本科毕业设计_线路允许式方向高频保护仿真平台设计与开发.docx

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线路允许式方向高频保护仿真平台设计与开发

encyprotection;permissive;virtualsimulationplatform;microprocessor-basedprotection

目录

第一章绪论 1

1.1高频保护的发展和现状 1

1.2本课题的研究目的及意义 1

1.3本课题的主要研究内容 2

第二章高频保护原理及微机保护算法 4

2.1高频保护的定义 4

2.2高频保护的结构组成 4

2.3高频信号 5

2.4高频保护的分类 5

2.5方向高频保护 5

2.6微机型高频保护算法 6

第三章Matlab仿真 8

3.1线路允许式方向高频保护Matlab仿真模型 8

3.1.1模拟电网系统图 8

3.1.2Matlab仿真图 8

3.1.3在Matlab软件系统中建立可执行文件 10

3.2对搭建的电力系统进行仿真 10

3.2.1模拟电力系统d1点发生短路 11

3.2.2模拟电力系统d2点发生短路 11

3.2.3模拟电力系统d3点发生短路 11

3.3Matlab模拟仿真结果 12

第四章保护VisualBasic程序设计与开发 13

4.1程序设计框图 13

4.2线路允许式方向高频保护虚拟仿真平台 17

4.2.1线路允许式方向高频保护虚拟仿真平台主界面 17

4.2.2查看采样点波形窗口 18

4.2.3保护定值设置窗口，以M站Form3窗口为例 19

4.2.4保护开入量设置窗口，以M站Form4窗口为例 20

4.3保护虚拟仿真平台动作结果 20

4.3.1线路内部发生三相短路 20

4.3.2线路内部发生单相接地短路 22

4.3.3线路其他短路情况 23

第五章总结 24

参考文献 25

致谢 26

附录 27

附录A程序设计框图 27

附录B保护源程序 36

线路允许式方

向高频保护仿真平台设计与开发

第一章绪论

1.1高频保护的发展和现状

高频保护首次应用到继电保护中就对我国电力系统的安全、稳定、高效运行做出了巨大贡献。

随着社会科学技术的快速发展，以光纤保护为标志的光纤时代正在一步步向前延伸，从目前来看，光纤保护呈现着在未来取缔高频保护的趋势。

高频保护是利用线路高频载波代替二次导线，传送线路两侧的电信号[5]。

因此，高频保护的工作原理是反应被保护线路首端和末端电流的差信号和功率方向信号，用高频载波将信号传送到线路对侧的保护装置并加以比较而决定保护是否应该动作。

正常运行及区外故障时，保护不动作，但在区内故障时，保护将全线速动[1]。

高频保护的高频通道目前大部分是采用输电线路本身作为其中一个通道，载波信号运用50-300KHz

的高频信号，保护连接方式一般有两种。

第一种：

相-地式，这种连接方式工作效率低、信号衰减大、干扰大，但是造价低。

第二种：

相-相式，此种连接方式工作效率高、造价也高。

电流相位差动高频保护的动作原理是通过测量和比较被保护线路两侧电流量的相位，采用输电线路载波通信的方式传递线路两侧的电流相位[3]。

高频闭锁式方向保护则是根据比较输电线路两侧短路功率方向原理构成。

允许式方向高频保护当被保护线路发生

短路时，如果功率方向元件判定为正方向即内部故障时，保护将向对侧发送高频允许信号，允许对侧保护跳闸[2]。

只有当本侧保护正方向动作，同时收到对侧保护发过来的高频允许跳闸信号时，保护才能跳闸出口，完成对故障线路的切除。

微机型保护的出现，是现代计算机技术、信息技术发展的成果。

随着人类对简单、高效品质的不懈追求，作为互联网、信息技术时代电力行业的产物，微机型继电保护顺应了我国电力电网的发展需求[17]。

微机型高频保护具有实现全线速动，保护构成简单，造价低等优点[10]。

目前，保护主要在220kv、110kv及35kv等输配电网中扮演着非常重要的角色，未来也将继续发挥着它的优越性。

1.2本课题的研究目的及意义

在现代大型电力系统超高压、远距离输电线路上，为了减小故障造成的损失，满

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足系统并列运行稳定性的要求，常常要求在线路两侧瞬时切除被保护线路上任一点发生的故障，即要求继电保护能实现全线速动。

