微机继电保护课程设计-35kV输电线路电流电压保护设计.doc

辽 宁 工 业 大 学
微机继电保护课程设计（论文）

题目：35kV输电线路电流电压保护设计（1）

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）
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：
①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）
②设计(论文)任务及评语
③中文摘要 （黑体小二，居中，不少于200字）
④目录
⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）
⑥参考文献
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
①标题“目录”（小二号、黑体、居中）
②章标题（小四号字、黑体、居左）
③节标题（小四号字、宋体）
④页码（小四号字、宋体、居右）
6、正文格式
①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；
②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；
③行距：20磅行距；
④页码：底部居中，五号、黑体；
7、参考文献格式
①标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。
②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
130303013
学生姓名
刘清凯
专业班级
电气131班
课程设计（论文）题目
35kV输电线路电流电压保护设计（1）
课程设计（论文）任务
B
A
G1
1
2
3
L3
L2
L1
E
D
C
G2
G3
9
8
7
6
5
4
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

L1=L2=50km,L3=30km,
LB-C=40km,LC-D=30km,
LD-E=20km,线路阻抗0.4/km,
,,
最大负荷电流IB-C.Lmax=125A,
IC-D.Lmax=80A,
ID-E.Lmax=68A,
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.确定保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗。
2.进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算。
3.整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并计算各自的最小保护范围。
4.整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度。
5.整定保护1、2、3的过电流保护定值，假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。
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、实验验证
给出实验电路及实验结果，分析实验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：等值电抗和短路电流计算、电流I段整定计算及灵敏度校验。
第三天：电流II段、III段整定计算及灵敏度校验。
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：实验验证及分析。
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
随着计算机技术和电子技术的飞速发展，使电力系统的继电保护突破了传统的电磁型、晶体管型及集成电路型机电保护形式，出现了以微型机、微控制器为核心的继电保护形式。我们把以微型机、微型控制器为核心的电力系统继电保护成为电力系统微机继电保护。选择保护方式时，希望能全面满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。力求采用最简单的保护装置来满足系统的要求。只有简单的保护装置不能达到目的时，才考虑采用较复杂的保护装置。对于35KV的单侧电源供电网常采取三段式电流保护的保护方式。
本课程设计研究标题“35kV输电线路电流电压保护设计”，我采用的就是微机继电保护装置，首先进行硬件电路设计包括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，接下来进行软件设计包括程序流程图以及软件程序设计，最后通过把在电力系统继电保护实验室进行现场实验得出的数据与整定值计算中得出的理论整定值进行对比，最终验证我所设计的微机继电保护系统是合理的，能满足实际电力系统需求。

关键词：微机继电保护；硬件设计；软件设计；整定值

目 录（仅供参考）
第1章 绪论 1
第2章 输电线路电流保护整定计算 2
2.1 电流Ι段整定计算 2
2.1.1 动作电流的整定 2
2.1.2 灵敏度校验 2
2.1.3 动作时间的整定 2
2.2 电流Ⅱ段整定计算 3
2.3电流Ⅲ段整定计算 3
第3章 硬件电路设计 4
第4章 软件设计 5
第5章 实验验证及分析 6
第6章 课程设计总结 7
参考文献 8

