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朱益民的课设
辽宁工业大学
微机继电保护课程设计(论文)
题目:
110kV输电线路电流电压保护设计(3)
院(系):
电气工程学院
专业班级:
电气111
学号:
11030024
学生姓名:
朱益民
指导教师:
(签字)
起止时间:
2014.12.15-2014.12.26
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
110303024
学生姓名
朱益民
专业班级
电气111
课程设计(论文)题目
110kV输电线路电流电压保护设计(3)
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=60km,L3=40km,
LB-C=40km,LC-D=30km,
LD-E=20km,线路阻抗0.4
/km,
最大负荷电流IB-C.Lmax=350A,
IC-D.Lmax=200A,
ID-E.Lmax=150A,
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.确定保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗。
2.进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算。
3.整定保护1、2、3的电流速断保护定值,并计算各自的最小保护范围。
4.整定保护2、3的限时电流速断保护定值,并校验灵敏度。
5.整定保护1、2、3的过电流保护定值,假定母线E过电流保护动作时限为0.5s,确定保护1、2、3过电流保护的动作时限,校验保护1作近后备,保护2、3作远后备的灵敏度。
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、实验验证
给出实验电路及实验结果,分析实验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I段整定计算及灵敏度校验。
第三天:
电流II段、III段整定计算及灵敏度校验。
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:
实验验证及分析。
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
电力系统的输、配电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。
本设计针对电力系统输电线路进行继电保护设计,采用三段式电流电压保护的方法,确定出最大、最小运行方式下的等值电抗。
进行了相间短路的最大、最小短路电流的计算。
进行了保护1、2、3的电流速断保护整定值计算,并计算了各自的最小保护范围。
进行了保护2、3的限时电流速断保护定值计算,并校验了灵敏度。
进行了保护1、2、3的过电流保护定值计算,确定保护1、2、3过电流保护的动作时限,校验保护1作近后备,保护2、3作远后备的灵敏度。
采用单片机控制的微机型继电保护原理,并设计了继电保护的软件及硬件。
最后通过实验数据与理论计算的比较验证了理论计算的正确性,获得了不错的效果。
关键词:
继电保护;整定值计算;校验灵敏度;等值电抗
目录
第1章绪论1
第2章输电线路电流保护整定计算3
2.1电流I段整定计算3
2.1.1保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗3
2.1.1动作电流的整定4
2.1.2灵敏度校验5
2.1.3动作时间的整定5
2.2电流Ⅱ段整定计算5
2.3电流Ⅲ段整定计算6
第3章硬件电路设计8
3.1系统总体框图8
3.2CPU最小系统8
3.3数据采集及模数转换9
3.4电流三段式保护原理接线图及展开图10
第4章软件设计12
4.1电力系统微机保护傅里叶算法12
4.2系统流程图12
第5章课程设计总结14
参考文献15
第1章绪论
电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源,电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重要的影响。
