李小风.docx
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李小风
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（3）
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
电气111
学号：
110303022
学生姓名：
李小风
指导教师：
（签字）
起止时间：
2014.12.15—12.26
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
110303022
学生姓名
李小风
专业班级
电气111
课程设计（论文）题目
35kV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=70km,L3=40km,
LB-C=30km,LC-D=30km,
LD-E=20km,线路阻抗0.4
/km,
最大负荷电流IB-C.Lmax=100A,
IC-D.Lmax=67A,
ID-E.Lmax=35A,
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
本次设计的主要是线路的电流电压保护，在给定的系统和参数条件下模拟继电保护装置对输电线路的保护。
主要内容包括：
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；硬件电路设计主要包括：
CPU最小系统的设计、数据采集系统、状态检测部分、控制输出、报警显示部分；软件电路设计包括：
有效值计算、故障判据、绘制流程图或逻辑图；实验验证及分析。
本次设计根据系统的接线图，并根据所学的电力系统继电保护课程、微机继电保护课程，确定电流保护三段的整定值并校验各段的灵敏度，分析系统在最小、最大运行方式下，各段保护的动作情况；利用单片机及其接口技术完成微机继电保护部分；最后，判断系统是否会出现继电器的误动作并分析其动作与否的原因，用实验数据来验证计算的准确性。
微机继电保护具有强大的计算、分析、逻辑判断能力，具有优良的存储记忆功能，可以实现性能完善且复杂的保护原理，成为机电保护装置的主要形式。
微机继电保护可以连续不断的对本身工作情况进行自检，工作可靠性非常高。
微机继电保护具有广阔的发展前景。
关键词：
微机继电保护；电流电压保护；灵敏度；整定计算
目录
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等值电抗的计算2
2.1.2相间短路的短路最大、最小电流计算3
2.1.3保护定值的整定及其保护范围3
2.2电流Ⅱ段整定计算4
2.3电流Ⅲ段整定计算5
第3章硬件电路设计6
3.1总体硬件电路设计方案6
3.2CPU最小系统6
3.3数据采集系统7
3.4输出通道设计8
3.5报警电路设计9
第4章软件设计10
4.1程序流程图10
4.2微机继电保护算法11
第5章实验验证及分析12
5.1实验验证电路12
5.2验证结果及分析13
第6章课程设计总结14
参考文献15
第1章绪论
继电保护技术是当今世界最重要的专业技术之一，电能是使用最为广泛、地位最为重要的能源。
电力系统安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有极为重要的影响。
它要有一个专门的保障系统，使电力系统安全稳定的运行。
电力系统继电保护能够按指定分区实时的各种故障和不正常运行状态，快速及时的采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度的维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身安全、防止或减轻设备的损坏。
线路的相间短路、接地短路保护主要有电流电压保护，方向电流电压保护，接地零序电流电压保护，距离保护和纵联保护等。
而其中电流电压保护主要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。
本次设计采用微机控制，微机继电保护具有强大的计算、分析、逻辑判断能力，具有优良的存储记忆功能，可以实现性能完善且复杂的保护原理，成为机电保护装置的主要形式。
微机继电保护可以连续不断的对本身工作情况进行自检，工作可靠性非常高。
此外微机型保护除了具有保护功能外，可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录及网络通信等辅助功能。
可以说微机型保护代表着继电保护的未来。
本次设计的主要是线路的电流电压保护，在给定的系统和参数条件下模拟继电保护装置对输电线路的保护。
主要内容包括：
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；硬件电路设计主要包括：
CPU最小系统的设计、数据采集系统、状态检测部分、控制输出、报警显示部分；软件电路设计包括：
有效值计算、故障判据、绘制流程图或逻辑图；实验验证及分析。
本次设计根据系统的接线图，并根据所学的电力系统继电保护课程、微机继电保护课程，确定电流保护三段的整定值并校验各段的灵敏度，分析系统在最小、最大运行方式下，各段保护的动作情况；利用单片机及其接口技术完成微机继电保护部分；最后，判断系统是否会出现继电器的误动作并分析其动作与否的原因，用实验数据来验证计算的准确性。
第2章输电线路电流保护整定计算
2.1电流Ι段整定计算
2.1.1等值电抗的计算
