辽 宁 工 业 大 学
题目：110kV输电线路功率方向保护设计（1）
院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气111班 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间： 20141.12.15-2014.12.26.
课程设计（论文）任务及评语
续表
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。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；功率保护保护；方向保护；方向元件
目 录
第1章 绪论 ............................................................ 1
1.1 输电线路电流保护概述 ........................................... 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 .................................... 2
2.1 方向电流Ι段整定计算 ........................................... 2
2.1.1方向电流的整定 ............................................ 2 2.1.2保护4、5的Ι段动作电流的整定 ............................. 3 2.1.3灵敏度校验 ................................................ 4 2.1.4动作时间的整定 ............................................ 5 2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算 ............................... 5 2.3 方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装 ................... 8 第3章 硬件设计 ........................................................ 9
3.1 功率方向保护设计总体设计方案 ................................... 9 3.2 电压电流数据采集 ............................................... 9 3.3 报警显示电路设计 .............................................. 10 3.4 时钟电路设计 .................................................. 10 3.5 人机对话接口电路设计 .......................................... 11 3.6 CPU最小系统图 ................................................. 12 第4章 软件设计 ....................................................... 13
4.1主程序流程图设计 ............................................... 13 4.2模拟量检测流程图设计 ........................................... 14 第5章 MATLAB建模仿真分析 ............................................. 15
4.1 MATLAB系统仿真图 .............................................. 15 4.2 仿真波形 ...................................................... 15 第6章 课程设计总结 ................................................... 18 第7章 参考文献 ....................................................... 19
第1章 绪论
1.1输电线路电流保护概述
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功率方向保护。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。
主要对保护段的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定、方向电流Ⅱ段的整定计算和方向电流Ⅲ段动作时间整定计算，绘制方向电流保护原理图，并对动作过程进行分析。
本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护功率方向保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。
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方向电流的整定
首先要进行动作电流的整定，如图2.1和图2.2所示分别为系统最大运行状态和最小运行状态下的等效电路图：
图2.1 系统最大运行方式等效电路图
图2.2 系统最小运行方式等效电路图
由条件可知：
XG1=XG2=XG3=10Ω XL1=XL2=XL3=16Ω
XBC=16Ω,XCD=12Ω,XDE=12Ω
