110kv输电线路电流电压保护设计-学位论文.doc

X x 工 业 大 学
微机继电保护课程设计（论文）

题目：110kV输电线路电流电压保护设计（3）

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 电气112
学 号：
学生姓名：
指导教师：
起止时间：2014.12.15-2014.12.26

本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
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
电气112
课程设计（论文）题目
110kV输电线路电流电压保护设计（3）
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

L1=L2=60km,L3=40km,
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=350A,
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
电力系统的输、配电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。
针对电力系统输电线路进行继电保护设计，采用三段式电流电压保护的方法，确定出最大、最小运行方式下的等值电抗。进行了相间短路的最大、最小短路电流的计算。进行了保护1、2、3的电流速断保护整定值计算，并计算了各自的最小保护范围。进行了保护2、3的限时电流速断保护定值计算，并校验了灵敏度。进行了保护1、2、3的过电流保护定值计算，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。绘制三段式电流保护原理接线图。并分析了动作过程。采用MATLAB建立系统模型进行输电线路电流电压保护仿真分析。

关键词：三段式电流电压联锁保护；整定值计算；校验灵敏度；等值电抗

目 录
第1章 绪论 1
第2章 输电线路电流保护整定计算 3
2.1电流I段整定计算 3
2.1.1保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗 3
2.1.1 动作电流的整定 4
2.1.2 灵敏度校验 5
2.1.3 动作时间的整定 5
2.2 电流Ⅱ段整定计算 5
2.3电流Ⅲ段整定计算 6
第3章 硬件电路设计 8
3.1系统总体框图 8
3.2 CPU最小系统 8
3.3 数据采集及模数转换 9
3.4 电流三段式保护原理接线图及展开图 10
第4章 软件设计 12
第5章 课程设计总结 14
参考文献 15

第1章 绪论
当今世界最重要的专门技术之一就是继电保护技术，使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。它要有一个专门保障体系，其中。电力系统断电保护能在全系统范围内，按指定分区实时地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或警告等措施，以求最限度地维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。电力系统继电保护设计包括发电机、变压器、线路、电动机、电容器等元件的保护方案选择，自动装置的选择及整定计算等等。
电力系统继电保护是随着电力系统的发展和科学技术的进步而不断发展起来的。电力系统故障和不正常运行状态是不可避免的，为了防止电力系统事故的扩大保证非故障部分仍能可靠供电通过继电保护装置准确迅速地识别并切除故障同时电力系统运行状态应实时监视一旦发生不正常行状态时能通过继电保护装置及时警告或启动自动控制装置。这样就可以保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。
继电保护装置由测量部分、逻辑部分和执行部分等组成。对于作用于断路器跳闸的继电保护装置有几点基本要求。
1．选择性
 电力系统发生故障时，继电保护的动作应当具有选择件，它仅将故障部分切除能继续运行．尽量缩小中断供电的范围。
2．动作迅速
电力系统发生故障后，要求继电保护装置尽快的动作．切除故障部分，这样做的
好处
 (1)系统电压恢复得快，减少对广大用户的影响。
 (2)电气设备损坏程度减轻。
(3)防止故障扩大，对高压电网来说，快速切除故障更为必要，否则会引起电力系统振荡甚至失去稳定。
(4)有利于电弧闪络处的绝缘强度恢复．当电源切除后又自动重新合上(即采用白动重合闸装置)再送电时容易获得成功(即提高了自动重合闸的成功率)。
3．灵敏性
灵敏性是指继电保护装置反应故障的能力，一般以灵敏系数的大小来衡量。
4．安全性和可靠性
 (1)选用确当的保护原理，在可能条件下尽量简化接线，减少元器件的数量和触点的数量。 
(2)提高保护装置所选用的器件质量和工艺水平，并有必要的抗干扰措施。
(3)提高保护装置安装和调试的质量，并加强维护和管理。
除了上述四个方面基本要求之外，在选用继电保护装置时，还必须注意经济性，在保证电力系统安全运行的前提下，应采用投资少、维护费用较低的保护装置。

