35kV输电线路功率方向保护设计.doc
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辽宁工业大学
微机继电保护课程设计（论文）
题目：
35kV输电线路功率方向保护设计
院（系）：
电气工程学院
专业班级：
电气
学号：
13
学生姓名：
1
指导教师：
（签字）
起止时间：
2016.12.12至2016.12.23
本科生课程设计（论文）
课程设计（论文）任务及评语
学号
学生姓名
专业班级
电气1班
课程设计题目
35kV输电线路功率方向保护设计
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=40km,L3=40km,LB-C=40km,
LC-D=30km,LD-E=30km,线路阻抗0.4/km,
,
最大负荷电流IB-C.Lmax=90A,
IC-D.Lmax=60A,ID-E.Lmax=45A,
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.等值电抗计算、短路电流计算。
2.整定保护4、5的电流速断保护定值，并尽可能在一端加装方向元件。
3．确定保护5、7、9限时电流速断保护的电流定值，并校验灵敏度。
4．确定保护4、5、6、7、8、9过电流保护的时间定值，并说明何处需要安装方向元件。
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
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。
院（系）：
电气工程学院教研室：
电气工程及其自动化
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，电流速断保护整定计算。
第三天：
限时电流速断、过电流保护整定计算。
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
电能是现代社会中使用最为广泛、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极为重要。
电力系统由各种电气设备组成，由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸多方面的因素，电力系统的各种元件在运行可能会发生故障或不正常运行状态。
为了能在电力系统受到外界干扰时，有比较可靠的、及时的保护动作，从而切断故障点且极大限度地使未故障部分继续供电，就需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的就是继电保护技术。
本文主要对35KV输电线路功率方向保护进行分析与设计，功率方向保护是在每个断路器的电流保护中增加一个功率方向测量元件。
使其对电流保护段来说，因为反方向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值就只需躲过正方向线路末端短路电流最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电流，因而提高了灵敏度。
关键词：
输电线路；方向元件；功率方向保护；电力系统稳定运行
目录
第1章绪论 1
1.1输电线路电流保护概述 1
1.2本文设计内容 1
第2章输电线路功率方向保护整定计算 3
2.1方向电流Ι段整定计算 3
2.1.1保护4、5的Ι段动作电流的整定 4
2.1.2灵敏度校验 5
2.1.3动作时间的整定 5
2.2保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算 5
2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装 6
第3章硬件电路设计 7
3.1微机保护总体设计方案 7
3.2CPU的选择 8
3.3声光报警电路 9
3.4人机对话接口设计 9
3.5单片机最小系统设计 11
第4章软件设计 13
4.1微机继电保护软件总流程图 13
4.2保护功能程序流程图 13
第5章MATLAB建模仿真分析 15
5.1MATLAB系统仿真图 15
5.2仿真波形 16
第6章课程设计总结 19
参考文献 20
III
第1章绪论
1.1输电线路电流保护概述
社会的发展使人们的生活与电的联系越来越紧密。
保障电力系统安全可靠的运行，是电力系统的首要任务。
电力系统是否安全可靠的供电，取决于组成电力系统的各个电力元件是否正常运行。
因此电力系统就需要保护装置当系统方式故障或者是处于不正常工作状态的时候，及时准确的跳闸或者是发报警信号，这个装置就是电力系统继电保护装置。
近几年来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继电保护形式，出现了以微型机、微控制器为核心的继电保护形式。
电力系统的输、配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.对各种不同电压等级的线路应该装设不同的相间短路和接地短路的保护。
对于3KV及以上的电力设备和线路的短路故障，应有主保护和后备保护；对于电压等级在220KV及以上的线路，应考虑或者必须装设双重化的主保护，对于整个线路的故障，应无延时控制其短路器跳闸。
线路的相间短路、接地短路保护有：
