继电保护装置论文30182.doc

i 摘 要 现代电力系统中 ，继电保护装置是保证电力系统安全运行和提高电能质量的重 要工具。随着变电站综合自动化技术的发展及其推广应用，微机保护装置已成为电力 部门的普遍要求。 本文的主题是35kv线路保护装置设计 ，首先介绍了 研究该 装置的目的和意义 、国 内外的发展情况 ，并详细介绍了保护装置的原理与算法。 随后，本文详细介绍了装置所采用的单片机（at89c52）和各辅助芯片的功能作用 ， 以及相关电路的设计 。本装置硬件包括数据采集系统、开关量输出电路、键盘显示 电路、 通讯电路以及供电电源 等。 最后，针对本文的硬件编写了系统的软件部分，包括按键和液晶显示系统软件、 串口通讯软件和保护功能程序软件 ，实现了对35kv线路的三段式过电流保护和方向电 流保护功能。 关键词 微机保护 线路保护 单片机 ii abstract in the modern power system, protective relaying equipment is of importance to guarantee the safety of the system operation and improve power quality.with the development of the integrated automation technology of substations and its application, microcomputer protection installation has become the universal demand to the power sector. the theme of this paper is about the design of 35kv line protection of the device, firstly it introduces the purpose and meaning of this research on the device, the development both at home and abroad, and the principle and algorithm of the protective device. then, it introduces the functions of the single chip microcomputer (at89c52) and each companion chip used by the device relating to its circuit design. the hardware includes data acquisition system, switching output circuit, keyboard display circuit,communication circuit,power supplies and so on. finally, the software system which is written according to in this paper the hardware of written parts includes the keys and liquid crystal display system software, serial communication software and protection function program software, thus realizing the three-step over current protection and the direction of current protection function of the 35kv lines. key words microcomputer protection line protection single chip microcomputer 目 录 iii 摘 要 i abstract ii 第 1 章 绪论 .1 1.1 研究的目的和意义 .1 1.2 国内外发展情况 .2 1.3 本文的主要内容 .4 第 2 章 线路保护装置的原理与算法 .5 2.1 线路保护基本原理 .5 2.1.1 三段式过电流保护 .5 2.1.2 方向电流保护 16 2.2 微机保护算法 22 第 3 章 系统硬件电路设计 26 3.1 主控制器 27 3.2 模拟量采样电路 28 3.2.1 电流互感器 28 3.2.2 电压互感器 29 3.2.3 低通滤波电路 31 3.2.4 功率因数测量电路 .33 3.3 采集电路 34 3.4 输出及报警电路 35 3.4.1 开关量输出电路 .35 3.4.2 报警电路 36 3.5 键盘电路 37 3.6 lcd 显示电路.38 3.7 通讯电路 39 iv 3.8 供电电源 40 3.8.1 微处理器供电电路 40 3.8.2 放大器供电电路 41 第 4 章 系统软件设计 43 4.1 软件系统构成 43 4.2 监控系统设计 44 4.2.1 监控系统实现的功能 44 4.2.2 监控系统程序设计 44 4.3 串口通讯软件设计 46 4.3.1 串口通讯的功能 46 4.3.2 