110kV输电线路零序电流保护设计2

微机继电保护课程设计（论文）题目：110kV输电线路零序电流保护设计（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：本科生课程设计（论文）本科生课程设计（论文）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续表进进度计划第一天：收集资料，确定设计方案。第二天：计算综合阻抗和零序电流，零序I段的整定计算。第三天：零序II段、零序III段的整定计算。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%以百分制计算摘要随着时代的进步，电力系统的规模在不断扩大，用户对电能质量的要求也在不断提高。因此，对继电保护装置本身的要求也越来越高，微机继电保护具备了传统保护所没有的优良特性。本设计首先简要介绍了电力系统微机继电保护的发展、技术构成及其发展方向。其次对硬件、软件的结构做了分析，它的硬件结构核心由P89C51RD和DSP2181组成，CPU完成装置的总启动和人机界面及与外围设备的通信功能,CPU内设总启动元件，启动后开放出口继电器正电源,使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。最后本文对装置进行了软件结构设计，对各个模块的功能作了具体介绍本文研究的110kV输电线路微机零序电流保护原理分析与程序设计是由计算机实现的线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式，适用于110kV的输电线路。关键词：微型机保护;110kV输电线路;零序电流;重合闸

目录第1章绪论1第2章输电线路零序电流保护整定计算22.1零序电流Ι段整定计算22.1.1零序电流Ι段动作电流的整定62.1.2灵敏度校验72.1.3动作时间的整定92.2零序电流Ⅱ段整定计算102.3零序电流Ⅲ段整定计算10第3章硬件电路设计123.1CPU最小系统图123.2110KV输电线路零序保护的硬件123.3数据采集系统133.1电压形成回路143.3.2采样保持和模拟低通滤波143.3.3多路转换开关和模数转换153.4开关量输入输出系统164.1开关量输入输出模块163.4.2开关量输入部分174.3开关量输出部分183.5电源模块20第4章软件设计204.1软件结构分析概述204.2程序总框图214.3中断程序模块234.4各程序的子模块介绍234.1初始化234.2启动元件244.3零序方向电流保护254.4.4重合闸及后加速254.5微机保护的算法264.5.1输入为正弦量的算法264.5.2突变量电流算法274.5.3选相方法284.5.4傅里叶级数算法30第5章实验验证及分析345.2仿真结果及分析34第6章课程设计总结36参考文献37 主程序模块主程序模块包括初始化、全面自检、开放中断与等待中断、数据传输通信等环节。①初始化初始化是指保护装置在上电或按下复位键时首先执行的程序，它主要是对DSP芯片的工作方式及参数进行设置，以便在后面的程序中按预定的方案工作。首先F2812对自身的工作环境进行设置，初始化各种寄存器，按照电路设计的输入输出要求，设置每一个端口用作输入还是输出，初始化保护输出的开关量，以保证出口继电器均不动作；初始化DSP采样定时器，控制采样间隔时间等。②全面自检对装置的软硬件进行一次全面的自检，包括RAM、FLASH或ROM、各开关量输出通道、程序和定值等，以保证装置在投入使用时处于完好的状态。(1)RAM的读写检查对RAM某一单元写入1个数，再从中读出，并比较两者是否相等。如发现写入与读出的数不一致，说明随机存储器RAM有问题，则转至告警模块。并将告警信息显示在液晶显示屏上。(2)开出自检开出自检主要是检测开出通道是否正常，它是通过硬件开出反馈来检查的依次开出每一路开出量，并从反馈回路检查开出量是否正确。