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（2）

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：2016.12.12至2016.12.23

课程设计（论文）报告的内容及其文本格式

1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：

①封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、、起止时间等）

②设计(论文)任务及评语

③中文摘要 （黑体小二，居中，不少于200字）

④目录

⑤正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）

⑥参考文献

2、课程设计（论文）正文参考字数：2000字周数。

3、封面格式

4、设计（论文）任务及评语格式

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①标题“目录”（小二号、黑体、居中）

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③节标题（小四号字、宋体）

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7、参考文献格式

①标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。

②示例：（五号宋体）

期刊类：[序号]作者1,作者2,……作者n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次.

图书类：[序号]作者1,作者2,……作者n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次.

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

续表

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

随着现代电网技术的改进，现代电网环境能很好满足输电线路的电压电流保护构成简单或者没有特殊要求的的中低压电网。但是随着人们用电量和对电网保护灵敏度的提升，再者对保护计算要求的简单化，这使得普通保护在35KV及以上的复杂网络中很难适用，因此本文设计了性能较为优越的输电线路保护方案。

本文主要设计是针对220kV输电线路距离保护，按招保护要求照躲开下一条线路出口处短路的原则计算保护1距离保护第Ⅰ段、第Ⅱ段、第Ⅲ段的整定值和灵敏度。分析系统在最小运行方式下振荡时，保护1各段距离保护在电压电流互感器采集到电压电流值之后经模数转换送到CPU，然后CPU经过数据的判断来发出信号控制动作情况。并且分析在具体故障点给定后，保护1的三段式距离保护的反应。并且对设计的距离保护进行了建模和详细的分析，并且采用MATLAB建立电力系统三段式距离保护的模型，进行仿真分析。最后对本课设的设计过程进行了总结和分析。

关键词：三段式距离保护；MATLAB仿真；灵敏度校验

目 录

第1章 绪论 1

1.1 距离保护概述 1

1.2 本文研究内容 1

第2章 输电线路功率方向保护整定计算 2

2.1 保护1距离保护的Ι段整定计算 2

2.2 保护1距离保护的Ⅱ段的整定 2

2.3 保护1距离保护的Ⅲ段整定 3

2.4 系统振荡和短路的影响分析 4

第3章 硬件电路设计 5

3.1 单片机最小系统设计 5

3.2 报警电路设计 8

3.3 模拟量检测电路 8

3.4开关量输入输出电路 9

3.4.1开关量输入电路 9

3.4.2开关量输出电路 9

第4章 软件设计 11

4.1 主程序流程图 11

4.2 模拟量采集流程图设计 12

第5章 实验验证及分析 13

5.1 MATLAB软件简介 13

5.2 距离保护仿真波形及分析 14

第6章 课程设计总结 16

参考文献 17

第1章 绪论

1.1 距离保护概述

电力是如今社会发展所缺少的主要能源，其应用广泛，地位重要。电力系统的稳定安全以及经济性，对人民的生活乃至社会稳定都有着极大地影响。其中在输电线路上的保护尤为重要，我们一般使用作用于断路器的过电流继电器对线路进行保护，达到反应快，误差小，精度快等优点。

使用距离保护时应该注意：任何阻抗继电器均需克服机械阻力或阈电压才能动作，所以输入继电器的电流不能太小。输入继电器的电流较小时，继电器的起动阻抗将下降，使距离继电器的实际保护范围缩短，这将影响到与相邻线路距离元件的配合，甚至引起非选择性动作。为把起动阻抗的误差限制在一定范围内,规定了精确工作电流这一指标。当输入电流等于阈电压时,继电器的起动阻抗下降到整定值的90%；当输入电流大于阈电压时,就可保证起动阻抗的误差在10%以内。因此精确工作电流愈小,则继电器愈灵敏。当系统发生振荡时，靠近系统振荡中心处的距离保护所测得的电压很低、电流很大，即阻抗很小。为避免在系统振荡时距离保护装置误动作，应加设振荡闭锁装置。在电压互感回路断线时也将造成距离保护误动作，也应增设闭锁元件。