距离保护从原理上决定了它不能实现全线速动，线路的纵联差动保护虽然可以无延时的切除保护范围内的短路故障，但是保护必须敷设专用的辅助导线，而且，只能用于长度不超过10km的输电线路。

所以，为解决超高压、长距离电力线路的短路问题，可以利用电力线路传送表示两侧电量的高频信号，而无需增设通信线路，这样就形成了高频保护[11]。

高频保护能够在高压线路上无延时地切除被保护线路内部故障，实现全线速动。

在未来电网继电保护发展进程中，高频保护的地位将会逐渐降低甚至被其他保护取代。

由于高电压等级的设备对电力系统而言至关重要，所以对保护的要求也更加严格。

从形势分析，高频保护将最早在500kv等高电压等级电网中被慢慢淘汰，取而代之的是更加稳定优越的光纤保护。

而220kv及以下低电压等级相对来说对保护要求没那么严格，设备更新周期也比较长，更换资金巨大，因此，在未来的很长一段时间，高频保护将继续在220kv及以下低电压等级的电网中发挥重要作用。

对于允许式方向高频保护，它的保护原理决定了这种保护容易出现拒动而不误动的情况，对我国的电力系统低压配电网网络拓扑图进行分析，可以发现，我国的低压配电网存在部分单电源单线供电网络，特别是在一些农村地区。

这种网络结构将造成电网在对保护的要求上更加侧重保护的不误动，而可以允许偶尔拒动，以此保证线路不轻易停电，确保电力供应的可靠性[7]。

因此，迎合这种电网对保护的要求，预计在未来智能交互式多电源电网建成和低压配电网设备完成更新改造之前，微机型线路允许式方向高频保护都将继续在低压输配电网中发挥着非常重要的作用[8]。

研究本课题，可以掌握高压输电线路发生各种短路的特点，分析线路允许式方向高频保护的工作原理，熟悉Matlab软件模拟高压线路上发生的各种短路，得出仿真结果。

学会利用计算机技术开发线路允许式方向高频保护虚拟仿真平台的方法和步骤，实际掌握继电保护虚拟仿真平台的设计和开发知识。

在对本课题的设计研究过程中，需要综合利用电气工程专业所学知识和技能，重点运用继电保护理论和计算机应用技术，培养自身发现问题、分析问题、处理问题的能力，从而提高自己的综合竞争力。

1.3本课题的主要研究内容

线路允许式方向高频保护仿真平台设计与开发主要研究线路允许式方向高频保护的工作原理，利用Matlab仿真工具，模拟一个简单的电力系统在某条线路发生区内故障

和区外故障的情况，从而得到故障前后的电流电压测量值，将仿真数据代替实际线路发生短路时线路上电流、电压互感器的测量值，已达到相对科学的仿真设计要求。

利用VisualBasic软件，设计开发线路允许式方向高频保护的虚拟仿真平台。

设计出的虚拟仿真平台需要能够实现线路允许式方向高频保护的基本功能，即仿真平台的实际工作原理。

为实现保护的功能，首先，需要设计出一套正确的虚拟仿真平台的程序框图，保护的工作原理就是程序的灵魂。

依据设计出的程序框图，在VisualBasic软件的开发环境下编写虚拟保护的源程序，并对源程序运行调试，最后开发出线路允许式方向高频保护的虚拟仿真平台。

第二章高频保护原理及微机保护算法

2.1高频保护的定义

高频保护是将线路两端的电流相位或功率方向转化为高频信号，利用输电线路本身构成高频电流通道，将高频信号送至对端，用以比较两端电流的相位或功率方向的一种保护装置[5]。

