基于微机的三段式距离保护实验系统开发.doc
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电子科技大学
毕业设计（论文）
论文题目：
基于微机的三段式距离保护实验系统开发
学习中心（或办学单位）：
电子科技大学汉沽学习中心
指导老师：
周平职称：
讲师
学生姓名：
冯建华学号:
201003693385
专业：
电力系统及其自动化
电子科技大学
继续教育学院
制
网络教育学院
2011年10月13日
电子科技大学
毕业设计（论文）任务书
题目：
基于微机的三段式距离保护实验系统开发
任务与要求：
时间：
2011年10月153日至 2011年12月16日共8周
学习中心：
（或办学单位）电子科技大学汉沽学习中心
学生姓名：
冯建华 学号：
201003693385
专业：
电力系统及自动化
指导单位或教研室：
电子科技大学汉沽学习中心
指导教师：
周平 职称：
讲师
电子科技大学
继续教育学院
制
网络教育学院
2011年10月13日
毕业设计（论文）进度计划表
日期
工作内容
执行情况
指导教师
签字
10月1日
至
10月8日
准备
良好
***
10月13日至10月25日
开题报告
……
……
10月25日至11月18日
论文初稿
……
……
11月18日至12月16日
提交论文
……
……
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。
摘要
当电力系统发生故障时，系统中的保护装置动作，将故障线路或元件切除。
构成保护的原理有很多种，其中距离保护是获得广泛应用的原理之一。
在距离保护的动作过程中，保护装置内部的处理过程是不可见的，内部数据是如何变化的也是无法观察的。
为了分析距离保护在非故障状态下和各种故障状态下的动作行为，观察距离保护动态的变化过程，并分析各种因素对距离保护的影响，本文对微机距离保护动态仿真系统进行了深入研究。
本课题主要由三部分组成，即基于PSCADE/MTDC的故障暂态仿真计算;基于MATLAB的暂态仿真结果数据格式转换;基于LbaVEIW的距离保护动态仿真程序。
本文按照真实的微机距离保护的主要组成部分设计了距离保护动态仿真程序。
该程序按照数据流的方式进行计算和处理，完全模拟了数据在保护中的流通顺序，贴近于真实的距离保护。
经数据格式转换后的故障暂态计算结果作为距离保护动态仿真程序的输入量，通过对输入量进行逐点计算，能同步逐点显示出继电器的测量阻抗和其它各种仿真结果。
本文通过仿真实例从以下几个方面对距离保护进行了分析:
暂态分量对距离保护的影响;应用全波傅氏算法或半波傅氏算法时对计算精度的影响;采样频率对计算精度的影响;过渡电阻的影响;过渡电阻和负荷电流共同作用引起的稳态超越;振荡对距离保护的影响。
关键词关键词一 关键词二
Abstract
Therelayprotectionplaysanimportantroleinthepowersystemsecurity.Powersystemrelayprotectionisanindispensableoperationofsecondaryequipment,Itsroleistogenerators,transformers,transmissionanddistributionlinesandotherelectricalequipmentfailuresthatmayoccurtoimplementsupervisorandprotection.Onthebreakdownoftimelyandaccurateprocessing,therebypreventingcasualtiesanddamagetoequipment,toensurepowerquality,soprotectiondevicesinpowersystemoperationalsoparticularlyimportantrole.
Thevirtualinstrumentisthedeeplycombinationoftheinstrumenttechnologyandthecomputertechnology.Itcombinescomputerwiththefunctionalmodulehardwareusingapplicationprogram.Usercannotonlymanipulatethecomputerthroughfriendlygraphicalinterface,butalsomanageinstrumentcontrolandorganizationinstrumentsystem.Itcanfinallyachievethegoalofsubstitutiontraditionelectronicinstrument.Infact,thevirtualinstrumentistheunionofsoftwareandhardware,andtheunionofvirtualandactual.Itfullyusesthenewestcomputertechnologytocompleteandexpandthefunctionoftraditionalinstrument.
ThisvirtualinstrumenttechnologywillbeusedinPowerSystemProtectioninthispaper.Thispaperintroduceshowtousethevirtualrelaytechnologyandinstrumentdevelopmentfromtheprotectionofrealthree-stagesystem.Includingthesystemcomposition,functionandstructure,visualeffects.ExperimentalresultSshowthatthesystemhasthefollowingfeatures:
faulttypeofdiscrimination,algorithmprocedure.
Inaddition,thesystemwhilereducingequipmentcosts,butalsohasfriendlyinterface,easymaintenanceandfunctionaladvantagesofeasyexpansion.Thesysteminpowersystemfullyembodiestheeasy,fastandpracticaladvantages.
KEYWORDonetwoPowersystem,Distanceprotection,Virtualinstruments,LabVIEW
目录
第一章绪论 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 5
1.4本课题研究的意义 5
1.5本课题的研究内容 5
第二章电网的距离保护 7
2.1距离保护的基本概念 7
2.1.1距离保护的时限特性 7
2.2阻抗继电器 8
2.2.1阻抗继电器的接线方式 9
2.2.2相间短路阻抗继电器的“0”接线方式 9
2.2.3死区及消除死区的方法 11
2.3距离保护的整定计算原则 11
2.4距离保护应用中的相关辅助措施 12
2.5本章小结 13
第三章微机距离保护动态仿真的整体设计思想 14
3.1LabVIEW简介 14
3.2整体设计思想 14
3.5本章小结 16
第四章距离保护软件系统开发 17
4.1距离保护的组成 17
4.2系统软件设计 18
4.2.1流程图 18
4.2.2傅里叶算法模块 18
4.2.3故障类型判别程序 20
4.2.4阻抗继电器模块 22
4.2.5区段判别程序 22
4.2.6动作逻辑模块 24
4.3可视化效果设计 24
4.4本章小结 25
结束语 26
谢辞 27
参考文献 28
电子科技大学毕业论文（设计） 基于微机的三段式距离保护试验系统开发
第一章绪论
1.1课题背景
当代电网的规模越来越大，对电力系统可靠性和安全性的要求不断提高。
而电力系统在运行中不可避免的会发生各种故障或不正常的运行状态，使整个供电系统的正常运行遭到破坏，造成对用户供电的中断或供电质量的下降，甚至损坏电器设备，给国民经济的发展带来极其不利的影响。
因此，电力系统在各电气元件上装设了继电保护装置。
电力系统继电保护作为一种能反应电力系统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装置，是电力系统中不可或缺的一部分。
对于电力系统的安全与稳定运行起到了重要的作用。
经过了一个世纪的发展，继电保护装置己经发展到了微机保护，是一种能反应不同电气量，实现多种功能的复杂的装置。
在各种不同的保护原理中，距离保护获得广泛应用。
在目前所用的距离保护装置中，从故障到保护动作跳闸这段时间内保护装置的处理过程是不可见的，在这个过程中装置内部的数据是如何变化的也是不可见的。
为了分析距离保护在线路正常情况下和各种故障情况下的动作行为，以及观察距离保护动态的变化过程，并分析各种因素对距离保护的影响，本课题对微机距离保护进行了仿真，设计了距离保护动态仿真系统。
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。
第二章电网的距离保护
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。
2-1距离保护的作用原理
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
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