110kV以下电压等级并联电容器微机保护的研究和实现

中文摘要

并联电容器作为一种重要的无功补偿设备，被广泛应用于电力系统中。但是在线运行的电容器各种故障频发，显现出传统的电容器继电器保护方式的缺陷和不足。因此研制新一代智能化保护装置是解决电容器有效运行和故障保护的显得很有必要。

本课题进行110kV以下电压等级并联电容器微机保护的研究和实现。首先，对并联电容器的保护原理进行分析、研究，克服了一些传统继电器保护的缺陷和不足。如传统继电器保护方式下，对桥式差电流保护和双星形接线的不平衡电流保护中发生的平衡性故障无法给予保护。论文中给出一种改进新方法，即在桥差式电流和不平衡电流判断的基础上，增对三相电流变化的比较、判断，克服了上述缺陷。

该设计的硬件部分以ATmega16为系统的核心，通过电压及电流进行数据采集并送入信号处理电路，从而准确地得到控制系统可以识别的数字信号。该设计的软件部分对系统的主要流程作出了说明，讲述了单片机如何对处理得到的信号进行监视、判断处理，实现了过电压保护、过电流保护、不平衡电流保护、不平衡电压保护、欠电压保护和零序电流护等功能。

关键词：并联电容器微机保护单片机

Abstract

As an important parallel capacitor reactive power compensation equipment is widely used in electric power systems. But the fault line running frequency of the various capacitors, shows the traditional way of capacitor relay protection of the defects and deficiencies. Therefore, a new generation of intelligent protection device developed to solve the capacitor effective operation and fault protection seems necessary.

Following this the subject of 110kV shunt capacitor voltage of microprocessor-based protection and realization. First, the protection of shunt capacitor theory analysis, research, and to overcome some of the traditional relay protection of the defects and deficiencies. Such as traditional relay protection mode, differential current protection on the bridge and the binary form of wiring in place to protect the current imbalance in the balance of fault can not be protected. Paper presents a new method for improvement, that the bridge current and unbalanced current differential based on the judge, by comparison of the three-phase current change, to judge, to overcome these shortcomings.

The design of the hardware to ATmega16 as the core of the system, through the voltage and current data collected and sent to the signal processing circuit, so the system can be controlled accurately identify the digital signal. The design of the software part of the main flow of the system made a note about how to deal with the SCM to monitor the signal received to determine treatment, to achieve the over-voltage protection, over current protection, unbalanced current protection, unbalanced voltage, under voltage protection and zero sequence current protection functions

Keywords；shunt capacitor Microcomputer Protection SCM

目录

第一章绪论 (1)

1.1 课题背景及意义 (1)

1.2 基于微机的电容保护装置发展及现状 (1)

1.2.1国外的发展与现状 (2)

1.2.3存在的问题 (3)

1.3 论文的主要工作 (4)

第二章并联电容器运行特点及配置研究 (5)

2.1高压电容器组的结构跟接线 (5)

2.1.1相关术语定义 (5)

2.1.2电容器组结构 (6)

2.1.3接线方式 (7)

2.2 条件下电容器组运行特性研究研究 (8)

2.2.1谐波条件下并联电容器过电压以及谐振的研究 (9)

2.3并联电容器保护相关条款 (12)

2.4本章小结 (14)

第三章基于微机的电容保护原理的分析与研究 (15)

3.1电容器组故障类型及保护方式 (15)

3.1.1故障类型 (15)

3.1.2 保护方式 (15)

3.2电容器组保护原理 (16)

3.2.1电容器组与断路器之间连线、电容器组内部连线上的短路故

障保护 (16)

3.2.2电容器组过负荷保护 (17)

3.2.3 电容器组过电压保护 (17)

3.2.4 电容器组欠电压保护 (18)

3.2.5 多台电容器切除后过电压保护 (18)

3.3保护方法的改进研究 (24)

3.3.1谐波条件下电容器组过电压保护的研究 (24)

3.3.2桥式差电流保护和不平衡电流保护的研究 (26)

3.4本章小结 (29)

第四章基于微机的电容保护装置硬件设计 (30)

4.1 ATmega的选择 (30)

4.3.1 ATmega16微处理器 (30)

4.2信号输入模块电路设计 (31)

4.2.1模拟量输入电路设计 (31)

4.2.2开关量输入电路设计 (32)

4.3晶振和锁相环接口 (33)

4.4电源设计 (33)

4.5硬件抗干扰技术 (34)

4.6本章小结 (34)

第五章基于微机的电容保护装置软件设计 (35)

5.1 主程序流程图设计 (35)

5.1.1.程序说明 (35)

5.1.2 关于中断 (35)

5.1.3 主程序的主要结构安排 (36)

5.1.4 程序中时间段安排 (36)

5.2 各主要功能子程序设计 (37)

5.2.1采样中断子程序 (38)

5.2.2 各保护子程序 (39)

5.3软件抗干扰技术 (43)

5.4本章小结 (45)

总结 (46)

参考文献 (47)

致谢 (49)

