微機(jī)繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)-220kV輸電線路距離保護(hù)設(shè)計(jì).doc

遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 微機(jī)繼電保護(hù)微機(jī)繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目：220kV220kV 輸電線路距離保護(hù)設(shè)計(jì)（輸電線路距離保護(hù)設(shè)計(jì)（2 2） 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時(shí)間：起止時(shí)間：2016.12.122016.12.12至至2016.12.232016.12.23 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告的內(nèi)容及其文本格式課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告的內(nèi)容及其文本格式 1、課程設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告要求用 A4 紙排版，單面打印，并裝訂成冊，內(nèi)容包括： 封面（包括題目、院系、專業(yè)班級、學(xué)生學(xué)號、學(xué)生姓名、指導(dǎo)教師姓名、起止時(shí)間等） 設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)及評語 中文摘要 （黑體小二，居中，不少于 200 字） 目錄 正文（設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、研究報(bào)告、研究論文等） 參考文獻(xiàn) 2、課程設(shè)計(jì)（論文）正文參考字?jǐn)?shù)：2000 字周數(shù)。 3、封面格式 4、設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語格式 5、目錄格式 標(biāo)題“目錄”（小二號、黑體、居中） 章標(biāo)題（小四號字、黑體、居左） 節(jié)標(biāo)題（小四號字、宋體） 頁碼（小四號字、宋體、居右） 6、正文格式 頁邊距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，頁眉 1.5cm，頁腳 1.75cm，左側(cè)裝訂； 字體：一級標(biāo)題，小二號字、黑體、居中；二級，黑體小三、居左；三級標(biāo)題，黑體四號；正文文字，小 四號字、宋體； 行距：20 磅行距； 頁碼：底部居中，五號、黑體； 7、參考文獻(xiàn)格式 標(biāo)題：“參考文獻(xiàn)”，小二，黑體，居中。 示例：（五號宋體） 期刊類：序號作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:頁次. 圖書類：序號作者 1,作者 2,作者 n.書名.版本.出版地:出版社，出版年:頁次. 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號 130303016 學(xué)生姓名高逸飛專業(yè)班級電氣 131 班 課程設(shè) 計(jì)（論 文）題 目 220kV 輸電線路距離保護(hù)設(shè)計(jì)（2） 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 系統(tǒng)接線圖如圖： 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)參見下表 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)工作量 線路每公里阻抗為 Z1=0.38/km,線 路阻抗角為 L=64,AB、BC 線路最 大負(fù)荷電流為 800A,負(fù)荷功率因數(shù)為 cosL=0.9, 8 . 0 I rel K 。電源電勢為 8 . 0 rel K35 . 0 rel K E=230kV, ZsAmax=13, ZsAmin=8,ZsBmax=30,ZsBmin=15 。歸算至 230kV 的各變壓器阻抗為 156,容量 ST 為 30MVA。其余參數(shù)如 圖所示。 一、整定計(jì)算 1.計(jì)算保護(hù) 1 距離保護(hù)第段的整定值和靈敏度。 2.計(jì)算保護(hù) 1 距離保護(hù)第段的整定值和靈敏度。 3.計(jì)算保護(hù) 1 距離保護(hù)第段的整定值和靈敏度。 4.分析系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，保護(hù) 1 各 段距離保護(hù)的動(dòng)作情況。 5.當(dāng)距保護(hù) 1 出口 20km 處發(fā)生帶過渡電阻 Rarc=12 的相間短路時(shí)，保護(hù) 1 的三段式距離 保護(hù)將作何反應(yīng)（設(shè) B 母線上電源開路）？ 二、硬件電路設(shè)計(jì) 包括 CPU 最小系統(tǒng)、電流電壓數(shù)據(jù)采集、開 關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢測、控制輸出、報(bào)警顯示等部分。 三、軟件設(shè)計(jì) 說明設(shè)計(jì)思想，給出參數(shù)有效值計(jì)算及故障 判據(jù)方法，繪制流程圖或邏輯圖。 四、仿真驗(yàn)證 給出仿真電路及仿真結(jié)果，分析仿真結(jié)果同 理論計(jì)算結(jié)果的異同及原因。 stOP5 . 