110kV输电线路零序电流保护设计(2)110303011(2).doc
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辽宁工业大学
微机继电保护课程设计（论文）
题目：
110kV输电线路零序电流保护设计
（2）
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
电气111
学号：
110303011
学生姓名：
左钰
指导教师：
（签字）
起止时间：
2014.12.15-2014.12.26
本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
电气工程学院教研室：
电气工程及其自动化
学号
110303011
学生姓名
左钰
专业班级
电气111
课程设计（论文）题目
110kV输电线路零序电流保护设计
（2）
课程设计（论文）任务
ZT4=50Ω
ZT3=50Ω
ZT2=10
ZG2=16Ω
ZT1=10Ω
3
2
1
ZG1=16
Z1.CD=40Ω
Z0.CD=80
Z1.BC=20Ω
Z0.BC=40
Z0.AB=40
A
Z1.AB=25
D
C
B
系统接线图如图：
课程设计的内容及技术参数参见下表
设计技术参数
工作量
,
系统中各元件及线路的负序阻抗与正序阻抗相同,其他参数见图。
计算最大和最小零序电流，应根据当Z1∑＜Z0∑时，则有；反之，当Z1∑＞Z0∑时，则有。
一、整定计算
1.计算B母线、C母线、D母线处正序（负序）及零序综合阻抗Z1∑、Z0∑。
2.计算B母线、C母线、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流。
3.整定保护1、2、3零序电流I段的定值，并计算各自的最小保护范围。
4.当B母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护1、2零序Ⅱ定值，并校验灵敏度。
5.整定保护1零序Ⅲ段定值，假定母线D零序过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3零序过电流保护的动作时限，校验保护1零序Ⅲ段的灵敏度。
二、硬件电路设计
包括CPU最小系统、电流电压数据采集、开关设备状态检测、控制输出、报警显示等部分。
三、软件设计
说明设计思想，给出参数有效值计算及故障判据方法，绘制流程图或逻辑图。
四、仿真验证
给出仿真电路及仿真结果，分析仿真结果同理论计算结果的异同及原因。
续表
进度计划
第一天：
收集资料，确定设计方案。
第二天：
计算综合阻抗和零序电流，零序I段的整定计算。
第三天：
零序II段、零序III段的整定计算。
第四天：
硬件电路设计（最小系统、数据采集、状态检测部分）。
第五天：
硬件电路设计（控制输出、报警显示部分）。
第六天：
软件设计（有效值计算、故障判据）。
第七天：
软件设计（绘制流程图或逻辑图）
第八天：
仿真验证及分析。
第九天：
撰写说明书。
第十天：
课设总结，迎接答辩。
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
随着时代的进步，电力系统的规模在不断扩大，用户对电能质量的要求也在不断提高。
因此，对继电保护装置本身的要求也越来越高，微机继电保护具备了传统保护所没有的优良特性。
本设计首先简要介绍了电力系统微机继电保护的发展、技术构成及其发展方向。
其次对硬件、软件的结构做了分析，它的硬件结构核心由P89C51RD和DSP2181组成，CPU完成装置的总启动和人机界面及与外围设备的通信功能,CPU内设总启动元件，启动后开放出口继电器正电源,使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。
最后本文对装置进行了软件结构设计，对各个模块的功能作了具体介绍。
本文研究的110kV输电线路微机零序电流保护原理分析与程序设计是由计算机实现的线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式，适用于110kV的输电线路。
关键词：
微型机保护;110kV输电线路;零序电流;重合闸
目录
第1章绪论 1
1.1零序电流保护的概况 1
1.2本文主要内容 2
第2章输电线路零序电流保护整定计算 3
2.1零序电流Ι段整定计算 3
2.1.1零序电流Ι段动作电流的整定 7
2.1.2灵敏度校验 8
2.1.3动作时间的整定 11
2.2零序电流Ⅱ段整定计算 11
2.3零序电流Ⅲ段整定计算 12
第3章硬件电路设计 13
3.1110KV输电线路零序保护的硬件 13
3.2CPU最小系统图 13
3.3数据采集系统 15
3.3.1电压形成回路 15
3.3.2采样保持和模拟低通滤波 16
3.3.3多路转换开关和模数转换 17
3.4开关量输入输出系统 19
3.4.1开关量输入输出模块 19
3.4.2开关量输入部分 19
3.4.3开关量输出部分 21
3.5电源模块 22
第4章软件设计 24
4.1程序总框图 24
4.2软件结构分析概述 26
4.3中断程序模块 26
4.4各程序的子模块介绍 27
4.4.1初始化 27
4.4.2启动元件 28
4.4.3零序方向电流保护 28
4.5微机保护的算法 29
4.5.1输入为正弦量的算法 30
4.5.2突变量电流算法 30
4.5.3选相方法 32
4.5.4傅里叶级数算法 34
第5章实验验证及分析 37
第6章课程设计总结 39
参考文献 40
V
第1章绪论
1.1零序电流保护的概况