保护3在最小运行方式下系统的等值电路图如下图2.1：
图2.1最小运行方式等值电路
其中：
保护3在最大运行方式下的等值电路图2.2如下：
图2.2最大运行方式等值电路
根据参数计算得：
2.1.2相间短路的短路最大、最小电流计算
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:
2.1.3保护定值的整定及其保护范围
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。
保护1：
保护2：
保护3：
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：
符合应有的灵敏度，所以都合格。
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
即：
灵敏度：
所以不合格
保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅰ段配合
即：
灵敏度：
所以不合格
保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅱ段配合
即：
灵敏度：
所以不合格
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，假设母线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作近后备的灵敏度：
所以合格
保护2作远后备的灵敏度：
所以合格
保护3作远后备的灵敏度：
所以合格
假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，即：
所有有：
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
3.1总体硬件电路设计方案
总体硬件电路的设计包含：
CPU最小系统的设计、数据采集系统、状态检测部分、控制输出、报警显示部分等。
数据采集系统收集数据，经过CPU分析、计算、逻辑综合的处理，判断系统运行状态。
最后进行报警电路的设计，当线路电流超过动作值时报警电路发出信号。
其原理框图如图3.1所示。
图3.1硬件设计基本框图
3.2CPU最小系统
CPU最小系统图的设计主要包括CPU的复位电路和CPU的时钟电路，将复位电路与时钟电路和CPU连接好即形成CPU的最小系统，如图3.2所示。
复位单元是单片机必不可少的一个单元，当单片机运行出错或进入死循环，可按复位键重新启动，使系统进入原始状态。
单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作以后，只要在单片机的RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能复位。
为了保证系统的可靠复位，再设计复位电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平，单片机即可可靠地复位。
本次设计采用了按键脉冲式复位电路，此复位电路有上电复位和通过按键实现复位两种方式。
上电复位：
当加电时，电容C充电，电路有电流流过，构成回路，在R上产生压降，RESET引脚为高电平，当电容C充满电后，电路相当于断开，RESET的电位于地相同，复位结束；按键复位：
它利用RC微分电路在RESET端产生正脉冲来实现复位。
时钟电路也是单片机实现功能的必需单元，时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，由此来确定CPU工作的机器周期。
时钟信号可以由两种方式产生：
内部时钟方式和外部时钟方式。
本次设计采用内部时钟方式，89C51内部有一个高增益反向放大器，用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，外接晶振时，C1、C2值通常选择为30pF左右。
震荡频率范围是0-24MHz。
为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近。
内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。
图3.2CPU最小系统图
3.3数据采集系统
开关量输入主要用于识别运行方式，运行条件等，以便控制程序的流程，如重合闸方式、同期方式、收信状态和定值区号等。
对继电保护装置的开关量输入，即触点状态的输入可以分成以下两大类。
一是安装在装置面板上的接点。
这类接点包括在装置调试时用的运行中定期检查装置用的键盘接点以及切换装置工作方式用的转换开关等。
二是从装置外部经过端子排引入装置的接点。
例如需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板、转换开关以及其他保护装置和操作继电器等。
本次设计采用的就是从装置外部引入的接点，具体设计的输入通道电路图如图3.3所示：
图3.3输入通道
3.4输出通道设计
输出通道的作用是将由计算机处理后变为数字量信号的由输入通道接收的模拟量信号再转换为模拟量电压或电流信号，去驱动相应设备，以达到控制的目的。
本次设计采用典型的使用光电耦合器件的开量输出接口电路，如图3.4所示。
当CPU输出为低电平时，执行回路的出口继电器常开触点闭合；反之，当CPU输出为高电平时，出口继电器常开接点断开。
它在CPU输出从低电平变为高电平，光敏晶体管突然由导通变为截止时，为继电器线圈释放存储的能量提供电流通路。