0 8 stOP1 7 8 E 6 5 62km 38km 2 1 74 3 30km D C B A 系統(tǒng)接線圖 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 續(xù)表 進(jìn)度計(jì)劃 第一天：收集資料，確定設(shè)計(jì)方案。 第二天：距離保護(hù) I 段、II 段、III 段的整定計(jì)算。 第三天：系統(tǒng)振蕩和過渡電阻的影響分析。 第四天：硬件電路設(shè)計(jì)（最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測部分） 。 第五天：硬件電路設(shè)計(jì)（控制輸出、報(bào)警顯示部分） 。 第六天：軟件設(shè)計(jì)（有效值計(jì)算、故障判據(jù)） 。 第七天：軟件設(shè)計(jì)（繪制流程圖或邏輯圖） 第八天：仿真驗(yàn)證及分析。 第九天：撰寫說明書。 第十天：課設(shè)總結(jié)，迎接答辯。 指導(dǎo)教師評語及成績 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 隨著現(xiàn)代電網(wǎng)技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)代電網(wǎng)環(huán)境能很好滿足輸電線路的電壓電流保護(hù) 構(gòu)成簡單或者沒有特殊要求的的中低壓電網(wǎng)。但是隨著人們用電量和對電網(wǎng)保護(hù)靈 敏度的提升，再者對保護(hù)計(jì)算要求的簡單化，這使得普通保護(hù)在 35KV 及以上的復(fù)雜 網(wǎng)絡(luò)中很難適用，因此本文設(shè)計(jì)了性能較為優(yōu)越的輸電線路保護(hù)方案。 本文主要設(shè)計(jì)是針對 220kV 輸電線路距離保護(hù)，按招保護(hù)要求照躲開下一條線 路出口處短路的原則計(jì)算保護(hù) 1 距離保護(hù)第段、第段、第段的整定值和靈敏 度。分析系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，保護(hù) 1 各段距離保護(hù)在電壓電流互感器采 集到電壓電流值之后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換送到 CPU，然后 CPU 經(jīng)過數(shù)據(jù)的判斷來發(fā)出信號控 制動(dòng)作情況。并且分析在具體故障點(diǎn)給定后，保護(hù) 1 的三段式距離保護(hù)的反應(yīng)。并 且對設(shè)計(jì)的距離保護(hù)進(jìn)行了建模和詳細(xì)的分析，并且采用 MATLAB 建立電力系統(tǒng)三段 式距離保護(hù)的模型，進(jìn)行仿真分析。最后對本課設(shè)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了總結(jié)和分析。 關(guān)鍵詞：三段式距離保護(hù)；MATLAB 仿真；靈敏度校驗(yàn) 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 第 1 章 緒論.1 1.1 距離保護(hù)概述.1 1.2 本文研究內(nèi)容.1 第 2 章 輸電線路功率方向保護(hù)整定計(jì)算.2 2.1 保護(hù) 1 距離保護(hù)的 段整定計(jì)算2 2.2 保護(hù) 1 距離保護(hù)的段的整定.2 2.3 保護(hù) 1 距離保護(hù)的段整定.3 2.4 系統(tǒng)振蕩和短路的影響分析.4 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì).5 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).5 3.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì).8 3.3 模擬量檢測電路.8 3.4 開關(guān)量輸入輸出電路 .9 3.4.1 開關(guān)量輸入電路 9 3.4.2 開關(guān)量輸出電路 9 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)11 4.1 主程序流程圖11 4.2 模擬量采集流程圖設(shè)計(jì)12 第 5 章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析13 5.1 MATLAB 軟件簡介 .13 5.2 距離保護(hù)仿真波形及分析14 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)16 參考文獻(xiàn).17 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 1.1 距離保護(hù)概述 電力是如今社會發(fā)展所缺少的主要能源，其應(yīng)用廣泛，地位重要。電力系統(tǒng)的 穩(wěn)定安全以及經(jīng)濟(jì)性，對人民的生活乃至社會穩(wěn)定都有著極大地影響。其中在輸電 線路上的保護(hù)尤為重要，我們一般使用作用于斷路器的過電流繼電器對線路進(jìn)行保 護(hù)，達(dá)到反應(yīng)快，誤差小，精度快等優(yōu)點(diǎn)。 使用距離保護(hù)時(shí)應(yīng)該注意：任何阻抗繼電器均需克服機(jī)械阻力或閾電壓才能動(dòng) 作，所以輸入繼電器的電流不能太小。輸入繼電器的電流較小時(shí)，繼電器的起動(dòng)阻 抗將下降，使距離繼電器的實(shí)際保護(hù)范圍縮短，這將影響到與相鄰線路距離元件的 配合，甚至引起非選擇性動(dòng)作。為把起動(dòng)阻抗的誤差限制在一定范圍內(nèi),規(guī)定了精確 工作電流這一指標(biāo)。