110kV输电线路零序电流保护设计(3).doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 微机继电保护微机继电保护课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：110kV110kV 输电线路零序电流保护设计（输电线路零序电流保护设计（2 2） 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气111111 学学 号：号： 110303011110303011 学生姓名：学生姓名： 左钰左钰 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间：2 20 01 14 4. .1 12 2. .1 15 5- -2 20 01 14 4. .1 12 2. .2 26 6 课程设计（论文）任务及评语课程设计（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 学 号 110303011 学生姓名左钰专业班级电气 111 课程设 计（论 文）题 目 110kV 输电线路零序电流保护设计（2） 课程设计（论文）任务 系统接线图如图： 课程设计的内容及技术参数参见下表 设计技术参数工作量 ,3/115kVE ,2 . 1 I rel K rel K1 . 1 rel K 系统中各元件及线路的负序阻抗与正 序阻抗相同,其他参数见图。 计算最大和最小零序电流，应根据当 Z1Z0时，则有；反之， )1 . 1( . 0 )1( . 0 kk II 当 Z1Z0时，则有。 )1 . 1( . 0 )1( . 0 kk II 一、整定计算 1.计算 B 母线、C 母线、D 母线处正序 （负序）及零序综合阻抗 Z1、Z0。 2.计算 B 母线、C 母线、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。 3.整定保护 1、2、3 零序电流 I 段的定值， 并计算各自的最小保护范围。 4.当 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 1、2 零 序定值，并校验灵敏度。 5.整定保护 1 零序段定值，假定母线 D 零序过电流保护动作时限为 0.5s，确定 保护 1、2、3 零序过电流保护的动作时限， 校验保护 1 零序段的灵敏度。 二、硬件电路设计 包括 CPU 最小系统、电流电压数据采 集、开关设备状态检测、控制输出、报警 显示等部分。 三、软件设计 说明设计思想，给出参数有效值计算 及故障判据方法，绘制流程图或逻辑图。 四、仿真验证 给出仿真电路及仿真结果，分析仿真 结果同理论计算结果的异同及原因。 续表 ZT4=50 ZT3=50 ZT2=10 ZG2=16 ZT1=10 32 1 ZG1=16 Z1.CD=40 Z0.CD=80 Z1.BC=20 Z0.BC=40 Z0.AB=40 A Z1.AB=25 D C B 进度计划 第一天：收集资料，确定设计方案。 第二天：计算综合阻抗和零序电流，零序 I 段的整定计算。 第三天：零序 II 段、零序 III 段的整定计算。 第四天：硬件电路设计（最小系统、数据采集、状态检测部分） 。 第五天：硬件电路设计（控制输出、报警显示部分） 。 第六天：软件设计（有效值计算、故障判据） 。 第七天：软件设计（绘制流程图或逻辑图） 第八天：仿真验证及分析。 第九天：撰写说明书。 第十天：课设总结，迎接答辩。 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 摘 要 随着时代的进步，电力系统的规模在不断扩大，用户对电能质量的要求也在不 断提高。因此，对继电保护装置本身的要求也越来越高，微机继电保护具备了传统 保护所没有的优良特性。 本设计首先简要介绍了电力系统微机继电保护的发展、技术构成及其发展方向。 其次对硬件、软件的结构做了分析，它的硬件结构核心由P89C51RD和DSP2181组成， CPU完成装置的总启动和人机界面及与外围设备的通信功能,CPU内设总启动元件，启 动后开放出口继电器正电源,使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。最后本文对 装置进行了软件结构设计，对各个模块的功能作了具体介绍。 本文研究的110kV输电线路微机零序电流保护原理分析与程序设计是由计算机实 现的线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式，适用于 110kV的输电线路。 关键词：微型机保护;110kV 输电线路;零序电流;重合闸 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 零序电流保护的概况 .1 1.2 本文主要内容 .2 第 2 章 输电线路零序电流保护整定计算.3 2.1 零序电流 段整定计算.3 2.1.1 零序电流 段动作电流的整定.7 2.1.2 灵敏度校验.8 2.1.3 动作时间的整定.11 2.2 零序电流段整定计算.11 2.3 零序电流段整定计算 .12 第 3 章 硬件电路设计.13 3.1 110KV 输电线路零序保护的硬件 .13 3.2 CPU 最小系统图 .13 3.3 数据采集系统.15 3.3.1 电压形成回路 .15 3.3.2 采样保持和模拟低通滤波.16 3.3.3 多路转换开关和模数转换.17 3.4 开关量输入输出系统 .19 3.4.1 开关量输入输出模块 .19 3.4.2 开关量输入部分 .19 3.4.3 开关量输出部分 .21 3.5 电源模块 .22 第 4 章 软件设计.24 4.1 程序总框图 .24 4.2 软件结构分析概述 .26 4.3 中断程序模块 .26 4.4 各程序的子模块介绍 .27 4.4.1 初始化 .27 4.4.2 启动元件 .28 4.4.3 零序方向电流保护 .28 4.5 微机保护的算法 .29 4.5.1 输入为正弦量的算法 .30 4.5.2 突变量电流算法 .30 4.5.3 选相方法 .32 4.5.4 傅里叶级数算法 .34 第 5 章 实验验证及分析.37 第 6 章 课程设计总结.39 参考文献.40 第 1 章 绪论 1.1 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， 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 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， 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)，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(包括安全性和信赖性两个方面)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 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 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。 