由于受启动继电器的闭锁，所以在开出每一路开出量时，保护并不会误动。(3)整定值检查每套定值在存入EEPROM时，都自动固化若干个校验码。若发现只读存储器EEPROM定值求和码与事先存入的定值和不一致，说明EEPROM有故障，转至告警模块，并将告警信息显示在显示器上。③参数刷新在经过全面自检后，应将所有的数据、标志字清零，因为每一个标志代表了一个“软件继电器”和逻辑状态，如果不清零，这些标志将控制程序流程的走向，以致无法达到预期的目的。④开放中断与等待中断经过初始化和全面自检后，表明装置的准备工作已经全部就绪，此时，开放中断，将数据采集系统投入工作。可编程的定时器将按照初始化程序规定的采样间隔Ts不断发出采样脉冲，控制各模拟量通道的采样和A／D转换，并在每次采样完成后向微型机请求中断，来实时监视和获取电力系统的采样信号。对保护计数器的值进行判断，该计数器用于保护起动元件动作后的6s延时计算。保护计数器不为零，说明在6s延时时间内，则进入等待中断流程；当保护计数器归零时，说明起动元件延时时间到，进入整组复归环节。⑤数据传输通信数据传输通信主要为串口收发数据。串口通信主要完成保护处理CPUTMS320F2812与管理CPULPC2220处理器之间的数据通信，包括DSP到ARM的数据上传显示，ARM到DSP的数据下传整定，以及相关通信控制标志位的置位与清零等，从而实现保护动作定值的查询、修改和保存，以及动作信息报告和各种实时参数的显示等。4.3中断程序模块在保护装置开中断后，每隔一个Ts，定时器就会发出一个采样脉冲，随即产生中断请求。保护装置先暂停一下系统程序的流程，转而执行一次中断服务程序，以保证对输入模拟量的实时采集，同时，实时地运行一次继电保护的相关功能。中断服务程序主要包括定时采样，电流求和自检，TV断线检查，以及启元件等功能。①控制数据采集系统，将8个模拟量输入通道的模拟量输入信号转换成数字量的采样值，然后存入RAM区的相应的地址单元中。采用全波傅氏算法等微型机保护算法对各数字量采样值进行计算。②将计算得到的各电力系统参数代入启动元件动作判据中，判断启动元件是否动作。若电力系统正常运行，保护启动元件不启动。系统进入自检程序。首先对每个采样点都检查三相电流之和是否与变压器中性点侧TA引入的零序电流3Io相等，如果不相等，则判定为采样回路出错，进行上传数据请求置位，将相应的报警信息上传给ARM。然后，系统进入TV断线检查模块，依据相应的判据对TV进行断线检查。TV断线判据如下：[1]负序电压大于8V，负序电流小于0.1A；[2]正序电压小于30V，相电流差突变量小于0.1A。系统确定TV二次断线时，发出“TV断线”信号，待电压恢复正常后信号复归。在TV断线期间，相应的TV断线标志位置“1”，并通过程序安排闭锁自动重合闸。这时保护将根据整定的控制字决定是否退出与电压有关的保护。③经过上述TV断线以及采样通道自检后，若互感器及数据采集系统均无异常，再次判断启动继电器是否动作。如果此时电力系统正常，则中断服务程序执行完毕后就回到主程序中被中断的地址处，继续循环自检。若启动继电器动作，则设置保护计数器的初始值，并通过保护计数器每次循环自减“l”来实现启动元件动作后自保持6s的时间。同时，系统修改中断返回地址和中断返回参数，使系统流程跳转至故障处理程序入口出。④在进入中断服务程序后，若启动元件动作，则装置闭锁掉采样通道检查，TV断线检测环节，直接跳转至修改中断返回地址和修改中断返回参数环节，从而进入故障处理程序中。这样可以使CPU集中时间处理故障处理程序，以便加快保护动作。在执行故障处理程序时，定时器仍将每隔一个TS发出中断请求，以保证采样不中断。4.4各程序的子模块介绍4.4.1初始化图4.2图4.2初始化流程图EPROM、各开关量输出通道等。这一次全面自检不包括对数据采集系统的自检，因为它尚未工作。对数据采集系统的检测安排在中断服务程序中。在经过全面自检后应将所有标志字清零，接着进行数据采集系统的初始化，包括对定时器以及采样数据寄存区地址指针的初始化等。