所以最大运行方式的等值阻抗为：
X3min=(XG1||XG2+XL1||XL2)||(XG3+XL3)=8.8Ω
最小运行方式下的等值阻抗为：
X3max=(XG1+XL1)||(XG3+XL3)=14Ω 则C母线的最大短路电流为： Ikcmax=
EϕX3min+XBC
=0.88KA
同理D母线的最大短路电流为： Ikdmax=
Eϕ
X3min+XBC+XCD
=0.47KA
E母线的最大短路电流为： Ikemax=
Eϕ
X3min+XBC+XCD+XDE
=0.35KA
于是可以求出保护1、2、3的第一段动作电流分别为：
I1IopKA 1=Krel⨯Ikcmax=0.576I1Iop=KKA 2rel⨯Ikdmax=0.866
2.1.2保护4、5的Ι段动作电流的整定
图2.3 系统接线图
各段线路的阻抗为：
XL1=XL2=60⨯0.4=24Ω XL2=40⨯0.4=16Ω XBC=40⨯0.4=16Ω
XCD=30⨯0.4=12Ω XDE=20⨯0.4=8Ω
系统接线图如图2.3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，
保护4 IKAmax=
Ⅰ
Ⅰ
(3)
Eϕ
= =1.423A
(XG1+XL1) ∥(XG2+XL2)+XL3 (15+24) ∥(15+24)+16
(3)
Iop4=krel⨯IKAmax=1.2⨯1.423=1.76A
保护5
IKBmax=
Ⅰ
Ⅰ
(3)
Eϕ==2.14A
XG3+XL3 15+16
(3)
Iop5=krel⨯IKBmax=1.2⨯2.07=2.48A
因为 IOP4
Ⅰ
(3)
2.1.3灵敏度校验
KⅠsen校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足灵敏度
的要求。
KⅠsen⋅4=
lmin⋅4x1lmin⋅4
= （2-1） l3x1l3
保护4的灵敏度校验
x1lmin＝
ES－20＝8.05Ω X
smaxI
2IOP4
XOP4=XL1XL2＋XL3=2828＋16=30Ω
I
Ksen=
x1lmin10.91
==36.37%>15%满足灵敏度要求所以合格 XOP430
保护5的灵敏度校验
K
Ⅰsen⋅5
lmin⋅5x1lmin⋅5== （2-2）
l3x1l3
3ES
16=7.09Ω －Xxmax＝
2IOP5
x1l
min＝
XOP5＝XL3＝16Ω
I
Ksen=
7.09
=44.31%>15%, 16
满足灵敏度要求所以合格
2.1.4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tIop4=tIop5=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:
① 保护5Ⅱ段与保护3配合
III
III ＩKb （2-3）OP5＝Krel⨯ＯＰ３I Ｉ＝IB-C.Lmax=300A OP３
Kb：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 kb=1+
IBES
=1+
XG1+XL1IAB
ES
=1.45
XG3+XL3
III
IIIＩKb=1.15⨯300/1.67=220.54A OP5＝Krel⨯ＯＰ３
2) I(KB＝
ES3
⨯＝1654.65A ⨯＝216＋162XG3＋XL3
（2)
I1796.88KB
K＝II==8.2>1.4 满足灵敏度要求
IOP5220.36IIsen
与相邻保护3Ⅱ段配合
kb=1+
IBES
=1+
XG1+XL1IABES
=1.65
XG3+XL3
（2)
IKB
K＝II （2-4）
IOP5
IIsen
IIA OP2=IC-D.Lmax=200 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：Kb4=1
IIIIII
OP3=Krel*IOP2/Kb4=1.15⨯200/1=230A IIIOP5=KIII
rel*IOP3/Kb=1.15⨯230/1.67=154.54A （2)
KIIsen
＝IKB
1796.88III==11.35>1.4此结果满足灵敏度要求
OP5158.38 tIIIII
OP5＝tOP3+∆t=tOP2+∆t+∆t=1s
② 保护7Ⅱ段与保护3配合
IIIIIIOP5＝Krel⨯ＩＯＰ３Kb ＩIOP３
＝IB-C.Lmax=300A Kb：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 kES
b=1+
IBI=1+
ES
AB
XG1+XL1X=1.52
G3+XL3
IIIOP5＝KIIrel⨯ＩI
ＯＰ３
Kb=1.15⨯300/1.67=220.54A I(2)3
ESKB＝
2⨯X＝
G3＋XL3
2⨯16＋16＝1654.65A KIII（2)
KB
1796.88sen
＝III=6=8.2>1.4 满足灵敏度要求
OP5220.3B 与相邻保护3Ⅱ段配合
kb=1+
I=1+
ES
ES
IXG1+XL1X=1.36
ABG3+XL3（2)
KIIsen
＝IKB
III OP5
IIOP2=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：Kb4=1
IIIIIIOP3=Krel*IOP2/Kb4=1.15⨯200/1=240A IIIIIIOP5=Krel*IOP3/Kb=1.15⨯230/1.67=132.56A
2-5） 2-6）
（
（
（2)I1796.88KB
K＝II==13.53>1.4此结果满足灵敏度要求
IOP5158.38IIsen
III
tIIOP5＝tOP3+∆t=tOP2+∆t+∆t=1s
③ 保护9Ⅱ段与保护3配合
III III ＩKb （2-7）OP＝Krel⨯ＯＰ5３ ＩIOP３
