110kV输电线路功率方向保护设计

1、xxxx 工工 业业 大大 学学 微机继电保护微机继电保护课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：110kv110kv 输电线路功率方向保护设计（输电线路功率方向保护设计（1 1） 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气111111班班 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2014120141. .12.15-2014.12.26.12.15-2014.12.26. 课程设计（论文）任务及评语课程设计（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 号学生姓名专业班级

2、电气 111 课程设 计（论 文）题 目 110kv 输电线路功率方向保护设计（1） 课程设计（论文）任务 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 ,10,3/115 1 g xkve ,25,15 32 gg xx l1=l2=60km,l3=40km,lb-c=40km, lc-d=30km,ld-e=20km,线路阻抗 0.4 /km, ,2 . 1 i rel k rel k15 . 1 rel k 最大负荷电流 ib-c.lmax=300a, ic-d.lmax=200a, id-e.lmax=150a, 电动机自启动系数 kss=1.5，电流继电 器

3、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

4、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。 b a g 1 1 23 l 3 l 2 l 1 ed c g 2 g 3 98 76 54 系统接线图 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。

5、 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 电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能 量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户， 再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。在输送电能的过程中, 电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的 各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低 电力系统供电范围。电力系统继电保护就是

6、为达到这个目的而设置的。电流方向保 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：继电保护；功率保护保护；方向保护；方向元件 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 输电线路电流保护概述.1 1.2 本文主要内容.1 第 2 章 输电线路方向电流保护整定计算.2 2.1 方向电流 段整定计算.2 2.1.1 方向电流的整定 .2 2.1.2 保护 4、5 的 段动作电流的整定 .3 2.1.3 灵敏度校验 .

7、4 2.1.4 动作时间的整定 .5 2.2 保护 5、7、9 方向电流段整定计算.5 2.3 方向电流段动作时间整定计算及方向元件的安装.8 第 3 章 硬件设计.9 3.1 功率方向保护设计总体设计方案.9 3.2 电压电流数据采集.9 3.3 报警显示电路设计.10 3.4 时钟电路设计.10 3.5 人机对话接口电路设计.11 3.6 cpu 最小系统图 .12 第 4 章 软件设计.13 4.1 主程序流程图设计 .13 4.2 模拟量检测流程图设计 .14 第 5 章 matlab 建模仿真分析 .15 4.1 matlab 系统仿真图 .15 4.2 仿真波形.15 第 6 章

8、课程设计总结.18 第 7 章 参考文献.19 第 1 章 绪论 1.1 输电线路电流保护概述 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

9、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。 1.2 本文主要内容 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

10、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功率方向保护。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。 主要对保护段的 段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定、方向 电流段的整定计算和方向电流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。 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、电网各个元件 参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护功率方向保护的整定计算和校验、 对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设 计的重点。 第 2 章 输电线路方向电流保护整

11、定计算 2.1 方向电流 段整定计算 2.1.1 方向电流的整定 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 xg1 1 xl1 3 xg3 2 xl3 4 xbc 5 xcd 6 xde 7 图 2.2 系统最小运行方式等效电路图 由条件可知： 10 321ggg xxx 16 321lll xxx ,16 bc x12 cd x12 de x 所以最大运行方式的等值阻抗为： 8 . 8)(|)|( 332121min3lgllgg xxxxxxx xg1 1 xl1 4 xg2 2

12、 xl2 5 xg3 3 xl3 6 xbc 7 xcd 8 xde 9 最小运行方式下的等值阻抗为： 14)(|)( 3311max3lglg xxxxx 则 c 母线的最大短路电流为： ka xx e i bc kc 88 . 0 min3 max 同理 d 母线的最大短路电流为： ka xxx e i cdbc kd 47 . 0 min3 max e 母线的最大短路电流为： ka xxxx e i decdbc ke 35 . 0 min3 max 于是可以求出保护 1、2、3 的第一段动作电流分别为： kaiki kcrelop 576 . 0 max 1 1 kaiki kdrel

13、op 866 . 0 max 1 2 2.1.2 保护 4、5 的 段动作电流的整定 图 2.3 系统接线图 各段线路的阻抗为： 244 . 060 21ll xx164 . 040 2l x164 . 040 bc x 124 . 030 cd x84 . 020 de x 系统接线图如图 2.3 所示，由电流速断保护的动作电流应躲过本线末端的最大 短路电流， b a g 1 1 23 l3 l2 l1 ed c g 2 g 3 98 76 54 保护 4 = 1.423a x)x(x )( l3l2g211 )3( max lg ka xx e i 1624)(15 )2415( 3115

14、 a76 . 1 423. 12 . 1 )3( max op4iikkarel 保护 5 a 14 . 2 1615 3115 xl3 3 )3( max g kb x e i a48 . 2 07. 22 . 1 )3( max op5iikkbrel 因为 所以在 4qf 加方向元件 ii (3) maxkb 4op 2.1.3 灵敏度校验 校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足灵敏度 sen k 的要求。 （2- min 41 min 4 4 31 3 sen lx l k lx l 1） 保护 4 的灵敏度校验 =8.05 i op min1 4 2i 3 s e

