35kV输电线路功率方向保护设计.docx
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35kV输电线路功率方向保护设计
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111
学号：
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
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输电线路功率方向保护设计
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=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。
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
电力系统的不断发展和安全稳定运行，给国民经济和社会发展带来了巨大动力和效益。
但是一旦发生故障如不能及时有效控制，就会破坏稳定运行，造成大面积停电，给社会带来灾难性的严重后果。
所以在输送电能的过程中,电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低电力系统供电范围。
电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的。
电流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：
继电保护；主保护；整定；方向保护
目录
第1章绪论1
1.1输电线路功率保护概述1
1.2本文主要内容1
第2章输电线路方向电流保护整定计算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3
2.1.2灵敏度校验4
2.1.3动作时间的整定4
2.2保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算4
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章微机保护的软硬件组成7
3.1微机保护总体设计方案7
3.2CPU的选择8
3.3单片机最小系统设计10
3.4微机保护的软件组成11
3.5功率方向保护的逻辑流程图12
第4章MATLAB建模仿真分析13
4.1MATLAB系统仿真图13
4.1仿真种波形13
第5章课程设计总结16
第6章参考文献17
第1章绪论
1.1输电线路功率保护概述
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。
1.2本文主要内容
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。
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。
第2章输电线路方向电流保护整定计算
2.1方向电流Ι段整定计算
2.1.1保护4、5的Ι段动作电流的整定
图2.1系统接线图
各段线路的阻抗为：
=
=40*0.4=16Ω
=40*0.4=16Ω
=40*0.4=16Ω
=30*0.4=12Ω
=30*0.4=12Ω
系统接线图如图2.1所示，由电流速断保护的动作电流应躲过本线末端的最大短路电流，可计算
保护4
=
0.574A
=1.2*1.5457=1.85A
保护5
因为
所以在4QF加方向元件
2.1.2灵敏度校验
校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足可靠系数的要求。
（2-1）
保护4的灵敏度校验
=
8.05Ω
=
=
=30Ω
=
=
=36.37%>15%满足灵敏度要求所以合格
保护5的灵敏度校验
（2-2）
=7.09Ω
16Ω
=
=44.31%>15%,
满足灵敏度要求所以合格
2.1.3动作时间的整定
因为无时限电流速断保护不必外加延时元件即可保证保护的选择性，也就是说电流保护第I段的人为延时，所以电流保护第I段的动作时间为0。
即t
=t
=0
2.2保护5、7、9方向电流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,而该线路的剩下部分的短路故障必须依靠另外一种电流保护,即带时限的电流速断保护对于此种保护的动作电流整定为:
保护5Ⅱ段与保护3配合
（2-3）
IB-C.Lmax=320A
：
分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。
=
/1.67=220.36A
1796.88A
=
=8.2>1.4满足灵敏度要求
与相邻保护3Ⅱ段配合
（2-4）
IC-D.Lmax=200A
分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。
所以：
=
/
=
=230A
=
/
=
=158.38A
=
=11.35>1.4此结果满足灵敏度要求
=
=1s
保护7,9与保护5相同
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章微机保护的软硬件组成
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，以供运行人员进行分析事故，即计算机还必须有人机联系部分。
微机保护装置硬件系统如图3.1所示，一般包括以下几部分。
（1）模拟量输入系统
由于微机系统是一种数字电路设备，只能识别数字量，所以就需要将来自TA,TV的电流，电压这一类模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字信号。
（2）微机系统
微机系统是微机保护装置的核心，一般包括：
微处理器，只读存储器，随机存取存储器以及定时器，“看门狗”等。
微机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发生跳闸信号。
（3）开关量输入/输出系统
开关量输入/输出回路由若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。
（4）人机对话接口回路
该回路主要功能用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。
人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语音告警等。
（5）电源
微机保护的电源是一套微机保护装置的重要组成部分。
通常采用逆变稳压电源，一般集成电路芯片的工作电压为5V,而数据采集系统的芯片通常需要双极性的±15V或±12V工作电压，继电器回路则需要24V电压。