电流电压保护分为两种一种是以反应电流增大而动作的电流测量元件为基础的构成的电流保护元件另一种是以反应电压为基础构成的电流保护。 根据线路故障对主、后备保护的要求线路相间的电流电压保护有三种第一无时限电流速断保护或无时限电流电压联锁速断保护第二带时限电流速断保护或带时限电流电压联锁速断保护第三定时限过电流保护或低电压启动过电流保护。这三种相间电流电压保护分别成为相间短路电流保护第Ⅰ段第Ⅱ段和第Ⅲ段。其中Ⅰ、Ⅱ段作为线路主保护第Ⅲ段作为本线路主保护的近后备保护和相邻线路或元件的远后备保护。这三段统称为线路相间短路的。
本设计为了获得较好的选择性并保证灵敏度，采用了三段式电流电压联锁速断保护，根据设计要求为了实现保护之间的配合和保护的选择性在这些保护中增加延时元件等逻辑元件形成一个完整的保护方案。

第2章 输电线路电流保护整定计算
2.1电流I段整定计算
2.1.1保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗

最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3 同时投入运行，等效电路图如图2.1。
图 2.1 最大运行方式等值阻抗图
；；
；
；；；

最小运行方式：在最大运行方式基础上 G2、L2 退出运行，等效电路图如图2.2.
图 2.2 最小运行方式等值阻抗图

2.1.1 动作电流的整定
首先算出母线C、D、E的最小及最大短路电流。
C母线最大短路电流：

C母线最小短路电流：

D母线最大短路电流：

D母线最小短路电流：

E母线最大短路电：

E母线最小短路电流:

无时限电流速断保护依靠动作电流值来保证其选择性，被保护线路外部短路时流过该保护的电流总小于其动作值，不能动作；而只有在内部短路时流过该保护的电流有可能大于其动作值，使保护动作。且无时限电流速断保护的作用是保证在任何情况下只切除本线路上的故障。

无时限电流保护不能保护线路全长，应采用最不利情况下保护的保护范围来校验保护的灵敏度，一般要求保护的最小的线路长度不小于线路长度的15%。
保护1保护的最小范围：
保护2保护的最小范围：

保护3保护的最小范围：

2.1.2 灵敏度校验
因为
所以保护1、2灵敏度不符合要求。

保护3 的灵敏度也不符合要求。
2.1.3 动作时间的整定
末端保护1的动作时间为0（I段无延时），则保护2 的动作时间为0.5s，保护2的动作时间为1s。

2.2 电流Ⅱ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，而该线路剩下的短路故障由能保护本线路全长的带时限电流速断保护（电流保护第Ⅱ段）来可靠切除。带时限电流速断保护与无时限电流速断保护的配合能以尽可能快的速度，可靠并有选择性的切除本线路上任一处，包括被保护线路末端的相间短路故障。
保护2的Ⅱ段应与相邻线路的Ⅰ段配合。

灵敏度：
保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅰ段配合。

灵敏度：
则保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅱ段配合。

灵敏度：
灵敏度不满足要求。

2.3电流Ⅲ段整定计算
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。
保护1的Ⅲ段：

保护2的Ⅲ段：

保护3的Ⅲ段：

保护1作近后备保护的灵敏度：
满足灵敏度要求。
保护2作近后备保护的灵敏度：
满足灵敏度要求。
保护3作近后备保护的灵敏度：
满足灵敏度要求。
假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，即：
保护1的Ⅲ动作时间：
保护2的Ⅲ动作时间：
保护3的Ⅲ动作时间：

