110kV输电线路零序保护原理分析与程序设计--课程设计.doc

目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论1 1 1.11.1 零序电流保护的概况零序电流保护的概况 1 1 1.21.2 本文主要内容本文主要内容 2 2 第第 2 2 章章 输电线路零序电流保护整定计算输电线路零序电流保护整定计算3 3 2.12.1 零序电流零序电流 段整定计算段整定计算3 3 2.1.12.1.1 零序电流零序电流 段动作电流的整定段动作电流的整定7 7 2.1.22.1.2 灵敏度校验灵敏度校验8 8 2.1.32.1.3 动作时间的整定动作时间的整定1010 2.22.2 零序电流零序电流段整定计算段整定计算1111 2.32.3 零序电流零序电流段整定计算段整定计算 1111 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计1212 3.13.1 CPUCPU 最小系统图最小系统图 1212 3.23.2 110KV110KV 输电线路零序保护的硬件输电线路零序保护的硬件 1313 3.33.3 数据采集系统数据采集系统1313 3.3.13.3.1 电压形成回路电压形成回路 1414 3.3.23.3.2 采样保持和模拟低通滤波采样保持和模拟低通滤波1515 3.3.33.3.3 多路转换开关和模数转换多路转换开关和模数转换1515 3.43.4 开关量输入输出系统开关量输入输出系统 1717 3.4.13.4.1 开关量输入输出模块开关量输入输出模块 1717 3.4.23.4.2 开关量输入部分开关量输入部分 1717 3.4.33.4.3 开关量输出部分开关量输出部分 1919 3.53.5 电源模块电源模块 2020 第第 4 4 章章 软件设计软件设计2121 4.14.1 软件结构分析概述软件结构分析概述 2121 4.24.2 程序总框图程序总框图 2222 4.34.3 中断程序模块中断程序模块 2424 4.44.4 各程序的子模块介绍各程序的子模块介绍 2525 4.4.14.4.1 初始化初始化 2525 4.4.24.4.2 启动元件启动元件 2626 4.4.34.4.3 零序方向电流保护零序方向电流保护 2626 4.4.44.4.4 重合闸及后加速重合闸及后加速 2727 4.54.5 微机保护的算法微机保护的算法 2828 4.5.14.5.1 输入为正弦量的算法输入为正弦量的算法 2929 4.5.24.5.2 突变量电流算法突变量电流算法 2929 4.5.34.5.3 选相方法选相方法 3131 4.5.44.5.4 傅里叶级数算法傅里叶级数算法 3333 第第 5 5 章章 实验验证及分析实验验证及分析3636 5.15.1 仿真结果及分析仿真结果及分析 3636 第第 6 6 章章 课程设计总结课程设计总结3838 参考文献参考文献3939 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 零序电流保护的概况零序电流保护的概况 与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继继 电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所以如此，电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所以如此， 是因为它是一门理论和实践并重的科学技术，又与电力系统的发展息息相关。它以是因为它是一门理论和实践并重的科学技术，又与电力系统的发展息息相关。它以 电力系统的需要作为发展的源泉，同时又不断地吸取相关的科学技术中出现的新成电力系统的需要作为发展的源泉，同时又不断地吸取相关的科学技术中出现的新成 就作为发展的手段。继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、就作为发展的手段。继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、 稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。它在系统发生故障时切除故障设备，稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。它在系统发生故障时切除故障设备， 对系统安全运行作出贡献，但若不正常动作对系统安全运行作出贡献，但若不正常动作( (包括拒动和误动包括拒动和误动) )，则给系统造成的危，则给系统造成的危 害也是巨大的。所以对继电保护装置的可靠性害也是巨大的。所以对继电保护装置的可靠性( (包括安全性和信赖性两个方面包括安全性和信赖性两个方面) )要求要求 很高。信赖性是指不应拒动，安全性是指不应误动。继电保护装置除了在故障的很很高。信赖性是指不应拒动，安全性是指不应误动。继电保护装置除了在故障的很 短时间内动作外，长期是不动作的，因而被喻为电力系统的无声警卫。因此装置的短时间内动作外，长期是不动作的，因而被喻为电力系统的无声警卫。因此装置的 某些缺陷可能不被察觉，从而成为故障时不正确动作的隐患。微型机保护可以实现某些缺陷可能不被察觉，从而成为故障时不正确动作的隐患。微型机保护可以实现 自我监视和检测，大大提高了装置的安全性。自我监视和检测，大大提高了装置的安全性。 