35kV输电线路电流电压保护设计.docx
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35kV输电线路电流电压保护设计
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：
学 号：
学生姓名:
指导教师:
（签字）
起止时间：
2014 —20１4
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
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
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。
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。
通过实验验证并分析了动作过程。
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:
三段式电流电压保护;整定值计算；灵敏度;等值电抗
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Ι段整定计算ﻩ3
2．1.1保护３在最大、最小运行方式下的等值电抗ﻩ3
2.1.2 C、D、E母线相间短路的最大、最小短路电流4
2.１.3保护１、２、3的电流速断整定值ﻩ4
２.２ 电流Ⅱ段整定计算５
第3章硬件电路设计７
3.1单片机主系统设计7
3.3.2可编程I/O口825５Aﻩ９
第４章软件设计１2
４.１．２全波傅立叶算法１2
4.２保护软件流程ﻩ１２
4.2.2采样中断服务程序14
4.2.3 事故处理程序15
４.3ＭATLAB建模仿真分析１5
第5章实验验证及分析17
第6章课程设计总结ﻩ19
参考文献20
第１章绪论
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为电力系统建立了一个安全保障体系。
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四点基本要求。
1．电流电压保护的选择性
电流电压保护在单电源辐射网中一般有很好的选择性。
电流（电压）保护第Ⅰ段主要靠动作电流值来区分被保护范围内部和外部短路而具有选择性。
而电流保护第Ⅱ段和第Ⅲ段则应由动作电流和动作时间二者相结合才能保证其选择性,缺一不可。
但在多电源或单电源环网等复杂网络中这种保护可能无法保证其选择性。
２．电流电压保护的动作速度
电流电压保护第Ⅰ段和第Ⅱ段共同作为线路的主保护，能满足《技术规程》关于３5kＶ 及以下网络主保护的速动性要求。
电流电压保护第Ⅲ段因为越接近电源，动作时间越长，有时候动作时间长达好几秒，因而一般情况下只能作为线路的后备保护。
3.电流电压保护的灵敏度
电流电压保护的灵敏度因系统运行方式的变化而变化。
一般情况下能满足灵敏度要求。
但在系统运行方式变化很大、线路很短和线路长而负荷重等情况下，其灵敏度可能不容易满足要求,甚至出现保护范围为零的情况。
这也是电流保护的主要缺点。
4.电流电压保护的可靠性
电流电压保护的可靠性电流电压保护的电路构成、整定计算及调试维护都较简单，因此,它是最可靠的一种保护。
线路发生短路故障时可以采用电流电压保护、接地零序保护、距离保护和纵差动保护等。
当线路发生相间短路时可以采用电流电压保护。
电流电压保护是根据输、配电线上相间短路时线路电流增加而母线电压下降的特征而设计的一种保护。
主要用于35KV及以下的小接地电流系统中。
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。
本文设计研究中的继电保护采用了三段式电流电压保护通过动作电流来进行保护。
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Ι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
（1）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
；
；
;
；
;
；
（２）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
2．1.2 C、D、E母线相间短路的最大、最小短路电流
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:
２.1.3保护1、2、3的电流速断整定值
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：
因为