第3章 硬件电路设计

电流电压数据采集

报警显示
开关设备状态检测
3.1系统总体框图

控制输出

CPU

图3.1  CPU最小系统图

3.2 CPU最小系统

图3.2  CPU最小系统图
3.3 数据采集及模数转换

图3.3 电流电压数据采集

要实现开关设备状态检测，则要进行AD转换。本设计采用ADC809作为转化芯片。

图3.3 ADC0809与89C51单片机的接口电路

接着将转化得到的开关量输出，控制各种信号和继电器动作。
并行接口

PB0

PB1
1
&
光电耦合器
K

图3.4  开关量输出回路接线图

3.4 电流三段式保护原理接线图及展开图

图3.5 电流三段式保护原理接线图

图3.6 交流回路展开图

图3.7 直流回路展开图

图3.7 信号回路展开图

第4章 软件设计
在微机保护装置中，首先要对反映被保护设备的电气量模拟量进行采集，然后对这些采集的数据进行数字滤波，再对这些经过数字滤波的数字信号进行数学运算、逻辑运算，并进行分析判断，最终输出跳闸命令、信号命令或计算结果，以实现各种继电保护功能。这种对数据进行处理、分析、判断以实现保护功能的方法称为算法。
目前广泛采用全波傅氏算法和 最小二乘法作为电力系统微机保护提取基波分量的算法。傅立叶算法可用于求出各谐波分量的幅值和相角，所以它在微机保护中作为计算信号幅值的算法被广泛采用。实际上，傅立叶算法也是一种滤波方法。分析可知，全周傅氏算法可有效滤除恒定直流分量和各正次谐波分量。
全波傅立叶算法可以计算信号谐波分量，半波傅立叶算法把运算的数据窗减少了一
半，运算量比全波算法减少，但二者都会受到衰减直流分量的影响。本文在传统傅立叶算法的的基础上，每次求和时把衰减直流分量减去，从而去除了衰减直流分量的影响。
一、全波傅立叶算法原理
传统傅立叶算法的原理是基于对周期信号的傅立叶分解.并把对连续信号的积分改成对离散量的求和,公式如下：

系统程序流程主要包括初始化模块和系统程序的其他流程。其中初始化包括对可编程接口进行初始化，读取所有开关量输入状态并将其存入RAM或ROM，对装置的软硬件进行一次全面的自检，将所有标志字清除,最后进行数据采集系统的初始化。
具体的系统程序流程图如图4.1。

开中断
发送报告
修改定值
报警，存取报告
装置是否有问题
自检
自检时间到否
是否有报告
是否修改定值
初始化
程序入口

图4.1 电流保护流程图

第5章 课程设计总结
本课设主要是针对输电线路电流电压保护进行设计。随着电力系统规模的不断扩大，对电力系统安全性、可靠性、高效性运行的要求越来越高，继电保护应运而生，本文对继电保护各项参数进行了计算，以及安装了方向保护元件实现方向保护，并对其系统保护的算法进行了MATLAB仿真研究。
本文章首先是对电力系统继电保护进行了简单的介绍，然后对电流电压保护做了概述和简单的计算，然后给出了三段式电流保护的原理图，绘制出了电流三段式保护的原理接线图、交、直流展开图及信号回路展开图，电流三段式保护的原理接线图、交、直流展开图及信号回路展开图最后是对系统进行MATLAB仿真。最后得出结果与计算的结果相一致。

参考文献
[1] 贺家李, 宋丛矩. 电力系统继电保护原理[M]. 中国电力出版社,1994.
[2] 王成山，肖朝霞，王守相. 微电网综合控制与分析[J] . 电力系统自动化，2008.
[3] 商国才.电力系统自动化.天津大学出版社，2000
[4] 王葵等.电力系统自动化．中国电力出版社，2007.1
[5] 何仰赞等.电力系统分析.华中科技大学出版社，2002.3
[6] 于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社，2003.4
[7] 王士政.电网调度自动化与配网自动化技术.中国水利水电出版社，2007.3
[8] 梅丽凤等.单片机原理及接口技术.清华大学出版社，2009.7
[9] 赵晶 主编 Prote199高级应用.人民邮电出版社2000
[10] 于海生 编著 微型计算机控制技术 .清华大学出版社，2003.4
[11] 张毅刚 编著 MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，2003
[12] 何希才,薛永毅 编著 传感器及其应用实例.机械工业出版社， 2004.1
[13] 康华光 编著 电子技术基础数字部分.高等教育出版社，1998
[14] 康华光 编著 电子技术基础模拟部分.高等教育出版社， 1998
[15] 胡汉才 编著 单片机原理及系统设计.清华大学出版社， 2002

16