传统的整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂传统的整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的的 保护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。保护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。 究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件 和连线来实现。为确定保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过模拟和连线来实现。为确定保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过模拟 试验来校核一遍。微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由试验来校核一遍。微机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各种复杂的功能是由 相应的软件来实现的。换言之，它是用一个只会作几种单调的、简单操作的硬件，相应的软件来实现的。换言之，它是用一个只会作几种单调的、简单操作的硬件， 配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用几个简单的操配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用几个简单的操 作就可以检验微型机的硬件是否完好。或者说如果微型机硬件有故障，将会立即表作就可以检验微型机的硬件是否完好。或者说如果微型机硬件有故障，将会立即表 现出来。如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时一样，就必然会达现出来。如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时一样，就必然会达 到设计的要求，用不着逐台作各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。微型机保到设计的要求，用不着逐台作各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。微型机保 护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在EPROMEPROM中的程序不断地进行自动检测，中的程序不断地进行自动检测， 一旦发现异常就会发出报警。通常只要给上电源后没有警报，就可确认装置是完好一旦发现异常就会发出报警。通常只要给上电源后没有警报，就可确认装置是完好 的。所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而可大大减轻运行维护的工作量。的。所以对微机保护装置可以说几乎不用调试，从而可大大减轻运行维护的工作量。 1.2 本文主要内容本文主要内容 1.1.计算计算 B B 母线、母线、C C 母线、母线、D D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗母线处正序（负序）及零序综合阻抗 Z1Z1、Z0Z0。 2 2计算计算 B B 母线、母线、C C 母线、母线、D D 母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零 序序 电流。电流。 3 3整定保护整定保护 1 1、2 2、3 3 零序电流零序电流 I I 段的定值，并计算各自的最小保护范围。段的定值，并计算各自的最小保护范围。 4 4当当 B B 母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护 1 1、2 2 零序零序 定值，并校验灵敏度。定值，并校验灵敏度。 5 5整定保护整定保护 1 1 零序零序段定值，假定母线段定值，假定母线 D D 零序过电流保护动作时限为零序过电流保护动作时限为 0.5s0.5s，确定，确定 保护保护 1 1、2 2、3 3 零序过电流保护的动作时限，校验保护零序过电流保护的动作时限，校验保护 1 1 零序零序段的灵敏度。段的灵敏度。 6.6. 用计算机实现线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式。用计算机实现线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式。 第第 2 2 章章 输电线路零序电流保护整定计算输电线路零序电流保护整定计算 2.12.1 零序电流零序电流 段整定计算段整定计算 系统接线图如图系统接线图如图 2.12.1 所示：所示： 图图 2.12.1 系统接线图系统接线图 一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗、一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗、 （1 1）当、）当、 、 、 、 、均投入运行时：、均投入运行时： G11A B1BC1CDT1 G2T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图图 2.22.2、 、 、 、 、均投入运行时等值正序（负序）网络图、均投入运行时等值正序（负序）网络图 T4 0A B0BC0CDT1 T3 T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图图 2.32.3 、 、 、 、 、均投入运行时等值零序网络图、均投入运行时等值零序网络图 B B 母线：母线： ABTGTGB ZZZZZZ 122111 / 3320)1016/()1016( 4030 . 