當(dāng)輸入電流等于閾電壓時(shí),繼電器的起動(dòng)阻抗下降到整定值的 90%； 當(dāng)輸入電流大于閾電壓時(shí),就可保證起動(dòng)阻抗的誤差在 10%以內(nèi)。因此精確工作電流 愈小,則繼電器愈靈敏。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，靠近系統(tǒng)振蕩中心處的距離保護(hù)所測得 的電壓很低、電流很大，即阻抗很小。為避免在系統(tǒng)振蕩時(shí)距離保護(hù)裝置誤動(dòng)作， 應(yīng)加設(shè)振蕩閉鎖裝置。在電壓互感回路斷線時(shí)也將造成距離保護(hù)誤動(dòng)作，也應(yīng)增設(shè) 閉鎖元件。 距離保護(hù)采用的阻抗繼電器的接線方式一般為，對相間保護(hù)，用 0 度接線方式； 對接地距離保護(hù)采用帶零序電流補(bǔ)償?shù)慕泳€方式。 1.2 本文研究內(nèi)容 本文主要對電力系統(tǒng)中，220kV 輸電線路距離保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 其主要內(nèi)容如下： （1） 首先對系統(tǒng)中保護(hù) 1 的各段整定值和靈敏度進(jìn)行了整定計(jì)算。 （2） 分析了系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，保護(hù) 1 各段距離保護(hù)的動(dòng)作情況。 （3） 分析其在距離發(fā)電機(jī)一定距離的故障點(diǎn)處保護(hù) 1 的三段式距離保護(hù)的動(dòng)作 情況。 （4） 分析各段保護(hù)的動(dòng)作過程，并且采用 MATLAB 建立簡單電力系統(tǒng)三段式距 離保護(hù)的模型，進(jìn)行仿真分析。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 2 6955.113838 . 0 8 . 0 3BCrelset ZKZ 第 2 章 輸電線路功率方向保護(hù)整定計(jì)算 2.1 保護(hù) 1 距離保護(hù)的 段整定計(jì)算 距離 I 段的整定方法按照躲開下一條線路出口處短路的原則整定 其中=0.8，通過該公式計(jì)算距離保護(hù)第段動(dòng)作阻抗 I rel K 確定動(dòng)作時(shí)間：t=0s 整定阻抗角與線路阻抗角相等，而保護(hù)區(qū)域?yàn)楸槐Ｗo(hù)線路全長的 80%。 2.2 保護(hù) 1 距離保護(hù)的段的整定 AB 線路的斷保護(hù)與相鄰線路 BC 的 I 段保護(hù)相配合。 當(dāng) 1QF 護(hù)第段與 BC 線段第段配合時(shí)，有： )( 3min1 setbABrelset ZKZKZ 65 . 1 30 3038 . 0 8 111 max min min sB ABsA AB B AB BAB AB BC b Z ZZ I I I II I I K 3QF的段保護(hù)為 故6437.246455.1165. 13038 . 0 8 . 0 1 set Z 靈敏度校驗(yàn)： 滿足要求。 動(dòng)作時(shí)間：t=0.5s AB I rel I op ZKZ 1 . 12. 93038. 08 . 0 1 .AB I res I op ZKZ 1.5、1.326. 2 6 . 12 57.28 1 . AB II opII sen Z Z K 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 3 6485.186238 . 0 8 . 0 4CDrelset ZKZ 2.3 保護(hù) 1 距離保護(hù)的段整定 在本設(shè)計(jì)中保護(hù)元件采用的為方向保護(hù)元件，因此段保護(hù)要躲過最小負(fù)荷阻 抗并且與相鄰線路的段保護(hù)相配合。 （一）躲過最小負(fù)荷阻抗，即： )cos( 9 . 0 3 1 max 1 LsetL erel set I UK Z 由題意知：,即，而 9 . 0cos L 8 .25 L 64 set 故 6453.66 ) 8 . 2564cos(4 . 0 9 . 035 . 0 3 115 1 set Z 按與相鄰距離保護(hù)第段動(dòng)作時(shí)間配合，第段距離保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為： stop5 . 2 1 （二）與相鄰線距離保護(hù)第段配合，即： ， 3min 1setbrelABrelset ZKKZKZ8 . 0 relrel KK ， 4 min3setbBCrelset ZKZKZ65 . 1 min b K 6443.3685.1865. 13838. 08 . 0 3 set Z 21.5743.3665 . 1 38 . 0 308 . 08 . 0 3min1 ）（ setbABset ZKZZ 應(yīng)取為相間距離保護(hù)第段的整定值。6421.57 1 set Z 按與相鄰距離保護(hù)第段配合，第段距離保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為： stop5 . 2 1 進(jìn)行距離保護(hù)第段的靈敏度校驗(yàn)： 當(dāng)作為近后備時(shí)， 5 . 101 . 5 3038 . 0 21.57 1 AB set sen Z Z K 當(dāng)作為遠(yuǎn)后備時(shí)， 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 4 14 . 1 38 . 0 3868 . 2 3038 . 0 21.57 max 1 BCbAB set sen ZKZ Z K 動(dòng)作時(shí)間為stop5 . 2 1 2.4 系統(tǒng)振蕩和短路的影響分析 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時(shí)，系統(tǒng)的三相對稱，因此可研究一相從而得出其余兩項(xiàng)的情 況。