输电线路距离保护设计(1).doc

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1、辽 宁 工 业 大 学微机继电保护课程设计（论文）题目：220kV输电线路距离保护设计（1）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： 2014.12.15-12.26 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220kV输电线路距离保护设计（1）课程设计（论文）任务8E6562km38km2174330kmDCBA系统接线图系统接线图如图：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线路每公里阻抗为Z1=0.41/km,线路阻抗角为L=65,AB、BC线路最大负

2、荷电流为780A,负荷功率因数为cosL=0.9,。电源电势为E=230kV, ZsAmax=14,ZsAmin=9,ZsBmax=32,ZsBmin=15。归算至230kV的各变压器阻抗为150,容量ST为30MVA。其余参数如图所示。一、整定计算1.计算保护1距离保护第段的整定值与灵敏度。2.计算保护1距离保护第段的整定值与灵敏度。3.计算保护1距离保护第段的整定值与灵敏度。4.分析系统在最小运行方式下振荡时，保护1各段距离保护的动作情况。5.当距保护1出口20km处发生带过渡电阻Rarc=12的相间短路时，保护1的三段式距离保护将作何反应（设B母线上电源开路）？二、硬件电路设计包括CPU

3、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：距离保护I段、II段、III段的整定计算。第三天：系统振荡与过渡电阻的影响分析。 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

4、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 要在电力系统继电保护中输电电路的保护方法有很多，比如电流保护，电压保护，这些保护构成简单，可靠性强，一般能满足中，低压电网对保护的要求。但是因为保护灵敏度受系统运行状况的影响，所以可能导致保护范围的缩小，这时对线路的保护就达不到要求。由于现代电网的发展迅速，电压等级也飞速增长，因此电流电压保护也就不在适合35kv的电网，因此距离保护就成了主要的保护方式。距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的

5、、较快的切除相间故障。当线路发生单相接地短路时，距离保护在有些情况下也能动作；当发生两相短路接地故障，它可与零序电流保护同时动作，切除故障。本文主要是针对220kv输电线路距离保护而设计的，介绍了距离保护的原理，分析在系统故障时，保护的第段，第段，第段的整定值，灵敏度的校验及动作时间的计算。及系统在最小运行方式下振荡时，保护1各段距离保护的动作情况。最后对系统进行整体硬件设计，画出硬件图，并用仿真软件MATLAB进行仿真，并对仿真结果进行分析。关键词：距离保护；整定计算；系统振荡；MATLAB仿真；目 录第一章 绪论11.1 电力系统继电保护概述11.2 本文主要内容1第2章 输电线路距离保护

6、整定计算32.1 断路器1QF处的第段距离保护整定32.2 断路器1QF处的第段距离保护整定42.3 断路器1QF处的第段距离保护整定52.4 系统最小运行方式下保护动作情况62.5 过渡电阻对相间短路保护的影响7第3章 系统硬件设计93.1 CPU最小系统设计93.2 数据采集系统设计103.3 开关量输入/输出回路设计113.4 报警显示13第4章 系统软件设计144.1 系统主流程图144.2 参数有效值计算15第5章 系统仿真及说明17第6章 课程设计总结19参考文献20第 13 页第一章 绪论1.1 电力系统继电保护概述电力是当今社会使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳

7、定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。电力系统有各种元件组成。由于自然环境、制造质量、运行维护水平等诸方面的原因，电力系统的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此，需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术之一就是继电保护技术。电力系统继电保护的基本作用是，在全系统范围内，按指定区分实时地检测各种故障与不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度地维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障供电的连续性、保障人身安全、防止或减轻设备的损坏。发生故障与不正常运行状态时，若处理不当，则将引起电力系统的故障。事故是指电力系统整体或部

8、分的不正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡与电气设备的损坏等严重后果的事件。电力系统事故的发生，除了自然条件的因素以外，一般都是指设备制造上的缺陷、设计与安装的错误、检修质量不高或运行维护不当引起的。因此，首先应在上述各环节严把质量关，建立完善的管理与培训机制，严格执行各项规章制度，加强对设备的维护与检修，这样就有可能大大减少事故发生的几率，力争把事故消灭在发生之前。尽管如此，由于自然的、设备的与认为的原因，诱发事故的各种电力故障与不正常运行状态是不可能完全避免的。电力系统各设备之间是电与磁的联系，故障一旦发生，故障量将以近似光速的速度影响其他非