图3.4开关量输出回路
3.5报警电路设计
根据本次设计要求，需要在CPU发出故障信号后发出声音报警，因此有了报警电路的设计。
如图3.5所示的声音电路。
利用振荡器产生的振荡信号来驱动蜂鸣报警器报警。
继电保护装置要求在电力系统在不正常工作状态下，会发出信号提醒工作人员惊醒处理；在系统发生故障时，进行报警，必须马上对系统采取相应措施。
因此报警电路是非常重要的环节。
图3.5报警电路
第4章软件设计
4.1程序流程图
本次课程设计的内容是35KV输电线的电流保护，首先对继电保护进行了整定值的计算并校验了灵敏度，之后设计了数据采集系统进行数据采集，然后将采集的模拟量数据进行A/D转换，使其转换成能够被CPU识别的数字量数据，当数据传送给CPU后进行比较，是否超过了继电保护动作值，如果超过了动作值则报警电路会报警同时系统跳闸对线路进行保护，直到故障消除后系统才会重新运行：
如果没有超过动作值，则说明系统运行可靠无危险，所以报警电路不会动作，系统继续进行数据采集，以此做为循环工作。
具体工作流程图如图4.1所示：
Y
N
Y
N
N
Y
图4.1程序流程图
4.2微机继电保护算法
微机机电保护装置根据模数转换装置提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种机电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。
全波傅里叶算法可以计算信号谐波分量，半波傅里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。
本文在传统傅里叶算法的的基础上，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。
不论全波还是半波，相角都不能直接算出，需要对计算出的值修正后才能得到正确结果。
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。
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：
第5章实验验证及分析
5.1实验验证电路
本次设计为35KV输电线路的电流电压保护。
根据给定的系统和参数，及以上的设计过程，对此进行了实验验证，模拟给定的系统对其进行实验验证。
实验电路图如图5.1所示：
图5.1实验电路图
5.2验证结果及分析
对于给定参数的系统，首先绘制其等值电路。
其次计算保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗；C母线、D母线、E母线相间短路的短路最大、最小电流计算；保护1、2、3电流速断保护定值的整定及各自的最小保护范围。
然后进行电流Ⅱ段整定计算及其灵敏度校验。
最后是电流III段整定计算及灵敏度校验。
实验结果表明：
运用以上计算结果，系统在最大和最小运行方式下继电保护装置的速动性、选择性、可靠性和灵敏性都得到了保证，但是实际的电力系统和计算时的还是具有一定的误差的，比如电流保护的电流I段、电流Ⅱ段、电流III段的保护范围计算的比实际系统中的偏大，延时跳闸的时间实际的比计算的要长等等。
总的来说实验还是达到了预期的结果，实际系统存在一定的误差是正的。
第6章课程设计总结
本次设计采用微机控制，微机继电保护具有强大的计算、分析、逻辑判断能力，具有优良的存储记忆功能，可以实现性能完善且复杂的保护原理，成为机电保护装置的主要形式。
微机继电保护可以连续不断的对本身工作情况进行自检，工作可靠性非常高。
此外微机型保护除了具有保护功能外，可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录及网络通信等辅助功能。
可以说微机型保护代表着继电保护的未来。
本次设计主要是线路的电流电压保护，在给定的系统和参数条件下模拟继电保护装置对输电线路的保护。
主要内容包括：
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；硬件电路设计主要包括：
CPU最小系统的设计、数据采集系统、状态检测部分、控制输出、报警显示部分；软件电路设计包括：
有效值计算、故障判据、绘制流程图或逻辑图；实验验证及分析。
本次设计根据系统的接线图，并根据所学的电力系统继电保护课程、微机继电保护课程，确定电流保护三段的整定值并校验各段的灵敏度，分析系统在最小、最大运行方式下，各段保护的动作情况；利用单片机及其接口技术完成微机继电保护部分；最后，判断系统是否会出现继电器的误动作并分析其动作与否的原因，用实验数据来验证计算的准确性。
本次设计内容可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动地识别和排除干扰，防止干扰而造成误动作，具有自诊断能力，能够自动检测出计算机本身硬件的异常部分，配合三段式保护可以有效地防止拒动，因此可靠性很高，能满足中高压线路的保护要求。
在本次设计中我也遇到了一些问题，例如在整定计算中公式不熟悉、在开关量输入、输出电路的选择上、在微机继电保护选相算法上都遇到些困难，最后都通过查阅资料得以解决。
虽然在理论上本次设计完全可行，但在实际应用中仍有待改进。
经过两周时间的课程设计，进一步加深了我对继电保护的了解，增强了我的绘图、总结的能力。
本次课程的设计，提高了我对电路的分析，对文字内容的操作，电路图的绘制等方面的能力。
本次设计我收获颇丰。
参考文献
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