當(dāng)不考慮振蕩同時(shí)發(fā)生短路時(shí)，振蕩中心的位置在全系統(tǒng)縱向阻抗的中點(diǎn)。兩 側(cè)電源電勢和電勢相等，相角差為系統(tǒng)中各元件阻抗角均相ME . NE . )3600( 等，以表示不考慮負(fù)荷電流的影響，不考慮振蕩同時(shí)發(fā)生短路。當(dāng) d NMEE 且系統(tǒng)中各元件阻抗角相等時(shí)，則系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下振蕩時(shí)，其阻抗值大于 I 段保護(hù)的電阻而小于 II 段保護(hù)的電阻，因此相間距離保護(hù) I 段不動(dòng)作但是 II 段動(dòng) 作。又由于動(dòng)作時(shí)間大于 III 段保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間，所以相間距離保護(hù) III 段不動(dòng)作。 當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)距保護(hù) 1 出口 20km 處發(fā)生帶過渡電阻 Rarc=12 的相間短路時(shí)，由于 在 AB 段的百分之八十以內(nèi)，所以相間距離保護(hù) I 段動(dòng)作而 II 段和 III 段由于有延 時(shí)不動(dòng)作。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 5 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) CPU 的選擇 本次程設(shè)計(jì)選擇 89C51 單片機(jī)為中央處理器（CPU） ，AT89C51 可靠性高、實(shí)時(shí) 性好、速度快、系統(tǒng)掉電后重要數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息不會丟失 , 其性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于同 類芯片，并且其與各大公司的 MC-51 系列單片機(jī)兼容。 9C51 內(nèi)部資源： （1）面向控制的 8 位 CPU （2）一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，振蕩頻率為 0 到 24MHz （3）片內(nèi) 4KB Flash ROM 程序存儲器。 （4）128B 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。 （5）可尋址 64KB 的片外程序存儲器和片外存儲器控制電路 （6）2 個(gè) 16 位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。 （7）有 4 個(gè)并行 I/O 接口分別為 P0、P1、P2 和 P3 口，共 32 條可單獨(dú)編程的 I/O 線。 （8）5 個(gè)中斷源，2 個(gè)中斷優(yōu)先級。 （9） 一個(gè)全雙工的異步串行口 （10）21 個(gè)特殊功能寄存器 （11）具有節(jié)電工作模式，即休閑方式和掉電保護(hù)方式 89C51 引腳可分為 3 類： （1）電源及時(shí)鐘引腳：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2。 （2）控制信號引腳：、ALE、RESET（RST） 。 PSENEA （3）I/O 口引腳：P0、P1、P2、P3 為四個(gè) 8 位 I/O 口的外部引腳。 89C51 芯片的 I/O 口： （1） P0 口：P0 口有兩個(gè)用途，一是作普通 I/O 口使用；二是作低 8 位地址數(shù) 據(jù)總線使用。 （2） P1 口：P1 口只做作普通 I/O 使用。 （3） P2 口：P2 口有兩個(gè)用途，一是作為普通 I/O 口使用；二是作高 8 位地址 線。 （4） P3 口：P3 口是一個(gè)多功能端口，除了有準(zhǔn)雙向 I/O 功能外，還具有第二 功能。 引腳如圖 3.1 所示 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 3.1 AT89C51 引腳圖 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化，也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)，因此 復(fù)位電路對單片機(jī)是非常重要的。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)復(fù)位 的，當(dāng)時(shí)鐘電路工作后，在單片機(jī)的 RESET 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平， 就可以使單片機(jī)復(fù)位。為了保證單片機(jī)可靠的復(fù)位，實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，一般使 RESET 引腳保持 10ms 以上的高電平。 本設(shè)計(jì)采用按鍵式復(fù)位電路，原理圖如圖 3.2 所示。本設(shè)計(jì)采用的 12MHz 晶振， 所以一個(gè)機(jī)器周期就是 1us，要復(fù)位就加 2us 的高電平。圖中的 RC 常數(shù)是 1.5K22uF=33ms，這個(gè)常數(shù)足夠可以使單片機(jī)可靠復(fù)位。 圖 3.2 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號。