串口通讯编程 46 4.4 保护功能程序设计 47 4.4.1 数据采集系统软件设计 48 4.4.2 故障处理系统软件设计 51 结 论 .52 致 谢 .53 参考文献 .54 附录 1 56 附录 2 57 contents v abstract.i abstractii chapter1 introduction 1 1.1 the aim and meaning of the research.1 1.2 the development on domestically and abroad .2 1.3 the main content 4 chapter2 the principles and algorithms of line protective devices5 2.1 line protective devices fundamentals5 2.1.1 three-phase current protection.5 2.1.2 directional current protection.16 2.2 microcomputer-based protection algorithms22 chapter3 the hardware circuit design of system.26 3.1 host controller .27 3.2 analog sampling circuit28 3.2.1 current transformer.28 3.2.2 potential transformer.29 3.2.3 low-pass filter circuit.31 3.2.4 power factor measurement circuit 33 3.3 data acquisition 34 3.4 output and alarm circuit.35 3.4.1 switching output circuit35 3.4.2 alarm circuit.36 3.5 keyboard circuit 37 3.6 lcd display circuit.38 3.7 communication circuit .39 vi 3.8 power supply.40 3.8.1 microprocessor power supply circuit .40 3.8.2 amplifier power supply circuit.41 chapter4 the design of system software.43 4.1 software system structure.43 4.2 monitoring system design.44 4.2.1 function of achieving monitoring system 44 4.2.2 monitoring system program design44 4.3 serial interface communication software design46 4.3.1 the function of the serial communication46 4.3.2 the programming with serial communication port 46 4.4 protection function design program47 4.4.1 data acquisition system software design48 4.4.2 system software design of dealing with bugs .51 conclution 52 acknowledgements53 references.54 appendix1.56 appendix2.57 1 第 1 章 绪论 线路是电力系统的命脉 ，也是最容易发生故障的环节。输电线路一旦发生故障，及 时判断并进行故障排除 ，对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行意义重大 1。微机 型继电保护由于具有功能强、维护调试方便等一系列优点，自问世以来就受到普遍重 视与欢迎 ，近年来更是在国内外得到广泛应用。由于输电线路保护在继电保护中具 有重要地位 ，且随着超高压、长距离输电线路的发展，对输电线路保护的功能提出了 更新更高的要求 ，加之输电线路保护本身具有的复杂功能和逻辑，使微机保护在输电 线路保护这一领域获得了广泛应用 2。 1.1 研究的目的和意义 继电保护装置是任何电力系统必不可少的组成部分，研制开发一套切合实际的微 机继电保护装置 ，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和故障的发生， 有作极其重要的作用。 由于输电线路保护在继电保护中具有重要地位，且随着超高压、长距离输电线路 的发展 ，对输电线路保护的功能提出了更新更高的要求，加之输电线路保护本身具有 复杂功能和逻辑 ，使微机保护在输电线路保护这一领域获得了广泛应用 3。 目前国内外应用于微机保护的处理器有单片机、dsp和嵌入式的处理器。其中 ，dsp 由于其独特的算法处理功能而在最近的国内外市场上占有主导地位 4。