＝IB-C.Lmax=300A Kb：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 kIBES
b=1+
I=1+
ES
AB
XG1+XL1XX=1.45
G3+L3
III＝KIIOP5rel⨯ＩI
ＯＰ３
Kb=1.15⨯300/1.67=220.54A I(2)3
KB＝
ES2⨯X＝⨯G3＋XL3
216＋16＝1654.65A KIII（2)
1796.8sen
＝KB
8III==8.1>1.4 满足灵敏度要求
OP5220.36ES
与相邻保护3Ⅱ段配合
kb=1+
IBES
I=1+
XG1+XL1X+X=1.65
ABG3L3（ KIII2)
KB
sen
＝III OP5
IIOP2=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：Kb4=1
IIIIIIIOP3=Krel*OP2/Kb4=1.15⨯200/1=234A IIIIIIOP5=Krel*IOP3/Kb=1.15⨯230/1.67=165.45A KIII（2)
KB
1796.88sen
＝III=.38=11.46>1.4此结果满足灵敏度要求
OP5158 tII＝tIII
OP5OP3+∆t=tOP2+∆t+∆t=1s
（2-8）
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。
IIIIIIIIIIIIt1=0s（线路末端），tIII2=t1+∆t，t3=t2+∆t=2∆t
IIIIIIIIIIIIIIIIII
，t=t=tt5=tIII=t=t+∆t=1.5s468=0s（无下一级，相当于末级） 793
ⅢⅢ
⎫KBC,top>t5op4⎪
若 矛盾，所以需加方向元件。
ⅢⅢ⎬KA',top5
又由于：
IIIIIIIIIIIIIII
t5=tIII7=t9=1.5s>t4=t6=t8=0s
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 硬件设计
3.1 功率方向保护设计总体设计方案
功率方向保护硬件设计可分为：电流电压采集系统、开关设备状态检测、A/D转换系统、单片机系统、显示系统、报警系统等几个部分。先由电流电压采集器得到所需要的电流和电压，再经过开关设备状态检测系统控制开关量的输入与输出，经过A/D转换电路使单片机能够识别的信号，最后由单片机来控制输出及报警和显示。
其总体框图如图3.1 所示。
图3.1 功率方向保护总体框图
3.2 电压电流数据采集
电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号进行变换。此外，为保证后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经低通滤波环节进行滤波才允许输入到采样保持电路，供CPU发出信号进行采样。
低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环节则选择较常用的LF-398采样芯片。其逻辑输入端S/H由CPU中的定时器按一定时序控制，从而控制何时采样、何时保持。当逻辑输入端即 S/H=1，即电平为高时，为采样功能；当逻辑输入端即 S/H=0，即电平为低时，为保持功能。 低通滤波及采样保持电路如图3.2 所示。
图3.2 低通滤波及采样保持电路
3.3报警显示电路设计
报警电路采用声光报警器。由扬声器BY，普通红色发光三极管等组成。其中AT89C51的P3.5引脚经电阻接到发光三极管N端，当输出为低电平时，三极管将闪烁发光。达到声光同时报警的效果。通过复位停止报警。如图3.3 所示。
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.
图3.3 声光报警电路
3.4 时钟电路设计
计算机在工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一排一排的进行。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。而时钟电路就是用于产生单片机工作所需的时钟信号，没有时钟电路，单片机就无法工作。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，其原理如图3.4所示。
其中C1、C2值为30pF,晶振频率为12MHz。
.
.
图3.4 内部时钟振荡电路
3.5人机对话接口电路设计
LED显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译码静态显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段码电平，该位就能保持相应的显示字符。电路中采用了锁存译码器将P1口低4位输出的BCD码译成七段字型码，利用P1口高四位做为各锁存译码器的所存信号，实现稳定显示。LED使用的是共阴极7段数码管。数码管显示电路如图3.5所示。
键盘的结构有两种：独立式按键和矩阵式按键，其中独立式按键适用于按键数量不多的场合，而矩阵式按键适用于按键数量较多的场合。键盘有两种工作方式：编程扫描方式和中断扫描方式。本设计采用的是矩阵式按键键盘，并利用中断扫描法处理按键，消抖由软件实现。键盘扫描电路如图3.6所示。
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图3.5 LED显示电路
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图3.6 键盘电路
3.6 CPU最小系统图
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图3.7 CPU最小系统图
.