完成数据采集系统的初始化后，即可开放中断，程序转入振荡闭锁模块。4.4.2启动元件启动元件的主体由反应相间工频变化量的过流继电器实现，同时又配以反应全电流的零序过流继电器和负序过流继电器互相补充；低周起动元件可经控制字选择投退。反应工频变化量的起动元件采用浮动门坎，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门坎，浮动门坎始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，而装置有很高的灵敏度。当外接和自产零序电流均大于整定值，且无交流电流断线时，零序起动元件动作并展宽7秒，去开放出口继电器正电源。4.4.3零序方向电流保护零序电流方向保护是反应线路发生接地故障时零序电流分量大小和方向的多段式电流方向保护装置，在我国大短路电流接地系统不同电压等级电力网的线路上，根据部颁规程规定，都装设了这种接地保护装置作为基本保护。电力系统事故统计材料表明，大电流接地系统电力网中线路接地故障占线路全部故障的80％一90％，零序电流方向接地保护的正确动作率约97％，是高压线路保护中正确动作率最高的一种。零序电流方向保护具有原理简单、动作可靠、设备投资小、运行维护方便、正确动作率高等一系列优点。当保护方向上有中性点接地变压器时，无论被保护线路对侧有无电源，保护反方向发生接地故障，就有零序电流通过本保护，因此，当零序电流I段不能躲过反向接地流过本保护的最大零序电流，或零序过电流保护时限不配合时，应配置零序方向元件以保证保的选择性。零序方向元件十分灵敏，3U电压应躲过不平衡电压的影响，否则不能保证判别接地故障方向的正确性。为此，零序方向元件只有在3U值达一定值时才投入工作，一般取值为2-3V。电压互感器二次回路断线时（零序方向元件取用自产零序电压），零序方向元件工作的正确性得不到保证，此时零序方向元件自动退出工作，零序方向电流保护变为零序电流保护。在电压互感器二次回路断线期间，可自动投入两段相电流元件。由于零序电流保护反映的是接地故障，不反映相间短路故障，因此不论零序电压取用母线侧电压互感器还是线路侧电压互感器，当三相合闸（自动重合和手动合）于出口接地故障时，零序方向元件可灵敏动作而没有死区，所以零序电流加速段经零序方向元件控制。零序电流加速段独立设置，定值和延时可独立整定。当然，本线末端接地故障时，加速段的灵敏度应满足要求；与零序电流速断相同，为躲过断路器三相触头不同时接通产生的零序电流，加速段的时限取100ms或200ms。此外，为防止合闸于空载变压器时励磁涌流引起零序后加速误动，零序加速段可以由控制字选择是否需要投入二次谐波闭锁，二次谐波的制动比选为18%。接地时零序分量的特点：①故障点的零序电压最高，离故障点越远处的零序电压越低，中性点接地变压器处零序电压为零。②零序电流的分布，主要决定于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。③在电力系统运行方式变化时，如果输电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。但电力系统正序阻抗和负序阻抗要随着系统运行方式而变化，将间接影响零序分量的大小。④对于发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。4.4.4重合闸及后加速自动重合闸装置是将因故跳开后的断路器按需要自动再投入的一种自动装置。电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是瞬时性的，而永久性故障一般不到10%。因此，在由继电保护动作切除短路故障之后，电弧将自动熄灭，绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复。因此，自动将断路器重合，不仅提高了供电的可靠性，减少停电损失，而且还提高了电力系统的暂态稳定水平，增大了高压线路的送电容量。