本科毕业设计（论文）
基于LabVIEW的电力系统距离保护研究
曹丽欣
燕山大学
2012年6 月
本科毕业设计（论文）
基于LabVIEW的电力系统距离保护研究
学院（系）：电气工程学院
专业：电气系统及其自动化
学生姓名：
学号：
指导教师：杨秋霞
答辩日期：2012年6月23日
燕山大学毕业设计（论文）任务书
摘要
摘要
在目前，电力系统不断向高电压、远距离、大容量的方向发展，在系统的网架结构和运行方式日益复杂的情况下，对继电保护测试提出的更高要求。因此，在结构复杂的高压电网中，应采用性能较为完善的保护装置，距离保护就是其中的一种。
目前微机保护在国内外的电力系统中得到了广泛的应用。但针对微机保护内部工作过程无法被用户直接观测的问题，设计出了利用虚拟仪器，采用LabVIEW开发平台进行微机距离保护仿真的思想和方案，用虚拟仪器软件模拟在实际电网中运行的保护装置。
虚拟仪器是基于计算机系统的数字化测量测试仪器，它充分利用现有计算机资源，把传统仪器的专业化功能和面板软件化，突破了传统仪器在数据处理、表达、传送以及存储方面的限制。虚拟仪器技术自诞生以来，得到了广泛的应用和发展，认为基于虚拟仪器的微机保护的研发有广泛的应用前景，是今后一段时间继电保护的发展方向。
关键词：距离保护；微机保护；虚拟仪器；LabVIEW
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Abstract
At present, the power system is continuously toward the direction of the high-voltage, long-distance, high-capacity. Under the situation of the increasing complexity of network structure and operation mode of the system, the increasing demand is made on the relay test. Therefore, in the complex structure of the high voltage grid, we should use more perfect performance of the protection devices. The distance protection is one of them.
Microprocessor-based protection has been widely used in the power system at home and abroad. We design ideas and programs of the microcomputer distance protection simulation through Virtual instrument and LabVIEW development platform, for the inner workings of the process of computer protection can not be directly observed. We use Virtual instrument software simulate the actual running grid protection device.
Virtual instrument bases on the computer system of digital testing measurement instruments. It takes full advantage of existing computer resources, making the traditional instruments of specialized function and panel software-based, and it break through th e traditional instuments’ constraints in data processing, expression, transmission and storage. Virtual instrument technology has been widely used and development since its birth. It is generally though that research and development of microcomputer protection based on virtual instrument has a broad application prospects, which is the development direction of rely protection in the future.