0 210 / TTABTTB ZZZZZZ 18)60/60/()4010/10( C C 母线：母线： 532033 111BCBC ZZZ 584018 000BCBC ZZZ D D 母线：母线： 934053 111CDCD ZZZ 1388058 000CDCD ZZZ （2 2）当、）当、 、 、 、投入运行时、投入运行时: : B B 母线：母线： 3320)1016/()1016(/ 122111ABTGTGB ZZZZZZ 71.2560/)4010/10(/ 30210TABTTB ZZZZZ C C 母线：母线： 532033 111BCBC ZZZ 71.654071.25 000BCBC ZZZ D D 母线：母线： 934053 111CDCD ZZZ 71.1458071.65 000CDCD ZZZ G11A B1BC1CDT1 G2T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图图 2.42.4 、 、 、 、投入运行时等值正序（负序）网络图、投入运行时等值正序（负序）网络图 0A B0BC0CDT1 T3 T2 Z ABCD Z Z ZZZ 图图 2.52.5 、 、 、 、投入运行时等值零序网络图、投入运行时等值零序网络图 （3 3）当、）当、 、 、投入运行时、投入运行时 G11A B1BC1CDT1 Z ABCD ZZZZ 图图 2.62.6 、 、 、投入运行时等值正序（负序）网络图、投入运行时等值正序（负序）网络图 T4 0A B0BC0CDT1 T3 Z ABCD ZZ ZZZ 图图 2.72.7 、 、 、投入运行时等值零序网络图、投入运行时等值零序网络图 B B 母线：母线： 46201016 1111ABTGB ZZZZ 75.18)60/60/()4010(/ 4030010TTABTB ZZZZZ C C 母线：母线： 662046 111BCBC ZZZ 75.584075.18 000BCBC ZZZ D D 母线：母线： 1064066 111CDCD ZZZ 75.1388075.58 000CDCD ZZZ （4 4）当、）当、 、投入运行时、投入运行时 G11A B1BC1CDT1 Z ABCD ZZZZ 图图 2.82.8 、 、投入运行时等值正序（负序）网络图、投入运行时等值正序（负序）网络图 0A B0BC0CDT1 T3 Z ABCD Z ZZZ 图图 2.92.9 、 、投入运行时等值零序网络图、投入运行时等值零序网络图 B B 母线：母线： 46201016 1111ABTGB ZZZZ 27.2760/)4010(/ 3010TABTB ZZZZ C C 母线：母线： 662046 111BCBC ZZZ 27.674027.27 000BCBC ZZZ D D 母线：母线： 1064066 111CDCD ZZZ 27.1478027.67 000CDCD ZZZ 二、计算二、计算 B B、C C、D D 母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流 （1 1）当、）当、 、 、 、 、均投入运行时、均投入运行时 B B 母线：母线： KA ZZ E I BB s KB 962 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 790 . 0 2 01 )1( 0 C C 母线：母线： KA ZZ E I CC s KC 393 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 405 . 0 2 01 )1( 0 D D 母线：母线： KA ZZ E I DD s KD 180 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 205 . 0 2 01 )1( 0 （2 2）当、）当、 、 、 、投入运行时、投入运行时 B B 母线：母线： KA ZZ E I BB s KB 786 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 724 . 0 2 01 )1( 0 C C 母线：母线： KA ZZ E I CC s KC 360 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 387 . 0 2 01 )1( 0 D D 母线：母线： KA ZZ E I DD s KD 173 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 200 . 