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.本科生课程设计（论文）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

2、专业班级电气 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,10,3/1151gxkve,25,1532ggxxl1=l2=60km,l3=40km,lb-c=40km,lc-d=30km,ld-e=20km,线路阻抗 0.4/km,2 . 1irelkrelk15. 1relk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，电流继电器返回系数 kre=0.85。最大运行方式：三台发电机及线路

3、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。bag1

4、123l3l2l1edcg2g3987654系统接线图本科生课程设计（论文）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

5、60% 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）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

6、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；方向元件本科生课程设计（论文）本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论.11.1 输电线路电流保护概述.11.2 本文主要内容.1第 2 章 输电线路方向电流保护整定计算.22.1 方向电流 段整定计算.22.1.1 方向电流的整定 .22.1.2 保护 4、5 的 段动作电流的整定 .32.1.3 灵敏度校验 .42.1.4 动作时间的整定 .52.2 保护 5、7、9 方向电流段整定计算.52.3 方向电流段动作时间整定计算及方向元

7、件的安装.8第 3 章 硬件设计.93.1 功率方向保护设计总体设计方案.93.2 电压电流数据采集.93.3 报警显示电路设计.103.4 时钟电路设计.103.5 人机对话接口电路设计.113.6 cpu 最小系统图 .12第 4 章 软件设计.134.1 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 .154.1 matlab 系统仿真图 .154.2 仿真波形.15第 6 章 课程设计总结.18第 7 章 参考文献.19本科生课程设计（论文）1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

8、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

9、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

10、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。本科生课程设计（论文）2第 2 章 输电线路方向电流保护整定计算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

11、图： 图 2.1 系统最大运行方式等效电路图xg11xl13xg32xl34xbc5xcd6xde7 图 2.2 系统最小运行方式等效电路图 由条件可知：10321gggxxx16321lllxxx,16bcx12cdx12dex所以最大运行方式的等值阻抗为：8 . 8)(|)|(332121min3lgllggxxxxxxxxg11xl14xg22xl25xg33xl36xbc7xcd8xde9本科生课程设计（论文）3最小运行方式下的等值阻抗为：14)(|)(3311max3lglgxxxxx则 c 母线的最大短路电流为： kaxxeibckc88. 0min3max同理 d 母线的最大短路

12、电流为： kaxxxeicdbckd47. 0min3maxe 母线的最大短路电流为： kaxxxxeidecdbcke35. 0min3max于是可以求出保护 1、2、3 的第一段动作电流分别为：kaikikcrelop576. 0max11kaikikdrelop866. 0max12 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 . 06021llxx164 . 0402lx164 . 040bcx 124 . 030cdx84 . 020dex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，bag11

13、23l3l2l1edcg2g3987654本科生课程设计（论文）4保护 4 = 1.423a x)x(x )(l3l2g211)3(maxlgkaxxei 1624)(15 )2415(3115a76. 1423. 12 . 1)3(maxop4iikkarel保护 5a14. 216153115 xl33)3(maxgkbxei a48. 207. 22 . 1)3(maxop5iikkbrel因为 所以在 4qf 加方向元件ii(3)maxkb4op 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senk的要求。 （2-min 41 min 4431

14、 3senlx lklx l1）保护 4 的灵敏度校验=8.05iopmin142i3selxmaxsx3 115302 2.052 =304opx321lllxxx28 2816=36.37%15%满足灵敏度要求所以合格senk4min1opxlx10.9130保护 5 的灵敏度校验 （2-min 51 min 5531 3senlx lklx l2）=7.09maxmin1523xopsxielx3 1153162 2.491635lopxx本科生课程设计（论文）5=44.31%15%,senk7.0916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

15、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=04op5op2.2 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-brelkk5opi3） a300max.lcbop ：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。bk 45. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik =/1.67=220.54a brelkk5opi30015. 1 1654

