基于虚拟仪器的变压器保护系统设计Word下载.doc
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2011.10.15-2011.10．25
准备
2011.10.25-2011.11.18
论文初稿
2011.11.19-2011.12.16
论文终稿
教师对进度计划实施情况总评
签名
年月日
本表作评定学生平时成绩的依据之一。
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2继电保护概述 1
1.3虚拟仪器概述 4
1.3.1虚拟仪器概念 4
1.3.2国内外发展状况 5
1.3.3虚拟仪器技术的意义 6
1.4本课题研究的意义 6
1.5本课题的研究内容 7
第2章电网的距离保护 8
2.1距离保护的基本概念 8
2.1.1距离保护的时限特性 8
2.2阻抗继电器 9
2.2.1阻抗继电器的接线方式 11
2.2.2相间短路阻抗继电器的“0”接线方式 11
2.2.3死区及消除死区的方法 13
2.3距离保护的整定计算原则 14
2.4距离保护应用中的相关辅助措施 15
2.5本章小结 15
第3章LabVIEW基础知识 17
3.1LabVIEW简介 17
3.2LabVIEW的特点 17
3.3LabVIEW的组成 19
3.4基于LabVIEW的虚拟仪器设计方法 23
3.5本章小结 23
第4章距离保护软件系统开发 24
4.1距离保护的组成 24
4.2系统软件设计 25
4.2.1流程图 25
4.2.2傅里叶算法模块 26
4.2.3故障类型判别程序 28
4.2.4阻抗继电器模块 30
4.2.5区段判别程序 30
4.2.6动作逻辑模块 31
4.3可视化效果设计 32
4.4本章小结 33
结论 34
参考文献 35
致谢 37
附录 38
第1章绪论
1.1课题背景
随着时代的不断发展人们对电能的需求不断提高也对电能的质量要求也越来越高。
因此，作为一个电力行业的人我们的职责就是不断满足广大人民的日益增长的需求，为他们提供安全、可靠地电能满足其生活和生产。
继电保护对电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。
所以要更加注重对继电保护的学习，尤其是三段式距离保护以其显著的优点在电力系统中得到的广泛的应用，在对电网的保护中起着至关重要的作用。
因此，学习和掌握三段式距离保护的有关知识是我们必须做到的。
目前微机保护在国内外电力系统中得到了广泛的应用。
有很多公司开发了微机保护实验装置。
就传统实验装置而言，其仪器繁多，连线复杂，占地面积大，仪器的更新换代需要大量的资金。
倘若用虚拟仪器代替传统仪器，将其应用在实践中，则不仅能克服上述传统仪器的缺点，还有易于实现技术更新，易于网络化，能充分利用现有的软硬件资源，自动化、智能化程度高，功能齐全，价格相对便宜等优点。
本课题将距离保护与虚拟仪器结合在一起，不仅有利于对距离保护知识的更加深入的学习，而且也有助于我们掌握虚拟仪器的应用。
1.2继电保护概述
电力系统由发电机、变压器、母线、输配电线路及用电设备组成。
各
电气元件及系统整体一般处于正常运行状态，但可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。
可能产生严重的后果如：
由于电流很大会使故障元件损坏，或者缩短他们的使用寿命；
部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量；
破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至整个系统瓦解。
在电力系统中，除采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而又有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。
切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒。
，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。
这个装置知道目前为止，大多由单个继电器或继电器与其附属配置的组合构成，故称为继电保护装置。
在电业部门常用继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。
继电保护装置，就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
它的基本任务是：
（1）自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，是故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。