0 2 01 )1( 0 （3 3）当、）当、 、 、投入运行时、投入运行时 B B 母线：母线： KA ZZ E I BB s KB 795 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 599 . 0 2 01 )1( 0 C C 母线：母线： KA ZZ E I CC s KC 362 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 348 . 0 2 01 )1( 0 D D 母线：母线： KA ZZ E I DD s KD 173 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 189 . 0 2 01 )1( 0 （4 4）当、）当、 、投入运行时、投入运行时 B B 母线：母线： KA ZZ E I BB s KB 660 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I BB s KB 557 . 0 2 01 )1( 0 C C 母线：母线： KA ZZ E I CC s KC 331 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I CC s KC 333 . 0 2 01 )1( 0 D D 母线：母线： KA ZZ E I DD s KD 166 . 0 2 01 )1 . 1( 0 KA ZZ E I DD s KD 185 . 0 2 01 )1( 0 2.1.12.1.1 零序电流零序电流 段动作电流的整定段动作电流的整定 一、保护一、保护 1 1 零序电流零序电流 I I 段段 （1 1） 、 、 、 、 、运行、运行 取两相接地短路取两相接地短路 kA ZZZZZ ZZ II TTABTT TT KBB 385 . 0 43021 43)1 . 1( 00 （2 2） 、 、 、 、运行、运行 取两相接地短路取两相接地短路 kA ZZZZ Z II TABTT T KBB 449 . 0 3021 3)1 . 1( 00 最大运行方式为：、最大运行方式为：、 、 、 、运行、运行 保护保护 1 1 的的 I I 段动作电流为：段动作电流为：KAIKI Brelop 61641449 . 0 32 . 13 01. 0 二、保护二、保护 2 2 零序电流零序电流 I I 段段 （1 1） 、 、 、 、 、运行、运行 取单相接地短路取单相接地短路 （2 2） 、 、 、 、运行、运行 取单相接地短路取单相接地短路 最大运行方式为：、最大运行方式为：、 、 、 、 、运行、运行 保护保护 2 2 的的 I I 段动作电流为：段动作电流为：KAIKI Crelop 458 . 1 405 . 0 32 . 13 02 . 0 三、保护三、保护 3 3 零序电流零序电流 I I 段段 （1 1） 、 、 、 、 、运行、运行 取单相接地短路取单相接地短路 （2 2） 、 、 、 、运行、运行 取单相接地短路取单相接地短路 最大运行方式为：、最大运行方式为：、 、 、 、 、运行、运行 保护保护 3 3 的的 I I 段动作电流为：段动作电流为：KAIKI Drelop 738 . 0 205. 032 . 13 03 . 0 2.1.22.1.2 灵敏度校验灵敏度校验 一、保护一、保护 1 1 的最小保护范围计算的最小保护范围计算 设设 （）（） ， 则则,4040,40,20 101011 111 kZkZkZ BKAKAK (1)(1)、 、 、运行、运行 8/ )4070)(41 ()()( 2030 11430010 11111 111 11 kkZZZZZZ kZZZZ TTBKAKTK AKTGK 取单相接地短路取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 11 KBKBKK IIZZ 8/ )4070)(41 ()2030(2 3/115 2 11101 )1( 0 11 kkkZZ E I KK s KB KAII kk k ZZZZ ZZZ II OPK TTABT TTBK KBk 5084 . 1 3 75.687020 3/115 8 47 1 . 0 0 11 1 4301 430 )1( 00 1 1 1 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 (2)(2)、 、运行、运行 11/ )40100)(41 ()()( 2030 1130010 11111 111 11 kkZZZZZ kZZZZ TBKAKTK AKTGK 取单相接地短路取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 11 KBKBKK IIZZ 11/ )40100)(41 ()2030(2 3/115 2 11101 )1( 0 11 kkkZZ E I KK s KB KAII kkk k ZZZ ZZ II opK TABT TBK KBK 5084 . 1 3 11/ )40100)(41 ()2030(2 3/115 11 410 1 . 