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 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， 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 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 护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在EPROM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 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 1.计算 B 母线、C 母线、D 母线处正序（负序）及零序综合阻抗 Z1、Z0。 2计算 B 母线、C 母线、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。 3整定保护 1、2、3 零序电流 I 段的定值，并计算各自的最小保护范围。 4当 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 1、2 零序 定值，并校验灵敏度。 5整定保护 1 零序段定值，假定母线 D 零序过电流保护动作时限为 0.5s，确定 保护 1、2、3 零序过电流保护的动作时限，校验保护 1 零序段的灵敏度。 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。 第 2 章 输电线路零序电流保护整定计算 2.1 零序电流 段整定计算 系统接线图如图 2.1 所示： 图 2.1 系统接线图 利用大接地电流系统中发生接地短路时出现零序电流等的特点，可以构成反映 零序电流大小的多段式零序电流保护。零序电流一般为四段式，即零序电流保护第 、段。零序电流第、段为线路接地故障的主保护，第、为线 路接地故障的后备保护。 一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗、 1 Z 0 Z （1）当、均投入运行时：1G1T2G2T3T4T G11A B1BC1CDT1 G2T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图 2.2 、均投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T2G2T3T4T T4 0A B0BC0CDT1 T3 T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图 2.3 、均投入运行时等值零序网络图1G1T2G2T3T4T 如图 2.2 所示，与串联后和，再和 zG1zT1 的串联后并联和zT G22z 串联。， z111 , CDBCABzz 如图 2.3 所示， 串联。所以，综 zzzz0043021CDBCTTABTTzzz ，的并联进行串联，再与，与并联后和与 合阻抗计算如下： B 母线： ABTGTGB ZZZZZZ 122111 / 3320)1016/()1016( 4030 . 0 210 / TTABTTB ZZZZZZ 18)60/60/()4010/10( C 母线： 532033 111BCBC ZZZ 584018 000BCBC ZZZ D 母线： 934053 111CDCD ZZZ 1388058 000CDCD ZZZ （2）当、投入运行时:1G1T2G2T3T 如图 2.4 所示，串联。，的串联并联，并与和串联与和 zzzzzCDBCABtGTG1112211zz 如图 2.5 所示，串联。的串联并联，再与和串联与和 z003021 , CDBCTABTTzzzzz 所以，综合阻抗如下所求： B 母线： 3320)1016/()1016(/ 122111ABTGTGB ZZZZZZ 71.2560/)4010/10(/ 30210TABTTB ZZZZZ C 母线： 532033 111BCBC ZZZ 71.654071.25 000BCBC ZZZ D 母线： 934053 111CDCD ZZZ 71.1458071.65 000CDCD ZZZ G11A B1BC1CDT1 G2T2 Z ABCD Z ZZ ZZZ 图 2.4 、投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T2G2T3T 0A B0BC0CDT1 T3 T2 Z ABCD Z Z ZZZ 图 2.5 、投入运行时等值零序网络图1G1T2G2T3T （3）当、投入运行时1G1T3T4T 如图 2.6 所示，串联。串联，再与和 zzzCDBCABTG11111 , zz 如图 2.7 所示，串联。，的串联并联，再和和串联，与和 zzCDBCTTABT004301zzzz 所以，综合阻抗所求如下： G11A B1BC1CDT1 Z ABCD ZZZZ 图 2.6 、投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T3T4T T4 0A B0BC0CDT1 T3 Z ABCD ZZ ZZZ 图 2.7 、投入运行时等值零序网络图1G1T3T4T B 母线： 46201016 1111ABTGB ZZZZ 75.18)60/60/()4010(/ 4030010TTABTB ZZZZZ C 母线： 662046 111BCBC ZZZ 75.584075.18 000BCBC ZZZ D 母线： 1064066 111CDCD ZZZ 75.1388075.58 000CDCD ZZZ （4）当、投入运行时1G1T3T G11A B1BC1CDT1 Z ABCD ZZZZ 图 2.8 、投入运行时等值正序（负序）网络图1G1T3T 0A B0BC0CDT1 T3 Z ABCD Z ZZZ 图 2.9 、投入运行时等值零序网络图1G1T3T 如图 2.8 所示，串联。，串联，再与和 zz11111 , CDBCABTGzzz 如图 2.9 所示，串联。