時(shí)鐘信號可以有兩種方式產(chǎn)生： EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 VSS 20 U? 89C51 VCC R2 1K R1 200 RESET + C3 22uF 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 7 內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，原理圖如圖 3.3 所示， 在 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶體或陶瓷振蕩器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出 的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。 圖 3.3 時(shí)鐘電路原理圖 時(shí)鐘電路由一個(gè)晶體振蕩器 12MHZ 和兩個(gè) 33pF 的瓷片電容組成。時(shí)鐘電路產(chǎn) 生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互 關(guān)系。 綜上所述整體的最小系統(tǒng)電路圖如圖 3.4 所示 圖 3.4 最小系統(tǒng)電路圖 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 RE SE T 9 P3.0 10 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XT AL 2 18 XT AL 1 19 VSS 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 AL E/PROG 30 EA /VPP 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 P1.7 8 P3.1 11 AT 89C51 C1 C2 XT AL 2 XT AL 1 R1 200 R2 1K C 22uF RE SE T VCC VCC RE SE T VSS 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 8 3.2 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警電路是由 PNP 的發(fā)射極接蜂鳴器的一端，其集電極接地，蜂鳴器的另一端 接入電源 VCC。報(bào)警電路的作用是當(dāng)電流有效值大小達(dá)到或超過上限時(shí)進(jìn)行報(bào)警， 報(bào)警電路與單片機(jī)的 P2.3 口相連當(dāng)單片機(jī)輸出一個(gè)低電平時(shí)，蜂鳴器就會發(fā)出報(bào)警 信號，達(dá)到其要求。報(bào)警電路如圖 3.5 所示 圖 3.5 報(bào)警電路 圖 3.5 報(bào)警電路 3.3 模擬量檢測電路 本文采用的采樣法為交流采樣法，采用電壓互感器電流互感器獲取機(jī)端電壓和 電流。而由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器只能對一定范圍內(nèi)的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以還需將電壓互感 器和電流互感器測得的電壓和電流轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠識別范圍的大小。本文采 用電壓轉(zhuǎn)換器 UV 來實(shí)現(xiàn)電壓信號的轉(zhuǎn)換，用電流轉(zhuǎn)換器 UA 來實(shí)現(xiàn)電流信號的轉(zhuǎn)換。 其變換器原理如 3.6 圖所示。 圖 3.6 變換器原理圖 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 9 3.4 開關(guān)量輸入輸出電路 3.4.1 開關(guān)量輸入電路 對于裝在微機(jī)繼電保護(hù)裝置面板上的切換開關(guān)、按鈕、鍵盤等內(nèi)部開關(guān)觸點(diǎn)可 直接接到并行口，如圖 3.7，從裝置外部引入的觸點(diǎn)必須經(jīng)過光耦合器芯片，如圖 3.8，其工作原理為：當(dāng)外部觸點(diǎn)接通時(shí)，光耦合器的二極管導(dǎo)通，光耦合器的二極 管也導(dǎo)通，其集電極輸出低電位，當(dāng)外部觸點(diǎn)斷開，光耦合器的二極管不導(dǎo)通，于 是晶體管截止，集電極輸出高電位。CPU 讀并行口該位的狀態(tài)。采用光耦合器芯片 后，將可能帶有電磁干擾的外部接線回路和微機(jī)的電路部分之間隔離，兩者無直接 聯(lián)系，而光耦合芯片的兩個(gè)互相隔離部分的分布電容僅僅是幾皮法，因此可以大大 削弱干擾。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:2-Jan-2017 Sheet of File:F:、MyDesign1.ddbDrawn By: R16 5k k1 5V p2.5 圖 3.7 開關(guān)量輸入 圖 3.8 外部輸入 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:1-Jan-2017 Sheet of File:F:、MyDesign1.ddbDrawn By: C5 0.1uF R3 2k R4 500 U1 OPTOISO1 D1 S 、 5V p2.0 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 10 3.4.2 開關(guān)量輸出電路 該電路采用有兩根并行口輸出線及與非門電路來控制開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路。