Keyword:Distance protection; Microprocessor-based protection; Virtual instrument; LabVIEW
目录
摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2微机距离保护的发展现状 (2)
1.2.1 继电保护概述 (2)
1.2.2 微机继电保护的发展 (2)
1.3虚拟仪器概述 (3)
1.3.1 虚拟仪器的概念 (3)
1.3.2 虚拟仪器在电力系统中的应用 (5)
1.4本文的主要内容 (5)
第2章距离保护的原理 (7)
2.1距离保护的作用和基本工作原理 (7)
2.2距离保护的时限特性 (7)
2.3距离保护的组成 (7)
2.4阻抗继电器 (9)
2.4.1 反应接地故障的阻抗继电器 (10)
2.4.2 反应相间故障的阻抗继电器 (11)
2.5阻抗继电器的动作特性 (12)
2.5.1 圆阻抗特性 (13)
2.5.2 测量式方向性四边形阻抗特性 (14)
2.6振荡闭锁对距离保护的影响及应对措施 (16)
2.6.1 系统振荡时电气量变化特点 (16)
2.6.2 系统振荡对距离保护的影响 (18)
2.6.4 识别系统振荡的常用方法 (19)
2.7本章小结 (20)
第3章LabVIEW基础知识 (21)
3.1L AB VIEW概述 (21)
3.2L AB VIEW编程环境 (21)
3.3基于L AB VIEW的虚拟仪器设计方法 (24)
3.5本章小结 (24)
第4章距离保护软件系统的实现 (25)
4.1系统流程图 (25)
4.2微机距离保护的算法 (26)
4.2.1 半周积分算法 (26)
4.2.1 傅氏级数算法 (26)
4.2.2 序分量算法 (28)
4.2.3 延时算法 (29)
4.2装置启动元件 (29)
4.3选相元件 (32)
4.4振荡闭锁元件 (34)
4.5TV断线失压闭锁元件 (36)
4.6阻抗继电器的实现 (37)
4.7跳闸逻辑的实现 (39)
4.8距离保护装置的前面板 (42)
4.9本章小结 (43)
结论 (44)
参考文献 (45)
致谢 (47)
附录 (48)
第1章绪论
第1章绪论
1.1 课题背景
目前，远距离、高电压、大容量是电力系统的未来的方向趋势，导致系统网络结构和运行方式日益复杂，对继电保护测试也提出了更高要求。继电保护装置是电力系统中重要的二次设备之一，保障了电力系统的安全运行。无数国内外的实例证明，涉及停电范围较广的大型系统事故，大都与继电保护装置不能正确动作有一定的关系。因此，合理的整定继电保护，提高运行继电保护的管理水平，才能保障电网的安全运行。
随着电子技术和计算机技术的发展，电力系统继电保护也突破了传统的继电保护形式，出现了以微处理器为核心的电力系统继电保护形式，我们称之为电力系统微机保护。
目前，在许多高校实验室中，大量的实验设备仍然采用传统仪器，其优点是实验方式相对来说较简单，但同时存在很多缺点：需要的仪器繁多，连线复杂，占地面积大，更新仪器也需要大量资金。因此如果可以建立一个虚拟实验室，将极大程度提高实验效率，实验成本也会降低。虚拟实验室与传统实验室相比，在克服上述传统实验室的缺点的同时，还具有很多优势：易于实现技术更新和网络化；能充分利用现有软硬件资源；自动化、智能化程度较高；功能齐全；价格低廉。这些特点在实践教学中发挥了极大的作用，弥补了传统实验室的不足。
距离保护长期以来一直是输电线的重要保护，也是应用最广的保护方案。作为原理复杂且应用广泛的距离保护，如何加深对其原理的理解；如何提高对其动作行为的分析手段；如何利用现在技术提高系统性能和学习效率等是必须考虑的问题。本文对距离保护系统进行总体设计工作，采用“模块化”建模的思想，划分出个功能模块来模拟实现距离保护装置中各元件的功能，并研究各模块相应的算法及其在LabVIEW中的实现。
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1.2 微机距离保护的发展现状
1.2.1 继电保护概述
电力系统继电保护(Power System Protection)一词泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统。电力系统如果没有配备完善的继电保护系统，难以想象会出现什么情景。当电力系统发生故障时，电源至故障点之间的电力设备中将流过很大的短路电流，若没有完善的继电保护系统将故障快速切除，则会引起故障元件和流过故障电流的其他电气设备的损坏；当电力系统发生故障时，发电机端电压降低造成发电机的输出机械功率和输出电磁功率的不平衡，可能引起电力系统稳定性的破坏，甚至引起电网的崩溃、造成人员身亡。同样，在电力系统出现不正常工作状态时，不能及时地发出信号通知值班人员进行合理的处理[1]。