单片机是通过大 规模集成电路技术将 cpu、rom、ram等封装在一个芯片中 ，具有接口设计简单、可靠 性高、低功耗和性价比高的特点，从最初的8位单片机到16位、32位单片机的保护设 计；从最初的单cpu到现在的多cpu，都在电力系统微机保护中得到了广泛的应用。 总的来说 ，用单片机实现微机保护系统有以下几个优点： (1)单片机价格低廉 ，接1：3电路设计简单 ，扩展外围电路比较容易。 (2)单片机主要面向控制领域 ，抗干扰能力强 ，可靠性比较高。 2 (3)单片机技术基本已经成熟 ，可参考的例子和资料非常多 ，可以缩短开发周期 5。 这个题目可以让我了解继电保护的相关知识，并把课程中所学的单片机技术，汇编 语言编程 ，工厂供电等相关知识学以致用。这也是大学生毕业前的关键环节。 1.2 国内外发展情况 微机型继电保护技术未来趋势是向计算机化、网络化、智能化及保护、控制、 测量和数据 通讯一体化发展。 电力系统对机电保护及其自动装置的要求不断提高，除了装置本身的基本功能外 ， 还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间、快速的数据处理能力、强大的通讯能 力，具有与其他继电保护及其自动装置和调度联网共享信息和网络资源的能力 6。 为了保证系统的安全稳定运行，这就要求各个继电保护及其自动装置共享全系 统的运行和故障信息数据 ，各个继电保护及其自动装置在分析这些信息和数据的基 础上协调动作 ，确保系统的安全稳定运行。实现这种功能的基本条件是将全系统继 电保护及其自动装置用计算机网络连接起来，即实现继电保护及其自动装置的网络化。 在实现继电保护及其自动装置的计算机化和网络化的条件下，继电保护及其自动 装置可以从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将自身获得的信息 和数据传送给网络控制中心或任何终端。这样每个继电保护及其自动装置不但可以 完成自身的基本功能 ，而且在无故障正常运行情况下完成测量、控制、数据通讯功能， 即可实现保护、控制、测量、数据通讯一体化 7。 早在1965年，英国剑桥大学的 p.g.mclamr及其同事就提出用计算机构成电力系 统继电保护的设想 ，并发表了 sampling techniques applied to derivation letter的文章。 1967年澳大利亚新南威尔士大学的 l.f.morrison预测了输电线路计 算机控制的前景。 1969年美国西屋公司与 ge公司合作研制成功一套输电线路的计算 机保护装置。这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机保护装置，它具备了计算 机保护的基本组成部分。但由于当时微型机尚未出现，因此该保护装置是由一台小重 庆大学工程硕士学位论文绪论型计算机实现的。在整个70年代，各国的专家学者围绕 3 算法理论作了大量的工作 ，为计算机继电保护的发展奠定了比较完整和牢固的基础。经 过80年代的继续努力 ，现在计算机保护的算法己比较完善和成熟。 70年代中期出现了单片微型计算机，微处理器和单片机的出现使计算机应用于 电力系统继电保护更加成为现实。1979年，国际电子电气工程师学会教育委员会组织 了一次世界性的计算机继电保护研修班，对20世纪70年代以来的计算机保护的研究 成果进行了总结和交流。到 20世纪80年代中期计算机保护在电力系统中获得了广泛 的应用 8。 在我国 ，计算机继电保护技术的研究和开发起步比较晚，比先进国家大约延后 10 年。国内自1979年开始微机继电保护的研究工作，首先在各高校和一些科研单位开展 了微机保护的研究工作 ，1984年4月，华北电力大学研究的以 mc6809cpu构成的mdp-1 型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功的第一套微机线路保 护装置。我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段： 以单cpu的8位微处理器构成的微机保护装置。 以多个8位单片机组成的多微机系统。 以16位单片机组成的多微机系统。 由于我国继电保护工作者的努力，从20世纪80年代中期开始 ，到目前为止 ，经过 近20年左右的奋斗 ，计算机继电保护 特别是输电线路的微机保护己达到了大量采 用的程度。输电线路的微机保护从用于500kv系统的保护装置到用于 10kv线路的微机 保护装置均有相应得产品 ，近年来 ，发电机、变压器以及大型发电机变压器组和母线 的微机保护也相继研究成功 ，己投入使用 9。 1.3 本文的主要内容 本设计的目标是设计一套 35kv微机线路保护装置 ，主要包括线路保护的原理与算 法、系统硬件设计、系统软件设计等。论文的具体章节安排 如下： 第1章 绪论：主要介绍了本文的目的和意义，以及微机保护的国内外发展情况。 第2章 线路保护装置的原理与算法 ：介绍了 35kv线路保护的基本原理以及微机保 4 护的算法。 第3章 系统硬件电路设计 ：设计了 35kv线路微机保护系统的硬件电路，给出了每个 硬件模块的电路图 ，分析了其工作原理及实现功能。 第5章 系统软件设计 ：开发了微机保护系统的软件系统，给出了程序设计的流程图 ， 分析了其原理及实现功能。 结论 总结本文内容 ，并指出不足之处。 