，的并联串联，再和和与 zzzCDBCTABT00301zz 其综合阻抗所求如下： B 母线： 46201016 1111ABTGB ZZZZ 27.2760/)4010(/ 3010TABTB ZZZZ C 母线： 662046 111BCBC ZZZ 27.674027.27 000BCBC ZZZ D 母线： 1064066 111CDCD ZZZ 27.1478027.67 000CDCD ZZZ 二、计算 B、C、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 （1）当、均投入运行时1G1T2G2T3T4T B 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 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 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）当、投入运行时1G1T2G2T3T B 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 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 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）当、投入运行时1G1T3T4T B 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 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 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）当、投入运行时1G1T3T B 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 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 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 2.1.1 零序电流 段动作电流的整定 一、保护 1 零序电流 I 段 （1） 、运行1G1T2G2T3T4T 取两相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KBKB IIkA ZZZZZ ZZ II TTABTT TT KBB 385 . 0 43021 43)1 . 1( 00 （2） 、运行1G1T2G2T3T 取两相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KBKB IIkA ZZZZ Z II TABTT T KBB 449 . 0 3021 3)1 . 1( 00 最大运行方式为：、运行1G1T2G2T3T 保护 1 的 I 段动作电流为：KAIKI Brelop 6164.1449 . 0 32 . 13 01 . 0 二、保护 2 零序电流 I 段 （1） 、运行1G1T2G2T3T4T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KCKC IIkAII KCC 405 . 0 )1( 00 （2） 、运行1G1T2G2T3T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KCKC IIkAII KCC 387 . 0 )1( 00 最大运行方式为：、运行1G1T2G2T3T4T 保护 2 的 I 段动作电流为：KAIKI Crelop 458 . 1 405 . 0 32 . 13 02 . 0 三、保护 3 零序电流 I 段 （1） 、运行1G1T2G2T3T4T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KDKD IIkAII KDD 205 . 0 )1( 00 （2） 、运行1G1T2G2T3T 取单相接地短路 )1( 0 )1 . 1( 0KDKD IIkAII KDD 200 . 0 )1( 00 最大运行方式为：、运行1G1T2G2T3T4T 保护 3 的 I 段动作电流为：KAIKI Drelop 738 . 0 205 . 0 32 . 13 03 . 0 2.1.2 灵敏度校验 一、保护 1 的最小保护范围计算 设 （） ， 则 AB AK Z Z k 1 1 10 1 k,4040,40,20 101011 111 kZkZkZ BKAKAK (1)、运行1G1T3T4T 8/ )4070)(41 ()()( 2030 11430010 11111 111 11 kkZZZZZZ kZZZZ TTBKAKTK AKTGK 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， 满足灵敏度要求%15% 7 . 33 1 k (2)、运行1G1T3T 11/ )40100)(41 ()()( 2030 1130010 11111 111 11 kkZZZZZ kZZZZ TBKAKTK AKTGK 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， 满足灵敏度要求%15%37.40 1 k 根据、，最小运行方式为：、运行1G1T3T4T 保护 1 的 I 段最小可以保护线路 AB 全长的 33.7% 二、保护 2 的最小保护范围计算 设 （） ， 则 BC BK Z Z k 2 2 10 2 k 2021 40,20 22 kZkZ BKBK （1）、运行1G1T3T4T 2043010 211111 0475.18)()( 2050 22 22 kZZZZZZ kZZZZZ BKTTABTK BKABTGK 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， 满足灵敏度要求KAII opK 422 . 1 3 2 . 0 0 2 %15%66.26 2 k （2）、运行1G1T3T 203010 21111 4027.27)( 2050 22 22 kZZZZZ kZZZZ BKTABTK AKTGK 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， 满足灵敏度要求KAII opK 422 . 1 3 2 . 