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第4章 软件设计
4.1主程序流程图设计
该软件主要包括主程序模块、装置功能设置（按键中断服务）模块、A/D转换中断服务模块、数据处理等模块。 主程序的任务是对中断、定时器、各种接口芯片及变量进行初始化，对装置自检，循环执行检测，等待按键处理模块的中断请求（INT0）和A/D转换结束产生的中断请求，在A/D转换中断服务执行完毕时发出有效的软中断请求，主程序将执行本软件的核心模块执行，执行完模块后，返回到主程序循环判断处，等待下一次中断。
本次试验将A/D转换子程序和数据处理子程序结合在一起，检验数据是否大于阈值，若大于则报警，反之，就不报警。主程序流程图如图4.1所示。
图4.1 主程序流程图
4.2模拟量检测流程图设计
A/D转换子程序流程图如下图4.2所示。ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量00H-FFH，然后将对应数值存储到内存单元。程序框图如图4.2所示。
图4.2 模拟量检测流程图
第5章 MATLAB建模仿真分析
4.1 MATLAB系统仿真图
由MATLAB软件进行输电线路功率方向保护仿真实验的仿真图形如图5.1所示。
图5.1 MATLAB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。
4.2仿真波形
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5.2 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5.3 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5.4 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6章 课程设计总结
本课设主要是针对输电线路功率方向保护进行设计，本文首先对电力系统继电保护进行简单的介绍，然后分别在最大运行方式和最小运行方式下对等值电抗进行计算，并且计算出各个保护的动作电流，进行灵敏度校验，进而绘制出方向保护的原理图，最后对系统进行模拟仿真并分析了结果。
首先，本次课设，对电力系统继电保护及其算法的知识有了一定的了解，且基本完成了本课题的基本要求，但是由于知识水平的有限，对本课题的研究还存在一些不足之处，比如在模型搭建时，考虑情况过于理想化了，如线路模型，与实际情况还有一些差距。由于知识掌握程度有限，仿真模型中只实现了线路三段式功率方向保护保护，在以后的学习过程中还应继续加入新的保护类型，使仿真模型的微机保护功能更加完善。
其次，就是使用到的各种元器件。这次我使用的基本上都是已经学过的元件，但真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，认认真真的研究了一遍从引脚，到时序，再到最后的电路整体构成，下了非常大的功夫才最后弄出来。
回顾起此次微机继电保护课程设计，我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。这让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己的视野，增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心谨慎的作风，使自己对课题设计了解进一步加深。总之，此次的课程设计使我收获颇丰，也是我上大学来难忘的一次经历。
第7章 参考文献
[1] 尹项根. 电力系统继电保护原理与应用[M]. 武汉: 华中科技大学出版社,2005.
[2] 于海生. 微型计算机控制技术[M]. 北京: 清华大学出版社,2008.
[3] 梅丽凤. 单片机原理及接口技术[M]. 北京: 清华大学出版社,2009.
[4] 许建安. 电力系统微机继电保护[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2003.
[5] 陈堂. 配电系统及其自动化技术[M]. 北京: 中国电力出版社,2004.
[6] 赵晶. Prote199高级应用[M]. 北京: 人民邮电出版社,2009.
[7] 何仰赞. 电力系统分析[M]. 武汉: 华中理科技学出版社，2007.
[8] 贺家李, 宋丛矩. 电力系统继电保护原理[M]. 北京: 中国电力出版社,2004.
辽 宁 工 业 大 学
题目：110kV输电线路功率方向保护设计（1）
院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气111班 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间： 20141.12.15-2014.12.26.
课程设计（论文）任务及评语
续表
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。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；功率保护保护；方向保护；方向元件
目 录
第1章 绪论 ............................................................ 1
1.1 输电线路电流保护概述 ........................................... 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 .................................... 2
2.1 方向电流Ι段整定计算 ........................................... 2