3.2CPU的选择
数据处理过程是主要由AT89C51单片机等芯片完成的。
AT89C51是一种带4K字节的闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
其中包括128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式[26]。
空闲方式体制CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。
AT89C51单片机管脚图如图3.2所示
图3.2AT89C51单片机管脚图
引脚功能说明如下：
·VCC：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
·P1口:
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序校验期间，P1接受低8位地址。
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位四肢的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据，在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程和程序校验时，P2也接收高位地址和其他控制信号。
·P3口：
P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
·RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
·PSEN：
程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通型号，当89C51由外部存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。
·EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件使用12v编程电压VPP。
·XTAL1：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对电容C1、C2虽没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30Pf±10Pf，而如使用陶瓷谐振器建议选择40Pf±10Pf。
用户也可以采用外部时钟。
这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL端，即内部时钟发生器的输入端XTAL则悬空。
3.3单片机最小系统设计
单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。
图3.3单片机最小系统原理图
3.4微机保护的软件组成
微机保护系统的软件分为接口软件和保护软件两大部分。
（1）接口软件
接口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为监控程序和运行程序。
调试方式下的执行监控程序，运行方式下执行运行程序。
由接口面板上的工作方式或显示器上显示的菜单选择执行哪一部分程序。
监控程序主要就是键盘命令处理程序，是为接口插件及各CPU保护插件进行调节和整定而设置的程序。
接口的运行程序由主程序和定时中断服务程序构成。
主程序只要完成巡检，键盘扫描和处理，及故障信息的排列和打印。
定时中断服务程序包括软件时钟程序，以硬件时钟控制并同步各插件CPU的软时钟，检测各插件启动元件是否动作的检测启动程序。
（2）保护软件的配置
各保护软件的CPU插件的保护软件配置为主程序和中断服务程序。
主程序通常由三个基本模块：
初始化和自检循环模块，保护逻辑判断模块和跳闸模块，故障处理模块。
对于不同原理的保护，一般而言，前后两个模块基本相同，而保护逻辑判断模块就随不同的保护装置而相差甚远。
中断服务程序一般包括定时采样中断服务程序和串行口通信中断服务程序。
在不同的保护装置中，采样算法有些不同或因保护装置有些特殊要求，使得采样中断服务程序部分也不尽相同。
不同保护的通信规约不同，也造成程序的很大差异。
软件保护一般都有三种工作状态：
运行，调试和不对应状态。
不同状态时程序流程也就不相同。
有的保护没有不对应状态，只有运行状态和调试两种工作状态。
3.5功率方向保护的逻辑流程图
3.4功率保护流程图
第4章MATLAB建模仿真分析
4.1MATLAB系统仿真图
由MATLAB软件进行输电线路方向电流保护仿真实验的仿真图形如图4.1所示。
图5.1MATLAB建模仿真图
将MATLAB仿真技术应用于电力系统继电保护中输电线路方向电流保护的研究，针对输电线路方向电流保护技术的核心内容。
仿真步骤如下
1）环节库及其输入，将给定的信号输入仿真系统；
2）环节的联接，将各个环节的端口按框图连接起来；
3）环节参数的设定，将参数以MATLAB中合法的方式表示；
4）系统的建立，构建了继电保护系统输电线路方向电流保护的MATLAB仿真。
4.1仿真种波形
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4.2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4.2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4.3所示:
图4.3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4.4所示:
图4.4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。
第5章课程设计总结
经过这次课程设计，根据线路继电保护的要求，给35KV的输电线路设计合适的继电保护。
本次课程设计首先介绍了继电保护的作用和发展，然后详细介绍了35KV线路主保护及后备保护的选择与整定，最后介绍35KV系统的微机保护。
首先，让我有机会学以致用，并且查缺补漏，将老师在课堂上讲述过的内容应用到具体实践中来，对于抽象的知识有了具体而生动的认识，更加意识到实践与理论的区别，在实际生产中要考虑许多外界因素，而在理论学习时则更多的是在理想环境下进行的，这是我今后从事这一领域的工作时应该特别注意的一点；
其次，它教会我如何合作，向老师请教疑难，与同学探讨问题，互相帮助，共同进步，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法有助于我们更好地掌握知识与技能，所以在这里非常感谢帮助我的老师和同学。
第6章参考文献
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