9、故障设备，甚至引起新的故障。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，以维持电力系统的稳定性，要求电力系统能在几十毫秒内准确迅速的识别并切除故障。因此，必须借助于机电保护装置。同时，电力系统的运行状态也应受到不断的实时监控，一旦发生不正常运行状态，能及时告警或启动自动控制装置，这些也必须借助于继电保护装置。同时，对继电保护元件也有一定的要求，要求其需要有有选择性、速动性、灵敏性及可靠性。1.2 本文主要内容本文是针对220kV输电线路距离保护而设计的。主要介绍了距离保护的原理，输电线路距离保护原理与电流电压保护原理相似，段，段作为距离保护的主保护，段作为本线路主保护的近后备与相邻

10、元件的远后备保护。然后对保护参数进行整定计算，主要是计算并选取最小运行状态，保护1的段、段与段整定值与灵敏度并交验是否符合要求。硬件部分设计，其中包括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。软件部分设计，简述了系统运行流程图。最后对系统进行仿真并对仿真结果进行分析。第2章 输电线路距离保护整定计算本章主要介绍了输电线路距离保护段、段与段整定计算，并且对计算结果进行了灵敏度校验与动作时间的整定。等值电路图如下图2.1所示。图2.1 系统等值电路图2.1 断路器1QF处的第段距离保护整定 母线AB，BC,CD,的阻抗为：所以断路器1QF,3QF,4QF的第段保

11、护整定值为：断路器1QF,3QF,4QF处距离保护第段的动作时间为：断路器1QF,3QF,4QF处距离保护第段的灵敏系数为：2.2 断路器1QF处的第段距离保护整定断路器1QF处保护的相邻元件为母线BC与两个并联的变压器。所以，当1QF处距离保护段与BC线第段相互配合时，保整定值为：（2-1） 因为：（2-2） 所以：因此1QF的第段距离保护整定值为：当断路器与变压器配合时，由于，按照相关规定，应装纵差保护，所以变压器第段保护范围应到低压母线E上，因为是两台变压器并联所以, 所以整定值应该为：所以需要选取为第段的保护整定值。断路器1QF处距离保护第段的动作时间为：断路器1QF处距离保护第段的灵

12、敏度为： 整定满足灵敏度的要求。2.3 断路器1QF处的第段距离保护整定由于采用了方向阻抗元件，所以距离保护第段的整定值应该按照躲过最小负荷与与相邻线距离保护第段配合。因此在躲过最负荷阻抗情况下整定计算为：（2-3）因为,所以，因为，因此按照整定时间与相邻保护的第段整定时间配合原则，所以第段距离保护的动作时间为：在与相邻距离保护第段配合情况下，整定计算为： 应取为相邻距离保护第段的整定值。按与相邻距离保护第段配合，第段距离保护的动作时间为：（2-4）试中，为相邻线路重合后不经振荡闭锁的距离保护第段的动作时间。 所以断路器第段的动作时间为： 当作为近后备时，断路器1QF距离保护第段的灵敏度为：

13、当作为远后备时，断路器1QF距离保护第段的灵敏度为： 可见，作为近后备保护时，可满足灵敏度要求，作为BC线远后备保护时，却不满足灵敏度要求，作为变压器的远后备保护时，更不满足灵敏度要求，故应考虑为整定值，这时灵敏度得到提高，这时，满足灵敏度要求。2.4 系统最小运行方式下保护动作情况首先求取系统在最小运行方式下振荡时最小测量阻抗为。时保护安装处的测量阻抗为：（2-5）图2.1 振荡对保护影响因为 且 ，所以在最小运行方式下系统振荡时的轨迹线穿过阻抗保护第II与第段测量元件的动作特性圆如图2.1所示，令对应时间为，为第段测量元件误动作时间，对应时间为，为第II段测量元件误动作时间。对阻抗保护第I

