（电力系统及其自动化专业论文）中、低压电网母线微机保护装置研究.pdf

太曩i 大掌习e 士研，：生单位能支 s t u d yo fm i c r o c o m p u t e r - b a s e d b u sp r o t e c t i o ns u i tf o rm vo rl v p o w e rs y s t e m a b s t r a c t n o w a d a y s ，b u s b a r p r o t e c t i o ni sc o m m o n l yn n i n s t a l l e do nm v o r l v p o w e rs y s t e m i no u r c o u n t r y b u tw h e nf a n i tw a s o c c u r r e d ，s o m e t i m e st h e r ew o u l db eg r e a tl o s s f o rt h er e a s o n t h e p a p e rp u tf o r w a r dam i c r o c o m p u t e rb u sp r o t e c t i o ns c h e m es u i tf o r m vo rl v p o w e rs y s t e mw i t hl o wc u r r e n tg r o u n d i n gb a s e do nt h e g r e a tr e s e a r c h i n g a b o u tt h e w o r k i n gt h e o r y o fc u r r e n tb u s p r o t e c t i o n sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm v o rl vs y s t e mw i t hl o w c u r r e n tg r o u n d i n g b a s e do ni t , t h ep a p e rh a sd e s i g n e dt h ep l a t f o r m o f t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ep r o g r a m s f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec o m m o n l yh a r d w a r ec o n f i g u r e o fm i c r o c o m p u t e rr e l a y i n ga n dt h ef u n o t i o no fe v e r ym o d u l eo f i n d u s t r y c o n t r o l l i n gc o m p u t e rs t d 9 0 3 8 6 s e c o n d i y t h ep a p e r i n t r o d u c e ds e v e r a l t y p e sb u s b a r p r o t e c t i o nw h i c hw a sc o m m o n l y i n s t a l l e do ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fm vo r l vs y s t e mw i t hl o wc u r r e n tg r o u n d i n g b a s e do hi t t h ep a p e rp u t f o r w a r d st h et h e o r yo fp e r c e n t a g e - r e s t r a i n td l i f e r e n t i a ir e l a y a f t e r t h a t ，i nt h ed i s c u s s i n ge v e r yp r o b l e m so ft h er e l a y i n gw o r k i n gt h e p a p e rp u tt h ee m p h a s i so nt h en e g a t i v ee f f e e to ft h ec t s a t u r a t i o n a n dc o u n t e r m e a s u r e a st h ek e r n e lo fs o f t w a r e ，t h ea l g o r i t h mi s a n o t h e re m p h a s i so ft h ep a p e r sw o r k s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo f r e l a y i n gw o r k i n g ，a f t e rc o m p a r i n g t h ee f f e c tb e t w e e nt h ea l g o r i t h mo f i n s t a n t a n e o u ss a m p l i n ga n dt h ea l p r i t h mo fv e c t o r ，t h ev i r t n eo f 太j u 臣z 大攀硬士研竞生掌位饨戈 s h o r td a t aw i