35kV线路微机综合保护装置设计与开发

摘要

自人类社会进入电气时代以来，电力能源就已经成为经济的重要支柱，与此同时也使得电力系统的规模和复杂度不断增大。微机保护装置是为了电力能源可靠稳定的供给而开发的。但是随着电网电压等级提高和保护下放模式的发展，对微机保护装置性能和可靠性等要求不断提高。因此研制一款高性能、高稳定性、高可靠性和高性价比的微机保护装置是很有必要的。
　　本文是基于微机保护的发展趋势和电力设备公司在使用微机保护装置过程中出现一系列问题，而设计的一款基于STM32F407Vet6高性能单片机的35kV电压等级微机综合保护装置。通过对项目进行需求分析，确定了装置的硬件架构、功能模块、芯片选型以及软件方案设计。本设计采用硬件模块化设计和软件分层设计的方法，不但能够实现装置所需的功能，而且还极大地提高了装置功能的扩展性和可维护性。硬件上，采用STM32中高性价比的F4系列单片机STM32F407Vet6为核心硬件结构并辅以信号采集模块、开关量模块、电源模块以及人机交互模块的硬件总体方案设计，比较详细地介绍了各个功能模块的电路设计并给出一些验证性仿真实验;软件上，采用分层次设计的方法，从底层驱动程序开始介绍，随后对μC/OS-Ⅱ实时操作系统的使用方法进行探讨，并从应用层的角度分析了装置主要应用程序;软件算法方面，通过对比几种常见的采样算法和数字滤波器，决定采用差分数字滤波器与全波傅式算法结合的方式，实现对电压电流信号的采样。最后，本文结合在设计本装置过程中对抗干扰的研究和应对方案，介绍了微机保护装置常见干扰的来源、途径以及实践中能够应用的抗干扰措施。
　　通过对装置样机进行各种测试，包括测量精度、保护灵敏度、保护延时、以及EMC测试（4kV/100kHz的电快速脉冲群测试），实验结果表明装置满足项目所提出的设计需求，并且在抗干扰性方面满足国家对电力产品EMC的相关规定。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 国内外微机保护装置现状及发展趋势

1．1．1 微机保护装置现状

1．1．2 微机保护发展趋势

1．2 研究目的和意义

1．4 论文结构

第二章 装置保护配置及保护算法分析

2．1 35kV线路保护原理

2．1．1 三段过流保护的保护原理

2．1．2 反时限过流保护

2．1．3 方向性电流保护

2．1．4 零序电流保护

2．2 35kV微机保护装置保护功能配置

2．3 数字滤波器

2．4 微机保护数据处理算法

2．4．1 半周期积分算法

2．4．2 傅里叶算法

本章小结

第三章 硬件设计

3．1 硬件系统的总体方案设计

3．2 系统主要芯片选型

3．2．1 系统主控芯片选型

3．2．2 ADC芯片选型

3．3 数据采集单元

3．3．1 PT／CT隔离电路及电压形成回路

3．3．2 信号调理电路

3．3．3 AD7606驱动电路设计

3．3．4 频率跟踪电路

3．4 主控单元

3．4．1 STM32F407Vet6最小系统

3．4．2 时钟电路

3．4．2 看门狗电路

3．4．3 存储电路

3．4．4 电源电路

3．4．5 JTAG电路

3．5 开关量模块及通信单元设计

3．5．1 开入量单元硬件电路设计

3．5．2 开出量部分硬件电路设计

3．5．3 通信模块设计

3．6 人机交互模块设计

3．6．1 按键电路的设计

3．6．2 LCD显示电路

3．6．3 LED指示灯

3．7 电源模块

本章小结

第四章 软件设计

4．1 软件的总体方案设计

4．1．1 软件开发环境介绍

4．1．2 软件功能需求

4．1．3 软件的整体结构

4．2 驱动层

4．2．1 人机交互模块驱动

4．2．2 AD7606采样驱动

4．2．3 装置初始化

4．3．2 μC／OS-Ⅱ的应用

4．4 应用程序设计

4．4．1 算法实现

4．4．2 输入检测和输出控制

4．4．3 EEPROM存储

4．4．4 实时时钟

4．4．5 人机交互功能

4．4．5 通信任务

本章小结

第五章 EMC设计以及功能测试

5．1 微机保护装置常见的干扰来源和路径

5．1．1 电磁干扰源

5．1．2 电磁干扰途径及其机理

5．1．3 电磁干扰造成的后果

5．2 装置抗电磁干扰设计

5．2．1 屏蔽与隔离措施

5．2．2 滤波与去耦措施

5．2．3 接地

5．2．4 PCB设计

5．2．5 其他措施

5．2．6 电快速脉冲群试验

5．3 微机保护装置测试

5．3．1 测试平台

5．3．2 测量精度测试

5．3．3 保护功能测试

本章小结

第六章 总结和展望

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果