所以保护1、保护2的1段灵敏度不合格，保护3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（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
即:
灵敏度:
不合格
保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅰ段配合
即：
灵敏度：
不合格
保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅱ段配合
即：
灵敏度：
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作近后备的灵敏度:
合格
保护２作远后备的灵敏度：
合格
保护3作远后备的灵敏度：
合格
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:
ﻬ
第3章 硬件电路设计
3．１ 单片机主系统设计
3.1.1单片机主系统介绍
80５１的内部资源
（1）一个8位的微处理器（CPU）。
（2）片内数据存储器ＲAM（１28Ｂ/2５６Ｂ），用于存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。
（3）片内程序存储器ＲOＭ/ＥPＲOＭ（４KB/８KB）,用以存放程序、一些原始数据和表格。
（4）四个8位并行I/O接口P0～P３，每个口既可以用做输入,也可以用作为输出。
（５）两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式,用于对外部事件进行计数，也可设置为定时方式,并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
（6）五个中断源的中断控制系统。
（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口,用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。
（8）片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接。
最高允许振荡频为
12MHZ。
以上各个部分通过内部数据总线相连接。
8０51单片机引脚图及其功能
8051采用40脚双列直插封装方式，其引脚功能如下：
（1）电源引脚Vcc和Vss
Vcc（40脚）：
电源端，为+5V。
Vss（20脚）：
接地端。
（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
XTAL2（18脚）：
接外部晶体和微调电容的一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。
若需要采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。
XTAL1（19脚）：
接外部晶体和微调电容的另一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器的输入端。
在采用外部时钟信号时，该引脚必须接地。
图3.1 8051引脚图
（３）控制引脚RST,ALE,PＥSＮ和EA
RST／ＶＰD:
RＳT是复位信号输入端，高电平有效。
RST引脚的第二功能是，即备用电源的输入端。
AＬE/
（30脚）：
地址锁存允许信号端。
当8０51上电正常工作后，AＬE引脚不断向外输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的１/6。
ＣPU访问片外存储器时,AＬE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。
此引脚的第二功能
在对片内带有4KB EPＲOM的87５1编程写入时，作为编程脉冲输入端。
（2９脚）:
程序存储允许输出信号端。
在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为片外存储器的选通信号。
/VＰP（31脚）:
外部程序存储器地址允许输入端／固化编程电压输入端。
当EA接高电平时,CＰU只访问片内的EPROM/ROＭ并执行内部程序存储器的指令,但当ＰC（程序
计数器）的值超过０FFＦFH（对80５１为4KB）时，将自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA接低电平时，ＣＰU只访问外部EPROM／ROM并执行外部程序存储器的指令,而不管是否有片内程序存储器。
（４）输入/输出端口P０,P1,Ｐ2和P3
P０口:
P0口是一个漏极开路的8位准双向Ｉ/Ｏ端口。
作输出端口时,每位可驱动8个ＬS型的TTL负载。
作输入时,应先向口锁存器（80Ｈ）写入全1。