继电保护装置一般通过测量比较、逻辑判断和执行输出三个部分完成预定的保护功能。测量比较环节是测量被保护电器元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“0”、“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。逻辑判断环节是根据测量环节输出的逻辑信号，按照一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是否应该使断路器跳闸。执行输出环节是根据逻辑部分传来的指令，发出跳闸断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息、发出警报或不动作。
动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性(安全性和信赖性)、选择性、速动性和灵敏性。四个之间，紧密联系，即矛盾又统一。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的大部分工作也是围绕如何处理好这四者的辩证统一关系进行的。
1.2.2 微机继电保护的发展
材料、器件、制造、通信技术等相关学科的发展，为继电保护原理和技术的发展提供了良好的基础。从20世纪初到现在，继电保护装置经历了机电式保护装置(包括感应型、电磁型、整流型)、静态继电保护装置(包括晶体管型和集成电路型)和数字式继电保护装置三大发展阶段。自20世纪70-80年代微处理技术应用到继电保护领域以来，继电保护的实现原理和技术发生
第1章绪论
了革命性变化，以微处理器为核心的数字式保护已经成为继电保护的主流技术[2]。
微机继电保护指的是以数字式计算机为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代，是在美国、英国和澳大利亚的一些学者的倡导下开始进行研究的。60年代的中期，有人提出了一个设想，用小型计算机实现距离保护。但是限于当时的条件，没有得到实际应用，但由此开启了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构研究的里程碑，奠定了微机保护发展的理论基础。70年代初中期大规模集成电路技术的飞速发展，使得计算机技术得到了飞速发展，使得微机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，一个比较完善的微机保护样机出现了，并投入到电力系统中试运行。80年代，微机保护在硬件和软件两方面日益成熟，并推广应用到其他国家。90年代，电力系统继电保护技术进入到微机保护时代[3]。
继电保护在电力系统中占有重要地位，我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。1984年初，华北电力大学杨奇逊教授研制的第一套微机型线路保护样机试运行后通过鉴定。1984年，在华中科技大学召开了我国首次计算机继电保护学术会议，成为了我国微机保护工作进入了发展阶段的重要标志，之后更多的科研机构和高校进行了不懈探索[4]。目前，微机保护技术已趋于成熟，具有维护调试方便(几乎不用调试)、可靠性高、易于获得附加功能、灵活性大、在很大程度上改善保护性能的优点。这些优点，机电型和电子型距离保护是不具备的，因而微机型继电保护越来越广泛地被应用。
1.3 虚拟仪器概述
1.3.1 虚拟仪器的概念
所谓虚拟仪器(Virtual Instrument，简称VI)，就是用户在通用计算机平台上，根据用户需求定义和设计仪器的测试功能，让使用者像是在操作自己的计算机一样操作这台仪器。虚拟仪器概念出现以后，过去由厂家定义传统仪器用户无法改变的工作模式被打破。根据自己的需求，用户可以自己定义
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和设计仪器系统，用软件代替硬件，依靠计算机来实现和补充传统测试系统和仪器的功能。“软件就是仪器”是虚拟仪器概念最直接、最本质的概述[5]。