14、I段而言，当 时，虽第II段元件动作，但保护将不误动；当 时，测量元件与保护均误动。对于第段而言，测量元件误动，当 时，第II段保护将发生误动，跳闸，故障被切除，故第段保护的阻抗元件应返回不会误动。从以上分析计算可知，系统振荡可能使距离保护第II段发生误动作。因此，在距离保护装置中必须增加振荡闭锁元件。2.5 过渡电阻对相间短路保护的影响 当离断路器1QF保护安装处20Km处发生带过渡电阻的相间短路时，1QF处保护的测量阻抗为：所以在处的动作阻抗分别是：所以有： 由上述可见，故障点应在断路器1QF处相间距离保护的第I段保护范围内，而此时由于短路点过渡电阻的影响，却落在距离保护第II与第III段

15、的动作特性圆内，故这时距离保护第I段将拒动，而距离保护第II段动作，降低了保护的速动性。因此，距离保护中必须有防止过渡电阻影响的措施。第3章 系统硬件设计3.1 CPU最小系统设计本次设计采用的CPU是本次设计所选用的单片机是Intel公司MCS-51系列的85C51。89C51的结构特点：面向控制的8位CPU；一个片内振荡器与时钟产生电路，振荡频率为0-24MHZ；片内4KB Flash ROM程序存储器；128B的片内数据存储器；可寻址64KB的片外程序存储器与片外数据存储器控制电路；2个16位定时/计数器；4个并行I/O口，共32条可单独编程的I/O线；5个中断源，2个中断优先级；一个全

16、双工的异步串行口；21个特殊功能寄存器；具有节电工作方式，即休闲方式与掉电保护方式。其引脚功能为：GND：接地端。VCC：电源端。正常操作及对Flash ROM编程与验证时接+5V电源。XTAL1：接外部晶体与微调电容的一端XTAL2：接外部晶体与微调电容的另一端。在89C51片内，它是振荡电路反向放大器的输入端。再接外部振荡器时，此引脚应悬浮。RST：复位信号输入端，高电平有效。当振荡器工作时，此引脚上出现两个机械周期以上的高电平，就可以使单片机复位。ALE/：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以

17、不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/VP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。当端保持高电平时，此间内部程序存储器。P0口：时双向8位三态I/O口。在访问外部存储器

18、时，可分别用作低8位地址线与8位数据线；在Flash ROM编程时，它输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节。P0能驱动8个LSTTL门电路。P1口：它是一个内部带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在Flash ROM编程与程序验证时，它接收低8位地址。能驱动4个人LSTTL门电路。P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，他能输出高8位地址。P3口：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口P3口能驱动4个LSTTL门电路。CPU最小系统如图3.1所示。图3.1 CPU最小系统接线图XTAL1与XTAL2分别为时钟电路的输入与输出。P1.7与RESE

19、T分别接复位电路的输入与复位端。其中C1、C2都是30PF。3.2 数据采集系统设计数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）、以及模数转换（A/D）等功能块，完成将模拟输入量准确地转换为微型机能够识别的数字量。根据转换的原理不同，微机保护装置中模拟量输入回路有两种方式，一是基于逐次逼近型A/D装换方式，二是利用VFC原理进行A/D转换的方式。前者的功能模块较多设计起来比较复杂。因此本次设计是采用VFC原理进行设计的。原理图如图3.2所示。电压形成计数器VFC电压形成计数器VFCCPU总线TVTA二次侧图3.2 VFC系统示意图 微机保护中常用的VFC芯片有AD

20、654、AD651等。AD654的最高输出频率为500kHz,它只能工作在单极性状态，且正负不同极性输入时所接的引脚也不同。若输入电压为双极性电压时，要加上相应的偏置电压。由于本次设计所涉及的是输电线路，所以应采用带有偏置电压的电压频率转换回路，接线图原理图如图3.3所示。图中7905是三端稳压管，其输入为-15V，输出可以稳定在-5V，这个电压用作偏置电压，与输入电压相加后一同加于AD654的负极性输入端引脚。快速光耦7905VFC至计数器图3.3 加偏置后的VFC回路3.3 开关量输入/输出回路设计&K图3.4 开关量输入/输出输入输出的原理图如图3.4所示。微机保护装置中，除了有模拟量输

21、入外，还有大量的开关量输入与输出。所谓开关量，就是触点状态（接通或断开）或是逻辑电平的高低等。开关量输入大多数是触点状态的输入，可以分为：（1）安装在装置面板上的触点，例如各种工作方式开关，调试装置或运行中定期检查装置用的键盘触点，复位按钮及其他按钮等。（2）从装置外部经过端子排引入装置的触点，例如需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板，转换开关以及其他保护装置与操作继电器的触点等。开关量输出主要包括保护的跳闸出口、合闸出口以及本地与中央信号等。一半采用并行接口的输出口来控制有触点继电器的方法，为了提高抗干扰能力，也要经过光电隔离。回路中的与非门Y1及与非门Y2输出，而不是将发光