P1口、P2口、P3口均可作为输出/输入口,每位可驱动4个LS型的TTＬ负载。
P３口除此之外,每个引脚还具有第二功能。
时钟电路
单片机的时钟产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式两种,大多数单片机运用系统采用内部时钟方式。
最常用的内部时钟方式是采用外接晶体
（陶瓷谐振器的频率稳定性不高）和电容组
成的并联谐振回路。
连接方法如图4-9所示
8051单片机允许的谐振晶体可在1.2MHZ～
2４MHZ之间选择,一般取11.059２ＭHＺ。
电
容C1、C2可在20ＰF～100PF之间选择，一
般当外接晶体时典型取值为３0PＦ，外接陶瓷
谐振器时典型取值为4７ PＦ,取６0ＰF～7０PF
时震荡器有较高的频率稳定性。
３.3．2可编程I/O口8255A
8255A的基本特性
1）８255A具有二个８位、二个4位的并行I/O端口的芯片;
2）8255A能以多种形式,在I/O端口与ＣPU之间进行数据传送。
如：
程序直接传送、应答方式传送和中断方式传送等。
3）有４个端口地址：
A、Ｂ、C三个数据端口地址和控制口地址。
一般情况下该芯片的A1、A0脚接系统总线的A1、A0，此时，A１A0＝１１时选择的是控制口；A1A0=00时选择的是A口;A1Ａ0=０1时选择的是B口;A1A0=10时选择的是C口;
4）82５5A的工作方式选择和C口按位操作控制字均利用控制口发布命令。
传送数据时用各数据口的地址。
８25５A有三种工作方式：
1）0方式：
基本Ｉ/O方式。
无须连接信号的直接I/Ｏ,三个8位口均可作此类I/O。
无专用联络信号，不能采用中断方式与CＰU交换数据,输出锁存，输入缓冲（有三态门）而无锁存。
2）1方式：
选通方式。
只有Ａ口、Ｂ口可作此方式使用，C口此时作为联络线或0方式使用；
3）2方式：
双向I/O。
只有A口可以作为此方式使用，C口在此方式下有5条线作联络线，余下的做Ｂ口1方式的联络线。
825５A芯片引脚
在与单片机接口的方向,８255Ａ提供如下信号,引脚如图３.３
图３.３ 8255A的引脚图
ＡD7—AD0 三态双向数据线。
—读选通信号。
—写选通信号。
—片选信号。
REＳEＴ—复位信号。
复位后A、B、C口均置为输入方式。
A1-A0—地址线,用来选择825５Ａ内部端口。
82５5A与８０５1单片机的连接
根据需要对单片机8０51芯片扩展了I/Ｏ口,扩展了两片8２55A芯片，设计了825５Ａ和８0５１的连接图,如图3.4
图３.４805１和８25５Ａ的连接图
80５1扩展8２５5A,两片８255A都工作在0方式。
将A片PA口设置为输入口,PＢ口设置为输出口，CＳ由译码电路的Y6控制;将B片PA、PB口都设置为输出口，PC口低4位设置为输入口,CＳ由译码电路的Y7控制。
ﻬ
第４章软件设计
4．1保护算法
4.1．1概述
微机保护及其控制装置根据模数转换提供的输入电气量的采样数据进行分析、运行和判断以实现各种继电保护及其控制功能的方法称为算法。
目前,提出的算法有很多种,其核心问题归根结底不外乎是从已有的输入电气量的采样值中算出可表示被保护或控制对象运行特点的物理量。
如电压、电流等。
有了这些基本的电气量的计算值,就可以很容易地实现各种不同原理的保护及控制方法
算法是研究微机保护及控制装置的重点之一。
分析和评价各种不同的算法优劣的标准是精度和速度。
研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡。
另外,算法本身具有数字滤波功能，即是否能从带有其他频率成分的采样值中比较精确地将基波分量的幅值和相位估算出来,也是必须考虑的,特别是作为继电保护算法时,更需要考虑数字滤波功能好的算法。
而在故障后的暂态过程中,保护安装中的电流和电压除了含有基波分量外,还含有高次谐波和衰减非周期分量，保护要从这样的电流，电压采样值中比较精确的估算出基波分量,必须选用数字滤波功能好的算法。
4.1.2全波傅立叶算法
假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数,除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波,根据傅立叶级数的概念，可以将其展开成无数次谐波的和。
全波傅立叶算法,不仅能滤掉各种整次谐波和纯直流分量,而且对整次高频分量和按指数衰减的非周期分量中的低频分量有一定的抑制作用。
正因为全波傅立叶算法具有良好的数字滤波特性，使得它成为应用广泛的继电保护及控制算法。
４.2保护软件流程
保护的程序的主要包括三大模块：
主程序、采样中断服务程序和事故处理程序。
4.2．1主程序
主程序包括初始化、全面自检、开放和等待中断等功能。
当装置上电或按复位按扭后，进入该程序模块的入口。
首先进行必要的初始化
（一）,如堆栈寄存器赋值、控制口初始化（置ＩD、T０、T１的工作方式）、查询面板上开关的位置等。
