110kV輸電線路功率方向保護設計

1、xxxx 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學微機繼電保護微機繼電保護課程設計（論文）課程設計（論文）題目：題目：110kv110kv 輸電線路功率方向保護設計（輸電線路功率方向保護設計（1 1）院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 電氣電氣111111班班 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字）起止時間：起止時間： 2014120141. .12.15-2014.12.26.12.15-2014.12.26.本科生課程設計（論文）課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化學 號學生姓名

2、專業(yè)班級電氣 111課程設計（論文）題目110kv 輸電線路功率方向保護設計（1）課程設計（論文）任務系統(tǒng)接線圖如圖：課程設計的內容及技術參數(shù)參見下表設計技術參數(shù)工作量,10,3/1151gxkve,25,1532ggxxl1=l2=60km,l3=40km,lb-c=40km,lc-d=30km,ld-e=20km,線路阻抗 0.4/km,2 . 1irelkrelk15. 1relk最大負荷電流 ib-c.lmax=300a,ic-d.lmax=200a, id-e.lmax=150a,電動機自啟動系數(shù) kss=1.5，電流繼電器返回系數(shù) kre=0.85。最大運行方式：三臺發(fā)電機及線路

3、l1、l2、l3 同時投入運行；最小運行方式：g2、l2 退出運行。一、整定計算1.等值電抗計算、短路電流計算。2.整定保護 4、5 的電流速斷保護定值，并盡可能在一端加裝方向元件。3確定保護 5、7、9 限時電流速斷保護的電流定值，并校驗靈敏度。4確定保護 4、5、6、7、8、9 過電流保護的時間定值，并說明何處需要安裝方向元件。二、硬件電路設計包括 cpu 最小系統(tǒng)、電流電壓數(shù)據(jù)采集、開關設備狀態(tài)檢測、控制輸出、報警顯示等部分。三、軟件設計說明設計思想，給出參數(shù)有效值計算及故障判據(jù)方法，繪制流程圖或邏輯圖。四、仿真驗證給出仿真電路及仿真結果，分析仿真結果同理論計算結果的異同及原因。bag1

4、123l3l2l1edcg2g3987654系統(tǒng)接線圖本科生課程設計（論文）續(xù)表進度計劃第一天：收集資料，確定設計方案。 第二天：等值電抗和短路電流計算，電流速斷保護整定計算。第三天：限時電流速斷、過電流保護整定計算。 第四天：硬件電路設計（最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測部分） 。第五天：硬件電路設計（控制輸出、報警顯示部分） 。 第六天：軟件設計（有效值計算、故障判據(jù)） 。第七天：軟件設計（繪制流程圖或邏輯圖）第八天：仿真驗證及分析。 第九天：撰寫說明書。第十天：課設總結，迎接答辯。指導教師評語及成績平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量

5、60% 答辯20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）摘 要電能是現(xiàn)代社會中最重要、也是最方便的能源。而發(fā)電廠正是把其他形式的能量轉換成電能，電能經(jīng)過變壓器和不同電壓等級的輸電線路輸送并被分配給用戶，再通過各種用電設備轉換成適合用戶需要的其他形式的能量。在輸送電能的過程中,電力系統(tǒng)希望線路有比較好的可靠性,因此在電力系統(tǒng)受到外界干擾時,保護線路的各種繼電裝置應該有比較可靠的、及時的保護動作,從而切斷故障點極大限度的降低電力系統(tǒng)供電范圍。電力系統(tǒng)繼電保護就是為達到這個目的而設置的。電流方向保護是在每個斷路器的電流保護中增加一個功率方向測量元件。使其對對電流保護段來說，因為反方向短路時功率方向測量