距离保护采用的阻抗继电器的接线方式一般为，对相间保护，用0度接线方式；对接地距离保护采用带零序电流补偿的接线方式。

1.2 本文研究内容

本文主要对电力系统中，220kV输电线路距离保护进行设计。

其主要内容如下：

（1） 首先对系统中保护1的各段整定值和灵敏度进行了整定计算。

（2） 分析了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。

（3） 分析其在距离发电机一定距离的故障点处保护1的三段式距离保护的动作情况。

（4） 分析各段保护的动作过程，并且采用MATLAB建立简单电力系统三段式距离保护的模型，进行仿真分析。

第2章 输电线路功率方向保护整定计算

2.1 保护1距离保护的Ι段整定计算

距离I段的整定方法按照躲开下一条线路出口处短路的原则整定

其中=0.8，通过该公式计算距离保护第Ⅰ段动作阻抗

确定动作时间：t=0s

整定阻抗角与线路阻抗角相等，而保护区域为被保护线路全长的80%。

2.2 保护1距离保护的Ⅱ段的整定

AB线路的Ⅱ断保护与相邻线路BC的I段保护相配合。

当1QF护第Ⅱ段与BC线段第Ⅰ段配合时，有：

3QF的Ⅰ段保护为

故

灵敏度校验：

满足要求。

动作时间：t=0.5s

2.3 保护1距离保护的Ⅲ段整定

在本设计中保护元件采用的为方向保护元件，因此Ⅲ段保护要躲过最小负荷阻抗并且与相邻线路的Ⅱ段保护相配合。

（一）躲过最小负荷阻抗，即：

由题意知：,即，而

故

按与相邻距离保护第Ⅲ段动作时间配合，第Ⅲ段距离保护的动作时间为：

（二）与相邻线距离保护第Ⅱ段配合，即：

，

，

应取为相间距离保护第Ⅲ段的整定值。

按与相邻距离保护第Ⅱ段配合，第Ⅲ段距离保护的动作时间为：

进行距离保护第Ⅲ段的灵敏度校验：

当作为近后备时，

当作为远后备时，

动作时间为

2.4 系统振荡和短路的影响分析

当系统发生振荡时，系统的三相对称，因此可研究一相从而得出其余两项的情况。当不考虑振荡同时发生短路时，振荡中心的位置在全系统纵向阻抗的中点。两侧电源电势和电势相等，相角差为系统中各元件阻抗角均相等，以表示不考虑负荷电流的影响，不考虑振荡同时发生短路。当且系统中各元件阻抗角相等时，则系统在最小运行方式下振荡时，其阻抗值大于I段保护的电阻而小于II段保护的电阻，因此相间距离保护I段不动作但是II段动作。又由于动作时间大于III段保护动作的时间，所以相间距离保护III段不动作。

当系统当距保护1出口20km处发生带过渡电阻Rarc=12Ω的相间短路时，由于在AB段的百分之八十以内，所以相间距离保护I段动作而II段和III段由于有延时不动作。

第3章 硬件电路设计

3.1 单片机最小系统设计

CPU的选择

本次程设计选择89C51单片机为中央处理器（CPU），AT89C51可靠性高、实时性好、速度快、系统掉电后重要数据和状态信息不会丢失 , 其性能价格比远高于同类芯片，并且其与各大公司的MC-51系列单片机兼容。

9C51内部资源：

（1）面向控制的8位CPU

（2）一个片内振荡器和时钟产生电路，振荡频率为0到24MHz

（3）片内4KB Flash ROM程序存储器。

（4）128B片内数据存储器。

（5）可寻址64KB的片外程序存储器和片外存储器控制电路

（6）2个16位的定时/计数器。

（7）有4个并行I/O接口分别为P0、P1、P2 和P3口，共32条可单独编程的I/O线。

（8）5个中断源，2个中断优先级。

（9） 一个全双工的异步串行口

（10）21个特殊功能寄存器

（11）具有节电工作模式，即休闲方式和掉电保护方式

89C51引脚可分为3类： 

（1）电源及时钟引脚：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2。

（2）控制信号引脚：、ALE、、RESET（RST）。

（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3为四个8位I/O口的外部引脚。

89C51芯片的I/O口：

（1） P0口：P0口有两个用途，一是作普通I/O口使用；二是作低8位地址数据总线使用。

（2） P1口：P1口只做作普通I/O使用。

（3） P2口：P2口有两个用途，一是作为普通I/O口使用；二是作高8位地址线。

（4） P3口：P3口是一个多功能端口，除了有准双向I/O功能外，还具有第二功能。

引脚如图3.1所示

图3.1 AT89C51引脚图

复位电路的设计

复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此复位电路对单片机是非常重要的。单片机的复位都是靠外部的复位电路来实现复位的，当时钟电路工作后，在单片机的RESET引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。为了保证单片机可靠的复位，实际设计电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平。