第 2 章 线路保护装置的原理与算法 本文首先介绍了 35kv线路保护的基本原理 ，包括三段式电流保护和方向电流保护， 随后介绍了傅氏算法的原理和特点，从精度、速度和系统的要求各方面综合考虑，最后 选择全波傅氏算法作为装置的算法。 2.1 线路保护基本原理 2.1.1 三段式过电流保护 在输电线路中 ，特别是 60kv及以下的线路上广泛采用电流电压保护，因其原理较 简单而可靠性较高。与常规保护相同，微机电流保护也是设计成三段式的。i段是瞬时 电流速断保护 ，ii段是限时电流速断保护 ，iii段是过电流保护 ，三段均可选择带方向 5 线路保护或不带方向的馈线保护 10。 1. 瞬时电流速断保护 （i段）： (1)电流速断保护的特点 ： 简单可靠 ，动作迅速 ，因而获得广泛应用 ； 不能保护线路的全长 。 保护范围直接受系统运行方式变化的影响： 系统运行方式变化很大时 ，速断保护可能没有保护范围 ； 被保护线路的长度很短时 ，速断保护可能没有保护范围 ； 没有保护范围时 ,需采用其它性能更好的保护 。 (2)电流速断保护 (电流i i段保护 )的基本原理 ： abcd 图2-1 输电线路图示1 基于选择性可以得到最初的基本想法： （2-1） .maxdz ad b ii （2-2） .maxdz bd c ii （2-3） .maxdz cd d ii 6 最大短路电流与最小短路电流计算： 最大运行方式下通过保护的短路电流为最大三相短路： （2-4） 3max .max .min d sd e i zz 最小运行方式下时通过保护的短路电流最小两相短路： （2-5） min(2)(2) .min .max 3 2 dd sd e ii zz 在相同运行方式下 ： （2-6） (3) .maxdd ii （2-7） (2)(3) .min 3 2 ddd iii （2-8） .min.max 3 2 dd ii 其中： 两相短路电流 (2) d i 三相短路电流 (3) d i 7 引入可靠性系数 ： abcd d1d2 图2-2输电线路图示2 （2-9） .maxdz akd b ik i （2-10） .maxdz bkd c ik i （2-11） .maxdz ckd d ik i （2-12） 1.2 1.3 k k 引入可靠系数的实质是 ：将动作值对应的短路点左移 ，从而缩小了保护范围。 (3)瞬时电流速断保护（电流 i段保护）的实质分析 ： 8 图2-3 瞬时电流速断保护实质分析 (4)电流i段保护 的灵敏性分析（最小保护范围）： 电流i段保护用最小保护范围作为灵敏度计算指标： 图2-4 瞬时电流速断保护灵敏性分析 (5)最小保护范围几点说明 ： 规程对电流 1段保护范围的要求 ： （2-13） min 100%(15 20%) ab ab l l l 最小保护范围的计算 ： (a)图解法 直接利用最大 /最小短路电流曲线进行校验 。 (b)解析法 令 （2-14） (2) min .max1min 3 2 s dz ad s e ii zzl 9 （2-15） min.max 1. 13 () 2 s s dz a e lz zi 系统运行方式与保护范围之间关系： 图2-5 系统运行方式与保护范围之间关系 2. 电流限时限速断保护 (i ii i段)： (1)电流限时限速断保护的特点 ： 切除本线路速断范围以外的故障，保护本线路的全长 ； 作为速断的后备 。 (2)动作原理 ： 保护范围延伸到下一条线路 ； 为保证选择性 ，必须使保护的动作带有一定的时限； 为了使动作时限尽量缩短 ，考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护的 范围； 其动作时限比下一条线路的速断高出一个时间阶段 11 。 (2)限时电流速断保护原理 ： 10 l . .mind b i . .mindz bdz ad b iii .dz a i .dz b i (2) .mind i (3) .maxd i d i bca 图2-6 限时速断保护原理 (3)整定动作值 ： 选择性条件 ： （2-16） “ . .mind bdz adz b iii （2-17） “ dz adz b tt 实际整定（引入可靠系数）： “ 1.11.2 k k （2-18） “ dz akdz b iki 11 通常取 0.5秒0.35 0.6ts （2-19） “ dz adz b ttt (4)保护装置灵敏性的校验 ： 校验条件 ： 系统最小运行方式下 ，线路末端发生两相短路 (即最不利情况下 ，动作最不灵敏 )： （2-20） (2) . .min “ . 1.31.5 d b lm dz a i k i 不能满足要求时 ,考虑进一步延伸限时电流速断的保护范围，使之与下一条线路的 限时电流速断相配合。 (5)i ii i段(延伸)整定动作值 ： 选择性条件 ： （2-21） “ dz adz b ii （2-22） “ dz adz b tt 实际整定 ： （2-23） “ dz akdz b iki 通常取 0.5秒0.35 0.6ts （2-24） “ dz adz b ttt 12 (6)i ii i段动作时限特性 ： 图2-7 限时速断保护动作时限特性 3. 