但电力系统在运行中不可能一直保持正常状态。
因此要有专门的技术为电力系统建立一个保障体系,这就是继电保护。
电力系统继电保护是随着电力系统的发展和科学技术的进步而不断发展起来的。
电力系统故障和不正常运行状态是不可避免的,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通过继电保护装置准确迅速地识别并切除故障同时电力系统运行状态应实时监视一旦发生不正常行状态时能通过继电保护装置及时警告或启动自动控制装置。
这样就可以保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损坏。
继电保护装置由测量部分、逻辑部分和执行部分等组成。
对于作用于断路器跳闸的继电保护装置有四点基本要求。
1.电流电压保护的选择性
电流电压保护在单电源网络中一般有很好的选择性。
电流(电压)保护第Ⅰ段主要靠动作电流值的整定来区分被保护范围内部和外部短路而具有选择性。
而电流保护第Ⅱ段和第Ⅲ段则应由动作电流和动作时间二者相结合才能保证其选择性。
但在多电源或单电源环网等复杂网络中这种保护可能无法保证其选择性。
2.电流电压保护的动作速度
电流电压保护第Ⅰ段和第Ⅱ段共同作为线路的主保护。
电流电压保护第Ⅲ段因为越接近电源,动作时间越长,有时候动作时间长达好几秒,因而一般情况下只能作为线路的后备保护。
3.电流电压保护的灵敏度
电流电压保护的灵敏度因系统运行方式的变化而变化。
一般情况下能满足灵敏度要求。
但在系统运行方式变化很大、线路很短和线路长而负荷重等情况下,其灵敏度可能不满足要求,甚至出现保护范围为零的情况。
这是电流保护的主要缺点。
4.电流电压联锁保护的可靠性
电流电压联锁保护的可靠性较高,且电路构成、整定计算及调试维护都较简单,因此,它是较可靠的一种保护。
电流电压保护分为两种一种是以反应电流增大而动作的电流测量元件为基础的构成的电流保护元件另一种是以反应电压为基础构成的电流保护。
根据线路故障对主、后备保护的要求线路相间的电流电压保护有三种第一无时限电流速断保护或无时限电流电压联锁速断保护第二带时限电流速断保护或带时限电流电压联锁速断保护第三定时限过电流保护或低电压启动过电流保护。
这三种相间电流电压保护分别成为相间短路电流保护第Ⅰ段第Ⅱ段和第Ⅲ段。
其中Ⅰ、Ⅱ段作为线路主保护第Ⅲ段作为本线路主保护的近后备保护和相邻线路或元件的远后备保护。
这三段统称为线路相间短路的。
本设计为了获得较好的选择性并保证灵敏度,采用了三段式电流电压联锁速断保护,根据设计要求为了实现保护之间的配合和保护的选择性在这些保护中增加延时元件等逻辑元件形成一个完整的保护方案。
设计主要包括参数的整定计算,硬件电路的设计,软件的设计以及最后的实验验证。
其中硬件包括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。
软件设计包括微机继电保护的算法、系统流程图等。
第2章输电线路电流保护整定计算
2.1电流I段整定计算
2.1.1保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗
最大运行方式:
三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行,等效电路图如图2.1。
图2.1最大运行方式等值阻抗图
由等效电路图,可知在最大运行方式下,XG1与XG2并联后与XL1与XL2的并联部分串联,串联后又与XG3与XL3的串联部分并联。
得到的并联阻抗与XBC、XCD、XDE依次串联。
由此,可得节点3的最小短路阻抗计算如下:
;
;
;
;
;
;
最小运行方式:
在最大运行方式基础上G2、L2退出运行,等效电路图如图2.2.
此时由等效电路图,可知在最小运行方式下,XG1与XL1串联后与XG3与XL3的串联部分并联,且并联后的阻抗与XBC、XCD、XDE依次串联。
由此,可得节点3的最大短路阻抗计算如下:
图2.2最小运行方式等值阻抗图
2.1.1动作电流的整定
首先算出母线C、D、E的最小及最大短路电流。
C母线最大短路电流:
C母线最小短路电流:
D母线最大短路电流:
D母线最小短路电流:
E母线最大短路电:
E母线最小短路电流:
无时限电流速断保护依靠动作电流值来保证其选择性,被保护线路外部短路时流过该保护的电流总小于其动作值,不能动作;而只有在内部短路时流过该保护的电流有可能大于其动作值,使保护动作。
且无时限电流速断保护的作用是保证在任何情况下只切除本线路上的故障。
无时限电流保护不能保护线路全长,应采用最不利情况下保护的保护范围来校验保护的灵敏度,一般要求保护的最小的线路长度不小于线路长度的15%。
保护1保护的最小范围:
保护2保护的最小范围:
保护3保护的最小范围:
2.1.2灵敏度校验
因为
所以保护1、2灵敏度不符合要求。
保护3的灵敏度符合要求。
2.1.3动作时间的整定
末端保护1的动作时间为0(I段无延时),则保护2的动作时间为0.5s,保护3的动作时间为1s。
即
,
,
2.2电流Ⅱ段整定计算
由于无时限电流速断保护(电流保护第I段)只能保护线路的一部分,而该线路剩下的短路故障由能保护本线路全长的带时限电流速断保护(电流保护第Ⅱ段)来可靠切除。
带时限电流速断保护与无时限电流速断保护的配合能以尽可能快的速度,可靠并有选择性的切除本线路上任一处,包括被保护线路末端的相间短路故障。
保护2的Ⅱ段应与相邻线路的Ⅰ段配合。
灵敏度:
保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅰ段配合。
灵敏度:
则保护3的Ⅱ段与相邻线路的Ⅱ段配合。
灵敏度:
灵敏度均不满足要求。
2.3电流Ⅲ段整定计算
整定保护1、2、3的过电流保护定值,假定母线E过电流保护动作时限为0.5s,确定保护1、2、3过电流保护的动作时限,校验保护1作近后备,保护2、3作远后备的灵敏度。
保护1的Ⅲ段:
保护2的Ⅲ段:
保护3的Ⅲ段:
保护1作近后备保护的灵敏度:
满足灵敏度要求。
保护2作近后备保护的灵敏度:
满足灵敏度要求。
保护3作近后备保护的灵敏度:
满足灵敏度要求。
假定母线E过电流保护动作时限为0.5s,即:
保护1的Ⅲ动作时间:
保护2的Ⅲ动作时间:
保护3的Ⅲ动作时间:
第3章硬件电路设计
3.1输电线路电流电压保护总设计方案
输电线路电流电压保护总设计方案应该包括数据采集系统、CPU主系统、开关量状态检测电路、输出回路及报警显示电路等部分。
数据采集系统是模拟量输入系统,采集由被保护设备的电流互感器和电压互感器输入的模拟信号,并将此信号经过适当的预处理,然后转换为所需的数字量。
数据采集系统根据模数转换的原理不同,微机保护的模拟量输入回路有两种方式,一种是基于A/D转换器的数据采集系统,另一种是基于V/F转换的数据采集系统。
本设计采用基于A/D转换器的数据采集系统。
CPU主系统包括微处理器CPU、数据存储器、程序存储器、晶振、复位电路、定时器、并行接口和串行接口等。
CPU执行放在程序存储器中的程序,对数据采集系统输入到数据存储器的原始数据进行分析处理,完成继电保护的测量、逻辑和控制功能。
开关量的状态检测电路由外部触点输入回路,跳闸、合闸、信号出口回路由并行接口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成,完成各种保护的出口跳闸、信号报警以及外部接点输入等工作。
控制输出部分主要包括打印、显示、键盘、各种面板开关等,其主要功能用于调试,定值调整,人对机器工作状态的干预,打印显示运行情况及保护执行结果,它同报警显示电路共同完成人机对话功能。
图3.1 CPU最小系统图
3.2CPU最小系统
CPU最小系统包括微处理器CPU(本设计采用AT89C51)、数据存储器、程序存储器、晶振、复位电路、定时器、并行接口和串行接口等。
CPU执行放在程序存储器中的程序,对数据采集系统输入到数据存储器的原始数据进行分析处理,完成继电保护的测量、逻辑和控制功能。
CPU最小系统如图3.2所示。
图3.2 CPU最小系统图
3.3数据采集系统
在微机继电保护装置中,数据采集系统的功能是将输入模拟量准确的转换为微机能够识别的数字量。
基于A/D转换的数据采集系统以A/D转换器为模拟量到数字量的转换单元,大量投放市场的单片集成或模块A/D器,按其变换原理分类,主要有逐次逼近式、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。
逐次逼近式A/D转换器是目前种类最多、数量最大、应用最广的A/D转换器件,本设计采用基于逐次逼近式的A/D转换的数据采集系统,其转换原理的示意图如图3.3,它包括电压形成回路、模拟低通滤波器ALF、采样保持电路S/H、多路转换开关MPX及A/D转电路等。