在 圖中 PB0 經(jīng)一反相器。而 PB1 卻不經(jīng)過反相器，這樣接可以防止拉合直流電源的過 程中繼電器 K 的短時(shí)誤動(dòng)。當(dāng) 5V 電源處在中間某一臨界電壓值時(shí)，可能由于邏輯電 路的工作紊亂而造成保護(hù)誤動(dòng)作，特別是保護(hù)裝置的電源往往接有大量的電容器， 所以拉合直流電源時(shí)，無論是 5V 電源還是驅(qū)動(dòng)繼電器 K 用的電源 U，都可能相當(dāng)緩 慢的上升或下降，從而完全可能來得及使繼電器的觸點(diǎn)短時(shí)閉合。采用如圖接法， 有效地防止了繼電器的誤動(dòng)作。 開關(guān)量輸出電路，用于驅(qū)動(dòng)各種繼電器，如跳閘出口繼電器、重合閘出口繼電 器、裝置故障報(bào)警繼電器等?？刹捎脠D 3.9 所示電路，只要 P2.3 輸出低電平，P2.2 輸出高電平，或非門即輸出低電平，光敏晶體管導(dǎo)通，繼電器 K 吸合，采用兩個(gè)并 行口一方面提高了帶載能力，另一方面，增加了抗干擾能力。P2.1 口具有自檢能力， 當(dāng)該位為高電平，說明開出電路正確，否則說明開出電路有短路故障。 圖 3.9 開關(guān)量輸出系統(tǒng) 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 11 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 4.1 主程序流程圖 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制，首先電壓互感器和電流高互感器完成對電壓 和電流的采集并且送入轉(zhuǎn)換模塊，在轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)對接收到的電壓和電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 將電壓和電流轉(zhuǎn)換成模數(shù)轉(zhuǎn)換器可識別的信號，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號送入單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)對信號進(jìn)行分析輸出反饋信號從而完成對發(fā)電機(jī)的 控制。主程序流程圖如圖4.1所示。 當(dāng)系統(tǒng)供電之后，單片機(jī)自動(dòng)初始化，采樣模塊將進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集送入轉(zhuǎn)換模 塊，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將收集到的信號返回到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行判斷來完成保護(hù)的 動(dòng)作。 初始化 參數(shù)計(jì)算 開中斷 保護(hù)動(dòng)作 開 始 是否符合要求 Yes No 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 4.1 主程序流程圖 4.2 模擬量采集流程圖設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)對線路電流電壓的檢測至為重要，因?yàn)樗从沉司€路是否發(fā)生故障，而 且也決定發(fā)生故障后線路第幾段動(dòng)作，因此線路電壓電流的采集在本系統(tǒng)中顯得尤 為重要。模擬量的采集流程圖如圖 4.2 所示。 圖 4.2 模擬量采集流程圖 輸入 檢測裝置檢測線路電壓電流的變化 進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 輸出 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 13 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 14 第 5 章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析 5.1 MATLAB 軟件簡介 MATLAB 是美國 MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可 視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 兩大部分。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài) 系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，代表了當(dāng)今 國際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。MATLAB 和 Mathematica、Maple 并稱為三大數(shù)學(xué)軟 件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB 可以進(jìn)行矩陣運(yùn) 算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連 matlab 開發(fā)工作界面接其他編 程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號處理與通訊、圖像處理、 信號檢測、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。