电流电压保护，方向电流电压保护，接地零序流电压保护，距离保护和纵联保护等。
电力系统中线路的电流电压保护包括：
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。
他们分别是用于双电源网络、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。
由于三段式电流保护是仅利用相间短路后电流幅值增大的特征来区分故障与运行状态的，以动作电流的大小和动作时限的长短配合来保证有选择地切除故障。
这种原理在多电源网络中使用遇到困难，所以在两侧都有电源的情况下，在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。
1.2本文设计内容
在每个断路器的电流保护中增加一个功率方向测量元件（当他和电流测量元件均动作后才启动逻辑元件），并规定当短路功率从母线流向线路（为正）时该功率元件动作，而从线路流向母线（为负）时不动作。
那么对电流保护段来说，因为反方向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值就只需躲过正方向线路末端短路电流最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电流，因而提高了灵敏度。
这种增加了功率方向测量元件的电流保护即为方向电流保护。
在双电源网络或其他复杂网络中，可以采用带方向的三段式电流保护，以满足保护的各种性能要求。
本文主要对保护段的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定，Ⅱ段电流的整定计算和Ⅲ段动作时间整定计算，绘制方向电流保护原理图，并对动作过程进行分析。
三段式方向电流保护的特点，三段式电流保护在作用原理、征订计算原则等方面与无方向三段式保护基本相同。
但方向电流保护用于双电源网络和单电源环形网络时，在构成、整定、相互配合等问题上还有以下特点：
在保护构成中增加功率方向测量原件，并与电流测量元件共同判别是否在保护线路的正方向上发生故障。
方向电流保护第1段，即无时限方向电流速度保护的动作电流整定可以不必躲过反方向外部最大短路电流；第1段电流保护动作电流还应考虑躲过反向不对称短路时，流过非故障相的电流，这样可防止在反方向发生不对称故障时非故障线功率方向测量元件误动作而造成的保护误动作；在环网和双电源网中，功率方向可能相同的电流保护第1段的动作电流之间和动作时间之间应相互配合，以保证保护的选择性。
本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、负荷电流计算、短路电流计算、继电保护功率方向保护的整定计算和校验以及对继电保护装置的仿真分析等。
第2章输电线路功率方向保护整定计算
2.1方向电流Ι段整定计算
首先要进行动作电流的整定，如图2.1和图2.2所示分别为系统最大运行状态和最小运行状态下的等效电路图：
图2.1系统最大运行方式等效电路图
图2.2系统最小运行方式
由条件可知：
，，
所以最大运行方式的等值阻抗为：
最小运行方式下的等值阻抗为：
则C母线的最大短路电流为：
同理D母线的最大短路电流为：
E母线的最大短路电流为：
于是可以求出保护1、2、3的第一段动作电流分别为：
2.1.1保护4、5的Ι段动作电流的整定
在线路A点的三相短路时的最大短路电流为：
所以保护4的Ι段动作电流为：
同理，在线路B点的三相短路时的最大短路电流为：
保护5的Ι段动作电流为：
2.1.2灵敏度校验
灵敏度可以反映出继电保护装置对于其保护范围内发生故障或者不正常运行状态的反应能力，所以对各个保护进行灵敏度校验就很有必要，如下所示：
所以保护4的灵敏度为：
所以保护4满足灵敏度要求。
同理保护5的灵敏度为：
所以保护5也满足灵敏度要求。
2.1.3动作时间的整定
无时限电流速断保护不必外加延时元件，即电流保护的第段动作时间为：
2.2保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算
当电流段的保护灵敏度达不到要求时就不能使用，此时可以采用另一种保护方式，即带时限的电流速断保护，所以以保护5为例对其方向电流Ⅱ段进行整定计算。
已知
分支系数=流过故障线电流与流过保护线电流的比值。
所以
所以保护5的动作电流为：
对其进行校验：
所以满足灵敏度要求。
2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装
为保证选择性，则必须加延时元件，且应按照阶梯形原则整定，即两相邻线路的电流Ⅲ动作时间相差一个△t。
上一线路与动作时间长的下一段线路相配合；末级不装延时元件；越靠近电源，延时越长。
s（线路末端），，
，（无下一级，相当于末级）
若矛盾，所以需加方向元件。
又由于：
>
为简化保护接线和提高保护的可靠性，电流保护每相的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段可共用一个方向元件。
电流保护第Ⅲ段的动作时间较小者而可能失去选择性时加方向元件，动作时间相同者可能失去选择性时均加方向元件。
所以，保护4，6，8加方向元件。
第3章硬件电路设计
3.1微机保护总体设计方案
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
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