（2）反应电器元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。
此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起误动作。
完成继电保护所负担的任务，应该要求他能够正确的区分系统正常运行与发生故障或不运行状态之间的差别。
就一般而言，整套继电保护装置是由测量部分、逻辑部分和执行部分组成的【1】。
测量部分
测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”；
“大于”、“不大于”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。
逻辑部分
逻辑部分是根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。
执行部分
执行部分使逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所负担的务。
如故障时，动作于跳闸；
不正常运行时，发出信号［1］。
对电力系统的基本要求有四个，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
现在分别讨论如下：
1.选择性
继电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，是停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分继续安全运行。
2.速动性
快速的切出故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。
因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。
3.灵敏性
保护装置的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障时或不正常运行状态时的反应能力。
满足灵敏性要求的保护装置应该是事先规定的保护范围内故障时，不论短路点的位置、短路的类型，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐感觉，正确反应。
4.可靠性
保护装置的可靠性是指该保护装置规定的保护范围内发生了他该动作的故障时，他不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应动作的情况下，则不应该误动作。
电力系统继电保护工作的特点如有：
电力系统由很多复杂的一次主设备和二次保护、控制、调节、讯号等辅助设备组成的一个有机整体。
每个设备都有其特有的运行特性和故障时的工作行为。
电力系统继电保护是一门综合性的学科，它奠基于理论电工，电机学和电力系统等理论基础，还与电子技术、通讯技术、计算机技术和信息科学等新理论新技术有密切的联系。
继电保护是一门理论和实践并重的学科。
继电保护的工作稍有差错，就有可能对电力系统的运行造成严重的影响，给国民经济和人民生活带来不可估计的损失。
继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。
20世纪初，继电器开始广泛应用于电力系统的保护中，这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。
从20世纪50年代到90年代末，在40余年的时间里，继电保护技术经历了四个发展阶段：
从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置，到集成电路继电保护装置，再到微机继电保护装置。
与此同时，构成继电保护装置的元件、材料等也发生了巨大的变革，并且理论上也得到较大的发展。
20世纪50年代，我国在引进并消化了国外先进的电磁式继电器制造技术的基础上，完成了我国的电磁型继电保护装置的设计和制造，其主要是由各个电磁型继电器组成，这阶段在保护的理论上也有了较大的发展，建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。
自20世纪50年代末，我国已经进行了晶体管继电保护的研究工作，到20世纪70年代，晶体管保护进入了一个广泛运用的时间，特别是对110kV以上线路的线路保护的运用。
自20世纪50年代末，我国已经进行了晶体管继电保护的研究工作，到20世纪70年代，晶体管保护进入了一个广泛运用的时间，特别是对110kV以上线路的线路保从三个阶段来看，由于我国电力工业发展（特别是在20世纪90年代初期）较慢的问题，造成了三个阶段的继电保护装置并列使用的局面，由于继电保护专业人员素质差距较大，造成保护装置的不正确动作也较多。