定时限过电流保护（ i ii ii i段）： (1)定时限过电流保护的特点 ： 保护本线路及相邻下条线路的全长； 本线路 i、ii段保护的近后备（装置故障）； 相邻线路的保护的远后备（装置故障及开关失灵）。 (2)工作原理 ： 起动电流大于（躲开）最大负荷电流； 起动电流大于（躲开）最大自起动电流； 保护定值不能保证选择性 ； 为保证选择性 ，必须使保护的动作带有一定的时限； 相邻线路动作时限配合关系 ：阶梯时限特性 12 。 (3)整定动作值 ： 13 自起动电流 ： 故障切除后电压恢复时 ，电动机有一个自起动的过程 ，且自起动电流大于正常工 作电流 ： (2-25) .max.max.maxzqzqff ik ii 动作值整定（引入可靠系数）：1.15 1.25 k k 整定条件 ：返回电流大于最大自起动电流： (2-26) .maxfhkzq ik i (2-27) . .max fh akzq dz af a fhfh ik k ii kk kfh越小，则保护的起动电流越大 ，其灵敏性就越差 ， 因此要求电流继电器应有 较高的返回系数。 动作时间整定 ： 保护动作值不能保证选择性 ： (2-28) .max.maxdzqf iii （故障电流流过保护时过电流继电器均起动） 按阶梯时限特性整定动作时间： 14 (2-29) abc ttt (2-30) dz adz b ttt (2-31) bc ttt (2-32) cd ttt 单侧电源网络中过电流保护动作时限的选择说明： 图2-8 阶梯时限特性 (4)保护装置灵敏度的校验 ： 校验条件 ： 系统最小运行方式下 ，线路末端发生两相短路 (即最不利情况下 ，动作最不灵敏 ) 15 近后备（ 校验点取本线路末端） ： (2-33) (2) . .min . ()1.31.5 d b lm dz a i k i 近 远后备（ 校验点取相邻线路末 端）： (2-34) (2) . .min . ()1.2 d c lm dz a i k i 远 4.过电流保护的特点 ： (1)需与电流速断和限时电流速断来作为本线路的主保护，以过电流保护来作为本 线路 和相邻线路的后备保护 ，构成三段式电流保护协同工作。 (2)电网终端的保护 ，过电流保护动作时限并不长 ，可以作为主保护兼后备保护 ，而 无需再装设电流速断或限时电流速断保护。 (3)故障越靠近电源端时 ，短路电流越大 ，切除故障的时限反而越长 ，是其主要缺点 13。 2.1.2 方向电流保护 1. 电流保护的方向性问题 ： 16 图2-9 电流保护方向性问题 在双电源网络中 ，当线路 l1上发生 k1点短路时 ，装在线路 l1两侧的保护 1、2动作， 使断路器 qf1、qf2断开，将故障线路 l1从电网中切除。故障线路切除后，接在a母线上 的用户以及 b、c、d母线上的用户 ，仍然由 a侧电源和 d侧电源分别继续供电。从而大大 地提高了对用户供电的可靠性。但是，这种电网也给继电保护带来了新的问题。若将 电流、电压保护直接用在这种电网中，靠动作值和动作时限的配合 ，不能完全满足保 护动作选择性的要求 14。 (1)瞬时电流速断保护的方向问题： 要满足选择性要求 ，保护动作电流要按 a、b母线短路时流过保护安装时最大短路 电流进行整定 ，若a母线短路电流大于 b母线，与单侧电源线路相比 ，保护的整定值将 被提高 ，灵敏度下降。 (2)过电流保护的方向问题 ： 对于过电流保护 ，若不采取措施 ，将会发生无选择性误动作。图中对b母线两侧的 保护2和3而言，当k1点短路时 ，为了保证选择性 ，要求t2t3；而当 k2点短路时 ，又要 求t3t2。显然 ，这两个要求是相互矛盾的。说明过电流保护在双侧电源的网络中 无法满足选择性的要求。 17 (3)分析： 在双侧电源网络中 ，短路电流是分别从 2个电源指向短路点 ，短路电流流经保护时 有方向 ，如：线路l1的k1点发生短路时 ，右侧电源流经保护 2的短路功率方向是由母线 指向线路 ，而流经保护 3的短路功率是由线路指向母线；当线路l2的k2点发生短路时 ， 左侧电源流经保护 2的短路功率方向是由线路指向母线，而流过保护 3的短路功率方向 是由母线指向线路。 若规定短路功率方向是由母线指向线路时，才能允许保护动作的话 ，则前叙的方向 问题就可解决。可将该类网络视为2个独立的单电源供电网络 ，在保护的配合上不再考 虑方向的影响。 (4)结论： 从分析可看出 ，只有当短路功率的方向从母线指向线路时，保护动作才是有选择性 的。若在过电流保护的基础上加装一个功率方向判别元件-功率方向元件 , 并且规定 短路功率方向由母线指向线路为正方向。只有当线路中的短路功率方向与规定的正 方向相同 ，保护才允许动作 15。 2方向过电流保护的工作原理 ： 图2-10 方向过电流保护工作原理 如图所示 ，当k1点短路时通过保护 2的短路功率方向是从母线指向线路，符合规定 的动作方向 ，保护2正确动作；而通过保护 3的短路功率方向由线路指向母线，与规定的 动作方向相反 ，保护3不动作。因此 ，保护3的动作时限不需要与保护 2配合。 同理，保护4和5动作时限也不需要配合。但是，保护4与保护 2的方向相同 ，为保证 选择性 ，保护4动作时间要与保护 2进行配合。 18 对双侧电源的网络 ，可将各保护按其动作方向分为两组，动作时间按阶梯原则进 行 配合，逐级增加 0.5s。 