22、二极管直接同并行口相连，一方面是为了增强并行口的带负荷能力，另一方面是采用了与非门后，要满足两个条件才能使K动作，从而增加了抗干扰能了。PB0经以反相器，而PB1却不经过反相器，这样可以防止在拉合直流电源的过程中继电器K的短视误动。因为在拉合直流电源的过程中，当5V电源处于中间某一临界电压时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5V电源还是驱动继电器K用的电源E，都肯能缓慢上升或下降，从而完全可能来得及使继电器K的触点短时闭合采用如图所示的接法后，由于两个反相器条件的仙湖制约，可以可靠的防止误动作。3.4 报警显示此次课

23、程设计显示电路是采用芯片进行译码输出，可显示不同的数字分别代表的不同的输电线路距。离保护的位置。通过P0口可以分别输送两路四位地址给译码器进行编译，显示不同的数字，以便用后了解。报警电路是采用蜂鸣报警电路，用P2.7口输出脉冲控制555振荡器再利用555振荡器产生振荡，可以使蜂鸣器发出声响，达到报警的作用。当有线路发生故障时就会触发报警电路发出蜂鸣声通知相关人员进行线路检修。其接线图如图3.5所示。 图3.5 显示报警电路第4章 系统软件设计4.1 系统主流程图跳闸相间故障其他保护动作段内段内到T计算故障阻抗段跳闸到T段跳闸故障处理程序入口调故障前一周电压同故障后电流比相单向故障I段内段跳闸到

24、T段内计算故障阻抗段跳闸段内计算故障阻抗到T图4.1 系统主流程图距离保护具有三段相间距离与三段接地距离，有独立的选项元件。段，段可以由控制字选择经或不经振荡闭锁。其加速段包括：瞬时加速X相近阻抗段；瞬时加速段，瞬时加速段；延时加速段。在振荡闭锁中，段，段闭锁，此时若有故障，可以有两部分出口：一是阻抗微分段跳闸，二是由段延时跳闸。单相故障时发出单跳令后，投入健全相电流差突变量元件，当突变量元件动作后经阻抗元件把关确认为发展性故障后补发三跳令。距离保护中的阻抗元件亦采用多边型特性。相见与接地距离的段到段的电阻分量的整定值都公用，但是有两个不同的整定值，即与，程序将根据不同的场合选用与。例如，在振

25、荡闭锁状态下取，以提高躲振荡的能力，而在开放的时间内取，以提高耐弧能力。按躲开最大负荷时的最小阻抗整定，可以去。本保护各段阻抗元件的特性都带有偏移使各段在出口故障时均无死区。为了保证方向性，本保护专门设有一方向判别元件，该元件带有记忆性，以保证在出口三相故障时能正确判别方向。如果故障发生在段范围内，直接进入选项跳闸程序。在选跳程序中，查故障的类型，若是单相接地，则发选跳令，若是相间故障则发跳闸命令。段动作时间理论上是瞬时的，但无论是模拟保护还是微机保护，测量元件总有一固定时间。模拟保护段通常都有一定的反时限特性，而这种反时限特性正是所希望的，因为从稳定角度看，快速切除出口故障是十分必要的。单相

26、接地故障不在段内，程序专向接地距离保护的段，段。首先判断是否在段内切段延迟时间是否达到，在段但是时间没有达到，则投入发展性故障判别元件，并确认为发展性故障。段延迟时间到后进行出口跳闸。若不在段内，将进入段程序，当段延时时间到后，段出口跳闸。当相间故障不在段内，将进入相间距离段，段程序。若在段内，当段延时时间到后，相间距离段出口跳闸；若不在段内但是在段内时，三段延时时间到后段出口跳闸。4.2 参数有效值计算参数的有效值计算是根据距离保护的基本原理来完成的。主要过程如下：假设各断路器处所装保护测量元件的输入不是电流，而是该处的母线电压与流过该线路上的电流，则各母线处的母线相电压与流经该线路的电流之