测试仪器种类和功能各异，但无论是哪一种仪器,均由信号的采集与控制单元、分析与处理单元和结果表达与输出单元三部分组成。传统仪器的这些功能大多数由硬件和固化软件构成，因此只有生产厂家可以定义、设计和制造。虚拟仪器则是把计算机技术、传感器技术、电子技术、软件技术、信号处理技术结合起来，除拥有传统仪器的已有功能之外，还增加了许多以往传统仪器所不能实现的先进扩展功能。虚拟仪器最大的特点就是其灵活性，使用过程中用户可以根据个人需求来添加或删除仪器功能，以满足各种应用需要和环境，并且充分利用了计算机的软硬件资料，突破了传统仪器在数据处理、表达、存储和传送方面的限制。决定虚拟仪器具有传统仪器不可能具备的特点的根本原因在于“虚拟仪器的关键是软件”。表1-1给出了虚拟仪器与传统仪器的比较[6]。
应当指出，虚拟仪器是根据不同的测试需要，由实际的物理系统构成且主要功能由软件实现的现实测控仪器。“虚拟”的真正含义并不在于“虚”，而是指软件的主体地位。
表1-1 虚拟仪器与传统仪器的比较
第1章绪论
1.3.2 虚拟仪器在电力系统中的应用
电力系统是一个多角度、多层次、多点测量的复杂系统，对其量测的量不仅包括一些基本的电气量(如电压、电流、功率、相角、频率等)，还有许多非电气量(如压力、温度、振动等)。虚拟仪器技术以其丰富、强大、灵活的功能和性价比优势，在电力系统的测试、监控、仿真、教学实验等方面应用广泛。虚拟仪器在电力系统中应用最多的是在测量领域[7]，比如相角测量，文献[8]介绍了采用LabVIEW软件设计的相角测量显示器，它与系统通信采用动态连接库的方式接口，可靠保证数据交换准确、不丢失，我们通过模拟表盘就可以看到各测量站在同一时刻的电压幅值和相角。在参数测量和分析方面，文献[9]讲解应用虚拟仪器技术可以对电力系统中的各种电气量与非电气量的测量；在设备校验与测试方面，文献[10]介绍了虚拟仪器在300MW，200MW发电机组联合启动调试的应用，它能记录试验过程中的生成各种参数，基于虚拟仪器可以快速提供的实时频谱图，可以清晰地辨认出在励磁电压的谐波中的800Hz的谐波分量。文献[11-12]介绍了虚拟仪器在距离保护中的应用的原理及应用在继电保护系统的测试。采用虚拟仪器技术还可以开发变电站的在线监控系统[13-14]。在系统仿真和教学软件中，有些高校已经建成了虚拟仪器实验室，学生可以在计算机上模拟各种实验，这些仿真试验可以逼真地模拟很多试验，并且可以节省很多实验材料的消耗。
目前虚拟仪器的发展朝着更加智能化，规范化的方向发展，智能化软件开发平台，加快制定虚拟仪器国家标准，保护虚拟仪器知识产权是虚拟仪器未来发展的主要任务[15]。
1.4 本文的主要内容
本文的主要内容包括以下几个方面。
(1)研究基于LabVIEW距离保护的基本原理，分析距离保护的基本工作原理，以及三段式距离保护的整定和时限特性。分析距离保护的基本构成，并重点说明距离保护的核心部分，阻抗继电器的工作原理。同时，对电力系统振荡的对电力系统距离保护的影响及应对措施作了详细介绍。
(2)对虚拟仪器的软件开发平台LabVIEW的基础知识作了相关介绍，并
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由此设计基于LabVIEW的距离保护整体设计思路。
(3)基于微机保护的相关算法，对距离保护的系统进行总体的设计，采用模块化的建模思想，划分出各个功能模块来模拟实现继电保护中个元件的功能，主要有启动模块、故障类型判别与选相模块，振荡闭锁模块、TV断线失压闭锁模块、阻抗继电器模块等。
(4)本文以LabVIEW环境为开发平台，对距离保护软件系统进行设计，把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，构建了一个从外观到功能均与实际装置相同的多功能虚拟微机距离保护系统。
第2章 距离保护原理
第2章 距离保护的原理
2.1 距离保护的作用和基本工作原理
距离保护就是反应保护线路始端电压和线路电流的比值而工作的一种保护,这个比值被称为测量阻抗m Z 。
m
m m U Z I = （2-1） 在距离保护中，阻抗继电器是一个核心元件，它可以测量出安装保护点到线路故障点之间间的阻抗(距离)，而方向阻抗继电器在测量出短路阻抗的同时还能测量出发生故障的方向。其输电线阻抗的大小反应了线路的长度，因此继电器测量到的阻抗也反应了故障点到保护安装点的距离。
2.2 距离保护的时限特性
距离保护的动作延时t 与故障点到保护安装处的距离k L 之间的关系称
为距离保护的延时特性。与电流保护一样，目前距离保护广泛采用三段式的阶梯延时特性，如图2-1所示。距离保护Ⅰ段为无延时的速动段；Ⅱ段为固定延时的速动段，固定的延时一般为0.3-0.6s ；Ⅲ段延时需与相邻下一级线路的Ⅱ段或Ⅲ段保护配合，在其延时的基础上再加上一个延时差t ?。
2t II
2t I 4t III 4
t I 4t II
图2-1 阶梯型时限特性 2.3 距离保护的组成
在一般情况下距离保护由启动、测量、振荡闭锁、电压回路断线闭锁、