从80年代初期，部分电力研究院及高校开始着眼微机保护，并在20世纪80年代末至20世纪90年代中期，微机保护进入一个快速发展的阶段，在电力系统的各个方面及各种电压等级上均有较大的发展，如线路保护、发电机保护、变压器保护、励磁调节系统等。
至此，各种不同原理、性能优良、功能齐全、可靠性高的微机保护装置已全面运用在电力系统中，可以这样说从20世纪90年代后期起，我国电力系统的继电保护已进入了微机保护时代［9］。
1.3虚拟仪器概述
1.3.1虚拟仪器概念
虚拟仪器技术首先由NI（NationalInstruments）公司提出，它是以计算机软、硬件技术为核心，以自动控制技术、传感技术、现代信号处理技术、数值分析技术为支撑，以各专业学科为应用背景的现代测试技术。
他利用高性能的模块化集成概念和方法，结合软件设计平台高效、简便的程序编译功能，依据用户各类特殊需求创建出人机对话界面，实现并取代各类特殊、昂贵的测试仪器的功能，目前已成为测试理论和应用试验研究的重要支撑。
虚拟仪器的出现彻底改观了传统检测设备更改麻烦、升级困难的问题，也破除了传统仪器的功能由厂家定义、用户无法改变的模式。
虚拟仪器技术给仪器设计者和仪器用户一个充分发挥自己才能和想象力的空间，用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计出自己的系统，以满足多种多样的应用需要。
虚拟仪器的强大功能和灵活特性，使得它在仪器测量领域的应用前景十分广阔。
由于它以软件为核心，主要依靠软件来实现仪器系统的功能，因此虚拟仪器系统的体积小，生产成本低，开发与生产周期短，智能化功能强，产品的技术性能好，利润率高。
在当今仪器仪表界，“软件就是仪器”、“软件就是系统”的观念已经被人们普遍接受。
LabVIEW是一个具有革命性的图形化开发环境，在工业测量和控制领域中掀起了一场变革。
同样，它也为传统的院校科研与教学带来巨大变化，是近年来在国内迅速推广的一种测量仪器和系统的概念及相关软件，它具有功能强大、编程灵活、人机界面良好的特点，在测量技术和仪器工程科学领域中得到了广泛的应用。
虚拟仪器是计算机技术和仪器技术完美结合的产物，代表了仪器仪表的发展方向。
在虚拟仪器中，硬件是软件赖以运行的物理环境，它仅仅是为了解决信号的输入和输出，软件才是仪器的核心，用户只要通过调整或修改仪器的软件，便可方便地改变或增减仪器系统的功能和规模，甚至仪器的性质。
虚拟仪器是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。
自问世以来，经过几十年的不断和发展，虚拟仪器也有了不断地丰富。
目前，它己具有GPIB，DAQ，VXI，PXI四种标准体系结构。
到21世纪初，全球已有超过25000用户在使用虚拟仪器技术，其中不乏国际知名的大公司，像Nokia、Siemens、Tektronix等。
在世界财富500强中的制造业商，有95﹪都采用了虚拟仪器技术。
根据专家预测，到2010年我国将有50﹪的仪器为虚拟仪器。
虚拟仪器将在航天、航空、通信、医疗、电力、石油、铁路等行业普及及应用。
近年来，虚拟仪器技术逐步应用于电力系统测量、电力系统监控以及电力系统的仿真和教学中［2］。
1.3.2国内外发展状况
虚拟技术,计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们分别被称为21世纪科学技术中的三大核心技术。
Labview是美国NI（NationalInstrument）公司推出的一种基于计算机的虚拟仪器开发平台，自1986年问世第一个版本以来，就以图形化的编程理念在工业界引起了广泛的关注。
虚拟仪器在美国发展的十分迅速，相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟式仪器。
作为仪器领域中新兴的技术，虚拟式仪器的研究开发已经过了起步阶段。
从90年代中期以来，国内的许多大学和公司都致力于研究和开发虚拟仪器产品。
它们引进和吸收NI等公司的产品方面做了一系列有益的工作，并在研究和开发虚拟仪器产品及设计平台上取得了许多优秀的成果。
1.3.3虚拟仪器技术的意义
1.虚拟仪器采用图形化编程语言，开发人员大大节省了编程时间和精力。
与传统仪器相比，采用虚拟仪器技术研制同一个项目，不仅可以缩短仪器开发周期，降低仪器成本，而且还可以提高仪器性能。
2.虚拟仪器的硬件和软件具有标准化和规范化的特点，因此，可以根据不同的测量要求，设计出新的数据采集、分析和表达方案。
通过增减硬件电路、修改部分软件，还可以重新配置原有的仪器，创建新的仪器系统。
因此，拥有一台虚拟仪器系统，就相当于拥有一个个人实验室.
