16220kV输电线路距离保护设计2

1、辽 宁 工 业 大 学微机继电保护课程设计（论文）题目：220kV输电线路距离保护设计（2）院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：课程设计（论文）报告的内容及其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等）设计(论文)任务及评语中文摘要 （黑体小二，居中，不少于200字）目录正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）参考文献2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字周数。3、封面格式4、设计（论文）任务及评语格式5、目录格式标

2、题“目录”（小二号、黑体、居中）章标题（小四号字、黑体、居左）节标题（小四号字、宋体）页码（小四号字、宋体、居右）6、正文格式页边距：上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订；字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；行距：20磅行距；页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。示例：（五号宋体）期刊类：序号作者1,作者2,作者n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次.图书类：序号作者1,作者2,作者n.书名.版本.出版地:出

3、版社，出版年:页次.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130303016学生姓名高逸飞专业班级电气131班课程设计（论文）题目220kV输电线路距离保护设计（2）课程设计（论文）任务8E6562km38km2174330kmDCBA系统接线图系统接线图如图：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线路每公里阻抗为Z1=0.38/km,线路阻抗角为L=64,AB、BC线路最大负荷电流为800A,负荷功率因数为cosL=0.9,。电源电势为E=230kV, ZsAmax=13,ZsAmin=8,ZsBmax=30,ZsBmin=15。归算至

4、230kV的各变压器阻抗为156,容量ST为30MVA。其余参数如图所示。一、整定计算1.计算保护1距离保护第段的整定值和灵敏度。2.计算保护1距离保护第段的整定值和灵敏度。3.计算保护1距离保护第段的整定值和灵敏度。4.分析系统在最小运行方式下振荡时，保护1各段距离保护的动作情况。5.当距保护1出口20km处发生带过渡电阻Rarc=12的相间短路时，保护1的三段式距离保护将作何反应（设B母线上电源开路）？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

5、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：距离保护I段、II段、III段的整定计算。第三天：系统振荡和过渡电阻的影响分析。 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

6、制计算摘 要随着现代电网技术的改进，现代电网环境能很好满足输电线路的电压电流保护构成简单或者没有特殊要求的的中低压电网。但是随着人们用电量和对电网保护灵敏度的提升，再者对保护计算要求的简单化，这使得普通保护在35KV及以上的复杂网络中很难适用，因此本文设计了性能较为优越的输电线路保护方案。本文主要设计是针对220kV输电线路距离保护，按招保护要求照躲开下一条线路出口处短路的原则计算保护1距离保护第段、第段、第段的整定值和灵敏度。分析系统在最小运行方式下振荡时，保护1各段距离保护在电压电流互感器采集到电压电流值之后经模数转换送到CPU，然后CPU经过数据的判断来发出信号控制动作情况。并且分析在具

7、体故障点给定后，保护1的三段式距离保护的反应。并且对设计的距离保护进行了建模和详细的分析，并且采用MATLAB建立电力系统三段式距离保护的模型，进行仿真分析。最后对本课设的设计过程进行了总结和分析。关键词：三段式距离保护；MATLAB仿真；灵敏度校验目 录第1章 绪论1 1.1 距离保护概述1 1.2 本文研究内容1第2章 输电线路功率方向保护整定计算22.1 保护1距离保护的段整定计算22.2 保护1距离保护的段的整定22.3 保护1距离保护的段整定32.4 系统振荡和短路的影响分析4第3章 硬件电路设计53.1 单片机最小系统设计53.2 报警电路设计83.3 模拟量检测电路83.4开关量

8、输入输出电路93.4.1开关量输入电路93.4.2开关量输出电路9第4章 软件设计114.1 主程序流程图114.2 模拟量采集流程图设计12第5章 实验验证及分析135.1 MATLAB软件简介135.2 距离保护仿真波形及分析14第6章 课程设计总结16参考文献17第1章 绪论1.1 距离保护概述电力是如今社会发展所缺少的主要能源，其应用广泛，地位重要。电力系统的稳定安全以及经济性，对人民的生活乃至社会稳定都有着极大地影响。其中在输电线路上的保护尤为重要，我们一般使用作用于断路器的过电流继电器对线路进行保护，达到反应快，误差小，精度快等优点。使用距离保护时应该注意：任何阻抗继电器均需克服机