本设计采用按键式复位电路，原理图如图3.2所示。本设计采用的12MHz晶振，所以一个机器周期就是1us，要复位就加2us的高电平。图中的RC常数是1.5K×22uF=33ms，这个常数足够可以使单片机可靠复位。

图3.2 复位电路

时钟电路设计

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。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，原理图如图3.3所示，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。

图3.3 时钟电路原理图

时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个33pF 的瓷片电容组成。时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。

综上所述整体的最小系统电路图如图3.4所示

图3.4 最小系统电路图

3.2 报警电路设计

报警电路是由PNP的发射极接蜂鸣器的一端，其集电极接地，蜂鸣器的另一端接入电源VCC。报警电路的作用是当电流有效值大小达到或超过上限时进行报警，报警电路与单片机的P2.3口相连当单片机输出一个低电平时，蜂鸣器就会发出报警信号，达到其要求。报警电路如图3.5所示

图3.5报警电路

图3.5 报警电路

3.3 模拟量检测电路

本文采用的采样法为交流采样法，采用电压互感器电流互感器获取机端电压和电流。而由于模数转换器只能对一定范围内的电压进行转换，所以还需将电压互感器和电流互感器测得的电压和电流转换成模数转换器能够识别范围的大小。本文采用电压转换器UV来实现电压信号的转换，用电流转换器UA来实现电流信号的转换。其变换器原理如3.6图所示。

图3.6 变换器原理图

3.4开关量输入输出电路

3.4.1开关量输入电路

对于装在微机继电保护装置面板上的切换开关、按钮、键盘等内部开关触点可直接接到并行口，如图3.7，从装置外部引入的触点必须经过光耦合器芯片，如图3.8，其工作原理为：当外部触点接通时，光耦合器的二极管导通，光耦合器的二极管也导通，其集电极输出低电位，当外部触点断开，光耦合器的二极管不导通，于是晶体管截止，集电极输出高电位。CPU读并行口该位的状态。采用光耦合器芯片后，将可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机的电路部分之间隔离，两者无直接联系，而光耦合芯片的两个互相隔离部分的分布电容仅仅是几皮法，因此可以大大削弱干扰。

图3.7 开关量输入

图3.8 外部输入

3.4.2开关量输出电路

该电路采用有两根并行口输出线及与非门电路来控制开关量输出驱动电路。在图中PB0经一反相器。而PB1却不经过反相器，这样接可以防止拉合直流电源的过程中继电器K的短时误动。当5V电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，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U，都可能相当缓慢的上升或下降，从而完全可能来得及使继电器的触点短时闭合。采用如图接法，有效地防止了继电器的误动作。

开关量输出电路，用于驱动各种继电器，如跳闸出口继电器、重合闸出口继电器、装置故障报警继电器等。可采用图3.9所示电路，只要P2.3输出低电平，P2.2输出高电平，或非门即输出低电平，光敏晶体管导通，继电器K吸合，采用两个并行口一方面提高了带载能力，另一方面，增加了抗干扰能力。P2.1口具有自检能力，当该位为高电平，说明开出电路正确，否则说明开出电路有短路故障。

图3.9 开关量输出系统

第4章 软件设计

4.1 主程序流程图

本设计采用单片机进行系统控制，首先电压互感器和电流高互感器完成对电压和电流的采集并且送入转换模块，在转换模块内对接收到的电压和电流进行转换，将电压和电流转换成模数转换器可识别的信号，然后模数转换器将模拟信号转换为数字信号送入单片机内，单片机对信号进行分析输出反馈信号从而完成对发电机的控制。主程序流程图如图4.1所示。

当系统供电之后，单片机自动初始化，采样模块将进行数据的采集送入转换模块，再经模数转换器将收集到的信号返回到单片机，单片机进行判断来完成保护的动作。

图4.1 主程序流程图

4.2 模拟量采集流程图设计

本设计对线路电流电压的检测至为重要，因为它反映了线路是否发生故障，而且也决定发生故障后线路第几段动作，因此线路电压电流的采集在本系统中显得尤为重要。模拟量的采集流程图如图4.2所示。