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配合逻辑和出口等几部分组成。图2-2表明距离保护的原理
(1)启动部分
用来判断系统是否处于故障状态，当短路故障发生时，瞬时启动保护装置或启动距离保护程序。在微机型距离保护中，则有总启动元件动作后给上整套装置出口继电器电源。在有些距离保护中，启动部分还兼有后备保护的作用。启动元件可采用阻抗继电器、对称分量滤过器、相电流差(或相电流)突变量、综合电流突变量以及负序电流和零序电流变化量构成的增量来实现。运行实践表明，带有浮动门槛的相电流差(或相电流)突变量和带有浮动门槛的综合电流突变量启动元件，具有系统振荡时可靠不启动而短路故障时可靠启动、灵敏度高的特点，因而有明显的优点。
(2)测量部分
用来进行对短路故障点的距离测量和判断故障点的方向。短路故障距离测量和故障方向判别有接地故障测量和相间故障测量之分，这部分将在下一节做详细介绍。方向性四边形阻抗继电器、圆以及直线所组合成的复合特性方向阻抗继电器使用最为普遍。
(3)振荡闭锁部分
用来防止系统振荡时距离保护可能会误动作。系统振荡时，振荡闭锁绝对不开放，牢牢闭锁保护使其不发生误动作；当发生短路故障时，振荡闭锁快速、灵敏的开放，不影响保护的正确动作。同时为防止区外短路故障切除后紧随而来的系统振荡导致保护的误动作，振荡闭锁实行短时开放保护的措施，开放保护时间为160ms。虽然系统振荡时，牢牢闭锁保护，但是在振荡过程中若发生短路故障，仍可以迅速开放保护，以便快速切除保护区内的短路故障。这也是振荡闭锁部分的功能之一。因此振荡闭锁应能正确区分系统振荡和振荡过程中发生的短路故障(包括对称和不对称故障)。
(4)电压回路断线失压闭锁部分
电压互感器二次电压回路部分断线失压或全部断线失压均会使加于阻抗继电器上的电压严重降低或完全消失，造成阻抗继电器误动作。但因正当闭锁不开放保护或启动元件不动作，所以不会引起保护误动作。而当区外发生短路故障时，则保护装置要发生误动作。为避免误动作，距离保护中设置
第2章 距离保护原理
了反应二次电压回路断线失压专用闭锁装置，并同时发出断线信号。而在微机型距离保护中，进入故障处理程序之前的自检过程中，就对电压互感器二次回路电压时否断线失压进行检测，一旦检测到二次电压回路断线失压就闭锁保护，并发出断线告警信号。
(5)选相部分
在超高压小路的距离保护装置中，因断路器可分相操作，所以线路发出单项短路故障时，通过选相部分正确选出故障相，实行单相跳闸，这对提高系统稳定性、供电可靠性是十分有益的；当线路发生相间故障时，通过选相部分，实行三相跳闸。此外，通过选相，可对故障回路进行阻抗计算，这在微机保护中也是需要的。若断路器不能进行分相操作，比如110kV 及以下电压等级的断路器，选相部分没有存在的不要。
(6)逻辑和出口部分
逻辑部分用来实现距离保护各个部分之间的逻辑配合以及三段式距离保护中各段之间的时间配合；出口部分包括跳闸出口和信号出口，在保护动作时接通跳闸回路并发出相应的信号[16]。
跳闸
启动元件测量元件时限元件
出口执行元件图2-2 距离保护的原理框图
2.4 阻抗继电器
在单相系统中，测量电压m U 取保护安装处的电压，测量电流m
I 取被保护元件的电流，系统金属性短路时两者的关系为
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1m m m m k
U I Z I z L == (2-2) 即测量电压、测量电流之间满足式(2-2)时，测量阻抗能正确反映应故障的距离。在三相系统的情况下，可能发生不同短路类型的故障。在各种不对称短路时，各项的电压、电流不再简单的满足式(2-2)，需要寻找满足式(2-2)的电压、电流接入保护装置，以构成三相系统中可以使用的距离保护。
2.4.1 反应接地故障的阻抗继电器
C C B B A A
M N
图2-3 求母线电压的网络图
以图2-3所示的网络中K 点发生短路故障时的情况为例，设距离M 母线N 公里处的K 点A 相经g R 发生了接地故障，按对称分量法可求的M 母线上A 相电压为
()()1122000112001101333A KA A K A K A K
KA A A A A K KA g A K
U U I Z l I Z l I Z l Z Z U I I I I Z l Z I R I K I Z l =+++??+=++++????
=++ (2-3a) 同理得
()013B KB B K
U U I K I Z l =++ (2-3b) ()013C KC C K
U U I K I Z l =++ (2-3c) 式中：KA U 、KB U 、KC
U 分别为故障点K 处的A 、B 、C 三相电压；K 为零