与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。
之所以如此，是因为它是一门理论和实践并重的科学技术，又与电力系统的发展息息相关。
它以电力系统的需要作为发展的源泉，同时又不断地吸取相关的科学技术中出现的新成就作为发展的手段。
继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。
它在系统发生故障时切除故障设备，对系统安全运行作出贡献，但若不正常动作（包括拒动和误动），则给系统造成的危害也是巨大的。
所以对继电保护装置的可靠性（包括安全性和信赖性两个方面）要求很高。
信赖性是指不应拒动，安全性是指不应误动。
继电保护装置除了在故障的很短时间内动作外，长期是不动作的，因而被喻为电力系统的无声警卫。
因此装置的某些缺陷可能不被察觉，从而成为故障时不正确动作的隐患。
微型机保护可以实现自我监视和检测，大大提高了装置的安全性。
传统的整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。
究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件和连线来实现。
为确定保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过模拟试验来校核一遍。
微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由相应的软件来实现的。
换言之，它是用一个只会作几种单调的、简单操作的硬件，配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。
因而只要用几个简单的操作就可以检验微型机的硬件是否完好。
或者说如果微型机硬件有故障，将会立即表现出来。
如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时一样，就必然会达到设计的要求，用不着逐台作各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。
微型机保护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在EPROM中的程序不断地进行自动检测，一旦发现异常就会发出报警。
通常只要给上电源后没有警报，就可确认装置是完好的。
所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而可大大减轻运行维护的工作量。
1.2本文主要内容
1.计算B母线、C母线、D母线处正序（负序）及零序综合阻抗Z1∑、Z0∑。
2．计算B母线、C母线、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流。
3．整定保护1、2、3零序电流I段的定值，并计算各自的最小保护范围。
4．当B母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护1、2零序Ⅱ定值，并校验灵敏度。
5．整定保护1零序Ⅲ段定值，假定母线D零序过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3零序过电流保护的动作时限，校验保护1零序Ⅲ段的灵敏度。
6.用计算机实现线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式。
第2章输电线路零序电流保护整定计算
2.1零序电流Ι段整定计算
系统接线图如图2.1所示：
图2.1系统接线图
利用大接地电流系统中发生接地短路时出现零序电流等的特点，可以构成反映零序电流大小的多段式零序电流保护。
零序电流一般为四段式，即零序电流保护第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ段。
零序电流第Ⅰ、Ⅱ段为线路接地故障的主保护，第Ⅲ、Ⅳ为线路接地故障的后备保护。
一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗、
（1）当、、、、、均投入运行时：
图2.2、、、、、均投入运行时等值正序（负序）网络图
图2.3 、、、、、均投入运行时等值零序网络图
如图2.2所示，与串联后和，再和
如图2.3所示，串联。
所以，综合阻抗计算如下：
B母线：
C母线：
D母线：
（2）当、、、、投入运行时:
如图2.4所示，
如图2.5所示，
所以，综合阻抗如下所求：
B母线：
C母线：
D母线：
图2.4 、、、、投入运行时等值正序（负序）网络图
图2.5 、、、、投入运行时等值零序网络图
（3）当、、、投入运行时
如图2.6所示，
如图2.7所示，
所以，综合阻抗所求如下：
图2.6 、、、投入运行时等值正序（负序）网络图
图2.7 、、、投入运行时等值零序网络图
B母线：
C母线：
D母线：
（4）当、、投入运行时
图2.8 、、投入运行时等值正序（负序）网络图
图2.9 、、投入运行时等值零序网络图
如图2.8所示，
如图2.9所示，
其综合阻抗所求如下：
B母线：
C母线：
D母线：
二、计算B、C、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流
（1）当、、、、、均投入运行时
B母线：
C母线：
D母线：
（2）当、、、、投入运行时
B母线：
C母线：
D母线：
（3）当、、、投入运行时
B母线：
C母线：
D母线：
