35kV输电线路功率方向保护设计Word下载.doc
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G2
G3
9
8
7
6
5
4
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
L1=L2=40km,L3=40km,LB-C=40km,
LC-D=30km,LD-E=30km,线路阻抗0.4/km,
,
最大负荷电流IB-C.Lmax=90A,
IC-D.Lmax=60A,ID-E.Lmax=45A,
电动机自启动系数Kss=1.5，电流继电器返回系数Kre=0.85。
最大运行方式：
三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行；
最小运行方式：
G2、L2退出运行。
一、整定计算
1.等值电抗计算、短路电流计算。
2.整定保护4、5的电流速断保护定值，并尽可能在一端加装方向元件。
3．确定保护5、7、9限时电流速断保护的电流定值，并校验灵敏度。
4．确定保护4、5、6、7、8、9过电流保护的时间定值，并说明何处需要安装方向元件。
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。
电气工程学院教研室：
电气工程及其自动化
续表
进度计划
第一天：
收集资料，确定设计方案。
第二天：
等值电抗和短路电流计算，电流速断保护整定计算。
第三天：
限时电流速断、过电流保护整定计算。
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
电能是现代社会中使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都极为重要。
电力系统由各种电气设备组成，由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸多方面的因素，电力系统的各种元件在运行可能会发生故障或不正常运行状态。
为了能在电力系统受到外界干扰时，有比较可靠的、及时的保护动作，从而切断故障点且极大限度地使未故障部分继续供电，就需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的就是继电保护技术。
本文主要对35KV输电线路功率方向保护进行分析与设计，功率方向保护是在每个断路器的电流保护中增加一个功率方向测量元件。
使其对电流保护段来说，因为反方向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值就只需躲过正方向线路末端短路电流最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电流，因而提高了灵敏度。
关键词：
输电线路；
方向元件；
功率方向保护；
电力系统稳定运行
目录
第1章绪论 1
1.1输电线路电流保护概述 1
1.2本文设计内容 1
第2章输电线路功率方向保护整定计算 3
2.1方向电流Ι段整定计算 3
2.1.1保护4、5的Ι段动作电流的整定 4
2.1.2灵敏度校验 5
2.1.3动作时间的整定 5
2.2保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算 5
2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装 6
第3章硬件电路设计 7
3.1微机保护总体设计方案 7
3.2CPU的选择 8
3.3声光报警电路 9
3.4人机对话接口设计 9
3.5单片机最小系统设计 11
第4章软件设计 13
4.1微机继电保护软件总流程图 13
4.2保护功能程序流程图 13
第5章MATLAB建模仿真分析 15
5.1MATLAB系统仿真图 15
5.2仿真波形 16
第6章课程设计总结 19
参考文献 20
III
第1章绪论
1.1输电线路电流保护概述
社会的发展使人们的生活与电的联系越来越紧密。
保障电力系统安全可靠的运行，是电力系统的首要任务。
电力系统是否安全可靠的供电，取决于组成电力系统的各个电力元件是否正常运行。
因此电力系统就需要保护装置当系统方式故障或者是处于不正常工作状态的时候，及时准确的跳闸或者是发报警信号，这个装置就是电力系统继电保护装置。
近几年来随着计算机技术和电子技术的飞速发展，使电力系统的继电保护突破了传统的电磁型、晶体管型及集成电路型继电保护形式，出现了以微型机、微控制器为核心的继电保护形式。
电力系统的输、配线路因各种原因可能会发生相间或相地短路故障，因此，必须有相应的保护装置来反映这些故障，并控制故障线路的断路器，使其跳闸以切除故障.对各种不同电压等级的线路应该装设不同的相间短路和接地短路的保护。
对于3KV及以上的电力设备和线路的短路故障，应有主保护和后备保护；
对于电压等级在220KV及以上的线路，应考虑或者必须装设双重化的主保护，对于整个线路的故障，应无延时控制其短路器跳闸。
线路的相间短路、接地短路保护有：
电流电压保护，方向电流电压保护，接地零序流电压保护，距离保护和纵联保护等。
电力系统中线路的电流电压保护包括：
带方向判别和不带方向判别的相间短路电流电压保护，带方向判别和不带方向判别的接地短路电流电压保护。
他们分别是用于双电源网络、单电源环形网络及单电源辐射网络的线路上切除相间或接地短路故障。