0 0 2 %15%16 1 k 根据、，最小运行方式为：、运行1G1T3T 保护 2 的 I 段最小可以保护线路 BC 全长的 16% 三、保护 3 的最小保护范围计算 设 （） ， 则 CD CK Z Z k 3 3 10 3 k 3031 80,40 33 kZkZ CKCK （1）、运行1G1T3T4T 30043010 3111111 0875.58)()( 4070 33 33 kZZZZZZZ kZZZZZZ CKBCTTABTK CKBCABTGK 若 ,则取单相接地短路 33 01kK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II 3301 )1( 00 8075.58)4070(2 3/115 2 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 %15%97.46 3 k 此时，与矛盾 326.96,788.88 33 01KK ZZ 33 01KK ZZ 所以，取两相接地短路 33 01KK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II )8075.58(24070 3/115 2 3301 )1 . 1( 00 33 3 kkZZ E II KK s KDK KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 得， 满足灵敏度要求%15%20.43 3 k （2）、运行1G1T3T 3003010 3111111 8027.67)( 4070 33 33 kZZZZZZ kZZZZZZ CKBCTABTK CKBCABTGK 若 ,则取单相接地短路 33 01kK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II 3301 )1( 00 8027.67)4070(2 3/115 2 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 %15%65.41 3 k 此时，与矛盾 59.100,66.86 33 01KK ZZ 33 01KK ZZ 所以，取两相接地短路 33 01KK ZZ )1( 0 )1 . 1( 0KDKD II )8027.67(24070 3/115 2 3301 )1 . 1( 00 33 3 kkZZ E II KK s KDK 得， 满足灵敏度要求KAII opK 7272 . 0 3 3 . 0 0 3 %15%68.34 3 k 根据（1） 、 （2） ，最小运行方式为：、运行1G1T3T 保护 3 的 I 段最小可以保护线路 CD 全长的 34.68% 2.1.3 动作时间的整定 因为零序电流 I 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 0 即，保护 1、2、3 的动作时间：sttt I op I op I op 0 321 2.2 零序电流段整定计算 保护 1 的段与保护 2 的 I 段配合 ，保护 1 的分支系数 1min I 2 . 0 II 1 . 0 / bop II relop kIKI5 . 2 30 75 0 0 1min AB BC b I I k KAI op 626 . 0 5 . 2/422 . 1 1 . 1 II 1 . 0 灵敏度校验：最小运行方式为、运行1G1T3T4T 流过保护 1 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3 . 1005 . 1 626 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 II op II sen I I K 所以，保护 1 的段与保护 2 的段配合 ，保护 2 的分支系数 1min II 2 . 0 II 1 . 0 / bop II relop kIKI1 2min b k 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3 . 179 . 1 352 . 0 2096 . 0 33 1 . 0 min0 1 II op II sen I I K 所以，保护 1 的段动作电流：KAI op 352 . 0 II 1 . 0 保护 1 的段动作时间与保护 2 的段动作时间配合： stttttt I op II op II op 0 . 15 . 05 . 00 321 2.3 零序电流段整定计算 保护 1 的段与保护 2 的段配合 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、运行1G1T3T4T 作为近后备： 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： 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 D 零序过电流保护动作时限为 0.5s 所以保护 1 的段零序电流保护的动作时间与保护 2 的段动作时间配合： stttttt II op II op III op 5 . 15 . 05 . 05 . 0 321 第 3 章 硬件电路设计 3.1 110KV 输电线路零序保护的硬件 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 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。主系统：处理器（CPU） 、只读存 储器（ROM）或闪存内存单元（FLASH） 、随机存取储存器（RAM） 、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 功能。开关量（数字量）输入/输出系统，并行接口（PIA 或 PIO） 、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 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。 一般常采用开关稳压电源或 DC/DC 电源模块。其提供数字系统 5、24、+15、-15V 电 源。其构成图 3.1 所示： 图 3.1 硬件机构图 A/D MPU FLASH RAM 定定时时器器 出出 口口 电电 路路 并并行行接接口口 电电压压形形成成LPFS/H 人人机机对对话话 电电压压形形成成LPFS/H 串串行行接接口口光光电电隔隔离离 多多 路路 转转 换换 开开 关关 ) M P X ) 模模 拟拟 量量 输输 入入 ) 由由 T A 和和 T V 二二 次次 侧侧 来来 ) 光光 电电 隔隔 离离 通通信信 开开关关量量输输出出 （跳跳闸闸、信信号号） 开开关关量量输输入入 打打印印机机 数据采集系统微型机系统输入/输出系统 采样脉冲 总线 3.2 CPU 最小系统图 本设计中的 89C51 的最小系统包括 89C51 单片机，6264 可编程 I/O 接口，晶振 电路，按键复位电路。 