基于Modbus协议的数字式发电机保护装置的研究

摘要

西南地区拥有丰富的水力资源，目前已构成以中小型水力发电为主的电力系统产业结构。发电机作为该电力系统最重要的组成部分，它的工作状态直接影响着电力系统的安全性、稳定性和可靠性。因此，研制一套专门针对这类中小型容量发电机的数字式保护装置具有较好的现实意义。 本文从实际应用的角度出发，设计了一套基于Modbus通讯协议的数字式发电机保护装置。装置采用ATmega64处理器为控制核心，配合MAX125可进行实时交流采样并处理，大大减少了外围器件，提高了装置的可靠性，并使成本降低。文中详细阐述了该数字式保护装置的硬件具体构成及软件设计方法，并在各种传统的发电机保护算法基础上作了一些改进，以使其更适应于微机继电保护的要求。 为了更好地与数字化变电站自动化系统相匹配，本设计拓展了保护装置的通讯功能，开发了基于Modbus协议的通讯模块。文中结合Modbus协议的特点与电力系统的使用习惯，详细讨论了该协议的功能码选择以及在微机继电保护方面的应用。

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第一章绪论

1.1论文选题的背景及意义

1.2国内外继电保护的发展状况

1.3现代继电保护的功能

1.4 Modbus协议在电力系统中的应用

1.5本论文的主要工作及结构安排

第二章发电机保护的原理分析

2.1发电机故障、异常运行状态分析及其保护方式

2.2纵联差动保护

2.2.1比率制动式纵差保护的原理分析

2.2.2纵联差动保护的逻辑框图

2.3定子绕组的匝间短路保护

2.3.1横差保护

2.3.2纵向零序过电压保护

2.4定子绕组的单相接地保护

2.5励磁回路接地保护

2.6频率保护

2.7温度保护

2.8本章小结

第三章数字式发电机保护装置的硬件设计

3.1硬件系统的总体设计

3.2三相电压、电流参数的交流采集

3.2.1低通滤波器设计

3.2.2高精度A/D转换

3.3频率检测

3.4时钟电路设计

3.5开关量输入输出电路设计

3.5.1开关量输入

3.5.2开关量输出

3.6显示模块设计

3.7本章小结

第四章保护装置的算法改进及软件设计

4.1数字滤波器设计

4.1.1数字滤波器的传递函数及频率特性

4.1.2数字滤波器的选择与设计

4.2微机保护算法改进

4.2.1半周积分算法

4.2.2负序分量算法

4.2.3傅立叶算法

4.3软件主程序设计

4.4 A／D数据采集软件设计

4.5频率与功率因数计算的软件设计

4.5.1频率计算

4.5.2功率因数角与功率因数计算

4.5.3功率计算

4.6菜单程序的设计

4.7交流参数采集实验结果分析

4.8本章小结

第五章基于Modbus协议的通讯模块设计

5.1现场总线技术的特点与主流应用

5.2通讯接口设计

5.2.1 RS-232-C通讯接口设计

5.2.2 RS-485通讯接口设计

5.2 Modbus通讯协议

5.3 Modbus通讯网络的设计

5.4本章小结

第六章总结

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文