电压形成回路的作用是电量变换。
模拟低通滤波器主要完成模拟量的滤波处理及采样,采样时必须满足采样定理。
采样保持电路(sample/Hold)电路,其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在采样时刻的瞬时值,并在A/D转换器进行转换的期间保持其输出不变。
利用采样保持电路后,可以方便的对多个模拟量实现同时采样。
图3.3电流电压数据采集系统
3.3.1 电压形成回路
电压形成回路的作用是电量变换。
微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得信息,但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机保护线路却不适用,故需要降低变换。
微机保护中,通常根据模数转换器输入范围的要求,将输入信号转换为5V±或10V±范围内的电压信号。
因此,一般采用中间变换器来实现以上的变换。
交流电压信号可以采用电压变换器,而将交流电流信号变换为成比例的电压信号,可以采用电抗变换器或电流变换器。
3.3.2模拟低通滤波器
采样频率的选择是微机保护数据采集系统中硬件设计的重要内容。
需要综合考虑多种因素。
首先,采样频率的选择必须满足采样定理的要求,即采样频率必须大于原始信号中最高频率的二倍,否则将造成频率混叠现象,使采样后的信号不能代表原始信号。
其次,采样频率的高限受到CPU的速度,被采集的模拟信号的路数,A/D转换后的数据与存储器的数据传送方式的制约。
如果采样频率太高,而被采样的模拟信号又特多,则在一个采样间隔内难以完成对所有采样信号的处理,就会造成数据的错误。
微机系统无法正常工作。
在电力系统发生故障时,故障初瞬电压、电流中往往含有频率很高的分量,为了防止频率混叠,必须选择很高的采样频率, 这就会对硬件提出相当高的要求,而且目前绝大多数微机保护的原理都是基于反映工频信号的,因此为了降低采样频率,可在采样之前先用一个模拟低通滤波器将频率高于采样频率一半的信号滤掉。
3.3.3采样保持电路
采样保持电路(sample/Hold)电路,其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在采样时刻的瞬时值,并在A/D转换器进行转换的期间保持其输出不变。
利用采样保持电路后,可以方便的对多个模拟量实现同时采样。
本设计采用采样保持器LF398,其结构如图3.4所示。
LF398是微机保护装置中常采用的一种采样保持电路芯片。
图3.4LF398 采样保持芯片原理图
3.3.3AD转换器
由于计算机只能对数字量进行运算,而电力系统中的电流、电压信号均为模拟量,因此必须采用模拟转换器将连续的模拟量转变为离散的数字量。
模数转换是实现计算机控制的关键技术,是将模拟量转换为计算机能够识别的数字量的桥梁。
本设计采用ADC0809实现模数转换。
图3.4 ADC0809与89C51单片机的接口电路
3.3.4开关量输出回路
开关量输出主要包括保护的跳闸出口、合闸出口、本地和中央信号、和打印机回路等。
一般都采用并行接口的输出口来控制有触点继电器(干簧或密封小中间继电器)的方法。
为提高抗干扰能力,也要经过光电隔离,如图2-35所示。
只要由软件并行口的PB0输出“0”,PB1输出“1”,便可使与非门Y2输出低电平,发光二极管导通,光敏三极管激发导通,使继电器K动作,其触点闭合,启动后级电路。
在初始化和需要继电器返回时,应使PB0输出“1”,PB1输出“0”。
这里经与非门Y1(用反相器)及与非门Y2输出,而不是将发光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,另一方面是在采用了与非门后,要满足两个条件才能使K动作,从而增加了抗干扰能力。
图3.5 开关量输出回路接线图
第4章软件设计
4.1电力系统微机保护傅里叶算法
在微机保护装置中,首先要对反映被保护设备的电气量模拟量进行采集,然后对这些采集的数据进行数字滤波,再对这些经过数字滤波的数字信号进行数学运算、逻辑运算,并进行分析判断,最终输出跳闸命令、信号命令或计算结果,以实现各种继电保护功能。
这种对数据进行处理、分析、判断以实现保护功能的方法称为算法。