CPU 最小系统图如图 3.2 图 3.2 CPU 最小系统 1.复位电路： 无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复 位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开 始工作。 单片机的复位条件：必须使其 RST 引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电 平。单片机的复位形式：上电复位、按键复位。上电复位和按键复位电路。 图 3.2 为手动按键复位电路。 2.时钟电路 单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有 序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有 两种产生方式，内部时钟方式和外部时钟方式： OE 22 WE 27 CE 1 20 A12 2 A11 23 A10 21 A9 24 A8 25 VCC 28 CE 2 26 GN D 14 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 I/O 7 18 I/O 6 17 I/O 5 16 I/O 4 15 I/O 3 14 I/O 2 13 I/O 1 12 I/O 0 11 6264 S1 SW-PB C5 R4 10K C3 10uF D3 VCC C1 300PF C2 300PF Y1 12MHz NetLabel48 NetLabel49 RD 17 WR 16 P2.7 28 P2.4 25 P2.3 24 P2.2 23 P2.1 22 P2.0 21 P0.7 32 P0.5 34 P0.6 33 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 AL E 30 EA 31 GN D 20 XT AL 1 19 XT AL 2 18 RST 9 89C51 VCC Q7 19 Q6 16 Q5 15 Q4 12 Q3 9 Q2 6 Q1 5 Q0 2 OE 1 D7 18 D6 17 D5 14 D4 13 D3 8 D2 7 D1 4 D0 3 G 11 74373 NetLabel50 NetLabel51 内部时钟方式是在单片机 XTAL1 和 XTAL2 引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容， 可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为 024MHz，常用的晶振频率有 6MHz、12 MHz、11.0592 MHz、24 MHz 等。一些新型的 单片机还可以选择更高的频率。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡 信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用 2030pF 的瓷片电 容。外部时钟方式则是在单片机 XTAL1 引脚上外接一个稳定的时钟信号源，它一般 适用于多片单片机同时工作的情况，使用同一时钟信号可以保证单片机的工作同步 3.3 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 （S/H） 、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D） ，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 3.3 所示： 电压 形成 前置 低通 滤波 采样 保持 多路转 换器 A/D 转换 模拟信号输入 图 3.3 数据采集系统 3.3.1 电压形成回路 本文研究的 110KV 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 3.4 所示的电路转换为 mA 级的电流信号；将由二次电压互感器转换 来的电压信号（100V）通过如图 3.5 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 mA 级的电流信号经过如图 3.3 所 示的电路，进行放大处理转换为电压信号，作为 A/D 转换的输入信号。 图 3.4 电流输入信号 电路图 3.4 中，电阻 Z 俩端电压也是电阻俩端电压，通过变比 1：n， u2RLH 可以求出,由欧姆定理可知，电压所求如公式： i2u2 n i1 22 RIRULHLH 图 3.5 电压信号输入 如图 3.5，因为变比为 n:1，所以 1 n u u 2 1 3.3.2 采样保持和模拟低通滤波 采样保持电路，又称 S/H 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 流信号中可能含有较高的频率分量（如 2KHz 以上） ，为防止混淆，频率将不得不用 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， 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 器（如图 3.6 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 滤波器来滤除。 图 3.6 低通滤波器 3.3.3 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 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 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 A/D 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 MPX 切 换，轮流由公用的 A/D 转换成数字量后输入给装置。 模拟量 1 模拟量 n 电压形成 电压形成 LPF LPF S/H S/H 多路转换开关 A/DCPU 采样脉冲 图 3.7 数模转换 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 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 3.8 为一个 4 位数模转换器的电路图，更多位数的情况与此类似。 输出电压为： DR RU U fr 0 图 3.8 数模转换电路图 可见