1、 微機繼電保護課程設計（論文）題目：35kV輸電線路功率方向保護設計院（系）： 電氣工程學院 專業班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間： 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 專業班級 課程設計（論文）題目35kV輸電線路功率方向保護設計課程設計（論文）任務BAG1123L3L2L1EDCG2G3987654系統接線圖系統接線圖如圖：課程設計的內容及技術參數參見下表設計技術參數工作量L1=L2=40km,L3=40km,LB-C=40km,LC-D=30km,LD-E=30km,線路阻抗0.4/km,最大負荷電流IB

2、-C.Lmax=90A,IC-D.Lmax=60A, ID-E.Lmax=45A,電動機自啟動系數Kss=1.5，電流繼電器返回系數Kre=0.85。最大運行方式：三臺發電機及線路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、電流電壓數據采集、開關設備狀態檢測、控制輸出、報警顯示等部分。三

3、、軟件設計說明設計思想，給出參數有效值計算及故障判據方法，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。續表進度計劃第一天：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、數據采集、狀態檢測部分）。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）。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

4、辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要電力系統的不斷發展和安全穩定運行，給國民經濟和社會發展帶來了巨大動力和效益。但是一旦發生故障如不能及時有效控制，就會破壞穩定運行，造成大面積停電，給社會帶來災難性的嚴重后果。所以在輸送電能的過程中,電力系統希望線路有比較好的可靠性,因此在電力系統受到外界干擾時,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供電范圍。電力系統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

5、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。關鍵詞：繼電保護；主保護；整定；方向保護目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc408293823 第1章 緒論 PAGEREF _Toc408293823 h 1 HYPERLINK l _Toc408293824 1.1 輸電線路功率保護概述 PAGEREF _Toc408293824 h 1 HYPERLINK l _Toc408293825 1.2 本文主要內容 PAGEREF _Toc408293825 h

6、 1 HYPERLINK l _Toc408293826 第2章 輸電線路方向電流保護整定計算 PAGEREF _Toc408293826 h 3 HYPERLINK l _Toc408293827 2.1 方向電流段整定計算 PAGEREF _Toc408293827 h 3 HYPERLINK l _Toc408293828 保護4、5的段動作電流的整定 PAGEREF _Toc408293828 h 3 HYPERLINK l _Toc408293829 靈敏度校驗 PAGEREF _Toc408293829 h 4 HYPERLINK l _Toc408293830 動作時間的整定 P

7、AGEREF _Toc408293830 h 4 HYPERLINK l _Toc408293831 2.2 保護5、7、9方向電流段整定計算 PAGEREF _Toc408293831 h 4 HYPERLINK l _Toc408293832 2.3 方向電流段動作時間整定計算及方向元件的安裝 PAGEREF _Toc408293832 h 6 HYPERLINK l _Toc408293833 第3章 微機保護的軟硬件組成 PAGEREF _Toc408293833 h 7 HYPERLINK l _Toc408293834 3.1 微機保護總體設計方案 PAGEREF _Toc4082

8、93834 h 7 HYPERLINK l _Toc408293835 3.2 CPU的選擇 PAGEREF _Toc408293835 h 8 HYPERLINK l _Toc408293836 3.3 單片機最小系統設計 PAGEREF _Toc408293836 h 10 HYPERLINK l _Toc408293837 3.4 微機保護的軟件組成 PAGEREF _Toc408293837 h 11 HYPERLINK l _Toc408293838 3.5 功率方向保護的邏輯流程圖 PAGEREF _Toc408293838 h 12 HYPERLINK l _Toc4082938

9、39 第4章 MATLAB建模仿真分析 PAGEREF _Toc408293839 h 13 HYPERLINK l _Toc408293840 4.1 MATLAB系統仿真圖 PAGEREF _Toc408293840 h 13 HYPERLINK l _Toc408293841 4.1 仿真種波形 PAGEREF _Toc408293841 h 13 HYPERLINK l _Toc408293842 第5章 課程設計總結 PAGEREF _Toc408293842 h 16 HYPERLINK l _Toc408293843 第6章 參考文獻 PAGEREF _Toc408293843

10、h 17 緒論輸電線路功率保護概述電力系統的輸、配線路因各種原因可能 會發生相間或相地短路故障,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，距離保護和縱聯保護等。電力系統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

11、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。他們分別是用于雙電源網絡、單電源環形網絡及單電源輻射網絡的線路上切除相間或接地短路故障。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方向電流保護。在雙電源網絡或其他復雜網絡中，可