6、元件不動作，其整定值就只需躲過正方向線路末端短路電流最大值，而不必躲過反方向短路的最大短路電流，因而提高了靈敏度。關鍵詞：繼電保護；功率保護保護；方向保護；方向元件本科生課程設計（論文）本科生課程設計（論文）目 錄第 1 章 緒論.11.1 輸電線路電流保護概述.11.2 本文主要內容.1第 2 章 輸電線路方向電流保護整定計算.22.1 方向電流 段整定計算.22.1.1 方向電流的整定 .22.1.2 保護 4、5 的 段動作電流的整定 .32.1.3 靈敏度校驗 .42.1.4 動作時間的整定 .52.2 保護 5、7、9 方向電流段整定計算.52.3 方向電流段動作時間整定計算及方向元

7、件的安裝.8第 3 章 硬件設計.93.1 功率方向保護設計總體設計方案.93.2 電壓電流數(shù)據(jù)采集.93.3 報警顯示電路設計.103.4 時鐘電路設計.103.5 人機對話接口電路設計.113.6 cpu 最小系統(tǒng)圖 .12第 4 章 軟件設計.134.1 主程序流程圖設計 .13 4.2 模擬量檢測流程圖設計 .14第 5 章 matlab 建模仿真分析 .154.1 matlab 系統(tǒng)仿真圖 .154.2 仿真波形.15第 6 章 課程設計總結.18第 7 章 參考文獻.19本科生課程設計（論文）1第 1 章 緒論1.1 輸電線路電流保護概述電力系統(tǒng)的輸、配線路因各種原因可能 會發(fā)生相

8、間或相地短路故障,因此,必須有相應的保護裝置來反映這些故障,并控制故障線路的斷路器,使其跳閘以切除故障.對各種不同電壓等級的線路應該裝設不同的相間短路和接地短路的保護。對于 3kv及以上的電力設備和線路的短路故障，應有主保護和后備保護；對于電壓等級在220kv 及以上的線路，應考慮或者必須裝設雙重化的主保護，對于整個線路的故障，應無延時控制其短路器跳閘。線路的相間短路、接地短路保護有：電流電壓保護，方向電流電壓保護，接地零序流電壓保護，距離保護和縱聯(lián)保護等。電力系統(tǒng)中線路的電流電壓保護包括：帶方向判別和不帶方向判別的相間短路電流電壓保護，帶方向判別和不帶方向判別的接地短路電流電壓保護。他們分別

9、是用于雙電源網(wǎng)絡、單電源環(huán)形網(wǎng)絡及單電源輻射網(wǎng)絡的線路上切除相間或接地短路故障。1.2 本文主要內容在每個斷路器的電流保護中增加一個功率方向測量元件（當他和電流測量元件均動作后才啟動邏輯元件） ，并規(guī)定當短路功率從母線流向線路（為正）時該功率元件動作，而從線路流向母線（為負）時不動作。那么對電流保護段來說，因為反方向短路時功率方向測量元件不動作，其整定值就只需躲過正方向線路末端短路電流最大值，而不必躲過反方向短路的最大短路電流，因而提高了靈敏度。這種增加了功率方向測量元件的電流保護即為功率方向保護。在雙電源網(wǎng)絡或其他復雜網(wǎng)絡中，可以采用帶方向的三段式電流保護，以滿足保護的各種性能要求。主要對保

10、護段的 段動作電流的整定、靈敏度的校驗、動作時間的整定、方向電流段的整定計算和方向電流段動作時間整定計算，繪制方向電流保護原理圖，并對動作過程進行分析。本次設計的任務主要包括了六大部分，分別為運行方式的選擇、電網(wǎng)各個元件參數(shù)及負荷電流計算、短路電流計算、繼電保護功率方向保護的整定計算和校驗、對所選擇的保護裝置進行綜合評價。其中短路電流的計算和電氣設備的選擇是本設計的重點。本科生課程設計（論文）2第 2 章 輸電線路方向電流保護整定計算2.1 方向電流 段整定計算 2.1.1 方向電流的整定首先要進行動作電流的整定，如圖 2.1 和圖 2.2 所示分別為系統(tǒng)最大運行狀態(tài)和最小運行狀態(tài)下的等效電路