目前广泛采用全波傅氏算法和最小二乘法作为电力系统微机保护提取基波分量的算法。
傅里叶算法可用于求出各谐波分量的幅值和相角,所以它在微机保护中作为计算信号幅值的算法被广泛采用。
实际上,傅里叶算法也是一种滤波方法。
分析可知,全周傅氏算法可有效滤除恒定直流分量和各正次谐波分量。
全波傅里叶算法可以计算信号谐波分量,半波傅里叶算法把运算的数据窗减少了一
半,运算量比全波算法减少,但二者都会受到衰减直流分量的影响。
本文在传统傅里叶算法的的基础上,每次求和时把衰减直流分量减去,从而去除了衰减直流分量的影响。
一、全波傅里叶算法原理
传统傅里叶算法的原理是基于对周期信号的傅立叶分解.并把对连续信号的积分改成对离散量的求和,公式如下:
4.2系统流程图
系统程序流程主要包括初始化模块和系统程序的其他流程。
其中初始化包括对可编程接口进行初始化,读取所有开关量输入状态并将其存入RAM或ROM,对装置的软硬件进行一次全面的自检,将所有标志字清除,最后进行数据采集系统的初始化。
具体的系统程序流程图如图4.1。
图4.1电流保护流程图
第5章实验验证
5.1实验方案
电流电压联锁速断保护是由过电流元件和低电压元件共同组成的保护,只有当电流、电压元件同时动作时保护才能动作跳闸。
由于电流电压联锁速断保护采用了电流和电压的测量元件,因此,在外部短路时,只要一个测量元件不动作,保护就能保证选择性。
5.2 实验电路及数据记录
按如图5.1所示电路连接实验设备。
图5.1电流电压联锁保护实验接线
表2-7-1 电流速断保护和电流电压联锁速断保护实验记录表
电流整定值(A)
电压整定值(V)
电压整定值(V)
三相短路
AB相间短路
电流速断保护
电流电压联
锁速断保护
5.3实验验证
第6章课程设计总结
本文针对当前电力系统输电线路中继电保护存在的问题,提出了相应的解决方案,以利于电力系统行业的健康发展。
本课设主要针对输电线路电流电压保护进行设计。
随着电力系统规模的不断扩大,对电力系统速动性、可靠性、选择性、安全性运行的要求越来越高,继电保护应运而生,本文对继电保护各项参数进行了计算,对电流电压保护的I、II、III段进行了计算整定,并校验了各段灵敏度。
接着进行了硬件电路的设计,软件的设计以及最后的实验验证。
其中硬件包括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。
软件设计包括微机继电保护的算法、系统流程图等。
本文章首先是对电力系统继电保护进行了简单的介绍,然后对电流电压保护做了概述和简单的计算,然后给出了三段式电流保护的原理图,绘制出了电流三段式保护的原理接线图、交、直流展开图及信号回路展开图,电流三段式保护的原理接线图、交、直流展开图及信号回路展开图最后是对系统进行MATLAB仿真。
最后得出结果与计算的结果相一致。
参考文献
[1]贺家李,宋丛矩.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社,1994.
[2]王成山,肖朝霞,王守相.微电网综合控制与分析[J].电力系统自动化,2008.
[3]商国才.电力系统自动化.天津大学出版社,2000
[4]王葵等.电力系统自动化.中国电力出版社,2007.1
[5]何仰赞等.电力系统分析.华中科技大学出版社,2002.3
[6]于海生.微型计算机控制技术.清华大学出版社,2003.4
[7]王士政.电网调度自动化与配网自动化技术.中国水利水电出版社,2007.3
[8]梅丽凤等.单片机原理及接口技术.清华大学出版社,2009.7
[9]赵晶主编Prote199高级应用.人民邮电出版社2000
[10]于海生编著微型计算机控制技术.清华大学出版社,2003.4
[11]张毅刚编著MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社,2003
[12]何希才,薛永毅编著传感器及其应用实例.机械工业出版社,2004.1
[13]康华光编著电子技术基础数字部分.高等教育出版社,1998
[14]康华光编著电子技术基础模拟部分.高等教育出版社,1998
[15]胡汉才编著单片机原理及系统设计.清华大学出版社,2002
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