0 0 111 1 301 30 )1( 00 1 1 1 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 根据根据、，最小运行方式为：、，最小运行方式为：、 、 、运行、运行 保护保护 1 1 的的 I I 段最小可以保护线路段最小可以保护线路 ABAB 全长的全长的 33.7%33.7% 二、保护二、保护 2 2 的最小保护范围计算的最小保护范围计算 设设 （）（） ， 则则 （1 1） 、 、 、运行、运行 2043010 211111 0475.18)()( 2050 22 22 kZZZZZZ kZZZZZ BKTTABTK BKABTGK 取单相接地短路取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 22 KCKCKK IIZZ 2201 )1( 00 4075.18)2050(2 3/115 2 22 2 kkZZ E II KK s KCK 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 （2 2） 、 、运行、运行 203010 21111 4027.27)( 2050 22 22 kZZZZZ kZZZZ BKTABTK AKTGK 取单相接地短路取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 001 22 KCKCKK IIZZ 2201 )1( 00 4027.27)2050(2 3/115 2 22 2 KKZZ E II KK s KCK 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 根据根据、，最小运行方式为：、，最小运行方式为：、 、运行、运行 保护保护 2 2 的的 I I 段最小可以保护线路段最小可以保护线路 BCBC 全长的全长的 16%16% 三、保护三、保护 3 3 的最小保护范围计算的最小保护范围计算 设设 （）（） ， 则则 （1 1） 、 、 、运行、运行 30043010 3111111 0875.58)()( 4070 33 33 kZZZZZZZ kZZZZZZ CKBCTTABTK CKBCABTGK 若若, ,则取单相接地短路则取单相接地短路 3301 )1( 00 8075.58)4070(2 3/115 2 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 此时，此时，与矛盾，与矛盾 326.96,788.88 33 01KK ZZ 所以，所以， ， ，取两相接地短路，取两相接地短路 )8075.58(24070 3/115 2 3301 )1 . 1( 00 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 （2 2） 、 、运行、运行 3003010 3111111 8027.67)( 4070 33 33 kZZZZZZ kZZZZZZ CKBCTABTK CKBCABTGK 若若, ,则取单相接地短路则取单相接地短路 3301 )1( 00 8027.67)4070(2 3/115 2 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 此时，此时，与矛盾，与矛盾 59.100,66.86 33 01KK ZZ 所以，所以， ， ，取两相接地短路，取两相接地短路 )8027.67(24070 3/115 2 3301 )1 . 1( 00 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得，得， 满足灵敏度要求满足灵敏度要求 根据（根据（1 1） 、 （2 2） ，最小运行方式为：、，最小运行方式为：、 、运行、运行 保护保护 3 3 的的 I I 段最小可以保护线路段最小可以保护线路 CDCD 全长的全长的 34.68%34.68% 2.1.32.1.3 动作时间的整定动作时间的整定 因为零序电流因为零序电流 I I 段是无时限零序电流保护，不必加延时元件，段是无时限零序电流保护，不必加延时元件， 所以其整定的动作延时为所以其整定的动作延时为 0 0 即，保护即，保护 1 1、2 2、3 3 的动作时间：的动作时间： 2.22.2 零序电流零序电流段整定计算段整定计算 保护保护 1 1 的的段与保护段与保护 2 2 的的 I I 段配合段配合 ，保护，保护 1 1 的分支系数的分支系数 KAI op 626. 05 . 2/422. 11 . 1 II 1. 0 灵敏度校验：最小运行方式为、灵敏度校验：最小运行方式为、 、 、运行、运行 流过保护流过保护 1 1 的最小零序电流的最小零序电流 KA ZZZZ ZZ II TTABT TT KB 2096 . 0 4301 43)1( 0min0 不满足灵敏度要求不满足灵敏度要求3 . 1005 . 1 626 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 II op II sen I I K 所以，保护所以，保护 1 1 的的段与保护段与保护 2 2 的的段配合段配合 ，保护，保护 2 2 的分支系数的分支系数 KAkIKI bop II relop 80 . 0 1/7272 . 0 1 . 1/ 2min I 3 . 0 II 2. 0 KAI op 352 . 0 5 . 2/80 . 0 1 . 1 II 1 . 0 满足灵敏度要求满足灵敏度要求3 . 179 . 