根据国标对于110kV线路，采用三相一次重合闸。重合闸可以通过整定灵活选择检无压、检同期、不检方式进行重合。不检方式在跳闸固定后，到达重合时间时直接重合；选择检无压方式时，如果满足无压条件到达重合时间则重合，若不满足无压条件则自动转为检同期。装置设有两个启动重合闸回路：保护启动以及断路器位置不对应启动。保护启动是指根据三相跳闸启动重合闸；断路器位置不对应启动是指利用跳闸位置继电器启动重合闸，主要是为了防止开关偷跳。满足下列任一条件，按不对应启动重合闸处理：①若有不对应启动重合闸信号输入。②若保护原在合位，现变成跳位，又无闭锁重合闸信号，则按不对应启动重合闸进行重合。不对应启动重合闸与保护跳闸的配合：保护发跳令后，闭锁不对应启动重合闸。保护装置还具有后加速功能，保证手合或者重合于永久故障能够快速切除，加速跳闸一律实现三跳并闭锁重合闸。加速方式可灵活的选择，可以选择瞬时加速零序电流Ⅱ段、零序电流Ⅲ段以及是否经振荡闭锁，也可以选择零序过流加速、相过流加速。另外保护装置能自动识别线路由停运状态转为运行状态，不依靠手合开入自动开放手合加速。后加速保护重合闸或手合后投入100ms，满足加速条件时出口永跳，100ms以后进入正常的保护。为了防止多次重合，重合闸只有在重合闸充电满的条件下才允许重合闸，重合闸的充电时间一般为15s；发出重合闸命令后重合闸放电。4.5微机保护的算法定义：微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法。目前已经提出的算法有很多种。分析和设计各种不同的算法的优劣的标准是精度和速度。速度又包含两个方面：一是算法所要求的采样点数（或称数据窗长度）；而是算法的运算工作量。但是精度和速度又是矛盾的。若要计算精确，则往往要利用更多的采样点和进行更多的计算工作量。所以研究算法的是指是如何在速度和精度两个方面进行权衡。4.5.1输入为正弦量的算法即输入为：inT2IsinnTs0Is两点乘积算法：两个采样值为：i和i，采样时刻：nT和nT。 1 2 1s 2snTnT2 s 1s 2 式（4.1） i2in2Ts2Isinn1Ts0I 22Isin 1I2Icos1I 式（4.2） 2 由公式4.1与4.2可推导得：2 2ii2I2i2i2 I12 1 2 2 式（4.3） tgii1 得： 1Iarctgii1 22 221I同理 2U2u2u2 uu1 2 U122 式（4.4） 得： u tgu1 1uarctgu1由（4.31u）与（u 4.4）得 22式（4.5） ZUu12u22 I i2i22u i 式（4.6） z1U1Itg1u1tg1i124.5.2突变量电流算法基本原理：线性系统的叠加原理。对于系统结构不发生变化的线性系统，利用叠加定理可以进行分解原理如下图。RKRK)(tim故障后的测量电流)(timRRKa()RRKa()正常运行状态)b(短路附加状态)(tiL)(tik)(tuk负荷电流)(tiL＝故障电流分量)(tik故障分量电流：i(t)i(t)i(t)式（4.7）正常运行的负荷电流是周期信号，有：kmLi(t)i(tT)式（4.8） L L 式4.7代入4.8得：i(t)i(t)i(tT) k m L 又有：i(tT)i(tT) L m可推出：式（4.9）i(t)i(t)i(tT) k m m微机保护的采样值计算公式为： iii 式（4.10）k k kN故障分量电流的特点：系统正常运行时，计算出来的值等于0；当系统刚发生故障的一周内，求出的是纯故障分量；突变量电流算法受频率偏移的影响。为减少频率浮动的影响，可得：iii i i 式（4.11） k k kN kN k2N4.5.3选相方法突变量电流法选相：依据：根据不同故障时，各相突变量电流特征的不同来判别故障相别。.单相接地故障（AN）：两个非故障相电流可能与故障相电流相位相差180。图4.5单相接地向量图.两相不接地短路（BC）：图如下图所示，非故障相电流为0，故障相电流之差最大。