11、圖： 圖 2.1 系統(tǒng)最大運行方式等效電路圖xg11xl13xg32xl34xbc5xcd6xde7 圖 2.2 系統(tǒng)最小運行方式等效電路圖 由條件可知：10321gggxxx16321lllxxx,16bcx12cdx12dex所以最大運行方式的等值阻抗為：8 . 8)(|)|(332121min3lgllggxxxxxxxxg11xl14xg22xl25xg33xl36xbc7xcd8xde9本科生課程設計（論文）3最小運行方式下的等值阻抗為：14)(|)(3311max3lglgxxxxx則 c 母線的最大短路電流為： kaxxeibckc88. 0min3max同理 d 母線的最大短路

12、電流為： kaxxxeicdbckd47. 0min3maxe 母線的最大短路電流為： kaxxxxeidecdbcke35. 0min3max于是可以求出保護 1、2、3 的第一段動作電流分別為：kaikikcrelop576. 0max11kaikikdrelop866. 0max12 2.1.2 保護 4、5 的 段動作電流的整定圖 2.3 系統(tǒng)接線圖各段線路的阻抗為： 244 . 06021llxx164 . 0402lx164 . 040bcx 124 . 030cdx84 . 020dex系統(tǒng)接線圖如圖 2.3 所示，由電流速斷保護的動作電流應躲過本線末端的最大短路電流，bag11

13、23l3l2l1edcg2g3987654本科生課程設計（論文）4保護 4 = 1.423a x)x(x )(l3l2g211)3(maxlgkaxxei 1624)(15 )2415(3115a76. 1423. 12 . 1)3(maxop4iikkarel保護 5a14. 216153115 xl33)3(maxgkbxei a48. 207. 22 . 1)3(maxop5iikkbrel因為 所以在 4qf 加方向元件ii(3)maxkb4op 2.1.3 靈敏度校驗校驗，應按電流、電壓元件中保護范圍小的元件確定，整定值滿足靈敏度senk的要求。 （2-min 41 min 4431

14、 3senlx lklx l1）保護 4 的靈敏度校驗=8.05iopmin142i3selxmaxsx3 115302 2.052 =304opx321lllxxx28 2816=36.37%15%滿足靈敏度要求所以合格senk4min1opxlx10.9130保護 5 的靈敏度校驗 （2-min 51 min 5531 3senlx lklx l2）=7.09maxmin1523xopsxielx3 1153162 2.491635lopxx本科生課程設計（論文）5=44.31%15%,senk7.0916滿足靈敏度要求所以合格 2.1.4動作時間的整定因為無時限電流速斷保護不必外加延時元

15、件即可保證保護的選擇性，也就是說電流保護第 i 段的人為延時，所以電流保護第 i 段的動作時間為 0。即 t=t=04op5op2.2 保護 5、7、9 方向電流段整定計算由于無時限電流速斷保護只能保護線路的一部分,而該線路的剩下部分的短路故障必須依靠另外一種電流保護,即帶時限的電流速斷保護對于此種保護的動作電流整定為: 保護 5段與保護 3 配合 （2-brelkk5opi3） a300max.lcbop ：分支系數(shù)=流過故障線電流/流過保護線電流。bk 45. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik =/1.67=220.54a brelkk5opi30015. 1 1654

16、.65a33)2(kb23ilgsxxe1616311523 =8.21.4 滿足靈敏度要求 5op2)kbii（senk6.32208.81796 與相鄰保護 3段配合65. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik （2-5op2)kbii（senk4）本科生課程設計（論文）6 a200max.2ldc 分支系數(shù)=流過故障線電流/流過保護線電流，且兩電流相等。 所以：1k4b =/=230a 3opi2oprelik4bk1/20015. 1 =/=154.54a 5opi3oprelikbk7.61/23015. 1 =11.351.4 此結果滿足靈敏度要求 5op2)kbi