1 352 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 II op II sen I I K 所以，保护所以，保护 1 1 的的段动作电流：段动作电流： 保护保护 1 1 的的段动作时间与保护段动作时间与保护 2 2 的的段动作时间配合：段动作时间配合： stttttt I op II op II op 0 . 15 . 05 . 00 321 2.32.3零序电流零序电流段整定计算段整定计算 保护保护 1 1 的的段与保护段与保护 2 2 的的段配合段配合 KAkIKI bop III relop 352 . 0 5 . 2/80 . 0 1 . 1/ 1min II 2 . 0 III 1 . 0 灵敏度校验：最小运行方式为、灵敏度校验：最小运行方式为、 、 、运行、运行 作为近后备：作为近后备： 满足灵敏度要求满足灵敏度要求3 . 179 . 1 352 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 III op BIII sen I I K 作为远后备：作为远后备： 满足灵敏度要求满足灵敏度要求2 . 173 . 2 352 . 0 320 . 0 33 1 . 0 min0 1 III op CIII sen I I K 已知母线已知母线 D D 零序过电流保护动作时限为零序过电流保护动作时限为 0.5s0.5s 所以保护所以保护 1 1 的的段零序电流保护的动作时间与保护段零序电流保护的动作时间与保护 2 2 的的段动作时间配合：段动作时间配合： stttttt II op II op III op 5 . 15 . 05 . 05 . 0 321 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 CPU 最小系统图最小系统图 本设计中的本设计中的 89C5189C51 的最小系统包括的最小系统包括 89C5189C51 单片机，单片机，62646264 可编程可编程 IOIO 接口，晶振接口，晶振 电路，按键复位电路。电路，按键复位电路。 CPUCPU 最小系统图如图最小系统图如图 3.13.1 图图 3.13.1 CPUCPU 最小系统图最小系统图 3.2 110KV 输电线路零序保护的硬件输电线路零序保护的硬件 保护的硬件构成由四部分组成：保护的硬件构成由四部分组成：数据采集系统（或称模拟量输入系统）：数数据采集系统（或称模拟量输入系统）：数 据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模拟转换，其功能据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模拟转换，其功能 为完成将模拟输入量准确转换为所需的数字量。为完成将模拟输入量准确转换为所需的数字量。主系统：处理器（主系统：处理器（CPUCPU） 、只读存、只读存 储器（储器（ROMROM）或闪存内存单元（）或闪存内存单元（FLASHFLASH） 、随机存取储存器（、随机存取储存器（RAMRAM） 、定时器、并行以及、定时器、并行以及 串行接口等。其功能为执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制串行接口等。其功能为执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制 功能。功能。开关量（数字量）输入输出系统，并行接口（开关量（数字量）输入输出系统，并行接口（PIAPIA 或或 PIOPIO） 、光电隔离器件、光电隔离器件 及有触点的中间继电器等组成，其功能为完成各种保护的出口跳闸、信号、外部接及有触点的中间继电器等组成，其功能为完成各种保护的出口跳闸、信号、外部接 点输入及人机对话及通信等功能。点输入及人机对话及通信等功能。电源模块：其功能为保护装置提供工作电压。电源模块：其功能为保护装置提供工作电压。 一般常采用开关稳压电源或一般常采用开关稳压电源或 DCDCDCDC 电源模块。其提供数字系统电源模块。其提供数字系统 5 5、2424、+15+15、-15V-15V 电电 源。其构成图源。其构成图 3.23.2 所示：所示： 图图 3.23.2 硬件机构图硬件机构图 3.3 数据采集系统数据采集系统 数据采集系统（模拟量输入系统）主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持数据采集系统（模拟量输入系统）主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持 （SHSH） 、多路转换（、多路转换（MPXMPX）以及模数转换（）以及模数转换（ADAD） ，其功能为完成将模拟输入量准确地转，其功能为完成将模拟输入量准确地转 换为所需的数字量，如图换为所需的数字量，如图 3.33.3 所示：所示： 图图 3.33.3 数据采集系统数据采集系统 3.3.1 电压形成回路电压形成回路 本文研究的本文研究的 110KV110KV 输电线路零序电流保护装置将由二次电流互感器转换来的电输电线路零序电流保护装置将由二次电流互感器转换来的电 流信号通过如图流信号通过如图 3.43.4 所示的电路转换为所示的电路转换为 mAmA 级的电流信号；将由二次电压互感器转换级的电流信号；将由二次电压互感器转换 来的电压信号（来的电压信号（100V100V）通过如图）通过如图 3.53.5 所示的电路也转换为可供模数转换部分时用的所示的电路也转换为可供模数转换部分时用的 电压，这样做的优点是可以使得元件小型化。