第一章绪论

1.1 课题背景及意义

电力电容器组及其重要的电器设备，在解决电力系统无功电源容量的不足、提高功率因数、改善电压质量、降低线损中起到相当重要的作用，它比同步调相机制造简单、施工简易、维护方便、投资节省。并联电力电容器在今后相当一段时期内仍将是我国无功功率补偿的重要手段和主要来源。电力电容器的安全可靠运行，很大程度上依赖于完善的电容器保护设施。要求电容器一个元件不坏是不现实的，运行经验证明，配置了电容器保护装置的电容器装置很少发生爆炸、着火事故，而多起电容器爆炸、着火的事故原因与电容器故障保护失灵有着密不可分的关系。因此，加强电容器装置的故障保护是避免电容器装置发生爆炸、着火事故的有效手段。

同其他电力设备一样，并联电容器的继电保护的发展过程是见证继电保护技术的不断提高的过程，电容器的继电保护也经历了从传统的电磁式继电器构成的保护到快速、高效的微机保护。由于传统的保护、测量、监控、远动等硬件资源相互独立，往往造成二次设备重复投资、接线复杂更增加了电力系统的复杂性。随着微电子、计算机技术、数字信号处理技术以及通信技术的发展，传统继电保护技术上的不足和缺陷正得到改进和克服。因此研制新一代集保护、测量、控制、远动等多功能于一体的综合智能化保护装置是解决电容器有效运行和故障保护的有力手段。本课题就是对基于微处理器的电容器保护装置所做的研究，继而提出电容器继电保护的解决方案。

1.2 基于微机的电容保护装置发展及现状

电容器的继电保护原理是利用当电容内外发生故障时，由于电流、电压、等随之发生变化，通过这些突然变化来发现、判断电容器的故障性质和范围，继而做出相应的反应和处理。微电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，为电容器保护中遇到的各种问题提供了更好的解决办法。

1.2.1国外的发展与现状

1965年英国剑桥大学的P.G.Mclaren等提出用采样技术实现输电线路的距离保护，1966年澳大利亚南威尔士大学的L.F.Morrison预测了输电线路和变电站采用计算机控制的前景，接着他们进一步研究了微机保护的理论基础，主要研究集中在微机保护的各种算法。由于当时计算机价格昂贵,同时也无法满足高速继电保护的技术要求,因此没有在保护方面取得实际应用,但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法、程序结构的大量研究,为后来的继电保护发展奠定了理论基础。

随后，计算机技术在20世纪70年代初期和中期出现了重大突破。1976年美国的A.G.Phadke等研究了变电站的计算机系统的可行性,开发了报警、监视、数据采集、控制及保护功能。在此之后研究出一套对称分量原理的距离保护。通用电气公司和PhiladelPhia电力公司于1973年开始数字式线路保护的可行性课题，开发出完整的保护系统并在实验室进行了详尽的试验，该系统安装在Phifadelphia电力公司的一条116km的500kv输电线路的两端。该系统中装有超范围的跳闸逻辑。这些成就标志着微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。随着计算机价格的大幅度下降,可靠性、运算速度的提高,促使计算机继电保护的研究出现了高潮。

直到80年代，继电保护的工程应用才真正出现。在计算机性价比不断提高以后，终于出现了新形式的继电保护——微机继电保护。在这一方面，日本的商业化走得比较快，欧美主要着重于理论研究，以算法为主，而日本以继电保护装置商品化为研究重点。国外主要电器制造商从九十年代才开始不断开发新一代继电保护产品，这类产品普遍具有高性能、小型化、电子化、智能化、模块化、组合化等特点，比如美国人设计的多频接地故障继电器等。另外，有些设备还具有可通信的特点，即与现场总线系统实现连接。实现了传统继电保护产品的网络化。

1.2.2国内发展与现状

建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外

先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。

继电保护专业制造厂已由上世纪50年代阿城继电器厂一家，发展到许继公司、国电南自公司、南瑞公司、北京四方公司等多家开发能力强、制造水平高的大型专业制造企业。至今，不同原理、不同机型的微机线路和主设备的继电保护装置，为电力系统的可靠运行做出了巨大的贡献。可以说从90年代开始我国继电保护技术进入了微机保护的时代。

1.2.3存在的问题

自从20世纪80年代我国第一套微机线路保护投入运行到现在，微型机继电装置凭借其优越性能在国内得到了广泛的认可和使用。近几十年来，由于我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电保护技术及装置应用水平有了很大的提高，但是目前国内生产的微机电容器保护装置还存在几个需要改进的地方：

(1) 电力系统的无功缺额一般是采取就地补偿措施，并联电容器组因其价廉及免维护等优点而得到广泛应用。但是，长期运行时的故障时有发生，传统保护模式的可靠性较差，因此，对其可靠性保护的研究显得极为重要。为了更好的满足电力系统的要求，进一步提高继电保护的可靠性，必须对系统硬件，软件进行合理布局，认真选取，整体规划，提高系统的可靠性和抗干扰能力。