16、.65a33)2(kb23ilgsxxe1616311523 =8.21.4 满足灵敏度要求 5op2)kbii（senk6.32208.81796 与相邻保护 3段配合65. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik （2-5op2)kbii（senk4）本科生课程设计（论文）6 a200max.2ldc 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：1k4b =/=230a 3opi2oprelik4bk1/20015. 1 =/=154.54a 5opi3oprelikbk7.61/23015. 1 =11.351.4 此结果满足灵敏度要求 5op2)kbi

17、i（senk8.31588.81796 =1s 5opttt3opttt2op 保护 7段与保护 3 配合 （2-brelkk5opi5） a300max.lcbop ：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。bk 52. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik =/1.67=220.54a brelkk5opi30015. 1 1654.65a33)2(kb23ilgsxxe1616311523 =8.21.4 满足灵敏度要求 5op2)kbii（senk6.32208.81796 与相邻保护 3段配合36. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik （2-5op

18、2)kbii（senk6） a200max.2ldc 分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。本科生课程设计（论文）7 所以：1k4b =/=240a 3opi2oprelik4bk1/20015. 1 =/=132.56a 5opi3oprelikbk7.61/23015. 1 =13.531.4 此结果满足灵敏度要求 5op2)kbii（senk8.31588.81796 =1s 5opttt3opttt2op 保护 9段与保护 3 配合 （2-brelkk5opi7） a300max.lcbop ：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。bk 45. 1113311lg

19、slgsabbbxxexxeiik =/1.67=220.54a brelkk5opi30015. 1 1654.65a33)2(kb23ilgsxxe1616311523 =8.11.4 满足灵敏度要求 5op2)kbii（senk6.32208.81796 与相邻保护 3段配合65. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik （2-5op2)kbii（senk8） a200max.2ldc 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：1k4b本科生课程设计（论文）8 =/=234a 3opi2oprelik4bk1/20015. 1 =/=165.45a 5

20、opi3oprelikbk7.61/23015. 1 =11.461.4 此结果满足灵敏度要求 5op2)kbii（senk8.31588.81796 =1s 5opttt3opttt2op2.3 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） ，0t1ttt12t2ttt23，（无下一级，相当于末级） 5793tttt1.5st 0sttt864若 矛盾，所以需加方向元件。5454,bcopopaopopktt

21、ktt又由于： 1.5sttt9750sttt864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。本科生课程设计（论文）9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，

22、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

23、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本科生课程设计（论文）10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

24、图 3.3 所示。p3.5(t1)at89c51r10kqvccls.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本科生课程设计（论文）11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 c1、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

25、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

26、示。xt al 2xt al 1at 89c51c130pfc230pfy1.本科生课程设计（论文）12a abaaabbbcccc cd d ddd dd dcececececece1111p1.3p1.0p1.1p1.2p1.4p1.5p1.6p1.7acdbefghhabc cd de ef fg gab bc cdefghabcd defg gh89c51abfcgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-segabfcgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-segabfcgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-segabf

27、cgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-seg. .图3.5 led显示电路int0p2.0p2.1p2.2p2.3p2.4p2.5p2.6p2.7at89c51123123123r14kr24kr34kr44k+5v+5v. . .本科生课程设计（论文）13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p2.0p2.1p2.2d0d1d2d3d4d5d6d7q0q1q2q3q4q5q6q7a0a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10stbp0.0p0.1p0.2p0.3p0.4p0.5p0.6p0.7i/o

28、0i/o1i/o2i/o3i/o4i/o5i/o6i/o7oewerdwralecextal2xtal1vccresetvssat89c51c130pfc230pfy1gnd.82826116gnd.c22ufr21kr1200s?sw -pbvccgnd.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、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

29、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。本科生课程设计（论文）14 图4.1 主程序流程图本科生课程设计（论文）154.2 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 00h-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

30、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？本科生课程设计（论文）16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

31、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，之后经过本科生课程设计（论文）17一个很小的延时 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

32、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，之后本科生课程设计（论文）18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，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 4.4 所示:图 5.4 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