2.1.1方向电流的整定 ............................................ 2 2.1.2保护4、5的Ι段动作电流的整定 ............................. 3 2.1.3灵敏度校验 ................................................ 4 2.1.4动作时间的整定 ............................................ 5 2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算 ............................... 5 2.3 方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装 ................... 8 第3章 硬件设计 ........................................................ 9
3.1 功率方向保护设计总体设计方案 ................................... 9 3.2 电压电流数据采集 ............................................... 9 3.3 报警显示电路设计 .............................................. 10 3.4 时钟电路设计 .................................................. 10 3.5 人机对话接口电路设计 .......................................... 11 3.6 CPU最小系统图 ................................................. 12 第4章 软件设计 ....................................................... 13
4.1主程序流程图设计 ............................................... 13 4.2模拟量检测流程图设计 ........................................... 14 第5章 MATLAB建模仿真分析 ............................................. 15
4.1 MATLAB系统仿真图 .............................................. 15 4.2 仿真波形 ...................................................... 15 第6章 课程设计总结 ................................................... 18 第7章 参考文献 ....................................................... 19
第1章 绪论
1.1输电线路电流保护概述
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功率方向保护。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。
主要对保护段的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定、方向电流Ⅱ段的整定计算和方向电流Ⅲ段动作时间整定计算，绘制方向电流保护原理图，并对动作过程进行分析。
本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护功率方向保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。
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方向电流的整定
首先要进行动作电流的整定，如图2.1和图2.2所示分别为系统最大运行状态和最小运行状态下的等效电路图：
图2.1 系统最大运行方式等效电路图
图2.2 系统最小运行方式等效电路图
由条件可知：
XG1=XG2=XG3=10Ω XL1=XL2=XL3=16Ω
XBC=16Ω,XCD=12Ω,XDE=12Ω
所以最大运行方式的等值阻抗为：
X3min=(XG1||XG2+XL1||XL2)||(XG3+XL3)=8.8Ω
最小运行方式下的等值阻抗为：
X3max=(XG1+XL1)||(XG3+XL3)=14Ω 则C母线的最大短路电流为： Ikcmax=
EϕX3min+XBC
=0.88KA
同理D母线的最大短路电流为： Ikdmax=
Eϕ
X3min+XBC+XCD
=0.47KA
E母线的最大短路电流为： Ikemax=
Eϕ
X3min+XBC+XCD+XDE
=0.35KA
于是可以求出保护1、2、3的第一段动作电流分别为：
I1IopKA 1=Krel⨯Ikcmax=0.576I1Iop=KKA 2rel⨯Ikdmax=0.866
2.1.2保护4、5的Ι段动作电流的整定
图2.3 系统接线图
各段线路的阻抗为：
XL1=XL2=60⨯0.4=24Ω XL2=40⨯0.4=16Ω XBC=40⨯0.4=16Ω
XCD=30⨯0.4=12Ω XDE=20⨯0.4=8Ω
系统接线图如图2.3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，
保护4 IKAmax=
Ⅰ
Ⅰ
(3)
Eϕ
= =1.423A
(XG1+XL1) ∥(XG2+XL2)+XL3 (15+24) ∥(15+24)+16
(3)
Iop4=krel⨯IKAmax=1.2⨯1.423=1.76A
保护5
IKBmax=
Ⅰ
Ⅰ
(3)
Eϕ==2.14A
XG3+XL3 15+16
(3)
Iop5=krel⨯IKBmax=1.2⨯2.07=2.48A
因为 IOP4
Ⅰ
(3)
2.1.3灵敏度校验
KⅠsen校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足灵敏度
的要求。
KⅠsen⋅4=
lmin⋅4x1lmin⋅4
= （2-1） l3x1l3
保护4的灵敏度校验
x1lmin＝
ES－20＝8.05Ω X
smaxI
2IOP4
XOP4=XL1XL2＋XL3=2828＋16=30Ω
I
Ksen=
x1lmin10.91
==36.37%>15%满足灵敏度要求所以合格 XOP430
保护5的灵敏度校验
K
Ⅰsen⋅5
lmin⋅5x1lmin⋅5== （2-2）
l3x1l3
3ES
16=7.09Ω －Xxmax＝
2IOP5
x1l
min＝
XOP5＝XL3＝16Ω
I
Ksen=