9、械阻力或阈电压才能动作，所以输入继电器的电流不能太小。输入继电器的电流较小时，继电器的起动阻抗将下降，使距离继电器的实际保护范围缩短，这将影响到与相邻线路距离元件的配合，甚至引起非选择性动作。为把起动阻抗的误差限制在一定范围内,规定了精确工作电流这一指标。当输入电流等于阈电压时,继电器的起动阻抗下降到整定值的90%；当输入电流大于阈电压时,就可保证起动阻抗的误差在10%以内。因此精确工作电流愈小,则继电器愈灵敏。当系统发生振荡时，靠近系统振荡中心处的距离保护所测得的电压很低、电流很大，即阻抗很小。为避免在系统振荡时距离保护装置误动作，应加设振荡闭锁装置。在电压互感回路断线时也将造成距离保护误动

10、作，也应增设闭锁元件。距离保护采用的阻抗继电器的接线方式一般为，对相间保护，用0度接线方式；对接地距离保护采用带零序电流补偿的接线方式。1.2 本文研究内容 本文主要对电力系统中，220kV输电线路距离保护进行设计。 其主要内容如下：（1） 首先对系统中保护1的各段整定值和灵敏度进行了整定计算。（2） 分析了系统在最小运行方式下振荡时，保护1各段距离保护的动作情况。（3） 分析其在距离发电机一定距离的故障点处保护1的三段式距离保护的动作情况。（4） 分析各段保护的动作过程，并且采用MATLAB建立简单电力系统三段式距离保护的模型，进行仿真分析。第2章 输电线路功率方向保护整定计算2.1 保护1

11、距离保护的段整定计算距离I段的整定方法按照躲开下一条线路出口处短路的原则整定 其中=0.8，通过该公式计算距离保护第段动作阻抗确定动作时间：t=0s整定阻抗角与线路阻抗角相等，而保护区域为被保护线路全长的80%。2.2 保护1距离保护的段的整定AB线路的断保护与相邻线路BC的I段保护相配合。当1QF护第段与BC线段第段配合时，有：3QF的段保护为故灵敏度校验： 满足要求。动作时间：t=0.5s2.3 保护1距离保护的段整定 在本设计中保护元件采用的为方向保护元件，因此段保护要躲过最小负荷阻抗并且与相邻线路的段保护相配合。（一）躲过最小负荷阻抗，即： 由题意知：,即，而故按与相邻距离保护第段动作

12、时间配合，第段距离保护的动作时间为： （二）与相邻线距离保护第段配合，即：，应取为相间距离保护第段的整定值。按与相邻距离保护第段配合，第段距离保护的动作时间为：进行距离保护第段的灵敏度校验：当作为近后备时，当作为远后备时，动作时间为2.4 系统振荡和短路的影响分析当系统发生振荡时，系统的三相对称，因此可研究一相从而得出其余两项的情况。当不考虑振荡同时发生短路时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点。两侧电源电势和电势相等，相角差为系统中各元件阻抗角均相等，以表示不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。当 且系统中各元件阻抗角相等时，则系统在最小运行方式下振荡时，其阻抗值大于I段保护的电阻

13、而小于II段保护的电阻，因此相间距离保护I段不动作但是II段动作。又由于动作时间大于III段保护动作的时间，所以相间距离保护III段不动作。 当系统当距保护1出口20km处发生带过渡电阻Rarc=12的相间短路时，由于在AB段的百分之八十以内，所以相间距离保护I段动作而II段和III段由于有延时不动作。第3章 硬件电路设计3.1 单片机最小系统设计 CPU的选择本次程设计选择89C51单片机为中央处理器（CPU），AT89C51可靠性高、实时性好、速度快、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失 , 其性能价格比远高于同类芯片，并且其与各大公司的MC-51系列单片机兼容。9C51内部资源： （1）