17、i（senk8.31588.81796 =1s 5opttt3opttt2op 保護 7段與保護 3 配合 （2-brelkk5opi5） a300max.lcbop ：分支系數(shù)=流過故障線電流/流過保護線電流。bk 52. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik =/1.67=220.54a brelkk5opi30015. 1 1654.65a33)2(kb23ilgsxxe1616311523 =8.21.4 滿足靈敏度要求 5op2)kbii（senk6.32208.81796 與相鄰保護 3段配合36. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik （2-5op

18、2)kbii（senk6） a200max.2ldc 分支系數(shù)=流過故障線電流/流過保護線電流，且兩電流相等。本科生課程設計（論文）7 所以：1k4b =/=240a 3opi2oprelik4bk1/20015. 1 =/=132.56a 5opi3oprelikbk7.61/23015. 1 =13.531.4 此結果滿足靈敏度要求 5op2)kbii（senk8.31588.81796 =1s 5opttt3opttt2op 保護 9段與保護 3 配合 （2-brelkk5opi7） a300max.lcbop ：分支系數(shù)=流過故障線電流/流過保護線電流。bk 45. 1113311lg

19、slgsabbbxxexxeiik =/1.67=220.54a brelkk5opi30015. 1 1654.65a33)2(kb23ilgsxxe1616311523 =8.11.4 滿足靈敏度要求 5op2)kbii（senk6.32208.81796 與相鄰保護 3段配合65. 1113311lgslgsabbbxxexxeiik （2-5op2)kbii（senk8） a200max.2ldc 分支系數(shù)=流過故障線電流/流過保護線電流，且兩電流相等。 所以：1k4b本科生課程設計（論文）8 =/=234a 3opi2oprelik4bk1/20015. 1 =/=165.45a 5

20、opi3oprelikbk7.61/23015. 1 =11.461.4 此結果滿足靈敏度要求 5op2)kbii（senk8.31588.81796 =1s 5opttt3opttt2op2.3 方向電流段動作時間整定計算及方向元件的安裝為保證選擇性，則必須加延時元件，且應按照階梯形原則整定，即兩相鄰線路的電流動作時間相差一個t。上一線路與動作時間長的下一段線路相配合；末級不裝延時元件；越靠近電源，延時越長。s（線路末端） ，0t1ttt12t2ttt23，（無下一級，相當于末級） 5793tttt1.5st 0sttt864若 矛盾，所以需加方向元件。5454,bcopopaopopktt

21、ktt又由于： 1.5sttt9750sttt864為簡化保護接線和提高保護的可靠性，電流保護每相的第、段可共用一個方向元件。電流保護第段的動作時間較小者而可能失去選擇性時加方向元件，動作時間相同者可能失去選擇性時均加方向元件。所以,保護 4,6,8 加方向元件。本科生課程設計（論文）9第 3 章 硬件設計3.1 功率方向保護設計總體設計方案功率方向保護硬件設計可分為：電流電壓采集系統(tǒng)、開關設備狀態(tài)檢測、a/d轉換系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等幾個部分。先由電流電壓采集器得到所需要的電流和電壓，再經(jīng)過開關設備狀態(tài)檢測系統(tǒng)控制開關量的輸入與輸出，經(jīng)過a/d轉換電路使單片機能夠識別的信號，

22、最后由單片機來控制輸出及報警和顯示。其總體框圖如圖3.1 所示。開關設備狀態(tài)檢測a/d 轉換電路單片機聲光報警電路led 顯示控制輸出電流電壓數(shù)據(jù)采集圖 3.1 功率方向保護總體框圖3.2 電壓電流數(shù)據(jù)采集電網(wǎng)側的電壓和電流分別經(jīng)電壓互感器和電流互感器再到電壓形成電路產(chǎn)生微機可以利用的信號。其中交流電壓信號采用電壓變換器即可滿足要求，而交流電流信號可以采用電抗變換器和電流變換器，在此選用電流變換器對電流信號進行變換。此外，為保證后面的電路不受干擾，兩個經(jīng)變換器出來的信號還需經(jīng)低通濾波環(huán)節(jié)進行濾波才允許輸入到采樣保持電路，供 cpu 發(fā)出信號進行采樣。低通濾波環(huán)節(jié)可由電阻及電容組合構成一模擬低通

