《一種基于ColdFire52258處理器輸電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》18000字（論文）

一種基于ColdFire52258處理器輸電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要第1章緒論1.1課題的研究背景和意義1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自從20世紀(jì)80年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的微型計(jì)算機(jī)的蓬勃發(fā)展為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)領(lǐng)域，以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的研發(fā)提供了廣泛思路。在此不久后，我國(guó)微機(jī)保護(hù)的發(fā)展也提上日程，在不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程中，銳意進(jìn)取迎難而上[12,13]。華北電力學(xué)院在1984年研發(fā)出一套MDP.1型微機(jī)距離保護(hù)裝置，引起廣大研究學(xué)者的推崇，在三年之后進(jìn)過(guò)試運(yùn)行鑒定決定將這款微機(jī)距離保護(hù)裝置投入量產(chǎn)[14]。這表明微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品在我國(guó)第一次問(wèn)世，更意味著微機(jī)保護(hù)裝置在國(guó)內(nèi)被認(rèn)可，鼓勵(lì)廣大研究者投入到科研工作中，為微機(jī)保護(hù)裝置的研發(fā)建言獻(xiàn)策。在發(fā)展中不斷完善，在完善中不斷提升逐步取得成功。在微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展中，硬件設(shè)計(jì)軟件研發(fā)以及算法保護(hù)是聚焦的三個(gè)方面，綜合考量可以將微機(jī)保護(hù)的發(fā)展分為幾個(gè)主要方面[15-18]：(1)第一階段的研發(fā)產(chǎn)品主要為微機(jī)高壓輸電線路保護(hù)裝置，研究的硬件結(jié)構(gòu)住喲啊表現(xiàn)為CPU結(jié)構(gòu)，而且數(shù)據(jù)采集由逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，更為典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件都是以特定的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的，為微機(jī)保護(hù)的研究開(kāi)拓了思路。(2)多CPU硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展促進(jìn)了微機(jī)保護(hù)的發(fā)展，這個(gè)階段可稱(chēng)為微機(jī)保護(hù)發(fā)展的第二階段，在原有的微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方法基礎(chǔ)上利用電壓頻率轉(zhuǎn)換的計(jì)數(shù)式為主要技術(shù)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其功能多樣，具有強(qiáng)大的自檢和互檢功能，而且抗干擾能力也十分顯著，使保護(hù)系統(tǒng)不拒動(dòng)不勿動(dòng)。(3)在單片機(jī)的不斷發(fā)展的過(guò)程中，輸電線路的發(fā)展也不斷面向微機(jī)功能可拓展，完善化，是系統(tǒng)的保護(hù)功能能夠穩(wěn)定運(yùn)行，通信功能更加便捷，這個(gè)階段為第三個(gè)階段，主要利用十六位高性能的單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)，是保護(hù)系統(tǒng)能夠面向網(wǎng)絡(luò)化，及控制保護(hù)和通信于一體的智能輸電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)[19]。國(guó)內(nèi)外研究者提出微機(jī)保護(hù)以及自動(dòng)檢查裝置的性性能主要體現(xiàn)在軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，綜合前人的研究成果總結(jié)，在實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)功能的前提下，系統(tǒng)應(yīng)該具備高效的數(shù)據(jù)采集以及精度，較大的存儲(chǔ)空間讓數(shù)據(jù)能夠被靈活處理，這既是設(shè)計(jì)所需的最高要求也是目前研究者熱衷的追求[20-23]。