15、 lx maxs x 3 1153 0 2 2.05 2 =30 4 op x 321 lll xxx28 2816 =36.37%15%满足灵敏度要求所以合格 sen k 4 min1 op x lx10.91 30 保护 5 的灵敏度校验 （2- min 51 min 5 5 31 3 sen lx l k lx l 2） =7.09 maxmin1 5 2 3 x op s x i e lx 3 1153 16 2 2.49 16 35 lop xx =44.31%15%, sen k 7.09 16 满足灵敏度要求所以合格 2.1.4动作时间的整定 因为无时限电流速断保护不必外加延时元

16、件即可保证保护的选择性，也就是说 电流保护第 i 段的人为延时，所以电流保护第 i 段的动作时间为 0。即 t=t=0 4op 5op 2.2 保护 5、7、9 方向电流段整定计算 由于无时限电流速断保护只能保护线路的一部分,而该线路的剩下部分的短路故 障必须依靠另外一种电流保护,即带时限的电流速断保护对于此种保护的动作电流整 定为: 保护 5段与保护 3 配合 （2- brel kk 5 op i 3） a 300 max.lcbop ：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 b k 45 . 1 11 3311 lg s lg s ab b b xx e xx e i i k =/1.

17、67=220.54a brel kk 5 op i30015 . 1 1654.65a 33 )2( kb 2 3 i lg s xx e 1616 3115 2 3 =8.21.4 满足灵敏度要求 5 op 2) kb i i （ sen k 6.3220 8.81796 与相邻保护 3段配合 65 . 1 11 3311 lg s lg s ab b b xx e xx e i i k （2- 5 op 2) kb i i （ sen k 4） a 200 max. 2 ldc 分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。 所以：1k 4 b =/=230a 3 op i 2

18、oprel ik 4 b k1/20015 . 1 =/=154.54a 5 op i 3 oprel ik b k7.61/23015 . 1 =11.351.4 此结果满足灵敏度要求 5 op 2) kb i i （ sen k 8.3158 8.81796 =1s 5 op ttt 3 op ttt 2 op 保护 7段与保护 3 配合 （2- brel kk 5 op i 5） a 300 max.lcbop ：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 b k 52 . 1 11 3311 lg s lg s ab b b xx e xx e i i k =/1.67=220.54a

19、 brel kk 5 op i30015 . 1 1654.65a 33 )2( kb 2 3 i lg s xx e 1616 3115 2 3 =8.21.4 满足灵敏度要求 5 op 2) kb i i （ sen k 6.3220 8.81796 与相邻保护 3段配合 36 . 1 11 3311 lg s lg s ab b b xx e xx e i i k （2- 5 op 2) kb i i （ sen k 6） a 200 max. 2 ldc 分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。 所以：1k 4 b =/=240a 3 op i 2 oprel ik 4

20、 b k1/20015 . 1 =/=132.56a 5 op i 3 oprel ik b k7.61/23015 . 1 =13.531.4 此结果满足灵敏度要求 5 op 2) kb i i （ sen k 8.3158 8.81796 =1s 5 op ttt 3 op ttt 2 op 保护 9段与保护 3 配合 （2- brel kk 5 op i 7） a 300 max.lcbop ：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 b k 45 . 1 11 3311 lg s lg s ab b b xx e xx e i i k =/1.67=220.54a brel kk 5

21、 op i30015 . 1 1654.65a 33 )2( kb 2 3 i lg s xx e 1616 3115 2 3 =8.11.4 满足灵敏度要求 5 op 2) kb i i （ sen k 6.3220 8.81796 与相邻保护 3段配合 65 . 1 11 3311 lg s lg s ab b b xx e xx e i i k （2- 5 op 2) kb i i （ sen k 8） a 200 max. 2 ldc 分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。 所以：1k 4 b =/=234a 3 op i 2 oprel ik 4 b k1/2001

22、5 . 1 =/=165.45a 5 op i 3 oprel ik b k7.61/23015 . 1 =11.461.4 此结果满足灵敏度要求 5 op 2) kb i i （ sen k 8.3158 8.81796 =1s 5 op ttt 3 op ttt 2 op 2.3 方向电流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） ，0t1 ttt 12 t2ttt 23 ，（无下一级，相当于末级） 57

23、93 tttt1.5st 0sttt 864 若 矛盾，所以需加方向元件。 54 54 , , bcopop aopop ktt ktt 又由于： 1.5sttt 975 0sttt 864 为简化保护接线和提高保护的可靠性，电流保护每相的第、段可共用 一个方向元件。电流保护第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 硬件设计 3.1 功率方向保护设计总体设计方案 功率方向保护硬件设计可分为：电流电压采集系统、开关设备状态检测、a/d转 换系统、单片机系统、显示系统、报警系统等几个部分。先由电

24、流电压采集器得到 所需要的电流和电压，再经过开关设备状态检测系统控制开关量的输入与输出，经 过a/d转换电路使单片机能够识别的信号，最后由单片机来控制输出及报警和显示。 其总体框图如图3.1 所示。 开关设备 状态检测 a/d 转 换电路 单片机 声光报警电路 led 显示 控制输出 电流电 压数据 采集 图 3.1 功率方向保护总体框图 3.2 电压电流数据采集 电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微 机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流 信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号进行变换。 此外，为保证