27、比为该处的测量阻抗，即（4-1） 在正常情况下，此时保护测量元件的阻抗为负荷阻抗。断路器1QF处负荷阻抗为：（4-2）显然，正常运行时母线上的工作电压在额定值附近，一般说，线路的负荷电流相对短路电流又小得多，故线路在负荷状态下的测量阻抗值较大，且其角度为负荷功率因数角。而在AB线上K1点发生金属性三相短路时，在断路器1QF处所测量的阻抗为该处母线残余电压与流经该处保护的电流的比值：（4-3）此时1QF处保护测量元件的测量阻抗即为短路阻抗，其阻抗值小而阻抗角等于线路阻抗角。设线路每公里的正序阻抗为，则：（4-4）若距离不同则阻抗值也不同，即短路时测量阻抗的大小与短路点到保护安装处的距离成正比，保

28、护点到保护安装处距离越大，测量阻抗越大，反之，测量阻抗越小。根据此原理可以计算元件参数的有效值，其值与整定计算的值相同。第5章 系统仿真及说明系统仿真如下图5.1所示：图5.1 系统仿真图 系统的总体仿真图如上图所示，系统由两个电源供电，在母线AB上设置故障启动元件，用于仿真系统在单项短路与相间短路时的故障，并且通过接在每条线路上的电流表来观察流过线路的正常电流与故障电流。两个并联的变压器是用同型号的星接的变压器等效的，仿真的图形如下图5.2,5.3所示图5.2 线路故障波形图5.3 系统正常运行波形 其中图5.3为系统正常运行时的波形图，图5.2为系统发生故障时的仿真图，从图中可以发现接地距

29、离保护对于范围内的相间短路不会动作，并且各段中的相间距离保护对于保护范围内的单相接地故障也不会动作。线路两相接地故障时的电压波形图反映了系统发生两相接地故障的过程中，故障线路的电压变化，根据系统的发生故障后电流电压的变化，发现距离保护能够反映保护范围内的各种相间故障与接地故障，实现了本线路保护与后一级级线路的后备保护。第6章 课程设计总结本次课程设计的任务是设计输电线路的距离保护，距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的、较快的切除相间故障。当线路发生单相接地短路时，距离保护在有些情况下也能动作；当发生两相短路接地故障，它可与零序电流保护同时动作，切除故障。因此，

30、在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。文中对保护1的各段保护整定值进行了计算与灵敏度校验，并针对系统可能出现的振荡与短路过渡电阻的影响进行了分析，然后对保护1的各段动作过程进行了理论推断。在保护1的各段整定值与灵敏度计算完成后，还对各段保护的动作时间进行了精确计算，这是很重要的一个环节，因为各段保护的动作选择性主要由这两个数据来进行判断。然后对设计提出的系统震荡与短路过渡电阻对系统的影响进行相应的计算分析，并确定距离保护的范围，并分析系统在最小运行方式下振荡时，保护1的各段距离保护的动作情况。最后对系统进行整体设计与仿真并对仿真结果

31、进行分析，得出距离保护满足各种电网对保护的要求。参考文献1 何仰赞等.电力系统分析(上册)(第三版) .华中科技大学出版社.2002.12 李晓华等交直流电网故障暂态功率倒向解析电力系统自动化.2012.53 陈春等电网故障系统中故障分析与判断国网电力科学研究院.2011.94 孙丽华等电力工程基础机械工业出版社.20065 纪雯. 电力系统设计手册M.北京：中国电力出版社，1998.66 刘万顺电力系统故障分析习题集北京：水利电力出版社，19947 熊信银发电厂电气部分（第三版）中国电力出版社，19878 李光奇. 电力系统暂态分析. 水利电力出版社，1995 9 陈行. 电力系统稳态分析. 水利电力出版社，1995 10 华智明. 电力系统稳态计算. 重庆大学出版社，1991 11 陆敏政,电力系统习题集.北京:水利电力出版社,1990 12 商国才.电力系统自动化.天津大学出版社，2000 13 王葵等.电力系统自动化中国电力出版社，2007.114 于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社，2003.415 刘卫国等. MATLAB程序设计与应用（第2版）.高等教育出版社, 200816 梅丽凤等.单片机原理及接口技术.清华大学出版社，2009.7 17 张桂香.电气控制与单片机应用.北京:化学工业出版社,2003,8