14、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到24MHz （3）片内4KBFlashROM程序存储器。（4）128B片内数据存储器。（5）可寻址64KB的片外程序存储器和片外存储器控制电路（6）2个16位的定时/计数器。（7）有4个并行I/O接口分别为P0、P1、P2和P3口，共32条可单独编程的I/O线。 （8）5个中断源，2个中断优先级。（9） 一个全双工的异步串行口（10）21个特殊功能寄存器（11）具有节电工作模式，即休闲方式和掉电保护方式89C51引脚可分为3类： （1）电源及时钟引脚：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2。 （2）控制信号引脚：、ALE、

15、RESET（RST）。 （3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3为四个8位I/O口的外部引脚。89C51芯片的I/O口： （1） P0口：P0口有两个用途，一是作普通I/O口使用；二是作低8位地址数据总线使用。 （2） P1口：P1口只做作普通I/O使用。 （3） P2口：P2口有两个用途，一是作为普通I/O口使用；二是作高8位地址线。 （4） P3口：P3口是一个多功能端口，除了有准双向I/O功能外，还具有第二功能。引脚如图3.1所示图3.1 AT89C51引脚图复位电路的设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此复位电路对单片机是非常重要的。单片机的复位都是

16、靠外部的复位电路来实现复位的，当时钟电路工作后，在单片机的RESET引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。为了保证单片机可靠的复位，实际设计电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平。本设计采用按键式复位电路，原理图如图3.2所示。本设计采用的12MHz晶振，所以一个机器周期就是1us，要复位就加2us的高电平。图中的RC常数是1.5K22uF=33ms，这个常数足够可以使单片机可靠复位。图3.2 复位电路时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。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，原理图如图3.3所示，在XT

17、AL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。图3.3 时钟电路原理图时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个33pF 的瓷片电容组成。时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。综上所述整体的最小系统电路图如图3.4所示图3.4 最小系统电路图3.2 报警电路设计报警电路是由PNP的发射极接蜂鸣器的一端，其集电极接地，蜂鸣器的另一端接入电源VCC。报警电路的作用是当电流有效值大小达到或超过上限时进行报警，报警电路与单片机的P2.3口相连当单片机输出一个低电平时，蜂鸣器就会发出报警信号，达到其

18、要求。报警电路如图3.5所示 图3.5报警电路图3.5 报警电路3.3 模拟量检测电路本文采用的采样法为交流采样法，采用电压互感器电流互感器获取机端电压和电流。而由于模数转换器只能对一定范围内的电压进行转换，所以还需将电压互感器和电流互感器测得的电压和电流转换成模数转换器能够识别范围的大小。本文采用电压转换器UV来实现电压信号的转换，用电流转换器UA来实现电流信号的转换。其变换器原理如3.6图所示。图3.6 变换器原理图3.4开关量输入输出电路3.4.1开关量输入电路对于装在微机继电保护装置面板上的切换开关、按钮、键盘等内部开关触点可直接接到并行口，如图3.7，从装置外部引入的触点必须经过光耦

19、合器芯片，如图3.8，其工作原理为：当外部触点接通时，光耦合器的二极管导通，光耦合器的二极管也导通，其集电极输出低电位，当外部触点断开，光耦合器的二极管不导通，于是晶体管截止，集电极输出高电位。CPU读并行口该位的状态。采用光耦合器芯片后，将可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机的电路部分之间隔离，两者无直接联系，而光耦合芯片的两个互相隔离部分的分布电容仅仅是几皮法，因此可以大大削弱干扰。图3.7 开关量输入图3.8 外部输入3.4.2开关量输出电路该电路采用有两根并行口输出线及与非门电路来控制开关量输出驱动电路。在图中PB0经一反相器。而PB1却不经过反相器，这样接可以防止拉合直流电源的过程中