再讲电压，这样做的优点是可以使得元件小型化。再讲 mAmA 级的电流信号经过如图级的电流信号经过如图 3.33.3 所所 示的电路，进行放大处理转换为电压信号，作为示的电路，进行放大处理转换为电压信号，作为 ADAD 转换的输入信号。转换的输入信号。 图图 3.43.4 电压输入信号电压输入信号 变换电压的计算公式：变换电压的计算公式： 图图 3.53.5 电压信号输入电压信号输入 3.3.2 采样保持和模拟低通滤波采样保持和模拟低通滤波 采样保持电路，又称采样保持电路，又称 SHSH 电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在 该时刻的瞬时值，并在模拟一数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。利用该时刻的瞬时值，并在模拟一数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。利用 采样保持电路后，可以方便地进行多个模拟量实现同时采样。采样保持电路后，可以方便地进行多个模拟量实现同时采样。 采样频率是指采样周期的倒数，对保护系统而言，在故障刚发生时，电压、电采样频率是指采样周期的倒数，对保护系统而言，在故障刚发生时，电压、电 流信号中可能含有较高的频率分量（如流信号中可能含有较高的频率分量（如 2KHz2KHz 以上）以上） ，为防止混淆，频率将不得不用，为防止混淆，频率将不得不用 的很高，的很高， 进而对硬件速度提出过高的要求。实际上，目前大多数的保护反应的是工频量，进而对硬件速度提出过高的要求。实际上，目前大多数的保护反应的是工频量， 在这种情况下，可以采用一个前置的低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低在这种情况下，可以采用一个前置的低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低 频率，从而降低对硬件提出的要求，对频率高于二分之一的可以用简单的低通滤波频率，从而降低对硬件提出的要求，对频率高于二分之一的可以用简单的低通滤波 器（如图器（如图 3.63.6 所示）来滤除高频分量，而对于小于二分之一频率的分量可以用数字所示）来滤除高频分量，而对于小于二分之一频率的分量可以用数字 滤波器来滤除。滤波器来滤除。 图图 3.63.6 低通滤波器低通滤波器 3.3.3 多路转换开关和模数转换多路转换开关和模数转换 对反应俩个电气量以上的继电保护装置，都要求对各个模拟量同时采样，以准对反应俩个电气量以上的继电保护装置，都要求对各个模拟量同时采样，以准 确地获得各个量之间的相位关系，因而要对每个模拟输入量设置一套电压形成、抗确地获得各个量之间的相位关系，因而要对每个模拟输入量设置一套电压形成、抗 混淆低通滤波器采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后，由定时器同混淆低通滤波器采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后，由定时器同 时供给采样脉冲，但由于模数转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道时供给采样脉冲，但由于模数转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道 设一个设一个 ADAD 转换成数字量输入给装置。而是公用一个，中间是通过转换开关转换成数字量输入给装置。而是公用一个，中间是通过转换开关 MPXMPX 切换，切换， 轮流由公用的轮流由公用的 ADAD 转换成数字量后输入给装置。转换成数字量后输入给装置。 图图 3.73.7 多路转换开关多路转换开关 模数转换是微机保护的重要元器件，要理解它的工作原理需先了解数模转换器模数转换是微机保护的重要元器件，要理解它的工作原理需先了解数模转换器 的原理。数字量是用代码按数位的组合起来表示的，每一位代码都有一定的权，即的原理。数字量是用代码按数位的组合起来表示的，每一位代码都有一定的权，即 代表一个具体数值。因此，为了将数字量转换成模拟量，然后将代表各位的模拟量代表一个具体数值。因此，为了将数字量转换成模拟量，然后将代表各位的模拟量 相加，即可得到与被转换数字量相当的模拟量，完成了数模转换。如图相加，即可得到与被转换数字量相当的模拟量，完成了数模转换。如图 3.83.8 为一个为一个 4 4 位数模转换器的原理图，更多位数的情况与此类似。位数模转换器的原理图，更多位数的情况与此类似。 图图 3.83.8 4 4 位数模转换器原理位数模转换器原理 输出电压为：输出电压为： 可见，输出模拟电压正比于控制输入的数字量可见，输出模拟电压正比于控制输入的数字量 D D。 对一般的对一般的 ADAD 转换器来说，如果输入电压超过所允许的最大值，就会出现平顶波，转换器来说，如果输入电压超过所允许的最大值，就会出现平顶波， 这种现象叫溢出，出现小部分平顶波溢出的危害并不是特别严重，因为在装置得到这种现象叫溢出，出现小部分平顶波溢出的危害并不是特别严重，因为在装置得到 采样值后，还可以经过数字滤波器来对平顶波进行修正，基波相位可以做到基本不采样值后，还可以经过数字滤波器来对平顶波进行修正，基波相位可以做到基本不 受影响，对电流保护和阻抗保护的影响较小。但是，应当指出：不应出现输入量超受影响，对电流保护和阻抗保护的影响较小。