23、濾波器。而采樣保持環(huán)節(jié)則選擇較常用的 lf-398 采樣芯片。其邏輯輸入端 s/h 由 cpu 中的定時器按一定時序控本科生課程設計（論文）10制，從而控制何時采樣、何時保持。當邏輯輸入端即 s/h=1，即電平為高時，為采樣功能；當邏輯輸入端即 s/h=0，即電平為低時，為保持功能。 低通濾波及采樣保持電路如圖 3.2 所示。圖 3.2 低通濾波及采樣保持電路3.3 報警顯示電路設計報警電路采用聲光報警器。由揚聲器 by，普通紅色發(fā)光三極管等組成。其中at89c51 的 p3.5 引腳經(jīng)電阻接到發(fā)光三極管 n 端，當輸出為低電平時，三極管將閃爍發(fā)光。達到聲光同時報警的效果。通過復位停止報警。如

24、圖 3.3 所示。p3.5(t1)at89c51r10kqvccls.圖 3.3 聲光報警電路3.4 時鐘電路設計計算機在工作時，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一排一排的進行。這個脈沖是由單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。而時鐘電路就是用于產(chǎn)生單片機工作所需的時本科生課程設計（論文）11鐘信號，沒有時鐘電路，單片機就無法工作。時鐘信號可以有兩種方式產(chǎn)生：內部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內部時鐘方式，其原理如圖 3.4 所示。其中 c1、c2 值為 30pf,晶振頻率為 12mhz。圖 3.4 內部時鐘振蕩電路3.5 人機對話接口電路設計led 顯示有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。本設計使用并行

25、輸入硬件譯碼靜態(tài)顯示電路，靜態(tài)顯示電路中，各位可獨立顯示，只要在該位的段碼線上保持段碼電平，該位就能保持相應的顯示字符。電路中采用了鎖存譯碼器將 p1 口低 4 位輸出的 bcd 碼譯成七段字型碼，利用 p1 口高四位做為各鎖存譯碼器的所存信號，實現(xiàn)穩(wěn)定顯示。led 使用的是共陰極 7 段數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示電路如圖 3.5 所示。鍵盤的結構有兩種：獨立式按鍵和矩陣式按鍵，其中獨立式按鍵適用于按鍵數(shù)量不多的場合，而矩陣式按鍵適用于按鍵數(shù)量較多的場合。鍵盤有兩種工作方式：編程掃描方式和中斷掃描方式。本設計采用的是矩陣式按鍵鍵盤，并利用中斷掃描法處理按鍵，消抖由軟件實現(xiàn)。鍵盤掃描電路如圖 3.6 所

26、示。xt al 2xt al 1at 89c51c130pfc230pfy1.本科生課程設計（論文）12a abaaabbbcccc cd d ddd dd dcececececece1111p1.3p1.0p1.1p1.2p1.4p1.5p1.6p1.7acdbefghhabc cd de ef fg gab bc cdefghabcd defg gh89c51abfcgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-segabfcgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-segabfcgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-segabf

27、cgdedpyledgn1234567abcdefgdpy_7-seg. .圖3.5 led顯示電路int0p2.0p2.1p2.2p2.3p2.4p2.5p2.6p2.7at89c51123123123r14kr24kr34kr44k+5v+5v. . .本科生課程設計（論文）13開始初始化數(shù)據(jù)處理子程序聲光報警a/d 轉換子程序大于閾值？圖 3.6 鍵盤電路3.6 cpu 最小系統(tǒng)圖p2.0p2.1p2.2d0d1d2d3d4d5d6d7q0q1q2q3q4q5q6q7a0a1a2a3a4a5a6a7a8a9a10stbp0.0p0.1p0.2p0.3p0.4p0.5p0.6p0.7i/o