3.虚拟仪器的接口具有通用性、开放性的特点，因此，现有的设备仪器可以很容易地进行联网，这便于提高仪器的自动化程度以及实现仪器的远程测控和网络化。
1.4本课题研究的意义
电力系统中的设备昂贵，安全稳定运行要求高，这就需要一套能够模拟电力系统的运行情况的软件系统，为试验保护方案的和测试器件性能创造一个实验环境，虚拟仪器技术应用于电力系统中可以很好的解决这一难题。
目前，大量的实验设备仍采用传统仪器，虽然试验方法相对简单，但需要的仪器繁多，连线复杂，占地面积大，仪器的更新换代需要大量的资金。
如果使用虚拟仪器，将大大提高实验效率，降低试验成本。
1.5本课题的研究内容
本文的研究对象是基于虚拟仪器的三段式距离保护。
首先，介绍了距离保护的作用原理，阻抗继电器和它的接线方式，重点研究了距离保护的整定值计算原则和对线路短路时各个相电流的变化情况进行阻抗继电器的相应动作。
其次，介绍了虚拟仪器的一些基本的知识和用法。
有关LabVIEW的编程基础，编程环境。
最后，进行基于虚拟仪器的距离保护试验系统开发。
主要是三段式距离保护试验系统的软件设计方案及设计方法，分模块介绍了保护系统的软件构成，以及功能结构、可视效果等。
第2章电网的距离保护
2.1距离保护的基本概念
由于电流保护的各种特点，在35KV及以上电压的复杂网络中，他们都很难满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求。
为此，就必须采用性能更加完善的保护装置。
距离保护就是适应这种要求的一种保护原理。
距离保护是反映故障点到保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。
该装置的主要元件为距离继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点之间的阻抗值，此阻抗称为继电器的测量阻抗。
当短路点到保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；
当短路点到保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了有选择性的切除故障线路。
2.1.1距离保护的时限特性
距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系t=f（l）,称为距离保护的时限特性。
为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛使用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如上图所示，分别称为距离保护的I、II，III段。
距离保护的第I段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。
第I段本应保护线路的全长，即保护范围为全长的100％，然而实际上却是不可能的，因为当下段线路出口处短路时，第I段不应动作，为此，其起动阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量的阻抗，即<
。
考虑到阻抗继电器和电流和电压互感器的误差，需引入可靠系数，则
<
（0.8～0.85）（2-1）
同理对保护1的第I段整定值应为
>
（0.8～0.85）（2-2）
如此整定后，距离I段就只能包括本线路全长的80％～85％，这是一个严重缺点。
为了切除本线路末端15％～20％范围以内的故障，就需要设置距离保护第II段。
距离第II段整定值的选择是相似与电流速断的，即应使其不超出下一条线路距离I段的保护范围，同时带有高出一个t的时限，以保证选择性。
当保护1第I段末短路时，保护2的测量阻抗为
=+（2-3）
引入可靠系数，则保护2的起动阻抗为
=0.8[+（0.8～0.85）]（2-4）
距离I段与II段的联合工作构成本线路的主保护。
为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离I、II段的后备保护，还应该装设距离保护第III段。
对距离III段整定值的考虑是与过电流保护相似的，其起动阻抗要躲开正常运行时的负荷阻抗来选择，而动作时限使其比距离III段保护范围内其他各个保护的最大动作时限高出一个Δt。
2.2阻抗继电器
