性的“系统保护” 。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和
20、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将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。微机保护的网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保发展的必然趋势。1.3 我国变压器微机保护的历程变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它在整个电力系统中起着能量和电压转换的作用。电力变压器能否安全运行，直接关系到电力系统能否连续稳定地工作。由于电力变压器的重要性及其本身的贵重价值，一旦发生故障而遭到破坏，影响范围大，破坏系统的正常运行，将造成
21、严重后果，在经济上必然带来重大的损失。在我国，自 20 世纪 80 年代以来，微型计算机及其应用技术发展很快，在电力系统继电保护和自动装置的领域里产生了深远的影响。虽然我国在变压器微机保护方面的研究工作起步较晚，但进展迅速，并卓有成效。从硬件的角度来划分，我国的电力变压器微机保护的发展大体上经历了三个阶段: 第一阶段是单 CPU 硬件结构，特点是采用单个 CPU 结构及多路转换的 ADC 模数转换模式;第二阶段是多 CPU 硬件结构，数据采集系统为VFC 电压一频率转换原理的计数式数据采集系统。软件的设计方面，利用多 CPU 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可定位到插件，对保护的跳闸回
22、路，具有完善的抗干扰措施，防止拒动和误动的措施;第三阶段为以高性能的 16 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不引出芯片，电路简单的特点，抗干扰能力进一步加强，完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力的支持。1.3.1 变压器微机保护发展趋势随着计算机技术和通信技术以及各种新方法和新理论在变压器微机保护中的广泛应用，继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。网络化。微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，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
23、安全稳定运行。综合自动化。继电保护、操作控制和监测的集成化趋向称之为变电所综合自动化实际上，保护装置就是一台高性能多功能的计算机，是整个电哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -力系统计算机网络上的一个智能终端，它可从网络上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。智能化。近年来，人工智能技术如自适应控制、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都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也开始 可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -第
24、2 章 微机保护软件原理微机保护软件主要是数字滤波器、保护算法、保护逻辑三类程序组成的。微机软件保护的流程是先数字滤波器先滤除噪声或不利于保护工作的信号，然后对数字滤波的输出作数据分析、运算，得到被保护设备运行的各类参数，最终进入保护逻辑程序作出判断和处理。三类保护程序经常相互穿插在一起，一般保护算法中含有数字滤波功能；保护逻辑程序中插有保护算法，而保护算法中常带有逻辑判断。各类数字处理设备中都具有数字滤波功能，而微机保护就是一种数字处理设备，而且其滤波特性直接影响保护的精度和速度等性能，因此数字滤波对保护是很重要的。保护算法可以看成一种数字滤波器，而数字滤波的方法就是一种算法。2.1 保护算
25、法及其类型和任务在微机保护中，模拟电压和电流输入信号经过离散采样和模数变换后，计算机将这些数字信号进行分析、运算、判断，以实现各种继电保护功能的方法，称为保护算法。微机保护的算法按算法的目标可分为两类；（1）遵循常规的模拟型保护的原理，运用计算机的数学和逻辑运算功能来实现的保护。例如，按模拟型保护的相位比较的动作方程式来判断故障是否在动作区内的距离保护，但它并不具体算不出阻抗值。这类多为反应工频稳态电气量的保护。（2）根据输入电气量的若干点采样值，通过一定的数学式或方程式计算出保护原理所反应的量值，然后与定值进行比较的保护。这类算法利用微机能进行数值计算的特点，其动作可以设计得十分灵活。这类算
26、法容易实现反应暂态的、比较复杂原理的保护，目前用的较广的反映工频变化量的各类保护。保护算法的主要任务是从包含有噪音分量的输入信号中，快速、准确地计算出所需的各种电气量参数。所以，保护算法的内容主要是滤波和参数计算。微机保护的算法有很多种，主要考虑的是计算的精度和速度。精度和速度往往是相矛盾的，若要精度高，则要利用更多的采样点。这样就增加了计算工作量，降低了计算速度。反之要提高速度，则需要利用较少的采样点，精度就会降低。保护算法除了要考虑精度和速度之外，还需要考虑的算法的数字滤波功能，滤除影响精度计算的高次谐波分量。总的来说微机保护的任务是寻找一种对保护有效的数字运算方法，使运算满足保护精度的要求下，尽可能的简便快捷地算得被保护设备的运行参数。