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第1章 绪论
1.1微机继电保护发展史
微机继电保护起源于 20 世纪60 年代中后期,是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。60 年代中期,有人提出用小型计算机实现继电保护的设想, 但是由于当时计算机的价格昂贵, 同时也无法满足高速继电保护的技术要求, 因此没有在保护方面取得实际应用, 但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究, 为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在 70 年代初期和中期出现了重大突破, 大规模集成电路技术的飞速发展, 使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降, 可靠性、运算速度的大幅度提高, 促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在 70 年代后期, 出现了比较完善的微机保护样机,并投入到电力系统中试运行。80 年代, 微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟, 并已在一些国家推广应用。90 年代, 电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代, 它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。
我国的微机保护研究起步于 20 世纪 70 年代末期、80 年代初期, 尽管起步晚, 但是由于我国继电保护工作者的努力, 进展却很快。经过 10 年左右的奋斗, 到了 80 年代末, 计算机继电保护, 特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中, 高等院校和科研院所起着先导的作用。从 70 年代开始, 华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定, 并在系统中获得应用, 揭开了我国继电保护发展史上的新一页, 为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面, 东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机 - 变压器组保护也相继于 1989 年、1994 年通过鉴定, 投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护,西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于 1993 年、1996 年通过鉴定。至此, 不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色, 为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。因此到了 90 年代 , 我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究, 在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果, 并且应用于实际之中。同时，由于用户不断提高的要求和制造厂家的努力，继电保护技术在配网中得到很大的发 展，并且超越原有的行业范围，走向多功能智能化，而传统意义上的独立的继电保护装置正在消失。
1.2微机继电保护装置的优点
研究和实践证明, 与传统的继电保护相比较,微机保护有许多优点, 其主要特点如下:
a) 改善和提高继电保护的动作特征和性能,动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性; 其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护; 可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等, 其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。
b) 可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等, 可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。
c) 工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用,制造容易统一标准; 装置体积小, 减少了盘位数量; 功耗低。
d) 可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响, 不易受元件更换的影响; 且自检和巡检能力强, 可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。
e) 使用灵活方便,人机界面越来越友好。其维护调试也更方便, 从而缩短维修时间; 同时依据运行经验, 在现场可通过软件方法改变特性、结构。
f) 可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能, 与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。
1.3微机继电保护发展趋势
继电保护技术发展趋势向计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用, 新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中, 以期取得更好的效果, 从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展, 出现了一些引人注目的新趋势。
1.4本课题设计思路
本设计采用微机继电保护装置，总体思路是首先收集资料，确定设计方案。然后对等值电抗和短路电流计算、电流I段整定计算及灵敏度校验。电流II段、III段整定计算及灵敏度校验。接着对硬件电路经行设计其中包括最小系统、数据采集、状态检测、控制输出、报警显示等部分。再对软件经行设计其中包括对有效值计算、故障判据及其流程图的绘制。最后进行实验验证及产生实验现象的分析。

第2章 输电线路电流保护整定计算
2.1保护原理概述

2.2 电流Ι段整定计算
2.2.1 动作电流的整定
，
，,
所以，最大运行方式的等值阻抗为：

最小运行方式的等值阻抗为：

C母线最大短路电流为：

C母线最小短路电流为：

同理，D母线最大短路电流为：

D母线最小短路电流为：

E母线最大短路电流为：

E母线最小短路电流为：

保护1，2，3的第I段动作电流分别为：

2.2.2 灵敏度校验

所以，，不满足灵敏度要求。
，不满足灵敏度要求。
，满足灵敏度要求。2.2.3 动作时间的整定
通常过电流保护的时限特性分以下两种：定时限特性，当短路电流大于保护装置的启动电流时，保护装置动作。保护装置的动作时限是固定的，与短路电流的大小无关。保护的这种特性称为定时限特性；反时限特性，当短路电流较保护装置的动作电流大得不多时，保护装置的动作时限与短路电流的大小成反比。但是在短路电流很大的情况下，保护装置的动作时限受短路电流大小的影响很小，甚至完全不受短路电流大小的影响。
保护装置的时限大小是从用户至电源逐级增长的，即；为了保证保护动作的选择性，每个时限之间应有一定的时间间隔，用时限阶段表示，即

这样构成的时限特性称为阶梯时限特性。按阶段时限特性选择保护动作时限的这种时限选择原则叫阶梯原则。当k2点发生短路时，保护装置4较其他保护装置先动作而切除故障线路；保护装置1、2、3在短路故障切除后立即返回。同理，当k1点短路时，保护装置3动作于跳闸，而保护装置1、2均不跳闸，只有当它们的下一级保护装置或断路器拒动时才动作。
2.3 电流Ⅱ段整定计算
限时电流速断（电流保护Ⅱ段）：由于无时限电流速断不能保护线路的全长，因此考虑增加一段新的保护用来切除本线路的上速断范围以外的故障，同时也能作为速断的后备，这就是限时速断，称为II段电流保护，由于要求限时电流速断保护必须保护线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路使，它就会误动作，为了保证动作的 选择性，就必须使保护的动作有一定的时限，此时限的大小与其延伸的范围有关，为尽量缩小时限，首先规定其整定计算原则为限时电流的速断的保护范围不超过下条线路电流速断的保护范围；同时动作时限比下一条电流速断保护高出一个△t的时间段。
II段整定计算：由于无时限电流速断不能保护线路的全长，因此考虑增加一段新的保护，用来切除本线路的上速断范围以外的故障，同时也能作为无时限速断保护的后备保护，这就是限时电流速断保护。称为II段电流保护，由于要求限时电流速断保护必须保护线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路使，它就会误动作，为了保证动作的 选择性，就必须使保护的动作有一定的时限，此时限的大小与其延伸的范围有关，为尽量缩小时限，首先规定其整定计算原则为限时电流的速断的保护范围不超过下条线路电流速断的保护范围；同时动作时限比下一条电流速断保护高出一个△t的时间段。
对于保护2的电流保护II段动作电流应与相邻线路DE电流保护的I段配合，即
，
所以，
，不满足灵敏度要求。
所以断路器2处电流保护II段与断路器1处的II段配合，但因1处没有保护II段，所以不满足要求。
对于保护3的电流保护的II段的动作电流应与相邻线路CD电流保护的I段配合，即