12、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。三段式方向電流保護的特點，三段式電流保護在作用原理、征訂計算原則等方面與無方向三段式保護基本相同。但方向電流保護用于雙電源網絡和單電源環形網絡時，在構成、整定、相互配合等問題上還有以下特點：在保護構成中增加功率方向測量原件，并與電流測量元件共同判別是否在保護線路的正方向上發生故障。方向電流保護第1段，即無時限方向電流速度保護的動作電流整定可以不必躲過反方向外部最大短路電流；第1段電流保護動作電流還應考慮躲過反向不對稱短路時，流過非故障相的電流，這樣可防止在反方向發生不對稱故障時非故障線功率方向測量元件誤動作而造成的保護誤動作；在環網和雙電

13、源網中，功率方向可能相同的電流保護第1段的動作電流之間和動作時間之間應相互配合，以保證保護的選擇性。輸電線路方向電流保護整定計算 方向電流段整定計算保護4、5的段動作電流的整定BAG1123L3L2L1EDCG2G3987654圖2.1 系統接線圖各段線路的阻抗為：=40*0.4=16 =40*0.4=16 =40*0.4=16=30*0.4=12 =30*0.4=12系統接線圖如圖2.1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，可計算保護4 = 0.574A =1.2*1.5457=1.85A保護5 因為 所以在4QF加方向元件 靈敏度校驗校驗，應按電流、電壓元件中保護范圍

14、小的元件確定，整定值滿足可靠系數的要求。 （2-1）保護4的靈敏度校驗=8.05=30=36.37%15%滿足靈敏度要求所以合格保護5的靈敏度校驗 （2-2）=7.0916=44.31%15%,滿足靈敏度要求所以合格 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=0 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 （2-3）IB-C.L

15、max=320A ：分支系數=流過故障線電流/流過保護線電流。=/1.67=220.36A 1796.88A=8.21.4 滿足靈敏度要求 與相鄰保護3段配合 （2-4） IC-D.Lmax=200A 分支系數=流過故障線電流/流過保護線電流，且兩電流相等。所以：=/=230A =/=158.38A =11.351.4此結果滿足靈敏度要求 =1s 保護7,9與保護5相同 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

16、端），（無下一級，相當于末級） 若 矛盾，所以需加方向元件。又由于： 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。微機保護的軟硬件組成微機保護總體設計方案微機繼電保護的主要部分是微機，因此，除微機本體外，還必須配自電力系統向計算機輸入有關信息的輸入接口和計算機向電力系統輸出控制信息的輸出接口。此外計算機還要輸入有關計算和操作程序，輸出記錄的信息，以供運行人員進行分析事故，即計算機還必須有人機聯系部分。微機保護裝置硬件系統如圖3.1所

17、示，一般包括以下幾部分。數據采集人機接口微機系統觸摸按鍵繼電器打印機顯示器開關量輸出開關量輸入圖3.1微機保護硬件示意框圖（1）模擬量輸入系統由于微機系統是一種數字電路設備，只能識別數字量，所以就需要將來自TA,TV的電流，電壓這一類模擬信號轉換為相應的微機系統能接受的數字信號。（2）微機系統微機系統是微機保護裝置的核心，一般包括：微處理器，只讀存儲器，隨機存取存儲器以及定時器，“看門狗”等。微機系統用來分析計算電力系統的有關電量和判定系統是否發生故障，然后決定是否發生跳閘信號。（3）開關量輸入/輸出系統 開關量輸入/輸出回路由若干個并行接口適配器、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成。（4

18、）人機對話接口回路該回路主要功能用于人機對話，如調試、定值整定、工作方式設定、動作行為記錄、與系統通信等。人機對話接口回路主要包括打印、顯示、鍵盤及信號燈、音響或語音告警等。（5）電源微機保護的電源是一套微機保護裝置的重要組成部分。通常采用逆變穩壓電源，一般集成電路芯片的工作電壓為5V,而數據采集系統的芯片通常需要雙極性的15V或12V工作電壓，繼電器回路則需要24V電壓。CPU的選擇數據處理過程是主要由AT89C51單片機等芯片完成的。AT89C51是一種帶4K字節的閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。其中包括128 字節內部RAM，32個I/O 口線

19、，2個16位定時/計數器，一個5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51 降至0Hz 的靜態邏輯操作，并支持兩種可選的節電工作模式26。空閑方式體制CPU 的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM 中的內容，但振蕩器體制工作并禁止其他所有不見工作直到下一個硬件復位。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。A