方向过流保护的构成示意图 如下： 信 信 信 信 信 信 t v 图2-11 方向过电流保护构成示意图 3功率方向继电器 ： 图2-12 方向功率继电器 如图所示 ，保护3加入功率方向继电器的电压是保护安装处母线电压的二次电压， 加入继电器的电流是被保护对象上的二次电流。 在k1点短路时 ，短路功率方向是从母线指向线路（正方向）；而在k2点短路时 ，短 路功率方向是从母线指向线路（反方向）。 动作分量的表达式 ： 制动分量的表达式 ： rts ur r ukki r ts ur r ukki 19 电压变换器在制造上使得一次绕组的等效电感、电阻与电容c1串联后 ，构成在工 频 下谐振电路 ，如图示。 图2-13 电压变换器内部电路 灵敏线 动作区 图2-14 对应相位图 动作分量与制动分量同相位时，继电器动作最灵敏。继电器的内角（阻抗角） 决定了继电器的动作范围 ： -（90+）r 90-。 （式中 为灵敏角 ，也就是继电器阻抗角的余角） 一般lg11灵敏角有 2个位置 ：30和45，所以其动作范围分别为 ： -120r 60； -135r 45； r 为被保护对象的阻抗角 ，架空输电线路阻抗角一般为 2030。 20 由此可见 ， lg11方向继电器输入的电压、电流方向一定要正确，否则会将短路 功 率的方向刚好判断反。 4功率方向继电器接线 ： 要求：应能正确反应故障的方向；灵敏度要高；正方向短路故障时，不存在动作 死区。 为满足要求 ，广泛采用 90接线，接线如图示。 信 信 信 信 t v 图2-15 90接线示意图 其动作方程为 ： (2-35) .max 90arg90 j sem k k u e i 用功率的形式表示动作条件 ，上式可写成 ： (2-36) .max cos()0 kksen u i 21 采用90接线的目的是 ：消除近处两相短路的动作死区。 引入记忆电路的目的是 ：消除近处三相短路的动作死区。 注意事项 ： 加入功率方向继电器的电压与电流的极性必须正确。否则，将导致保护拒动或误 动。 2.2 微机保护算法 傅氏算法 ：任何一个周期函数 ，都可以分解成直流分量和各次谐波分量的和，其表 达式为 16： (2-37) 11 0 ( )cossin nn n x tbntant 其中，n=o、l、2，、为各次谐波正弦和余弦的幅值，为基波的角频 n a n b 1 率，各次谐波的实部和虚部可以通过式(2-38)和式(2-39)计算： （2-38） 1 0 2 ( )sin t n ax tntdt t （2-39） 1 0 2 ( )cos t n bx tntdt t 进一步推倒可得 ： 22 （2-40） 1 1 22 sin n nk k axkn nn （2-41） 1 1 22 cos n nk k bxkn nn 其中，n为一个周期的采样点数 ，根据n取不同值时 ，可以根据式 (2-42)和(2-43)求 得各次谐波的幅值和相角 ： （2-42） 22 nnn xab （2-43）arctan n n b a 在线路微机保护系统的算法设计中需要的是基波分量，就是当 n=l时的分量 ，当每 个周期采样 12个点时 ，式(2-40)和(2-41)可以写成式 (2-44)和式(2-45)： （2-44） 1391571124810 13 6()()() 22 axxxxxxxxxx （2-45） 11262104811157 13 6()()() 22 bxxxxxxxxxx 由式(2-42)、(2-43)、(2-44)、(2-45)可以方便的计算基波的幅值和相角，这种计 算方法的数据窗为一个周期 ，因此它的反映速度比较慢 ，数据窗为一个周期的傅氏算 法称为全波傅氏算法 ，我们利用正弦函数和余弦函数的性质，可以只取半个采样周期 来计算 ，这样可以提高响应速度 ，数据窗为半个周期的傅氏算法为半波傅氏算法。半 波傅氏算法和全波傅氏算法类似，其计算公式如式 (2-46)和(2-47)： （2-46） 1 1 42 sin n nk k axkn nn 23 （2-47） 1 1 42 cos n nk k bxkn nn 在衰减的非周期分量的影响下，傅氏算法的计算误差比较大。另外，由于半波傅 氏算法的数据窗只有半周 ，所以它的精度比全波傅氏算法精度低，但是半波傅氏算法 是以提高运算速度为前提的 ，因此，当线路故障发生在保护范围的o-90%以内时 ，用半 波算法计算很快就趋于真值 ，虽然精度不高 ，但是足以正确判断是 范围内故障 ，当故障 在保护范围的 90%以外时 ，为了保证计算精度 ，要以全波傅氏算法的计算结果为准。 由以上分析可以得到总结 ： 1.任何一种算法的精度和速度都是与采样点数（也就是采样频率 ）直接相关的 ，采 样频率越高 ，精度越高 ，响应速度越慢 ，采样频率越低 ，精度越低 ，响应速度越快。 2.傅氏算法具有滤波作用 ，可以消除恒定的直流分量和整次谐波分量，但是不能 消除衰减的直流分量 ，在最严重的情况下 ，由衰减直流分量造成的傅氏算法的计算误 差达到 10%以上，因此，必须采取措施给予补救。 3.全波傅氏算法的数据窗为一个周期，响应速度比较慢 ，但运算精度相对较高 ，半 波傅氏算法的数据窗缩短为半个周期，响应速度相对较快 ，但运算精度有所下降 17。 