但是，应当指出：不应出现输入量超 出允许值时出现零值的现象，这种现象对保护的危害是致命的。如果电流信号出现出允许值时出现零值的现象，这种现象对保护的危害是致命的。如果电流信号出现 这种溢出情况，则出口短路可能会被计算成区外短路，导致拒动。避免这种溢出现这种溢出情况，则出口短路可能会被计算成区外短路，导致拒动。避免这种溢出现 象的常用方法有：象的常用方法有：1 1，采用类似于逐次逼近方式的，采用类似于逐次逼近方式的 ADAD 转换器；转换器；2 2，在，在 ADAD 转换器之前转换器之前 采用预先措施；采用预先措施；3 3，调整模拟量回路的增益。，调整模拟量回路的增益。 3.4 开关量输入输出系统开关量输入输出系统 3.4.13.4.1 开关量输入输出模块开关量输入输出模块 开关量输入输出模块包括开关量输入回路和开关量输出回路，是微型机保护装开关量输入输出模块包括开关量输入回路和开关量输出回路，是微型机保护装 置的重要组成部分，是连接外部强电和内部弱电的主要通道，其核心是状态信号的置的重要组成部分，是连接外部强电和内部弱电的主要通道，其核心是状态信号的 隔离输入回路和动作信号的隔离输出回路，主要完成外部开关量引入装置进行处理隔离输入回路和动作信号的隔离输出回路，主要完成外部开关量引入装置进行处理 和将装置内发出的开关信号引出到继电器插件，从而驱动相应的继电器跳闸或告警，和将装置内发出的开关信号引出到继电器插件，从而驱动相应的继电器跳闸或告警， 达到保护的功能。下面分别介绍开关量输入回路和输出回路的设计。达到保护的功能。下面分别介绍开关量输入回路和输出回路的设计。 3.4.23.4.2 开关量输入开关量输入部分部分 在微机线路保护装置中，通常需要采集断路器状态、隔离开关状态和外部分、在微机线路保护装置中，通常需要采集断路器状态、隔离开关状态和外部分、 合闸等状态信息，这些状态量的采集都是以光电隔离方式输入的，采用光电隔离的合闸等状态信息，这些状态量的采集都是以光电隔离方式输入的，采用光电隔离的 主要优点是：输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力很强；无触点，主要优点是：输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力很强；无触点， 耐冲击，寿命长，可靠性高；响应速度快，易与逻辑电平配合使用。耐冲击，寿命长，可靠性高；响应速度快，易与逻辑电平配合使用。 需要采集的输入开关量共需要采集的输入开关量共8 8路，分为两组，一组为路，分为两组，一组为4 4路路220V220V开关量输入，另一组开关量输入，另一组 为为4 4路路24V24V开关量输入。图开关量输入。图3.93.9 所示开关量通过光电隔离输入电路图。其工作原理是：所示开关量通过光电隔离输入电路图。其工作原理是： 当外部接点接通时，光电隔离的二极管导通，光电隔离的三极管也导通，其集电极当外部接点接通时，光电隔离的二极管导通，光电隔离的三极管也导通，其集电极 输出低电位；当外部接点断开时，光电隔离的二极管不导通，于是三极管截止，集输出低电位；当外部接点断开时，光电隔离的二极管不导通，于是三极管截止，集 电极输出高电位，软件读并行口该位的状态，即可知道外部接点的状态。图中二极电极输出高电位，软件读并行口该位的状态，即可知道外部接点的状态。图中二极 管起保护作用，用于防止开关量输入回路电源极性接反时将光电耦合器中的发光二管起保护作用，用于防止开关量输入回路电源极性接反时将光电耦合器中的发光二 极管反向击穿，另一方面二极管还能够加速继电器的返回。电容为抗干扰电容。这极管反向击穿，另一方面二极管还能够加速继电器的返回。电容为抗干扰电容。这 样，开关量经过光电耦合器后直接与保护样，开关量经过光电耦合器后直接与保护DSPDSP相应的通用相应的通用IOIO口相连，光敏三极管的导口相连，光敏三极管的导 通和截止完全反映外部接点的状态，带有电磁干扰的外部输入回路与微型机电路之通和截止完全反映外部接点的状态，带有电磁干扰的外部输入回路与微型机电路之 间没有直接电的联系，各种干扰信号不能进入微型机电路部分，从而达到抗干扰的间没有直接电的联系，各种干扰信号不能进入微型机电路部分，从而达到抗干扰的 目的。目的。 图图 3.93.9 开关量经光耦输入电路开关量经光耦输入电路 图图3.103.10 是开关量输入电路的部分电路图是开关量输入电路的部分电路图( (只画出只画出220V220V的一路输入的一路输入) )。在整体电路。在整体电路 中，上面中，上面4 4路为路为220V220V开关量输入电路，并配有两路开关量输入电路，并配有两路220V220V开关量监视电路；下面开关量监视电路；下面4 4路为路为 24V24V开关量输入电路，配有两路开关量输入电路，配有两路24V24V开关量监视电路。监视电路能够实现开关量监视电路。监视电路能够实现8 8路开关量输路开关量输 入信号的开启与停止，从而达到省电目的；同时，配备有自检回路，通过入信号的开启与停止，从而达到省电目的；同时，配备有自检回路，通过4 4路开关量路开关量 监视回路，可以实现监视回路，可以实现8 8路开关量输入通道的自检功能。路开关量输入通道的自检功能。 图图 3.103.10 开关量输入回路开关量输入回路( (以以 220V220V 的一路输入量为例的一路输入量为例) ) 图图3.103.10 的原理为：的原理为：6JA216JA21为为220V220V开关量控制开关量控制1 1端口。当该端口输入为端口。当该端口输入为“1“1“时，光时，光 电隔离器电隔