由于三段式电流保护是仅利用相间短路后电流幅值增大的特征来区分故障与运行状态的，以动作电流的大小和动作时限的长短配合来保证有选择地切除故障。
这种原理在多电源网络中使用遇到困难，所以在两侧都有电源的情况下，在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。
1.2本文设计内容
在每个断路器的电流保护中增加一个功率方向测量元件（当他和电流测量元件均动作后才启动逻辑元件），并规定当短路功率从母线流向线路（为正）时该功率元件动作，而从线路流向母线（为负）时不动作。
那么对电流保护段来说，因为反方向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值就只需躲过正方向线路末端短路电流最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电流，因而提高了灵敏度。
这种增加了功率方向测量元件的电流保护即为方向电流保护。
在双电源网络或其他复杂网络中，可以采用带方向的三段式电流保护，以满足保护的各种性能要求。
本文主要对保护段的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定，Ⅱ段电流的整定计算和Ⅲ段动作时间整定计算，绘制方向电流保护原理图，并对动作过程进行分析。
三段式方向电流保护的特点，三段式电流保护在作用原理、征订计算原则等方面与无方向三段式保护基本相同。
但方向电流保护用于双电源网络和单电源环形网络时，在构成、整定、相互配合等问题上还有以下特点：
在保护构成中增加功率方向测量原件，并与电流测量元件共同判别是否在保护线路的正方向上发生故障。
方向电流保护第1段，即无时限方向电流速度保护的动作电流整定可以不必躲过反方向外部最大短路电流；
第1段电流保护动作电流还应考虑躲过反向不对称短路时，流过非故障相的电流，这样可防止在反方向发生不对称故障时非故障线功率方向测量元件误动作而造成的保护误动作；
在环网和双电源网中，功率方向可能相同的电流保护第1段的动作电流之间和动作时间之间应相互配合，以保证保护的选择性。
本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、负荷电流计算、短路电流计算、继电保护功率方向保护的整定计算和校验以及对继电保护装置的仿真分析等。
第2章输电线路功率方向保护整定计算
2.1方向电流Ι段整定计算
首先要进行动作电流的整定，如图2.1和图2.2所示分别为系统最大运行状态和最小运行状态下的等效电路图：
图2.1系统最大运行方式等效电路图
图2.2系统最小运行方式
由条件可知：
，，
所以最大运行方式的等值阻抗为：
最小运行方式下的等值阻抗为：
则C母线的最大短路电流为：
同理D母线的最大短路电流为：
E母线的最大短路电流为：
于是可以求出保护1、2、3的第一段动作电流分别为：
2.1.1保护4、5的Ι段动作电流的整定
在线路A点的三相短路时的最大短路电流为：
所以保护4的Ι段动作电流为：
同理，在线路B点的三相短路时的最大短路电流为：
保护5的Ι段动作电流为：
2.1.2灵敏度校验
灵敏度可以反映出继电保护装置对于其保护范围内发生故障或者不正常运行状态的反应能力，所以对各个保护进行灵敏度校验就很有必要，如下所示：
所以保护4的灵敏度为：
所以保护4满足灵敏度要求。
同理保护5的灵敏度为：
所以保护5也满足灵敏度要求。
2.1.3动作时间的整定
无时限电流速断保护不必外加延时元件，即电流保护的第段动作时间为：
2.2保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算
当电流段的保护灵敏度达不到要求时就不能使用，此时可以采用另一种保护方式，即带时限的电流速断保护，所以以保护5为例对其方向电流Ⅱ段进行整定计算。
已知
分支系数=流过故障线电流与流过保护线电流的比值。
所以
所以保护5的动作电流为：
对其进行校验：
所以满足灵敏度要求。
2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装
为保证选择性，则必须加延时元件，且应按照阶梯形原则整定，即两相邻线路的电流Ⅲ动作时间相差一个△t。
上一线路与动作时间长的下一段线路相配合；
末级不装延时元件；
越靠近电源，延时越长。
s（线路末端），，
，（无下一级，相当于末级）
若矛盾，所以需加方向元件。
又由于：
>
为简化保护接线和提高保护的可靠性，电流保护每相的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段可共用一个方向元件。
电流保护第Ⅲ段的动作时间较小者而可能失去选择性时加方向元件，动作时间相同者可能失去选择性时均加方向元件。
所以，保护4，6，8加方向元件。
第3章硬件电路设计
3.1微机保护总体设计方案
微机继电保护的主要部分是微机，因此，除微机本体外，还必须配自电力系统向计算机输入有关信息的输入接口和计算机向电力系统输出控制信息的输出接口。
此外计算机还要输入有关计算和操作程序，输出记录的信息，以供运行人员进行分析事故，即计算机还必须有人机联系部分。
微机保护装置硬件系统如图3.1所示，一般包括以下几部分。
数据采集
人机接口
微机系统
触摸按键
继电器
打印机显示器
开关量输出
开关量输入
图3.1微机保护硬件示意框图
（1）模拟量输入系统
由于微机系统是一种数字电路设备，只能识别数字量，所以就需要将来自TA，TV的电流，电压这一类模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字信号。