当保护范围内部发生故障时，保护两端的断路器瞬时跳闸。

当外部故障时，保护装置不动作[7]。

2.2高频保护的结构组成

高频保护由：

高频阻波器、结合电容器、连接滤波器、高频电缆、保护间隙、接地刀闸、高频收信机、高频发信机组成[9]。

高频保护结构如图2.1所示：

图2.1高频保护结构图

（1）高频阻波器是由电感线圈和可调电容组成的并联谐振回路，使高频电流限制在被保护输电线路以内，而工频电流可畅通无阻，即实现通工频，阻高频。

（2）结合电容器是一个高压电容器，电容很小，对工频电压呈现很大的阻抗，使收发信机与高压输电线路绝缘，载频信号顺利通过，即通高频，阻工频[5]。

（3）连接滤波器是一个带通滤波器，连接滤波器起着阻抗匹配的作用，可以避免高频信号的电磁波在传输过程中发生反射，并减少高频信号的损耗，增加输出功率[9]。

（4）高频电缆是用来连接户内的收发信机和连接滤波器。

（5）保护间隙是高频通道的辅助设备。

用以保护高频电缆和

高频收发信机免遭过电压的袭击[8]。

（6）接地刀闸也是高频通道的辅助设备。

在调整或检修高频收发信机和连接滤波器时，用它来进行安全接地，以保证人身和设备的安全[3]。

（7）高频收、发信机的作用是发送和接收高频信号。

2.3高频信号

高频信号一般采用50-300KHz的频率，以便与输电线路的工频信号区别开来，输电线路作为高频信号的通道，通道的构成以“相-相式”和“相-地式”两种方式为主[6][11]。

这两种高频通道方式各有其特点，相-地式的连接方式工作效率低、信号衰减大、干扰大，但是造价低。

相-相式的工作效率高、信号衰减较小，但是造价也高。

2.4高频保护的分类

高频保护按动作原理分可分为两大类，第一类：

反应工频电气量，如方向高频保护和电流相位差动高频保护[11]。

第二类：

反应非工频电气量，如高频电流保护和反应故障时出现的暂态分量或行波的保护。

按高频信号性质分类，高频信号可分为闭锁信号、允许信号和跳闸信号三种[10]。

2.5方向高频保护

方向高频保护是比较线路两端保护的短路功率方向，判断是保护内部故障还是外部故障。

如果是被保护线路内部故障，则视为保护正方向短路，如果是被保护线路外部故障,则视为反方向短路[10]。

方向高频保护的特点，1）内部故障判断启动元件对线路末端短路的灵敏度高。

2）收发信机需要采用双频制。

允许式方向高频保护的工作原理是当被保护线路发生短路时，如果功率方向元件判定为正方向短路，保护将向对侧发送高频允许信号，允许对侧保护跳闸[4]。

只有当本侧保护正方向动作，同时收到对侧保护发过来的高频允许跳闸信号时，保护才能跳闸出口，完成对故障线路的切除。

被保护线路在正常状态和发生外部短路时，高频保护都不会启动。

此外，高频保护的下一代保护将是光纤保护。

尽管高频保护有着造价低，使用简单、方便等诸多优点，但是，高频保护也存在抗干扰能力弱，信号衰减大的缺点。

这个缺

陷随着现代电网的发展被放大，高频保护已经不能满足现代电网提出的高稳定性、高准确性要求。

光纤作为继电保护的通道介质，具有不怕超高压与雷电电磁干扰、对电场绝缘、频带宽、衰耗低、安全稳定的特点[9]。

总体来说，光纤保护将比高频保护更适

合我国电力行业的发展。

2.6微机型高频保护算法

（1）故障相判别模块中的算法

一阶导数算法（Mann-Morrion算法）：

设u=UmSin（wt+ju）

u¢=wUmCos（wt+ju）

m

因此可得：

U2=u2+（u¢w）2

取2个或者3个采样值进行计算：

u=uk



（2-1）

（2-2）

（2-3）

（2-4）

u¢w=uk¢

w»uk+1-uk-1（差分近似代替微分） （2-5）

2wTS

或者：

u»uk+uk-1

2