阻抗继电器是距离保护装置的核心元件，其主要作用是测量短路点到保护安装点之间的阻抗，并与整定值进行比较，已确定保护是否应该动作。
阻抗继电器按其构成方式可分为单相式和多相式两种。
单相式阻抗继电器是指加入继电器的只有一个电压（可以是相电压或线电压）和一个电流（可以是相电流或两相电流之差）的阻抗继电器，和的比值成为继电器的测量阻抗
=（2-5）
各类继电器及特性：
1.全阻抗继电器
全阻抗继电器的特性是以B点（继电器安置点）为圆心，以整定阻抗为半径所做的一个圆。
当测量阻抗位于园内时继电器动作，即园内为动作区，圆外不动作区。
当测量阻抗正好位于圆周上时，继电器刚好动作，对应此时的阻抗就是继电器的起动阻抗由于这种特性是以原点为圆心而做的圆，因此，不论加入继电器的电流与电压之间的角度为多大，继电器的起动阻抗在数值上都等于整定阻抗，即=。
具有这种动作特性的继电器称为全阻抗继电器，它没有方向性。
2.方向阻抗继电器
方向阻抗继电器的特性是以整定阻抗为直径而通过坐标原点的一个圆，圆内为动作区，圆外不动作区。
当加入继电器的和之间的相位差φ为不同数值时，此种继电器的起动阻抗也将随之改变。
当等于的阻抗角时，继电器的起动阻抗达到最大，等于圆的直径，此时，阻抗继电器的保护范围最大，工作最灵敏，因此，这个称为继电器的最大灵敏角。
用表示。
当保护范围内故障时，=，因此应该调整继电器的最大灵敏角使=，以便继电器工作在最灵敏的条件下。
当反方向发生故障时，测量阻抗位于第三象限，继电器不能动作，因此它本身具有方向性，故称之为方向阻抗继电器［1］。
总结三种阻抗的意义：
（1）测量阻抗:
由加入继电器的电压和电流的比值确定。
=arg（2-6）
（2）整定阻抗：
一般取继电器安装点的到保护范围末端的线路阻抗。
全阻抗继电器：
圆的半径。
方向阻抗继电器：
在最大灵敏角方向上圆的直径。
（3）起动阻抗：
它表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压和电流的比值。
阻抗继电器的测量阻抗时受很多因素影响的。
主要有：
①．短路点的过渡电阻；
②．电力系统振荡；
③．保护安装处与故障点之间有分支电路；
④．CT,PT的误差；
⑤．PT二次回路断线；
⑥．串连补偿电容。
2.2.1阻抗继电器的接线方式
对接线方式的基本要求：
1.继电器的测量阻抗正比于短路点到安装地点之间的距离。
2.继电器的测量阻抗应于故障类型无关，也就是保护范围不遂故障类型的变化而变化。
当阻抗继电器加入的电压和电流为和-时，我们称之为“0”接线，为U和I时称为“+30”接线［1］。
2.2.2相间短路阻抗继电器的“0”接线方式
1.三相短路
C
B
A
Z
Ia
Ib
Ic
L
2-2三相短路时测量阻抗的分析
三相短路时三相是对称的，三个继电器～的工作情况完全相同，因此，可以为例分析之。
设短路点到保护安装地点之间的距离为LKm,线路每千米的正序阻抗为欧姆，则保护安装地点的电压应为
=-=—=（—）（2-7）
因此，在三相短路时，继电器J的测量阻抗为
==（2-8）
在三相短路时,三个继电器测阻抗均等于短路点到安装地点之间的阻抗，三个继电器均能动作。
2.两相短路
如下图所示，
2-3A-B两相短路时测量阻抗的分析
设A-B间短路为例，则故障环路的电压为
=—=—=（—）（2-9）
因此，继电器J的测量阻抗为
==（2-10）
和三相短路时的测量阻抗相同，因此，能动作。
在A-B两相短路的情况下，对继电器和而言，由于所加电压为非故障相间的电压，数值较高，而电流又只有一个故障相的电流，数值较（-）为小，因此，其测量阻抗必然大于上式的数值，也就是说它们不能正确测量保护安装地点到短路点的阻抗，因此，不能动作。
由此可见，在A-B两相短路的情况下，只有J能准确的测量短路阻抗而动作。
同理，分析B-C和C-A两相短路可知，相应地只有和能准确地测量到短路点的阻抗而动作。
这就是为什么要有三个阻抗继电器并分别接于不同相间的原因。
3.中性点直接接地电网中的两相接地短路
仍以A-B相故障为例，它与两相短路不同之处是地中有电流流回，因此，≠.
此时，我们可以把A相和B相看成两个“导线—地”的送电线路并有互感耦合在一起，设用表示输电线每千米的自感阻抗，表示每千米的互感阻抗，则保护安装地点的故障相电压为
=+（2-11）
=+（2-12）
=
=（—）=
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