25、后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经低通滤波环节 进行滤波才允许输入到采样保持电路，供 cpu 发出信号进行采样。 低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环节则 选择较常用的 lf-398 采样芯片。其逻辑输入端 s/h 由 cpu 中的定时器按一定时序控 制，从而控制何时采样、何时保持。当逻辑输入端即 s/h=1，即电平为高时，为采 样功能；当逻辑输入端即 s/h=0，即电平为低时，为保持功能。 低通滤波及采样保持电路如图 3.2 所示。 图 3.2 低通滤波及采样保持电路 3.3 报警显示电路设计 报警电路采用声光报警器。由扬声器 by，普通红色发光三极

26、管等组成。其中 at89c51 的 p3.5 引脚经电阻接到发光三极管 n 端，当输出为低电平时，三极管将闪 烁发光。达到声光同时报警的效果。通过复位停止报警。如图 3.3 所示。 p3.5(t1) at89c51 r 10k q vcc ls . 图 3.3 声光报警电路 3.4 时钟电路设计 计算机在工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一排一排的进行。这个脉冲是由 单片机控制器中的时序电路发出的。而时钟电路就是用于产生单片机工作所需的时 钟信号，没有时钟电路，单片机就无法工作。时钟信号可以有两种方式产生：内部 时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，其原理如图 3.4 所示。 其中 c

27、1、c2 值为 30pf,晶振频率为 12mhz。 图 3.4 内部时钟振荡电路 3.5 人机对话接口电路设计 led 显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译码 静态显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段 码电平，该位就能保持相应的显示字符。电路中采用了锁存译码器将 p1 口低 4 位输 出的 bcd 码译成七段字型码，利用 p1 口高四位做为各锁存译码器的所存信号，实现 稳定显示。led 使用的是共阴极 7 段数码管。数码管显示电路如图 3.5 所示。 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

28、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。本设计采用的是矩阵式按键键盘，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 3.6 所示。 xt al 2 xt al 1 at 89c51 c1 30pf c2 30pf y1 . a a b a a a b b b c c c c c d d d d d d d d cece cece ce ce 1 1 1 1 p1.3 p1.0 p1.1 p1.2 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 a c d b e f g h h a b c c d d e e f f g g a b b c

29、 c d e f g h a b c d d e f g g h 89c51 a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g dpy_7-seg a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g dpy_7-seg a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g dpy_7-seg a bf c g d e dpy ledgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g dpy_7-seg . . 图 3.5 led 显 示

30、 电 路 int0 p2.0 p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 p2.7 at89c51 1 2 3 1 2 3 1 2 3 r1 4k r2 4k r3 4k r4 4k +5v+5v . . . . 开始 初始化 数据处理子程序 声光报警 a/d 转换子程序 大于阈值？ 图 3.6 键盘电路 3.6 cpu 最小系统图 p2.0 p2.1 p2.2 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 q0 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 a9 a10 stb p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.

31、4 p0.5 p0.6 p0.7 i/o0 i/o1 i/o2 i/o3 i/o4 i/o5 i/o6 i/o7 oe we rd wr alece xtal2 xtal1 vcc reset vss at89c51 c1 30pf c2 30pf y1 gnd . . 8282 6116 gnd . . c 22uf r2 1k r1 200 s?sw -pb vcc gnd . 图 3.7 cpu 最小系统图 第 4 章 软件设计 4.1 主程序流程图设计 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、a/d转换中 断服务模块、数据处理等模块。 主程序的任务是对中断、定时器、

32、各种接口芯片及变量进行初始化，对装置自 检，循环执行检测，等待按键处理模块的中断请求（int0）和a/d转换结束产生的中 断请求，在a/d转换中断服务执行完毕时发出有效的软中断请求，主程序将执行本软 件的核心模块执行，执行完模块后，返回到主程序循环判断处，等待下一次中断。 本次试验将a/d转换子程序和数据处理子程序结合在一起，检验数据是否大于阈 值，若大于则报警，反之，就不报警。主程序流程图如图4.1所示。 图4.1 主程序流程图 4.2 模拟量检测流程图设计 a/d 转换子程序流程图如下图 4.2 所示。adc0809 初始化后，把 0 通道输入的 0-5v 的模拟信号转换为对应的数字量 0

33、0h-ffh，然后将对应数值存储到内存单元。 程序框图如图 4.2 所示。 n y 图 4.2 模拟量检测流程图 启动 adc0809 通道，并延时 100s 读出 a/d 转换结果 结果存入内存单元 开始 返回 转换完？ 第 5 章 matlab 建模仿真分析 4.1 matlab 系统仿真图 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 5.1 matlab 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

34、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。 4.2 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）模拟电流段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图 4.2 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。电流段成功按时动作。 图 5.2 电流段仿真波形图 2）模拟电流段保护动作，在电流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 4.3 所示: 图 5.3 电流段仿真波形图 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。电流段成功按时动作。 3）模拟电流段保护动作，在电流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，