7.09
=44.31%>15%, 16
满足灵敏度要求所以合格
2.1.4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tIop4=tIop5=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:
① 保护5Ⅱ段与保护3配合
III
III ＩKb （2-3）OP5＝Krel⨯ＯＰ３I Ｉ＝IB-C.Lmax=300A OP３
Kb：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 kb=1+
IBES
=1+
XG1+XL1IAB
ES
=1.45
XG3+XL3
III
IIIＩKb=1.15⨯300/1.67=220.54A OP5＝Krel⨯ＯＰ３
2) I(KB＝
ES3
⨯＝1654.65A ⨯＝216＋162XG3＋XL3
（2)
I1796.88KB
K＝II==8.2>1.4 满足灵敏度要求
IOP5220.36IIsen
与相邻保护3Ⅱ段配合
kb=1+
IBES
=1+
XG1+XL1IABES
=1.65
XG3+XL3
（2)
IKB
K＝II （2-4）
IOP5
IIsen
IIA OP2=IC-D.Lmax=200 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：Kb4=1
IIIIII
OP3=Krel*IOP2/Kb4=1.15⨯200/1=230A IIIOP5=KIII
rel*IOP3/Kb=1.15⨯230/1.67=154.54A （2)
KIIsen
＝IKB
1796.88III==11.35>1.4此结果满足灵敏度要求
OP5158.38 tIIIII
OP5＝tOP3+∆t=tOP2+∆t+∆t=1s
② 保护7Ⅱ段与保护3配合
IIIIIIOP5＝Krel⨯ＩＯＰ３Kb ＩIOP３
＝IB-C.Lmax=300A Kb：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 kES
b=1+
IBI=1+
ES
AB
XG1+XL1X=1.52
G3+XL3
IIIOP5＝KIIrel⨯ＩI
ＯＰ３
Kb=1.15⨯300/1.67=220.54A I(2)3
ESKB＝
2⨯X＝
G3＋XL3
2⨯16＋16＝1654.65A KIII（2)
KB
1796.88sen
＝III=6=8.2>1.4 满足灵敏度要求
OP5220.3B 与相邻保护3Ⅱ段配合
kb=1+
I=1+
ES
ES
IXG1+XL1X=1.36
ABG3+XL3（2)
KIIsen
＝IKB
III OP5
IIOP2=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：Kb4=1
IIIIIIOP3=Krel*IOP2/Kb4=1.15⨯200/1=240A IIIIIIOP5=Krel*IOP3/Kb=1.15⨯230/1.67=132.56A
2-5） 2-6）
（
（
（2)I1796.88KB
K＝II==13.53>1.4此结果满足灵敏度要求
IOP5158.38IIsen
III
tIIOP5＝tOP3+∆t=tOP2+∆t+∆t=1s
③ 保护9Ⅱ段与保护3配合
III III ＩKb （2-7）OP＝Krel⨯ＯＰ5３ ＩIOP３
＝IB-C.Lmax=300A Kb：分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。 kIBES
b=1+
I=1+
ES
AB
XG1+XL1XX=1.45
G3+L3
III＝KIIOP5rel⨯ＩI
ＯＰ３
Kb=1.15⨯300/1.67=220.54A I(2)3
KB＝
ES2⨯X＝⨯G3＋XL3
216＋16＝1654.65A KIII（2)
1796.8sen
＝KB
8III==8.1>1.4 满足灵敏度要求
OP5220.36ES
与相邻保护3Ⅱ段配合
kb=1+
IBES
I=1+
XG1+XL1X+X=1.65
ABG3L3（ KIII2)
KB
sen
＝III OP5
IIOP2=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：Kb4=1
IIIIIIIOP3=Krel*OP2/Kb4=1.15⨯200/1=234A IIIIIIOP5=Krel*IOP3/Kb=1.15⨯230/1.67=165.45A KIII（2)
KB
1796.88sen
＝III=.38=11.46>1.4此结果满足灵敏度要求
OP5158 tII＝tIII
OP5OP3+∆t=tOP2+∆t+∆t=1s
（2-8）
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。
IIIIIIIIIIIIt1=0s（线路末端），tIII2=t1+∆t，t3=t2+∆t=2∆t
IIIIIIIIIIIIIIIIII
，t=t=tt5=tIII=t=t+∆t=1.5s468=0s（无下一级，相当于末级） 793
ⅢⅢ
⎫KBC,top>t5op4⎪
若 矛盾，所以需加方向元件。
ⅢⅢ⎬KA',top5
又由于：
IIIIIIIIIIIIIII
t5=tIII7=t9=1.5s>t4=t6=t8=0s
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 硬件设计
3.1 功率方向保护设计总体设计方案
功率方向保护硬件设计可分为：电流电压采集系统、开关设备状态检测、A/D转换系统、单片机系统、显示系统、报警系统等几个部分。先由电流电压采集器得到所需要的电流和电压，再经过开关设备状态检测系统控制开关量的输入与输出，经过A/D转换电路使单片机能够识别的信号，最后由单片机来控制输出及报警和显示。
其总体框图如图3.1 所示。
图3.1 功率方向保护总体框图
3.2 电压电流数据采集
电网侧的电压和电流分别经电压互感器和电流互感器再到电压形成电路产生微机可以利用的信号。其中交流电压信号采用电压变换器即可满足要求，而交流电流信号可以采用电抗变换器和电流变换器，在此选用电流变换器对电流信号进行变换。此外，为保证后面的电路不受干扰，两个经变换器出来的信号还需经低通滤波环节进行滤波才允许输入到采样保持电路，供CPU发出信号进行采样。