当面板上开关在调试位置则进入监控程序，否则进入运行程序。
进入运行程序后，单片机将开始运行状态所需的各项准备工作即初始化
（二），包括往I/O并行控制口写数，让所有的开关量处于正常状态;按照面板上的整定值或门槛值切换开关的位置，按套号将所需要的那一套整定值或门槛值放在预先规定好的ＲＡM区。
之后单片机依据程序对装置硬件的各部分进行全面自检。
在确认一切良好后才允许数据采集系统开始工作，将采集指针和软件定时器初始化,准备好定时对各模拟输入量进行采样和A/D转换。
这一工作完成后，先将保护的启动元件动作标志置1,即PB6=０,ＰＢ7＝1，闭锁采样中断服务程序中起动元件的计算。
然后开放采样定时器中断并等待。
开放采样定时器中断后，若中断时刻到,则转入采样中断服务程序,执行完后返回至主程序的断点处,继续执行主程序。
若中断时刻未到,主程序会继续往下执行而不断的进行专用自检项目。
专用自检项目是依据不同的被保护元件或不同的保护原理自行设置。
该装置软件中含有三个故障处理程序。
故障处理程序ＩＩ的功能与故障处理程序III的功能类似,只是延时动作时间不同。
并且，由于各段动作后均具有记忆功能。
因此，在断路器跳闸后,重新合闸前应先使单片机系统复位。
４.２.2采样中断服务程序
包括对模拟量的采样、Ａ/D转换、采样值存储、起动元件的计算和是否有故障发生的判断等功能。
图5-2给出了采样中断服务程序的框图。
进入该程序模块后,首先发出采样/保持命令以保证各模拟量输入通道的同时采样;再对各通道保持信号依次进行A/Ｄ转换并将转换结果存储到预先划分好的ＲＡＭ区域；然后进行起动元件的计算和判断。
如果起动元件已经动作,说明这次中断服务程序的执行是由于事故处理程序被采样定时器中断时间到而打断引起的，则不用再进行起动元件的计算和判断，当判断出起动元件刚好动作时，则进行以下三项工作：
1）将起动元件动作标志置1；２）向并行控制口写数，驱动起动继电器动作；3）修改返回地址为事故处理程序的入口地址,这样在采样中断服务程序的出口处程序将返回到事故处理程序,而不是返回到主程序的断点处。
4.2．3事故处理程序
此程序模块在起动元件动作后才投入，包括保护特性的计算、故障性质的判断等功能,其框图如图5-3所示。
进入该模块后,首先检查故障后的采样数据是否够一个数据窗长。
所谓数据窗长是指能估算出电气量中所含某一频率分量的幅值和相位所需要的采样数据的长度。
若数据窗长已经达到了,则开始进行保护动作方程的计算和判定。
如果判定故障发生在区外,则进入整组复归模块,使所有的动作标志和继电器重新恢复到初式正常运行的状态;如果判定故障发生在区内，则发出跳闸命令等,即往并行控制口写数,置PB０、PB2、ＰB4为0，置PB1、PB3、PB5为1，从而控制跳闸、报警、发出故障信号。
在故障切除后,经整组复归后进入主程序,准备下次故障时再动作。
若发出跳闸令5s后,故障仍未切除，就收回跳闸命令，以防止被保护元件又发生故障时保护拒动作。
4．3 ＭATLＡB建模仿真分析
根据线路三段式保护的原理以及各段保护之间的配合模拟各段保护的动作情况。
（1）模拟电流Ⅰ段保护动作执行仿真后，仿真结果如下图4.3所示:
由图可以看出线路在０.05s发生了故障,产生一个较大的短路电流,之后经过一个很小的延时0.０01s，断路器１跳闸。
电流Ⅰ段成功按时动作。
图４.3 电流Ⅰ段仿真波形图
（2）模拟电流Ⅱ段保护动作,在电流Ⅱ段的范围内设置故障，由于本设计是模拟线路不同段发生故障，所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。
将线路１的值设置为1０
线路0、2分别为０.３、3．5。
仿真参数同
（1）,执行仿真后，仿真结果如下图４.4所示:
图4.４电流Ⅱ段仿真波形图
由图可以看出线路在０.0５ｓ发生了故障,产生一个较大的短路电流,之后经过预先设置的延时0.5s，断路器1在0.55ｓ跳闸。
电流Ⅱ段成功按时动作。
（３）模拟电流Ⅲ段保护动作，在电流Ⅲ段的范围内设置故障,由于本设计是模拟线路不同段发生故障,所以就可以直接改变线路1的值来模拟线路不同段的故障。
将线路1的值设置为15.5
，线路0、2分别为0.3、3．５。
仿真参数同１）,执行仿真后，仿真结果如下图４．5所示:
图4．5电流Ⅲ段仿真波形图
由图可以看出线路在０.05s发生了故障，产生一个较大的短路电流，之后经过预先设置的延时1．0s，断路器1在１.05s跳闸。
电流Ⅲ段成功按时动作。
ﻬ
第５章实验验证及分析
在系统运行方式为最小时，做三段式常规电流保护实验，找出I段电流保
护的最小保护范围,具体实验步骤如下:
（l）按前述完全星型实验接线，将变压器原方CT的二次侧短接。
调整I
段三个电流继电器的整定值为5．１6Ａ，IＩ段三个电流继电器的整定值为2．78
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