28、0i/o1i/o2i/o3i/o4i/o5i/o6i/o7oewerdwralecextal2xtal1vccresetvssat89c51c130pfc230pfy1gnd.82826116gnd.c22ufr21kr1200s?sw -pbvccgnd.圖 3.7 cpu 最小系統(tǒng)圖第 4 章 軟件設計4.1 主程序流程圖設計該軟件主要包括主程序模塊、裝置功能設置（按鍵中斷服務）模塊、a/d轉換中斷服務模塊、數(shù)據(jù)處理等模塊。 主程序的任務是對中斷、定時器、各種接口芯片及變量進行初始化，對裝置自檢，循環(huán)執(zhí)行檢測，等待按鍵處理模塊的中斷請求（int0）和a/d轉換結束產(chǎn)生的中斷請求，在a/d轉

29、換中斷服務執(zhí)行完畢時發(fā)出有效的軟中斷請求，主程序將執(zhí)行本軟件的核心模塊執(zhí)行，執(zhí)行完模塊后，返回到主程序循環(huán)判斷處，等待下一次中斷。本次試驗將a/d轉換子程序和數(shù)據(jù)處理子程序結合在一起，檢驗數(shù)據(jù)是否大于閾值，若大于則報警，反之，就不報警。主程序流程圖如圖4.1所示。本科生課程設計（論文）14 圖4.1 主程序流程圖本科生課程設計（論文）154.2 模擬量檢測流程圖設計a/d 轉換子程序流程圖如下圖 4.2 所示。adc0809 初始化后，把 0 通道輸入的0-5v 的模擬信號轉換為對應的數(shù)字量 00h-ffh，然后將對應數(shù)值存儲到內存單元。程序框圖如圖 4.2 所示。 n y圖 4.2 模擬量檢

30、測流程圖啟動 adc0809 通道，并延時 100s讀出 a/d 轉換結果結果存入內存單元開始返回轉換完？本科生課程設計（論文）16第 5 章 matlab 建模仿真分析4.1 matlab 系統(tǒng)仿真圖由 matlab 軟件進行輸電線路功率方向保護仿真實驗的仿真圖形如圖 5.1 所示。圖 5.1 matlab 建模仿真圖將 matlab 仿真技術應用于電力系統(tǒng)繼電保護中輸電線路方向電流保護的研究，針對輸電線路方向電流保護技術的核心內容。仿真步驟如下1) 環(huán)節(jié)庫及其輸入，將給定的信號輸入仿真系統(tǒng)；2) 環(huán)節(jié)的聯(lián)接，將各個環(huán)節(jié)的端口按框圖連接起來；3) 環(huán)節(jié)參數(shù)的設定，將參數(shù)以 matlab 中合

31、法的方式表示；4) 系統(tǒng)的建立，構建了繼電保護系統(tǒng)輸電線路方向電流保護的 matlab 仿真。4.2 仿真波形根據(jù)線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合模擬各段保護的動作情況。（1）模擬電流段保護動作執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖 4.2 所示：由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，之后經(jīng)過本科生課程設計（論文）17一個很小的延時 0.001s，斷路器 1 跳閘。電流段成功按時動作。圖 5.2 電流段仿真波形圖2）模擬電流段保護動作，在電流段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路 1 的值來模擬線路不同段的故障。將線路 1 的

32、值設置為 10，線路 0、2 分別為 0.3、3.5。仿真參數(shù)同 1） ，執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖 4.3 所示:圖 5.3 電流段仿真波形圖 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個較大的短路電流，之后本科生課程設計（論文）18經(jīng)過預先設置的延時 0.5s，斷路器 1 在 0.55s 跳閘。電流段成功按時動作。3）模擬電流段保護動作，在電流段的范圍內設置故障，由于本設計是模擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路 1 的值來模擬線路不同段的故障。將線路 1 的值設置為 15.5，線路 0、2 分別為 0.3、3.5。仿真參數(shù)同 1） ，執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖 4.4 所示:圖 5.4 電流段仿真波形圖 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一