（2）微机系统
微机系统是微机保护装置的核心，一般包括：
微处理器，只读存储器，随机存取存储器以及定时器，“看门狗”等。
微机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发生跳闸信号。
保护装置工作时，CPU执行存放在EPROM中的程序，将数据采集系统得到的信息输入至RAM区并进行分析处理，已完成各种继电保护功能。
（3）开关量输入/输出系统
开关量输入/输出回路由若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。
该系统完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入等功能。
（4）人机对话接口回路
该回路主要功能用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。
人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语音告警等。
（5）电源
微机保护的电源是一套微机保护装置的重要组成部分。
通常采用逆变稳压电源，一般集成电路芯片的工作电压为5V，而数据采集系统的芯片通常需要双极性的±
15V或±
12V工作电压，继电器回路则需要24V电压。
3.2CPU的选择
1.单片机选择
单片机能够接受A/D转换电路输入的数字信号，并将输入的信号进行处理和运算，以控制电流或者控制电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。
2.AT89C51单片机的性能及应用
图3.289C51单片机引脚图
AT89C51单片机温度测控仪采用Atmel公司的AT89C51单片机，采用双列直插封装（DIP），有40个引脚。
其主要特征如下：
（1）面向控制的8位CPU；
（2）一个片内振荡器和时钟产生电路，振荡频率为0—24MHz；
（3）片内4KBFlashROM程序存储器；
（4）128B的片内数据存储器；
（5）可寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器控制电路；
（6）2个16位定时/计数器；
（7）4个并行的I/O口，共32条可单独编程的I/O线；
（8）中断系统有5个中断源，可编为两个优先级；
（9）一个全双工的异步串行口；
（10）21个特殊功能寄存器；
（11）具有节电工作方式，即休闲方式和掉电保护方式。
3.3声光报警电路
微机继电保护装置的报警电路采用声光报警器。
由蜂鸣器LS、LED、三极管等组成。
其中AT89C51的P3.7引脚经电阻接到发光三极管P端，当输出为高电平时，LED闪烁发光。
达到声光同时报警的效果。
如图3.7所示。
图3.3声光报警电路
3.4人机对话接口设计
液晶显示器是一种极低功耗的显示器件。
本设计采用LCDl602液晶显示。
LCDl602是工业字符型液晶显示屏，同时可以显示2行内容，每行可显示16个字符或数字，总共可以显示16x2即32个字符。
LCDl602液晶显示屏能够显示丰富的内容，功耗低、体积小，重量轻，所以经常被使用在袖珍式仪表以及低功耗应用系统中。
LCDl602的特点如下所示：
（1）3.3V或5V的工作电压，可以调节对比度。
（2）内置独立复位电路。
（3）具有各类如清屏、字符或光标闪烁、显示移位等控制命令。
（4）内置8个字符发生器CGRAM，它是5x7点阵的，并且用户可以自定义此字符发生器。
直观的显示、稳定的性能、以及简单的外围电路设计等优点使得用户观看更加简洁。
具体接线情况如图3.4所示
图3.4LED显示电路
图3.5键盘电路
键盘的结构有两种：
独立式按键和矩阵式按键，其中独立式按键适用于按键数量不多的场合，而矩阵式按键适用于按键数量较多的场合。
键盘有两种工作方式：
编程扫描方式和中断扫描方式。
本设计采用的是独立式按键键盘，并利用中断扫描法处理按键，消抖由软件实现。
键盘扫描电路如图3.5所示。
3.5单片机最小系统设计
图3.6 CPU最小系统图
CPU最小系统图由CPU（89C51），复位电路（图左上），时钟电路（图左）和数据存储器的扩展图构成。
复位电路:
由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般教科书推荐C取10u，R取8.2K。
当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。
晶振电路：
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合）/12MHz
单片机：
一片AT89C51兼容单片机
第4章软件设计
4.1微机继电保护软件总流程图
该软件主要包括主程序模块、装置功能设置（按键中断服务）模块、采样中断服务模块、数据处理等模块等。
主程序模块主要包括初始化、全面自检的内容、开放中断与等待中断、自检循环等程序。
“初始化”是指保护装置在上电或整组复归时首先执行的程序，它主要是对微机系统及其可编程扩展芯片的工作方式初始化、各种标志设置、参数的设置、整定值加载等，以便在后面的程序中按预定方案工作。
主程序按固定的采样周期接收采样中断进入采样的程序，在采样程序中进行模拟量采集与滤波、开关量的采集、装置硬件自检、交流电流断线和启动条件的计算，根据是否满足启动条件而进入正常运行程序或故障计算程序。
如图4.1是微机继电保护软件总流程图。