在装置的主保护板的算法设计中，我们选择全波傅氏算法作为线路保护的算法，故 障模拟量经过电压互感器和电流互感器进入ad转换器 ，采样频率选择为 600hz，即一路 信号一个周期有 12个采样点 ，然后得到的 12个采样值通过式 (2-44)和式(2-45)计算得到 输入模拟量的实部和虚部 ，根据式 (2-42)和式(2-43)就可以计算模拟量的幅值和相角。 装置要实现的功能是把计算得到的模拟量有效值与系统的整定值相比较，如果模拟 量有效值超过系统整定值 ，就迸一步通过驱动出口继电器和断路器跳闸，从式(2-38)和 式(2-39)可知，基波电流可以表示为 ： （2-48） 11111 ( )cos()sin()i tbtat 或 （2-49） 110 ( )2 sin()i tit 24 基波电流的有效值及相角为 ： （2-50） 22 11 2 ab i （2-51） 1 1 arctan b a 同理可以推出 n次谐波分量的有效值和相角为： （2-52） 22 2 nn n ab i （2-53）arctan n n n b a 在算法的判据设计中 ，主要是把采集的一路信号的 12个离散值根据式 (2-44)和式 (2-45)计算出模拟量基波分量的实部和虚部，然后再根据式 (2-50)和式(2-51)就可以计 算出基波分量的有效值和相角，最后通过与保护整定值进行比较而判断装置是否动作。 25 第 3 章 系统硬件电路设计 采三相电流/电压 电流/电压互感器 调理电路 （滤波、采样保持） a/d转换 继电器开关量输出 cpu at89c52 上位机（pc） 通讯模块 显示模块 键盘输入模块 图3-1 系统的总体结构框图 微机保护装置实际上是一个具有继电保护功能的计算机系统。当然应包括硬件 和软件两部分。微机保护的硬件电路随所采用的单片机不同而有很大差别。另外，随所 保护对象的不同在硬件上也有所不同。因此，微机保护装置具有一般微机系统的基本 结构 18。 26 本设计是以 at89c52单片机为核心 ，采集量为三相电流与三相电压的数字型微机继 电保护装置。将采集量通过电流互感器与电压互感器转变成小电流与低电压，再经过 滤 波电路、采样保持和 a/d转换，将数字量传入单片机 ，与输入的保护整定值进行比较， 而后将结果经过通讯模块与上位机进行交流传输，从而决定继电气开关量的输出，并将 结果通过数码管呈现给工作人员。 （1）数据采集系统。模拟量输入通道为电流、电压信号，由于电流、电压为随时 间变化的连续信号 ，而计算机只接收数字信号 ，因此需要将这种类型的模拟信号转变 为数字信号 ，完成模拟量到数字量的转换。该系统包括电流、电压形成和模数转换模块， 以完成模拟输入量准确转换为数字信号的功能。 （2）数据处理系统（计算机系统）。计算机系统包括微处理器、存储器、随 机存储器、定时器及并行口等。微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数 据采集系统输入至随机存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能。 （3）开关量 输出通 道。微机继电保护装置通过数字量输出实现对断路器等控制。 开关量 输出通道由若干并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成，完成各种保护出 口跳闸、信号报警、外部触电输入及人机对话功能。 （4）通讯接口。它包括 通讯接口电路和接口 ，以实现多机 通讯或联网。 本设计采 用以rs-485的通讯电路。 （5）电源。电源的作用是将 220v或110v交流电源变换成供给微处理器、数字电 路、模数转换芯片及 放大器 所需要的弱电电压 ，有12v、+5v等。 3.1 主控制器 at89c52是一个低电压 ，高性能cmos 8位单片机 ，片内含8k bytes的可反复擦写 的flash只读程序存储器和 256 bytes的随机存取数据存储器（ ram） ，器件采用atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统 ，片内置通用8位 中央处理器和flash存储单元 ，at89c52单片机在电子行业中有着广泛的应用 19。 27 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 rxd 10 txd 11 in t0 12 in t1 13 t0 14 t1 15 wr 16 rd 17 x ta l2 18 x ta l1 19 g nd 20 v cc 40 p0.0 39 p0.1 38 p0.2 37 p0.3 36 p0.4 35 p0.5 34 p0.6 33 p0.7 32 ea/vpp 31 a le/pro g 30 psen 29 p2.7 28 p2.6 27 p2.5 26 p2.4 25 p2.3 24 p2.2 23 p2.1 22 p2.0 21 a t89c52 y 1 12mh z c25 22p c26 22p c24 10 r50 10k +5v +5v 图 3-2 at89c52 管脚图 3.2 模拟量采样电路 3.2.1 电流互感器 1. 电流互感器 ：电流互感器是将大电流变成小电流的互感器。在正常使用情况 下其比差和角差都应在允许范围内。