20、继电器K的短时误动。当5V电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5V电源还是驱动继电器K用的电源U，都可能相当缓慢的上升或下降，从而完全可能来得及使继电器的触点短时闭合。采用如图接法，有效地防止了继电器的误动作。开关量输出电路，用于驱动各种继电器，如跳闸出口继电器、重合闸出口继电器、装置故障报警继电器等。可采用图3.9所示电路，只要P2.3输出低电平，P2.2输出高电平，或非门即输出低电平，光敏晶体管导通，继电器K吸合，采用两个并行口一方面提高了带载能力，另一方面，增加了抗干扰能力。P2.1

21、口具有自检能力，当该位为高电平，说明开出电路正确，否则说明开出电路有短路故障。图3.9 开关量输出系统第4章 软件设计4.1 主程序流程图本设计采用单片机进行系统控制，首先电压互感器和电流高互感器完成对电压和电流的采集并且送入转换模块，在转换模块内对接收到的电压和电流进行转换，将电压和电流转换成模数转换器可识别的信号，然后模数转换器将模拟信号转换为数字信号送入单片机内，单片机对信号进行分析输出反馈信号从而完成对发电机的控制。主程序流程图如图4.1所示。当系统供电之后，单片机自动初始化，采样模块将进行数据的采集送入转换模块，再经模数转换器将收集到的信号返回到单片机，单片机进行判断来完成保护的动作

22、。初始化参数计算开中断保护动作开 始Yes No是否符合要求图4.1 主程序流程图4.2 模拟量采集流程图设计本设计对线路电流电压的检测至为重要，因为它反映了线路是否发生故障，而且也决定发生故障后线路第几段动作，因此线路电压电流的采集在本系统中显得尤为重要。模拟量的采集流程图如图4.2所示。输入检测装置检测线路电压电流的变化进行数据转换输出图4.2 模拟量采集流程图第5章 实验验证及分析5.1 MATLAB软件简介 MATLAB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

23、部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB具有以下几个优点：1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学 运算分析中解脱出来；2)

24、具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。本设计的仿真图如图5.1所示。图5.1 距离保护仿真电路图5.2 距离保护仿真波形及分析当系统处于正常状态时，此时电压的波形是电压三相对称，并且互差120度角 。而电流波形也是相互对称并且相差120度。电流和电压波形如图5.2所示图5.2 正常状态下时系统的电流和电压波形图系统发生设计中的线路故障时的各相电压电流波形如图5.3和图5.4所示。改变故障类型仿真得到如下结论：接

25、地距离保护对于范围内的相间短路不会动作，并且各段中的相间距离保护对于保护范围内的单相接地故障也不会动作。图5.3 故障线路的相间电压波形图5.4 故障线路的相间电流波形当线路发生BC两相接地故障时BC两相电压减小到零，并且A相电压增大。其波形图如图5.5所示。线路两相接地故障时的电压波形图反映了系统发生两相接地故障的过程中，故障线路的电压变化，根据系统的发生故障后电流电压的变化，发现距离保护能够反映保护范围内的各种相间故障和接地故障，实现了本线路保护和后一级级线路的后备保护。仿真结果表明，所建立的保护模型具有实时性和正确性，符合上文的计算结论图5.5 线路两相接地故障时的电压波形图第6章 课程

26、设计总结通过本次课设使我更加深刻地了解了电力系统中的距离保护，是我意识到了距离保护的重要性和其优越性。本课程设计主要研究了距离保护的原理和方案，对保护1的三段保护进行了整定值的计算和灵敏度的校验，确定了各段保护的动作时间，并且对系统可能出现的震荡和短路过电阻尽行了分析。最后利用MATLAB建立系统模型进行了仿真并且对仿真结果进行了分析。在计算中由于对概念和动作过程了解的不够详细，计算灵敏度的时候也出现了错误，导致后续的分析出了很大的问题。时候及时的修正路数据，才避免了后面的计算错误。计算出来的数据一定要留出一定的裕量，方便实际中的断路器和其他元件电气参数的合理选取。对于仿真后出现的波形也要仔细分析，观察是否符合预期的设计要求。通过本次课设，是我更深入地了解了线路距离保护的原理与理