隨意為了能夠滿(mǎn)足微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，亟待研發(fā)一種軟硬件功能完善，既能智能保護(hù)系統(tǒng)工作在合理狀態(tài)，又使整個(gè)裝置智能化廣泛應(yīng)用，使數(shù)據(jù)分析能夠協(xié)調(diào)處理，減少故障情況的發(fā)生。輸電線路繼電保護(hù)的發(fā)展階段過(guò)程歷經(jīng)研究者的努力科研，使網(wǎng)絡(luò)化智能化的保護(hù)系統(tǒng)面向保護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域，在共享的電力網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息以及故障信號(hào)的采集過(guò)程中，結(jié)合軟硬件處理，在控制中心或者終端設(shè)備快速反應(yīng)，動(dòng)作于信號(hào)[24-26]。保證了微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的基本功能實(shí)現(xiàn)，工作在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)的安全。在不斷研究中提升系統(tǒng)的控制能力。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文以ColdFire52258處理器作為核心控制器，根據(jù)不同發(fā)展階段出現(xiàn)的問(wèn)題以及線路保護(hù)面臨的挑戰(zhàn)，提出了一種高效、性能優(yōu)良擴(kuò)展性較強(qiáng)的輸電線路保護(hù)裝置，本的主要內(nèi)容如下：第一章通過(guò)仔細(xì)查閱文獻(xiàn)與論文，介紹了本文研究的背景及意義，結(jié)合輸電線路的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀合理安排了文章的主要研究?jī)?nèi)容。第二章是詳細(xì)介紹了微機(jī)繼電保護(hù)的算法，根據(jù)算法的特點(diǎn)選取出適合本設(shè)計(jì)應(yīng)用的算法。第三章是輸電線路微機(jī)保護(hù)的硬件部分設(shè)計(jì)過(guò)程，為了更好的改善電路硬件部分的性能將硬件部分分為六個(gè)模塊，通過(guò)模塊化研究思路詳細(xì)研究線路微機(jī)保護(hù)的性能和需求，進(jìn)而達(dá)到對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第四章是輸電線路微機(jī)保護(hù)的軟件部分設(shè)計(jì)過(guò)程，在硬件模塊分析的基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計(jì)部分也將分為模塊化設(shè)計(jì)流程。軟件部分采用保護(hù)主程序模塊為主體設(shè)計(jì)，利用利用系統(tǒng)硬件初始化和系統(tǒng)檢測(cè)程序?qū)ξC(jī)保護(hù)裝置軟件部分更加完善。其余三個(gè)模塊（采樣中斷程序模塊、故障處理模塊和通信模塊）的設(shè)計(jì)也為線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)提供了良好的軟件功能。第五章對(duì)輸電線路微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的全面總結(jié)，將本文的研究思路做了認(rèn)真梳理，對(duì)研究貢獻(xiàn)做了闡述。第2章微機(jī)繼電保護(hù)算法2.1算法簡(jiǎn)介2.2保護(hù)算法的選擇2.3繼電保護(hù)及線路保護(hù)的原理一、繼電保護(hù)的原理繼電保護(hù)主要是利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時(shí)的電氣量（電流、電壓、功率、頻率等）的變化構(gòu)成繼電保護(hù)動(dòng)作的原理，還有其他的物理量，如變壓器油箱內(nèi)故障時(shí)伴隨產(chǎn)生的大量瓦斯和油流速度的增大或油壓強(qiáng)度的增高。大多數(shù)情況下，不管反應(yīng)哪種物理量，繼電保護(hù)裝置都包括測(cè)量部分（和定值調(diào)整部分）、邏輯部分、執(zhí)行部分。（一）電力系統(tǒng)運(yùn)行中的參數(shù)（如電流、電壓、功率因數(shù)角）在正常運(yùn)行和故障情況時(shí)是有明顯區(qū)別的。繼電保護(hù)裝置就是利用這些參數(shù)的變化，在反映、檢測(cè)的基礎(chǔ)上來(lái)判斷電力系統(tǒng)故障的性質(zhì)和范圍，進(jìn)而作出相應(yīng)的反應(yīng)和處理（如發(fā)出警告信號(hào)或令斷路器跳閘等）。（二）繼電保護(hù)裝置的原理分析（1）取樣單元它將被保護(hù)的電力系統(tǒng)運(yùn)行中的物理量（參數(shù)）經(jīng)過(guò)電氣隔離并轉(zhuǎn)換為繼電保護(hù)裝置中比較鑒別單元可以接受的信號(hào)，由一臺(tái)或幾臺(tái)傳感器如電流、電壓互感器組成。（2）比較鑒別單元包括給定單元，由取樣單元來(lái)的信號(hào)與給定信號(hào)比較，以便下一級(jí)處理單元發(fā)出何種信號(hào)。