电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流 互感器是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次绕组匝数很少，串在需要测量的电流的 线路中 ，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多 ，串接在测量仪表 和保护回路中 ，电流互感器在工作时 ，它的2次回路始终是闭合的 ，因此测量仪表和保 护回路串联线圈的阻抗很小 ，电流互感器的工作状态接近短路 20。 2.电流互感器的作用 ：电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一 定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途 ,如变比为 400/5的电 28 流互感器 ，可以把实际为 400a的电流转变为 5a的电流。 3.电流互感器的接线方式 ： a.一相式接线 b.两相不完全星形接线 c.两相电流差接线 d.三相完全星形接线 。 本设计采用微型 ct作为系统电器参量的采集与系统隔离，防止系统干扰的侵入。 本设计中采用星格公司的 sct254ax精密电流互感器 ，该互感器小巧轻便 ，隔离度高 ，耐 冲击性强。输入额定电流为 5a，额定输出电流为 2.5ma。 图3-3 电流互感器 3.2.2 电压互感器 1.电压互感器 ：电压互感器是将高电压变成低电压的互感器。在正常使用情况下， 其比差和角差都应在允许范围内。压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、 二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压u1时，在铁心中就产生一 个磁通 ，根据电磁感应定律 ，则在二次绕组中就产生一个二次电压u2。改变一次或 二次绕组的匝数 ，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压 互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压，即100v，电压互感器一次侧接在 一次系统 ，二次侧接测量仪表、继电保护等；主要是电磁式的（电容式电压互感器 应用广泛） ，另有非电磁式的 ，如电子式、光电式 21。 29 2.电压互感器的接线方式 ： a.用一台单相电压互感器来测量某一相对地电压或相间电压的接线方式。 b.用两台单相互感器接成不完全星形，也称vv接线，用来测量各相间电压 ，但不 能测相对地电压 ，广泛应用在 20kv以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中。 c.用三台单相三绕组电压互感器构成yn，yn，d0或yn，y，d0的接线形式 ，广泛应 用于3220kv系统中 ，其二次绕组用于测量相间电压和相对地电压，辅助二次绕组接成 开口三角形 ，供接入交流电网绝缘监视仪表和继电器用。用一台三相五柱式电压互 感器代替上述三个单相三绕组电压互感器构成的接线，除铁芯外 ，其形式与图 3基本相同 ， 一般只用于 315kv系统。 本设计采用武汉精良电子有限公司生产的jlbv11型电压互感器 ，输入电压为 100v， 输出电压为 5v。 图3-4 电压互感器 3.2.3 低通滤波电路 经互感器转换后的 电信号 ，由于测量现场的电磁干扰 及放大电路等本身的影响 ，往 往含有多种频率成分的噪声信号，严重情况下 ，这种噪声信号会淹没待提取的输入信号， 造成系统无法获取被测信号 22。所以在这种情 况下，需采取滤波措施 ，将不需要的杂散 30 信号抑制掉 ，使系统的信噪比 增加，完成这种功能的电路就是滤波电路。因为在实际工 作环境中 ，混入的噪声信号多为高次谐波，所以在设计中选用了有源低通滤波器。 滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号 的电子装置。低通滤波电路 ，其幅频响应如图所示 ，图中丨a丨为增益的幅值 ，a0表示 低频增益。由图 3-5可知，它的功能是通过从零到截止角频率为 的低频信号 ，而对 h 大于的所有频率则完全衰减 ，因此其带宽。 h h bw a 0 a 0 h 带通阻带 实际 理想 图 3-5 低通滤波 电压、电流信号经电压互感器、电流互感器后必须接低通滤波器。在设计中我们 采用的是一阶有源低通滤波器。 其传递函数为 ： （3-1） csrr r sh f f 1 1 )( 1 31 对照一阶滤波器的传递函数的标准形式，可得： 增益 （3-2） 1 0 r r h f 截止频率 （3-3） cr f f 2 1 由设计要求 ，可知： =1，f =150 0 h 取 c =0.01 f rf=r1 可以算出 （3-4） 1 r =106 f rk 为了增强滤波器的适应性 ，电阻rf选用200千欧的可变电阻器。 lm324 r16 200k c1 0.01 +12v-12v 图 3-6 滤波电路电路图 3.2.4 功率因数测量电路 方向电流保护 需要判断电流的方向 ，因而要用到功率角的余弦值 cos 。所以我们 32 需要测量功率因数 ，这便需要功率因数的测量电路。 rin 47k r37 5.1k r38