（4）当、、投入运行时
B母线：
C母线：
D母线：
2.1.1零序电流Ι段动作电流的整定
一、保护1零序电流I段
（1） 、、、、、运行
∵ 取两相接地短路
（2）、、、、运行
∵ 取两相接地短路
∴最大运行方式为：
、、、、运行
保护1的I段动作电流为：
二、保护2零序电流I段
（1） 、、、、、运行
∵ 取单相接地短路
（2）、、、、运行
∵ 取单相接地短路
∴最大运行方式为：
、、、、、运行
保护2的I段动作电流为：
三、保护3零序电流I段
（1）、、、、、运行
∵ 取单相接地短路
（2）、、、、运行
∵ 取单相接地短路
∴最大运行方式为：
、、、、、运行
保护3的I段动作电流为：
2.1.2灵敏度校验
一、保护1的最小保护范围计算
设 （）， 则
（1）、、、运行
取单相接地短路
得， 满足灵敏度要求
（2）、、运行
取单相接地短路
得， 满足灵敏度要求
∴根据①、②，最小运行方式为：
、、、运行
保护1的I段最小可以保护线路AB全长的33.7%
二、保护2的最小保护范围计算
设 （）， 则
（1）、、、运行
取单相接地短路
得， 满足灵敏度要求
（2）、、运行
取单相接地短路
得， 满足灵敏度要求
∴根据①、②，最小运行方式为：
、、运行
保护2的I段最小可以保护线路BC全长的16%
三、保护3的最小保护范围计算
设 （）， 则
（1）、、、运行
若,则取单相接地短路
得， 满足灵敏度要求
此时，，与矛盾
所以，，，取两相接地短路
得， 满足灵敏度要求
（2）、、运行
若,则取单相接地短路
得， 满足灵敏度要求
此时，，与矛盾
所以，，，取两相接地短路
得， 满足灵敏度要求
∴根据
（1）、
（2），最小运行方式为：
、、运行
保护3的I段最小可以保护线路CD全长的34.68%
2.1.3动作时间的整定
因为零序电流I段是无时限零序电流保护，不必加延时元件，
所以其整定的动作延时为0
即，保护1、2、3的动作时间：
2.2零序电流Ⅱ段整定计算
保护1的Ⅱ段与保护2的I段配合
，保护1的分支系数
灵敏度校验：
最小运行方式为、、、运行
流过保护1的最小零序电流
不满足灵敏度要求
所以，保护1的Ⅱ段与保护2的Ⅱ段配合
，保护2的分支系数
满足灵敏度要求
所以，保护1的Ⅱ段动作电流：
保护1的Ⅱ段动作时间与保护2的Ⅱ段动作时间配合：
2.3零序电流Ⅲ段整定计算
保护1的Ⅲ段与保护2的Ⅱ段配合
灵敏度校验：
最小运行方式为、、、运行
作为近后备：
满足灵敏度要求
作为远后备：
满足灵敏度要求
已知母线D零序过电流保护动作时限为0.5s
所以保护1的Ⅲ段零序电流保护的动作时间与保护2的Ⅱ段动作时间配合：
第3章硬件电路设计
3.1110KV输电线路零序保护的硬件
保护的硬件构成由四部分组成：
①数据采集系统（或称模拟量输入系统）：
数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模拟转换，其功能为完成将模拟输入量准确转换为所需的数字量。
②主系统：
处理器（CPU）、只读存储器（ROM）或闪存内存单元（FLASH）、随机存取储存器（RAM）、定时器、并行以及串行接口等。
其功能为执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能。
③开关量（数字量）输入/输出系统，并行接口（PIA或PIO）、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，其功能为完成各种保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话及通信等功能。
④电源模块：
其功能为保护装置提供工作电压。
一般常采用开关稳压电源或DC/DC电源模块。
其提供数字系统5、24、+15、-15V电源。
其构成图3.1所示：
图3.1硬件机构图
3.2CPU最小系统图
本设计中的89C51的最小系统包括89C51单片机，6264可编程I/O接口，晶振电路，按键复位电路。
CPU最小系统图如图3.2
图3.2CPU最小系统
1.复位电路：
无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。
复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。
单片机的复位条件：
必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电平。
单片机的复位形式：
上电复位、按键复位。
上电复位和按键复位电路。
图3.2为手动按键复位电路。
2.时钟电路
单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。
单片机的时钟信号通常有两种产生方式，内部时钟方式和外部时钟方式：
内部时钟方式是在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。
晶振的取值范围一般为0~24MHz，常用的晶振频率有6MHz、12MHz、11.0592MHz、24MHz等。
一些新型的单片机还可以选择更高的频率。
外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用20~30pF的瓷片电容。
外部时钟方式则是在单片机XTAL1引脚上外接一个稳定的时钟信号源，它一般适用于多片单片机同时工作的情况，使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步
3.3数据采集系统