4.2保护功能程序流程图
微机继电保护的软件由接口软件和保护软件量大部分组成。
接口软件是指人机接口部分的软件，其程序分为监控程序和运行程序。
执行哪一个部分程序有接口面板的工作方式或显示器上显示的菜单选择来决定。
监控程序主要就是键盘命令处理程序，是为了接口插件以及各CPU保护插件进行调试和整定而设置的程序。
接口的运行程序有主程序和定时中断服务程序构成。
保护软件有三种工作状态：
运行、调试和不对应状态。
图4.2保护功能程序基本流程图
采样中断服务程序主要包括采样计算，TV、TA断线自检和保护起动元件三个部分。
同时还可以根据不同的保护特点，增加一些检测被保护系统状态的程序。
保护的采样计算就是采用某种适当的算法分别计算各相电压、电流的有效值、相位、频率及阻抗等。
还可以根据需要进一步计算出各序电压、电流及各序功率方向，并分别存入RAM指定的区域内，供后续的程序（如逻辑判断等）使用。
第5章MATLAB建模仿真分析
5.1MATLAB系统仿真图
为了设计出高性能的继电保护产品，通常要进行继电保护模拟实验，传统的继电保护迷你实验是在物理模型的基础上进行的，实验系统复杂、实验成本高且效率低。
现代电力系统继电保护仿真是利用计算机仿真软件进行的，本设计应用MATLAB新型线路功率方向保护的仿真。
利用计算机模拟真实保护装置的运行情况，能够尽早的发现设备运行中可能出现的问题。
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
由MATLAB软件进行输电线路功率方向保护仿真实验的仿真图形如图5.1所示。
图5.1MATLAB建模仿真图
将MATLAB仿真技术应用于电力系统继电保护中输电线路方向电流保护的研究，针对输电线路方向电流保护技术的核心内容。
仿真步骤如下
1）环节库及其输入，将给定的信号输入仿真系统；
2）环节的联接，将各个环节的端口按框图连接起来；
3）环节参数的设定，将参数以MATLAB中合法的方式表示；
4）系统的建立，构建了继电保护系统输电线路方向电流保护的MATLAB仿真。
5.2仿真波形
根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合模拟各段保护的动作情况。
（1）模拟电流Ⅰ段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图5.2所示：
由图可以看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过一个很小的延时0.001s，断路器1跳闸。
电流Ⅰ段成功按时动作。
图5.2电流Ⅰ段仿真波形图
2）模拟电流Ⅱ段保护动作，在电流Ⅱ段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。
将线路1的值设置为10，线路0、2分别为0.3、3.5。
仿真参数同1），执行仿真后，仿真结果如下图5.3所示：
图5.3电流Ⅱ段仿真波形图
由图可以看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时0.5s，断路器1在0.55s跳闸。
电流Ⅱ段成功按时动作。
3）模拟电流Ⅲ段保护动作，在电流Ⅲ段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。
将线路1的值设置为15.5，线路0、2分别为0.3、3.5。
仿真参数同1），执行仿真后，仿真结果如下图5.4所示:
图5.4电流Ⅲ段仿真波形图
由图可以看出线路在0.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时1.0s，断路器1在1s左右跳闸。
电流Ⅲ段成功按时动作。
第6章课程设计总结
本文主要是针对输电线路功率方向保护进行设计，对电力系统继电保护进行简单的介绍，然后分别在最大运行方式和最小运行方式下对等值电抗进行计算，并且计算出各个保护的动作电流，进行灵敏度校验，进而绘制出方向保护的原理图，最后对系统进行模拟仿真并分析了结果。
首先，对电力系统继电保护及其算法的知识有了一定的了解，且基本完成了本课题的基本要求，但是由于知识水平的有限，对本课题的研究还存在一些不足之处，比如在模型搭建时，考虑情况过于理想化了，如线路模型，与实际情况还有一些差距。
由于知识掌握程度有限，仿真模型中只实现了线路三段式功率方向保护保护，在以后的学习过程中还应继续加入新的保护类型，使仿真模型的微机保护功能更加完善。
其次，就是使用到的各种元器件。
这次我使用的基本上都是已经学过的元件，
对继电保护中功率方向元件的基本要求是：
应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障时能可靠动作，而在反方向故障时可靠不动作；
正方向故障时有足够的灵敏度。
但真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，认认真真的研究了一遍，终于把电路仿真出来。
参考文献
[1]武骁.交直流混联系统输电线路继电保护关键问题研究[D].西南交通大学，2015.
[2]张禄亮.输电线路继电保护新算法及其在片上系统的实现[D].华南理工大学，2014.
[3]薛睿.超高压输电线路继电保护的方法研究[D].兰州理工大学，2014.
[4]王俊良.可控串补对输电线路继电保
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