（正常狀態(tài)、異常狀態(tài)或故障狀態(tài)）比較鑒別單元可由4只電流繼電器組成，二只為速斷保護(hù)，另二只為過(guò)電流保護(hù)。電流繼電器的整定值即為給定單元，電流繼電器的電流線圈則接收取樣單元（電流互感器）來(lái)的電流信號(hào)，當(dāng)電流信號(hào)達(dá)到電流整定值時(shí)，電流繼電器動(dòng)作，通過(guò)其接點(diǎn)向下一級(jí)處理單元發(fā)出使斷路器最終掉閘的信號(hào)；若電流信號(hào)小于整定值，則電流繼電器不動(dòng)作，傳向下級(jí)單元的信號(hào)也不動(dòng)作。鑒別比較信號(hào)“速斷”、“過(guò)電流”的信息傳送到下一單元處理。（3）處理單元接受比較鑒別單元來(lái)的信號(hào)，按比較鑒別單元的要求進(jìn)行處理，根據(jù)比較環(huán)節(jié)輸出量的大小、性質(zhì)、組合方式出現(xiàn)的先后順序，來(lái)確定保護(hù)裝置是否應(yīng)該動(dòng)作；由時(shí)間繼電器、中間繼電器等構(gòu)成。電流保護(hù)：速斷---中間繼電器動(dòng)作，過(guò)電流，時(shí)間繼電器動(dòng)作。（4）執(zhí)行單元故障的處理通過(guò)執(zhí)行單元來(lái)實(shí)施。執(zhí)行單元一般分兩類(lèi)：一類(lèi)是聲、光信號(hào)繼電器；（如電笛、電鈴、閃光信號(hào)燈等）另一類(lèi)為斷路器的操作機(jī)構(gòu)的分閘線圈，使斷路器分閘。二、線路保護(hù)原理（1）帶方向和低壓閉鎖的三段式過(guò)流保護(hù)針對(duì)雙電源電力系統(tǒng)，為提高供電可靠性，在線路兩側(cè)都必須裝設(shè)斷路器和保護(hù)裝置，以便故障時(shí)兩側(cè)斷路器都能跳閘切除故障。但此時(shí)若按照單電源的三段式保護(hù)整定，時(shí)延配合不當(dāng)?shù)脑?，就可能造成保護(hù)誤動(dòng)作，擴(kuò)大事故范圍，因此要加方向閉鎖元件。三段式過(guò)流保護(hù)邏輯如圖2-1所示。圖2-2三段式零序電流保護(hù)元件邏輯圖（2）過(guò)負(fù)荷保護(hù)過(guò)負(fù)荷是指電氣設(shè)備或?qū)Ь€的功率和電流超過(guò)了銘牌規(guī)定值，它是設(shè)備或線路的一種運(yùn)行狀態(tài)。導(dǎo)體、電磁鐵心、絕緣介質(zhì)在電流及其磁場(chǎng)的作用下都會(huì)產(chǎn)生熱量，發(fā)熱程度可以用溫度物理量來(lái)表征。正常情況下電氣設(shè)備或線路的保護(hù)裝置，在選型得當(dāng)、整定值正確時(shí)，能夠過(guò)負(fù)荷設(shè)備或線路從電源切除，設(shè)備和線路不會(huì)過(guò)熱，溫度升高，就不會(huì)引發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)。但是，出現(xiàn)電氣設(shè)備容量或?qū)Ь€截面選擇的小，使用中負(fù)荷會(huì)增加，保護(hù)裝置拒懂，設(shè)備線路長(zhǎng)期處于過(guò)負(fù)荷故障狀態(tài)的情況下，溫度會(huì)升高到約160度以上，絕緣軟化、老化加速，壽命縮短，由過(guò)負(fù)荷形成的過(guò)熱溫度就可能將絕緣或周?chē)扇疾牧宵c(diǎn)燃著火。過(guò)負(fù)荷保護(hù)元件邏輯圖如圖2-3所示。圖2-3過(guò)負(fù)荷保護(hù)元件邏輯圖（3）三相一次重合閘電力系統(tǒng)中很多時(shí)候故障都是瞬時(shí)性的，線路斷開(kāi)以后再重合閘一次就能大大提高供電可靠性。重合閘成功率一般在60%～90%之間。正確的重合閘能夠提高可靠性、提高并列穩(wěn)定性、糾正誤跳閘。三相一次重合閘保護(hù)元件邏輯如圖2-4所示。圖2-4重合閘保護(hù)元件邏輯圖第3章硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1微處理器簡(jiǎn)介3.2硬件模塊分析圖3-1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.3硬件模塊電路設(shè)計(jì)圖2-2模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4.1軟件程序設(shè)計(jì)4.2干擾來(lái)源及處理措施利用模擬信號(hào)隔離器，有稱(chēng)作信號(hào)變送器、屬于信號(hào)調(diào)理的范疇。其主要起抗干擾作用。正因?yàn)樗刑貜?qiáng)的抗干擾能力所以在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。尤其對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，控制程序越來(lái)越復(fù)雜，信號(hào)隔離器對(duì)各種模擬量信號(hào)進(jìn)行輸入、輸出、電源三端隔離，的確是當(dāng)今自動(dòng)化控制系統(tǒng)中抗干擾的有效措施之一。5.1模擬量采樣通道的測(cè)試5.2裝置保護(hù)功能測(cè)試結(jié)論參考文獻(xiàn)申濤.