数据采集系统（模拟量输入系统）主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D），其功能为完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量，如图3.3所示：
电压
形成
前置低通滤波
采样保持
多路转换器
A/D转换
模拟信号输入
图3.3数据采集系统
3.3.1电压形成回路
本文研究的110KV输电线路零序电流保护装置将由二次电流互感器转换来的电流信号通过如图3.4所示的电路转换为mA级的电流信号；将由二次电压互感器转换来的电压信号（100V）通过如图3.5所示的电路也转换为可供模数转换部分时用的电压，这样做的优点是可以使得元件小型化。
再讲mA级的电流信号经过如图3.3所示的电路，进行放大处理转换为电压信号，作为A/D转换的输入信号。
图3.4电流输入信号
电路图3.4中，电阻Z俩端电压也是电阻俩端电压，通过变比1：
n，可以求出,由欧姆定理可知，电压所求如公式：
图3.5电压信号输入
如图3.5，因为变比为n:
1，所以
3.3.2采样保持和模拟低通滤波
采样保持电路，又称S/H电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟一数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。
利用采样保持电路后，可以方便地进行多个模拟量实现同时采样。
采样频率是指采样周期的倒数，对保护系统而言，在故障刚发生时，电压、电流信号中可能含有较高的频率分量（如2KHz以上），为防止混淆，频率将不得不用的很高，
进而对硬件速度提出过高的要求。
实际上，目前大多数的保护反应的是工频量，在这种情况下，可以采用一个前置的低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低频率，从而降低对硬件提出的要求，对频率高于二分之一的可以用简单的低通滤波器（如图3.6所示）来滤除高频分量，而对于小于二分之一频率的分量可以用数字滤波器来滤除。
图3.6低通滤波器
3.3.3多路转换开关和模数转换
对反应俩个电气量以上的继电保护装置，都要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个量之间的相位关系，因而要对每个模拟输入量设置一套电压形成、抗混淆低通滤波器采样保持电路。
所有采样保持器的逻辑输入端并联后，由定时器同时供给采样脉冲，但由于模数转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道设一个A/D转换成数字量输入给装置。
而是公用一个，中间是通过转换开关MPX切换，轮流由公用的A/D转换成数字量后输入给装置。
模拟量1
模拟量n
电压形成
电压形成
LPF
LPF
S/H
S/H
多路转换开关
A/D
CPU
采样脉冲
图3.7数模转换
模数转换是微机保护的重要元器件，要理解它的工作原理需先了解数模转换器的原理。
数字量是用代码按数位的组合起来表示的，每一位代码都有一定的权，即代表一个具体数值。
因此，为了将数字量转换成模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，即可得到与被转换数字量相当的模拟量，完成了数模转换。
如图3.8为一个4位数模转换器的电路图，更多位数的情况与此类似。
输出电压为：
图3.8数模转换电路图
可见，输出模拟电压正比于控制输入的数字量D。
对一般的A/D转换器来说，如果输入电压超过所允许的最大值，就会出现平顶波，这种现象叫溢出，出现小部分平顶波溢出的危害并不是特别严重，因为在装置得到采样值后，还可以经过数字滤波器来对平顶波进行修正，基波相位可以做到基本不受影响，对电流保护和阻抗保护的影响较小。
但是，应当指出：
不应出现输入量超出允许值时出现零值的现象，这种现象对保护的危害是致命的。
如果电流信号出现这种溢出情况，则出口短路可能会被计算成区外短路，导致拒动。
避免这种溢出现象的常用方法有：
1，采用类似于逐次逼近方式的A/D转换器
2，在A/D转换器之前采用预先措施
3，调整模拟量回路的增益
3.4开关量输入输出系统
3.4.1开关量输入输出模块
开关量输入输出模块包括开关量输入回路和开关量输出回路，是微型机保护装置的重要组成部分，是连接外部强电和内部弱电的主要通道，其核心是状态信号的隔离输入回路和动作信号的隔离输出回路，主要完成外部开关量引入装置进行处理和将装置内发出的开关信号引出到继电器插件，从而驱动相应的继电器跳闸或告警，达到保护的功能。
下面分别介绍开关量输入回路和输出回路的设计。
3.4.2开关量输入部分
在微机线路保护装置中，通常需要采集断路器状态、隔离开关状态和外部分、合闸等状态信息，这些状态量的采集都是以光电隔离方式输入的，采用光电隔离的主要优点是：
输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力很强；无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高；响应速度快，易与逻辑电平配合使用。
图3.9开关量经光耦输入电路
需要采集的输入开关量共8路，分为两组，一组为4路220V开关量输入，另一组为4路24V开关量输入。
图3.9所示开关量通过光电隔离输入电路图。
其工作原理是：
当外部接点接通时，光电隔离的二极管导通，光电隔离的三极管也导通，其集电极输出低电位；当外
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