MATLAB 具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1) 高效的數(shù)值計(jì)算及符號計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué) 運(yùn)算分析中解脫 出來； 2) 具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化； 3) 友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握； 4) 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供 了大量方便實(shí)用的處理工具。本設(shè)計(jì)的仿真圖如圖 5.1 所示。 圖 5.1 距離保護(hù)仿真電路圖 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 15 5.2 距離保護(hù)仿真波形及分析 當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，此時(shí)電壓的波形是電壓三相對稱，并且互差 120 度角 。而電流波形也是相互對稱并且相差 120 度。電流和電壓波形如圖 5.2 所示 圖 5.2 正常狀態(tài)下時(shí)系統(tǒng)的電流和電壓波形圖 系統(tǒng)發(fā)生設(shè)計(jì)中的線路故障時(shí)的各相電壓電流波形如圖 5.3 和圖 5.4 所示。改 變故障類型仿真得到如下結(jié)論：接地距離保護(hù)對于范圍內(nèi)的相間短路不會動(dòng)作，并 且各段中的相間距離保護(hù)對于保護(hù)范圍內(nèi)的單相接地故障也不會動(dòng)作。 圖 5.3 故障線路的相間電壓波形 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 5.4 故障線路的相間電流波形 當(dāng)線路發(fā)生 BC 兩相接地故障時(shí) BC 兩相電壓減小到零，并且 A 相電壓增大。 其波形圖如圖 5.5 所示。線路兩相接地故障時(shí)的電壓波形圖反映了系統(tǒng)發(fā)生兩相接 地故障的過程中，故障線路的電壓變化，根據(jù)系統(tǒng)的發(fā)生故障后電流電壓的變化， 發(fā)現(xiàn)距離保護(hù)能夠反映保護(hù)范圍內(nèi)的各種相間故障和接地故障，實(shí)現(xiàn)了本線路保護(hù) 和后一級級線路的后備保護(hù)。仿真結(jié)果表明，所建立的保護(hù)模型具有實(shí)時(shí)性和正確 性，符合上文的計(jì)算結(jié)論 圖 5.5 線路兩相接地故障時(shí)的電壓波形圖 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 17 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 通過本次課設(shè)使我更加深刻地了解了電力系統(tǒng)中的距離保護(hù)，是我意識到了距 離保護(hù)的重要性和其優(yōu)越性。本課程設(shè)計(jì)主要研究了距離保護(hù)的原理和方案，對保 護(hù) 1 的三段保護(hù)進(jìn)行了整定值的計(jì)算和靈敏度的校驗(yàn)，確定了各段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間， 并且對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的震蕩和短路過電阻盡行了分析。最后利用 MATLAB 建立系統(tǒng)模 型進(jìn)行了仿真并且對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。在計(jì)算中由于對概念和動(dòng)作過程了解的 不夠詳細(xì)，計(jì)算靈敏度的時(shí)候也出現(xiàn)了錯(cuò)誤，導(dǎo)致后續(xù)的分析出了很大的問題。時(shí) 候及時(shí)的修正路數(shù)據(jù)，才避免了后面的計(jì)算錯(cuò)誤。計(jì)算出來的數(shù)據(jù)一定要留出一定 的裕量，方便實(shí)際中的斷路器和其他元件電氣參數(shù)的合理選取。對于仿真后出現(xiàn)的 波形也要仔細(xì)分析，觀察是否符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。 通過本次課設(shè)，是我更深入地了解了線路距離保護(hù)的原理與理論計(jì)算，更加深 入的了解了距離保護(hù)的應(yīng)用，學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識，以及對以后工作在 電力行業(yè)所應(yīng)獲得的必不可少的知識。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文） 18 參考文獻(xiàn) 1 賀家李, 宋叢矩. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理M. 北京: 中國電力出版社,1994. 2 王成山，肖朝霞，王守相. 微電網(wǎng)綜合控制與分析J . 電力系統(tǒng)自動(dòng)化. 2008,32( 7): 98-103. 3 楊會翔,朱凌云,馮麗麗. 一種新型雙核微機(jī)繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)J. 實(shí)驗(yàn)室研究 與探索,2015,(03):150-154+161. 4 周雪松,袁洪德. “電力系統(tǒng)分析”課程潮流計(jì)算教改研究J. 中國電力教育, 2014,(34):73-74. 5 燕青. 單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型的 Hopf 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