低通滤波环节可由电阻及电容组合构成一模拟低通滤波器。而采样保持环节则选择较常用的LF-398采样芯片。其逻辑输入端S/H由CPU中的定时器按一定时序控制，从而控制何时采样、何时保持。当逻辑输入端即 S/H=1，即电平为高时，为采样功能；当逻辑输入端即 S/H=0，即电平为低时，为保持功能。 低通滤波及采样保持电路如图3.2 所示。
图3.2 低通滤波及采样保持电路
3.3报警显示电路设计
报警电路采用声光报警器。由扬声器BY，普通红色发光三极管等组成。其中AT89C51的P3.5引脚经电阻接到发光三极管N端，当输出为低电平时，三极管将闪烁发光。达到声光同时报警的效果。通过复位停止报警。如图3.3 所示。
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图3.3 声光报警电路
3.4 时钟电路设计
计算机在工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一排一排的进行。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。而时钟电路就是用于产生单片机工作所需的时钟信号，没有时钟电路，单片机就无法工作。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，其原理如图3.4所示。
其中C1、C2值为30pF,晶振频率为12MHz。
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图3.4 内部时钟振荡电路
3.5人机对话接口电路设计
LED显示有静态显示和动态显示两种显示方式。本设计使用并行输入硬件译码静态显示电路，静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段码电平，该位就能保持相应的显示字符。电路中采用了锁存译码器将P1口低4位输出的BCD码译成七段字型码，利用P1口高四位做为各锁存译码器的所存信号，实现稳定显示。LED使用的是共阴极7段数码管。数码管显示电路如图3.5所示。
键盘的结构有两种：独立式按键和矩阵式按键，其中独立式按键适用于按键数量不多的场合，而矩阵式按键适用于按键数量较多的场合。键盘有两种工作方式：编程扫描方式和中断扫描方式。本设计采用的是矩阵式按键键盘，并利用中断扫描法处理按键，消抖由软件实现。键盘扫描电路如图3.6所示。
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图3.5 LED显示电路
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图3.6 键盘电路
3.6 CPU最小系统图
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图3.7 CPU最小系统图
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第4章 软件设计
4.1主程序流程图设计
该软件主要包括主程序模块、装置功能设置（按键中断服务）模块、A/D转换中断服务模块、数据处理等模块。 主程序的任务是对中断、定时器、各种接口芯片及变量进行初始化，对装置自检，循环执行检测，等待按键处理模块的中断请求（INT0）和A/D转换结束产生的中断请求，在A/D转换中断服务执行完毕时发出有效的软中断请求，主程序将执行本软件的核心模块执行，执行完模块后，返回到主程序循环判断处，等待下一次中断。
本次试验将A/D转换子程序和数据处理子程序结合在一起，检验数据是否大于阈值，若大于则报警，反之，就不报警。主程序流程图如图4.1所示。
图4.1 主程序流程图
4.2模拟量检测流程图设计
A/D转换子程序流程图如下图4.2所示。ADC0809初始化后，把0通道输入的0-5V的模拟信号转换为对应的数字量00H-FFH，然后将对应数值存储到内存单元。程序框图如图4.2所示。
图4.2 模拟量检测流程图
第5章 MATLAB建模仿真分析
4.1 MATLAB系统仿真图
由MATLAB软件进行输电线路功率方向保护仿真实验的仿真图形如图5.1所示。
图5.1 MATLAB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。
4.2仿真波形
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5.2 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5.3 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5.4 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6章 课程设计总结
本课设主要是针对输电线路功率方向保护进行设计，本文首先对电力系统继电保护进行简单的介绍，然后分别在最大运行方式和最小运行方式下对等值电抗进行计算，并且计算出各个保护的动作电流，进行灵敏度校验，进而绘制出方向保护的原理图，最后对系统进行模拟仿真并分析了结果。
首先，本次课设，对电力系统继电保护及其算法的知识有了一定的了解，且基本完成了本课题的基本要求，但是由于知识水平的有限，对本课题的研究还存在一些不足之处，比如在模型搭建时，考虑情况过于理想化了，如线路模型，与实际情况还有一些差距。由于知识掌握程度有限，仿真模型中只实现了线路三段式功率方向保护保护，在以后的学习过程中还应继续加入新的保护类型，使仿真模型的微机保护功能更加完善。
其次，就是使用到的各种元器件。这次我使用的基本上都是已经学过的元件，但真正用起来才发现自己还差的很多，所以我又重新对所用到的器件仔仔细细，认认真真的研究了一遍从引脚，到时序，再到最后的电路整体构成，下了非常大的功夫才最后弄出来。
回顾起此次微机继电保护课程设计，我仍感慨颇多。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。这让我学到了很多课本上没有的东西，扩展了自己的视野，增强了自己的动手能力，清醒的认识到自己的不足，培养了小心谨慎的作风，使自己对课题设计了解进一步加深。总之，此次的课程设计使我收获颇丰，也是我上大学来难忘的一次经历。
第7章 参考文献
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