(2) 目前，电力系统的并联电容器组保护装置仍然采用传统保护模式，与厂站自动化系统接口功能弱，通讯速度较慢，不能满足实际要求；人机界面不友好，操作繁琐，调试维护困难等因素使得传统保护装置已经跟不上变电站综合自动化的步伐，所以，无法实现无人值班变电所。因此，保护装置本身应具备友好的人机界面，能快速处理故障并将信息及时通知工作人员，这样在装置发生故障时，运行人员才能及时有效地修复装置，从而减少装置故障带来的损失。

(3) 有些保护装置仅能进行电流保护的各种试验，无法进行其它方式的保护，并且对并联电容器组多台电容器故障并没有行之有效的保护措施。另外，

为了与并联电容器组的过载特性相配合，针对并联电容器组过负荷故障，宜采用反时限特性的继电器，与过电流保护配合，但现有的部分保护装置并没有采用这种方式，使得保护在正常运行中的灵敏性要大打折扣，甚至可能会造成保护拒动，严重危害系统安全。所以，为了提高保护装置的灵敏性，可以采用反时限过流保护来作为电容器继电保护的配置方案。

(4) 目前各种电容器保护装置中，尤其是国外的高智能型保护装置，其板面按键操作较复杂以及其昂贵的价格并不完全适合我国电网调度自动化的现状和要求。由此，开发一种保护种类齐全、灵敏度高、可靠性好、高性价比的微机继电保护装置十分必要。

1.3 论文的主要工作

论文全面阐述电容器组工作中的各种故障和不正常工作状态，基于微机的电容保护装置的基本要求与配置情况；论述了基于微机的电容保护装置的基本原理。

本论文在第一章先阐述微机保护电容器组的背景及意义，明确本论文的主要工作。接下来在第二章中对电力电容器的故障进行简要的分析。在此基础上，第三章阐述各种保护的原理以及装置的要求，对有缺陷的保护方法进行了改进研究，在此基础上开始对保护装置进行硬件及软件设计。

在第四章，讲述了采用Atmega16单片机为核心的所设计的保护装置及其硬件构成，并介绍了对电压及电流这两个判断量的数据采集以及相应的信号处理电路。

对于保护装置的软件设计，本论文介绍了一种AVR单片机基于C语言的编译器和集成环境，在此环境下对ATmega16进行编译、开发，实现对保护装置状态的显示及对其的控制。

最后对论文作一个全文总结。

第二章并联电容器运行特点及配置研究

作为无功补偿设备，电容器有以下显著优点：（1）电容器是最经济的设备。它的一次性投资和运行费用都比较低，且安装调试简单。（2）电容器的损耗低，效率高。现代电容器的损耗只有本身容量的0.02%左右。（3）电容器是静止设备，运行维护简单，没有噪音。（4）电容器的应用范围广，可以集中安装在中心变电站，也可以分散安装在配电系统和厂矿用户。而调相机则只能固定安装在中心变电站，应用有较大的局限。并联电容器是电网中用得最多的一种无功功率补偿设备，目前国内外电力系统中90%的无功补偿设备是并联电容器。

2.1高压电容器组的结构跟接线

2.1.1相关术语定义

目前我国在并联电力电容器设计、运行和保护方面颁布了以下国家标《电压并联电容器》(GB 3983.2-89)

《联电容器装置设计规范》(GB 50227-95)

《标称电压lkV以上交流电力系统用并联电容器》(GB/T 11024-2001) 据国家标准所给的定义，介绍相关的术语。

容器元件(或元件)：由电介质和被它隔开的电极所构成的部件。

容器单元(或单元)：由一个或多个电容器元件组装于单个外壳中并有引出端子的组装体。

电容器组：电气上连接在一起的一组电容器单元。

电容器：当不必特别强调“电容器单元”或“电容器组”时，则用术语“电容器”。

内部熔丝：在电容器单元内部，与一元件或元件组串联的熔丝。

外部熔丝：装于单台电容器单元外部并与其串连接，但电容器发生故障时用以切除该电容器单元的熔丝。

2.1.2电容器组结构

并联联电容器的继电保护需要考虑电容器组的结构、性能、内部单元和相关设备的特性，电容器组有四种结构，它们分别是：

(1)带外部熔丝的电容器组，即电容器单元外部串联一个熔断器(如图2-1)

(2)带内部熔丝的电容器组，即在电容器单元内部每一个电容器元件串联一个电容器(如图2-2)。

(3)I类无熔丝电容器组，即将多个电容器单元串联形成“串”，电容器组是由多个“串”并联形成的。注意，“串”中每一段只有一个电容器单元。

(4)II类无熔丝电容器组，这种结构与I类的区别是“串”的每一段是由多个电容器单元并联而成的。

U A U B U C

内部熔

断丝

图2-1带外部熔丝的星形接地电容器组

带外部熔丝的电容器组的结构特点是先将多个单容器单元并连在一起，形成并联单元组，然后再将一个或多个并联单元组串联组成一相。其中每一个电容器单元受串联在其外部的一个熔断器保护。这种电容器单元的电压等级可以设计的较高，因为外部熔丝可以断开较高电压等级下的故障。但是，单个电容器单元的容量相对较小，因为当并联电容器单元组中