20、T89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且廉價的方案。AT89C51單片機管腳圖如圖3.2所示圖3.2 AT89C51單片機管腳圖引腳功能說明如下：VCC：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8 位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash 編程時，P0口接受指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口:P1是一個帶內部上

21、拉電阻的8 位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。Flash 編程和程序校驗期間，P1接受低8 位地址。P2口：P2是一個帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器

22、或16位四肢的外部數據存儲器（例如執行MOVX DPTR指令）時，P2口送出高8 位地址數據，在訪問8 位地址的外部數據存儲器（例如執行MOVX RI 指令）時，P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器（SFR）區中R2 寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。Flash編程和程序校驗時，P2也接收高位地址和其他控制信號。P3口：P3是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。P3 口

23、還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH單元D0位置位，可禁止ALE操作。該位置，只有一條MOV

24、X和MOVC指令ALE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE無效。PSEN：程序存儲允許輸出是外部程序存儲器的讀選通型號，當89C51由外部存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+

25、12v的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件使用12v編程電壓VPP。XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。89C51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，外接石英晶體或陶瓷諧振器及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對電容C1、C2雖沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩定性、起振的難易程度及溫度穩定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30Pf1

26、0Pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40Pf10Pf。用戶也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL端，即內部時鐘發生器的輸入端XTAL則懸空。單片機最小系統設計單片機的最小系統是由組成單片機系統必需的一些元件構成的，除了單片機之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復位電路。圖3.3單片機最小系統原理圖微機保護的軟件組成微機保護系統的軟件分為接口軟件和保護軟件兩大部分。（1）接口軟件接口軟件是指人機接口部分的軟件，其程序可分為監控程序和運行程序。調試方式下的執行監控程序，運行方式下執行運行程序。由接口面板上的工作方式或顯示器上顯示的菜單選擇執行哪一部分程序。監控程序主要就是鍵盤命

27、令處理程序，是為接口插件及各CPU保護插件進行調節和整定而設置的程序。接口的運行程序由主程序和定時中斷服務程序構成。主程序只要完成巡檢，鍵盤掃描和處理，及故障信息的排列和打印。定時中斷服務程序包括軟件時鐘程序，以硬件時鐘控制并同步各插件CPU的軟時鐘，檢測各插件啟動元件是否動作的檢測啟動程序。（2）保護軟件的配置各保護軟件的CPU插件的保護軟件配置為主程序和中斷服務程序。主程序通常由三個基本模塊：初始化和自檢循環模塊，保護邏輯判斷模塊和跳閘模塊，故障處理模塊。對于不同原理的保護，一般而言，前后兩個模塊基本相同，而保護邏輯判斷模塊就隨不同的保護裝置而相差甚遠。中斷服務程序一般包括定時采樣中斷服務

28、程序和串行口通信中斷服務程序。在不同的保護裝置中，采樣算法有些不同或因保護裝置有些特殊要求，使得采樣中斷服務程序部分也不盡相同。不同保護的通信規約不同，也造成程序的很大差異。軟件保護一般都有三種工作狀態：運行，調試和不對應狀態。不同狀態時程序流程也就不相同。有的保護沒有不對應狀態，只有運行狀態和調試兩種工作狀態。功率方向保護的邏輯流程圖功率電流保護檢測輸電線路短路電流檢測是否超過動作值距離段作為主保護，距離段作為后備保護跳閘動作重合閘恢復結束NY3.4 功率保護流程圖MATLAB建模仿真分析MATLAB系統仿真圖由MATLAB軟件進行輸電線路方向電流保護仿真實驗的仿真圖形如圖4.1所示。圖5.

29、1 MATLAB建模仿真圖將MATLAB仿真技術應用于電力系統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。仿真步驟如下環節庫及其輸入，將給定的信號輸入仿真系統；環節的聯接，將各個環節的端口按框圖連接起來；環節參數的設定，將參數以MATLAB中合法的方式表示；系統的建立，構建了繼電保護系統輸電線路方向電流保護的MATLAB 仿真。 仿真種波形根據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發生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過一個很小的延時0.001s，斷路器1跳閘。電流段成功按時動作。圖4.2 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10，線路0、2分別為0.3、3.5。仿真參數同1），執行仿真后，仿真結果如下圖4.3所示:圖4.3 電流段仿真波形圖 由圖可以看出線路在0.05s發生了故障，