图4.6图4.6两相短路相量图两相接地短路：图如下所示，三种不同相电流之差中，两相电流之差最大。图4.7两相接地短路相量图三相短路:三个相电流差的有效值相等。图4.8图4.8三相短路计算和比较三种相电流差的突变量比较三种相电流差，找出最大者?计算和比较三种相电流差的突变量比较三种相电流差，找出最大者?||||BACBIIII?||||ACCBIIIIYYNN最小||CBII最小||BAII最小||ACII故障相判别程序入口最大||ACII最大||CBII最小||BAII最大||BAIIA相接地AB相特征最明显CA相特征最明显BC相特征最明显4.5.4傅里叶级数算法傅里叶算法的基本思想是来自于傅里叶级数，本身具有滤波作用。它假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为：x(t)∞tasinnωt) n 1n0由傅氏级数原理，可以求出a1、b1分别为：a2Tx(t)sinωtdt 1 T 10b2Tx(t)cosωtdt 1 T 10于是基波分量为：x(t)asinωtbcosωt 1 1 1 1 12Xsin(ωtφ) 1 1由数学知识不难得到，对于每周期采样N次的离散采样系统，其基波电压(或电流)的有效值X为：X(a2b2)/2 1 12Nxsin(k2π) 1 Nk0 k N 2Nxcos(k2π) 1 N k Nk0b φtg1 1 1 a1傅氏算法是在电力系统中应用很广的一种较好的算法，尤其是在提取基波分量时，傅氏滤波占有重要的地位。全波傅氏算法不仅能滤除所有整次谐波分量(奇次谐波不能完全滤除)和恒定的直流分量，对于非整次谐波分量和按指数衰减的非周期分量所包含的低频分量也由一定的抑制能力。由于它要求输入信号为周期函数，所以非周期函数的输入将会产生一定的误差。另外提高采样频率可以明显提高傅氏算法计算结果的精度。基本原理：x(t)Xnsin(n1tn)(Xnsinn)cosn1t(Xncosn)sinn1t n0 n0 ansinn1tbncosn1t n0 式（4.12）2Txtsintdt式（4.13）a2Txtcostdt b 1 T 0 1 1 T 0 1xtasintbcost2Xsint 1 1 1 1 1 1 1 1a2Xcos 1 X21（a2b2）b12X11sin11X12(a1jb1)则：tg12b1a11 1 1 1对于一个任意波形的电流采样值：inT利用傅里叶级数算法可以计算得出该电流基波分量的有效值和相位； 1N1 22 ikTssinkN 式（4.14）1I Nk11N1 2bi02 ikTscoskNiNTs1I N k12222121IIbaIIIIIIIabtg1111积分可以从任意t1时刻开始，改变t1不会改变基波分量的有效值，但基波分量的初相角却会改变 at2Txttsintdt 1 1 T 0 1 1t2Txttcostdt也流示实部和部的形：1(ajb)I1 2 1I 1I 式（4.15）计算求得一个基波相量的实部和虚部参数后，可实现任意角度的移相。))cossin(sincos21)sincos)((211111111bajbajjbaXF）（＝计算求得三相基波的实部和虚部参数后，可实现对称分量滤过器的功能。FA113(X1AaX1Ba2X1C)F1(Xa2XaX) 式（4.16）A2 3 1A 1B 1CFA013(X1AX1BX1C)利用傅里叶级数算法计算任意n次谐波分量电流的有效值和相位： 1N1 2nIN2k1ikTssinknN1i02N1ikTscoskn2NiNTs nI N k1谐波分量的有效值：a2b2 式（4.17）I nI nI n 2相位：tg1bnI 式（4.18）nI a nI第5章实验验证及分析用MATLAB仿真分析系统的电流电压变化过程：采用MATLAB软件中的Simulink工具箱，先进行图形模块的建立和联接，连入测量元件示波器测量电流电压，再运行程序进行波形仿真。模块联接及仿真波形如图5.1所示：图5.2图5.2系统仿真波形