图4.2 模拟量采集流程图

第5章 实验验证及分析

5.1 MATLAB软件简介

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB具有以下几个优点：

1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学 运算分析中解脱出来；

2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；

3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；

4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。本设计的仿真图如图5.1所示。

图5.1 距离保护仿真电路图

5.2 距离保护仿真波形及分析

当系统处于正常状态时，此时电压的波形是电压三相对称，并且互差120度角 。而电流波形也是相互对称并且相差120度。电流和电压波形如图5.2所示

图5.2 正常状态下时系统的电流和电压波形图

系统发生设计中的线路故障时的各相电压电流波形如图5.3和图5.4所示。改变故障类型仿真得到如下结论：接地距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。

图5.3 故障线路的相间电压波形

图5.4 故障线路的相间电流波形

当线路发生BC两相接地故障时BC两相电压减小到零，并且A相电压增大。其波形图如图5.5所示。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和接地故障，实现了本线路保护和后一级级线路的后备保护。仿真结果表明，所建立的保护模型具有实时性和正确性，符合上文的计算结论

图5.5 线路两相接地故障时的电压波形图

第6章 课程设计总结

通过本次课设使我更加深刻地了解了电力系统中的距离保护，是我意识到了距离保护的重要性和其优越性。本课程设计主要研究了距离保护的原理和方案，对保护1的三段保护进行了整定值的计算和灵敏度的校验，确定了各段保护的动作时间，并且对系统可能出现的震荡和短路过电阻尽行了分析。最后利用MATLAB建立系统模型进行了仿真并且对仿真结果进行了分析。在计算中由于对概念和动作过程了解的不够详细，计算灵敏度的时候也出现了错误，导致后续的分析出了很大的问题。时候及时的修正路数据，才避免了后面的计算错误。计算出来的数据一定要留出一定的裕量，方便实际中的断路器和其他元件电气参数的合理选取。对于仿真后出现的波形也要仔细分析，观察是否符合预期的设计要求。

通过本次课设，是我更深入地了解了线路距离保护的原理与理论计算，更加深入的了解了距离保护的应用，学到了许多课本上学不到的知识，以及对以后工作在电力行业所应获得的必不可少的知识。

参考文献

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1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究

2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究

3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究

4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制

5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究

6. 基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器

7. 单片机控制的二级倒立摆系统的研究

8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现

9. 基于单片机的蓄电池自动监测系统

10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究

11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究

12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发

13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制

14. 基于单片机的自动找平控制系统研究

15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发

16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发

17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现

18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制

19. 基于双单片机冲床数控系统的研究

20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制

21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制

22. 基于单片机的软起动器的研究和设计

23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究

24. 基于单片机的机电产品控制系统开发

25. 基于PIC单片机的智能手机充电器

26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究

27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究

28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制

29. 基于微型光谱仪的单片机系统

30. 单片机系统软件构件开发的技术研究

31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制

32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制

33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用

34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制

35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制

36. 基于单片机的数字磁通门传感器

37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究

38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究

39. 单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制

40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪

41. 基于单片机的电机运动控制系统设计

42. Pico专用单片机核的可测性设计研究

43. 基于MCS-51单片机的热量计

44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站

45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究

46. 基于单片机的轮轨力检测

47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现

48. 基于单片机的电液伺服控制系统

49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制

50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究

51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究

52. 单片机控制的后备式方波UPS

53. 提升高职学生单片机应用能力的探究

54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究

55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究

56. 基于单片机的多通道数据采集系统

57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制

58. 基于单片机的红外测油仪的研究

59. 96系列单片机仿真器研究与设计

60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造

61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现

62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制

63. 基于单片机的气体测漏仪的研究

64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器

65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究

66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计

67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计

68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统

69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统

70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究

71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践

72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现

73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统

74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究

75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统

76. 基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究

77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用

78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究

79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究

80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发

81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究

82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究

83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现

84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究

85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现

86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现

87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统

88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现

89. 单片机监测系统在挤压机上的应用

90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用

91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用

92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用

93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发

94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计

95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计

96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发

97. 锅炉的单片机控制系统

98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计

99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制

100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现

101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计

102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现

103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制

104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究

105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计

106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究

107. 单片机实现的寻呼机编码器

108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究

109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究

110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究

111. 超精密机床床身隔振的单片机主动控制

112. PIC单片机在空调中的应用

113. 单片机控制力矩加载控制系统的研究

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