，不满足灵敏度要求。
所以，断路器3处电流保护II段与断路器2处电流保护II断配合，即

，不满足灵敏度要求。

2.4电流Ⅲ段整定计算
3定时限过电流保护（电流保护Ⅲ段）。虽然无时限电流速断保护可以无时限的切除故障电路，但它不能保护线路的全长，限时电流保护虽然可以较小的切除线路全长上任意一点的故障，但它不能做相邻线路故障的后备，因此引入定时限过电流保护，又称三段电流保护，它是指启动电流按照躲过最大负荷电流来整定的一种保护装置。
III段整定计算：定时限过电流保护反应电流增大而动作，它要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长。作为本条线路的主保护据动的近后备，也作为下一条线路保护和断路器的远后备。其保护范围应包括下一条线路或设备的末端。另外，过电流在最大负荷时，保护不应该动作。
(1)动作电流
按躲开被保护线路的最大负荷电流，且在自启动电流下继电器能可靠返回来进行整定
A
(2)灵敏度校验
要求对本条及下一条线路或设备相间故障都能有反应，其反应能力用灵敏系数衡量。本条线路的近后备的灵敏系数规定为
近后备 满足要求。
下一条线路远后备灵敏系数规定为
远后备 满足要求。
(3)整定时间
由于电流III段保护的范围很大，为保证动作的选择性，其保护动作延时应比下一条线路的电流III段的动作时间长一个时限阶段，即
；
—下一条线路电流段的动作延时
对P进行整定（WL2段）：III段整定计算，因为AB段的III段保护不仅保护其本条线路的全长，而且保护BC段的全长，这与BC段的II段的保护功能相同，从经济性方面考虑，不再对其进行II段保护。直接进行III段保护
(1)启动电流

(2)灵敏度
作为本条线路的近后备： ，满足要求
作为下条线路的远后备 满足要求。

对P3进行整定(WL3段)对其进行III段定时限过电流保护。
(1)启动电流
按躲开被保护线路的最大负荷电流 ，且在自启动电流下继电器能可靠返回来进行整定

(2)灵敏度
作为末端只需考虑作为本条线路的近后备即可，而不考虑远后备的灵敏度校验。
不满足，所以 只要对WL3进行过负荷保护。
对WL3过负荷保护
动作电流

式中 ——可靠系数，取1.05；
——返回系数，取0.85；
——电流互感器的变比；
——电缆线路的额定电流。
过负荷保护一般以长延时动作于信号，左右

表2.1 各点短路时电流大小即整定电流的列表：
单位（A）
WL1
WL2
WL3

1029.41
590.85
220

1347.2
483.42
—

264
709.026
_

779.93
_
_

1616.64
310.59
—

第3章 硬件电路设计
3.1微机继电保护装置硬件的基本结构及功能
微机继电保护的主要部分是微机，因此，除微机本体外，还必须配自电力系统向计算机输入有关信息的输入接口和计算机向电力系统输出控制信息的输出接口。此外计算机还要输入有关计算和操作程序，输出记录的信息，以供运行人员进行分析事故，即计算机还必须有人机联系部分。
1. 数据采集系统
由于微机系统是一种数字电路设备，只能识别数字量，所以就需要将来自TA,TV的电流，电压这一类模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字信号。数据采集电路图如图3.2所示。

图3.2数据采集电路图
2. CPU主系统
微机系统是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器，只读存储器，随机存取存储器以及定时器，“看门狗”等。微机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发生跳闸信号。CPU最小系统如图3.2所示。

图3.2CPU最小系统图
3. 开关量输入\输出系统
开关量输入\输出回路由若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，开关量输入输出电路如图3.2所示。

图3.2开关量输入输出电路
4. 人机对话接口回路
该回路主要功能用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语音告警等，液晶显示电路与键盘电路如图3.3所示

（a）液晶显示电路 （b）键盘电路
图3.3人机对话回路
5. 电源系统
微机保护的电源是一套微机保护装置的重要组成部分。通常采用逆变稳压电源，一般集成电路芯片的工作电压为5V,而数据采集系统的芯片通常需要双极性的±15V或±12V工作电压，继电器回路则需要24V电压。

3.3微机继电保护硬件结构
继电保护装置硬件结构图如下图所示
开关量输入

并行接口
并行接口
EPROM
通信接口
RAM
CPU
模数转换
采样保