淺談煤礦35kV變電站微機(jī)監(jiān)測(cè)監(jiān)控與保護(hù)回路[J].能源與節(jié)能,2021(04):148-149.梁?jiǎn)?李梅,鄭曉亮,邢麗坤.一種用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng),2019(20):2-3.周興遠(yuǎn).特高壓直流雙極輸電線路間互感的仿真研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2017(22):195-196.夏澍,姚明,韓浩江,孫歌.基于全方位診斷的10kV線路越級(jí)跳閘事故辨識(shí)方法[J].供用電,2020,37(06):60-65.孟夏,金光明,張曉春,齊磊,劉勤,楊云云,楊妍.電力系統(tǒng)兩相接地故障繼電保護(hù)裝置調(diào)試及分析[J].電工技術(shù),2020(02):122-124.譚卓雄.基于微機(jī)保護(hù)模式的城市路燈照明漏電保護(hù)研究[J].通信電源技術(shù),2020,37(01):69-70.EiPhyoThwe,MinMinOo.FaultDetectionandClassificationforTransmissionLineProtectionSystemUsingArtificialNeuralNetwork[J].JournalofElectricalandElectronicEngineering,2016,13(1):89-96.韓亮,白小會(huì),陳波,張利,尹璐.張北±500kV柔性直流電網(wǎng)換流站控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力建設(shè),2017,38(03):42-47.楊學(xué)廣,沈龍,余海翔,梁家豪.特高壓直流輸電系統(tǒng)直流線路電壓測(cè)量異常對(duì)控制保護(hù)系統(tǒng)的影響[J].電工技術(shù),2017(02):43-45.肖旺盛.天廣直流線路高阻接地故障保護(hù)動(dòng)作分析[J].廣西電力,2016,39(01):33-36.張憲寶,羅軍.500kV保護(hù)系統(tǒng)的完善與優(yōu)化[J].電力安全技術(shù),2015,17(06):31-33.AndrédosSantosandM.T.CorreiadeBarrosandP.F.Correia.Transmissionlineprotectionsystemswithaidedcommunicationchannels—PartII:Comparativeperformanceanalysis[J].ElectricPowerSystemsResearch,2015,127:339-346.K.Kawahara.Expertsystemfordesigningtransmissionlineprotectionsystem[J].InternationalJournalofElectricalPowerandEnergySystems,1995,17(1):69-78.劉卓.基于模型設(shè)計(jì)的線路保護(hù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究[D].安徽理工大學(xué),2019.吳艷萍,張超.線路微機(jī)保護(hù)裝置運(yùn)行故障及維護(hù)措施研究[J].科技廣場(chǎng),2019(05):79-85.段宏宇.基于光纖縱差保護(hù)的圖汪甲線微機(jī)保護(hù)研究及實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2019.ElectricPower;RecentFindingsfromA.dosSantosandCo-AuthorsYieldsNewDataonElectricPower(Transmissionlineprotectionsystemswithaidedcommunicationchannels-PartI:Performanceanalysismethodology)[J].EnergyWeeklyNews,2015,:393-405..Energy;FindingsfromUniversityofZaragozaProvidesNewDataaboutEnergy(TheHalf-SineMethod:ANewAccurateLocationMethodBasedonWaveletTransformforTransmission-LineProtectionfromSingle-EndedMeasurements)[J].EnergyWeeklyNews,2019,:176-188.李春松.水電廠送出線路微機(jī)保護(hù)改造的若干問(wèn)題分析與實(shí)踐[J].機(jī)電工程技術(shù),2018,47(04):152-155.衛(wèi)紅星.基于IEC61850的微機(jī)保護(hù)裝置通信模塊的設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué),2020.沈建位,楊文波,張盛.微機(jī)保護(hù)裝置控制的高壓真空接觸器二次回路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù),2020(13):85-87.楊