n d o w sa n dp r e c i s i o na c t i o nw a ss t o o do u t a n dt h e c h o i c eo fa l g o r i t h mw i t ht h r e es a m p l i n gd a t aw a sf o rt h er e a s o no f s h o r td a t aw i n d o w s i nt h ee n do ft h ep a p e ri st h ed i s c u s s i n go fh o w t oi m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd e v i c e a st h ei m p o r t a n tp a r to f t h e o r ya p p l y i n g , e v e r yr e s e a r c h e ro fm i c r o c o m p u t e rr e l a y i n gm u s t t h i n ko fi tc a r e f u l i y k e yw o r d s ：t h e s y s t e mw i t hl o w c u r r e n tg r o u n d i n g ，t h et h e o r yo f p e r c e n t a g e r e s t r a i n td i f f e r e n t i a lr e l a y , t h ea l g o r i t h mo f i n s t a n t a n e o u s s a m p l i n g 太鲧理工大学硬士学位论文 第一耄绪论 1 1 论文选麟意义 母线作为电能汇集与分配的枢纽，在电力惹统占有极其重要的 缝位。母线运行豹可靠髋将壹接影响到簸个电阏的可靠性；母线短 路故障糟不能及时切除，将使事救扩大，破坏电力系统鲢稳定遮行 1j ，造成电网的瓦解。因此，研究可靠性高，选择性好，动作速度 侠懿霉线保护一赢受赛继电保护工作者豹关注。霹前謦内1 1 0 k v 殿以上电压等级的母线上都装有专门的母线保护，用以快速切除母 线区内敖障，满怼系统稳定的需器。而3 5 k v 以下降压供电系统由 于没有稳定问题，一般束装设母线保护，母线故辕是靠变压器詹器 保护( 复合电压过流保护) 切除，由于母线短路故障电流大、故障 持续对翘长，严鬟笼及交篷器、嚣关设备l 朝。各省南毫娩弱发生豹 低压母线故障，经常会造成故障贸关柜烧毁及棚邻多个开关柜赋时 受损，扩大了设备损失，使用户长对间捧电，遣成了很大的社会影 魄程经济损失。函此，根据继电保护快速性要求 在短爨容量较大 的低压系统中，考虑加装母线保护，对于保障变压器及母线设备的 安全是鸯零l 熬。 本文根据低压母线、馈线路运行及葺已置特点。并参照了当前圆 蠢豹各鍪主流敲褫母绦，在s t d 9 0 3 8 6 工拄祝上撵逾了专门锌对审、 太原理工大学硕士学位论文2 低压小接地网络的微机保护装置的设计方案，具有很强的实用性。 1 2 本论文的主要工作 本文在认真分析当前国内外母线微机保护装置说明书，期刊， 论文的基础上针对小电流接地的中、低压网络设计了适合其特点的 整体保护动作方案，充分考虑了保护运行可能遇到的各种问题，如： c t 饱和，p t 、c t 断线，不平衡差电流，母联断路器失灵以及和其 他线路、变压器保护的配合问题，如：馈线后备保护等。针对保护 方案选取了相应的采样算法，在此基础上设计了软件框图，并在基 于s t d 总线的9 0 3 8 6 工控机上用t u r b oc 语言编制了功能程序。 太原理工大学硕士学位论文 第二章装置的硬件原理及组件 2 1 微机保护硬件概述 微机继电保护是以微机m c u 为核心，利用其高速，准确，智 能化的信息处理能力，对检测到的反映电力系统运行状况的电气量 进行分析计算，并根据技术人员预先进行的设定，对所监测的输配 电线路、或电气元件进行动作，以实现保护功能f 3 】。采用微机保 护较之传统保护( 机电型、电磁型、整流型、晶体管型、集成电路 型) 的优点在于接线简单，动作可靠、准确、快速，易于附加扩展 功能，能自动适应运行方式的变化，可以综合各种动作原理，性价 比高等。基于上述原因，微机保护已成为保护界的发展趋势。 通常，微机继电保护装置的硬件电路由五个功能单元构成： m c u 单元，数据采集单元，开入开出单元，工作电源和人机对话 单元。如图2 1 所示。 图2 - 1微机继电保护构成框图 太原理工大学硕士学位论文 2 1 1 微处理器单元( m o t l ) 微处理器是微机继电保护计算、控制的核心部分，由c p u ( 中 央处理器) 、r a m 、r o m 、串并接口、定时摄等组成。根据整套微 机保护中的c p u 数量可分为单c p u 系统和多c p u 系统。 在用一片微处理器构成微机继电保护装置中，整套装置的所有 继电保护功能都是在一个微处理器的管理下，通过继电保护程序来 实现的。各种继电保护功能程序以串行的方式依次执行；而用多片 c p u 构成的微机继电保护装置中，由于有多片微处理器，可以将保 护功能程序分配给不同的微处理器，各微处理器之间以并行方式执 行保护功能程序，这样，缩短了保护程序的执行时间，提高了保护 动作的速动性。 随着微机保护的发展，新的保护方案，特别是基于故障波形特 征或高频分量的保护原理受到了越来越多的关注并得到实际应用。 然而这些新方法在改善保护性能的同时也对保护装置的硬件平台 提出了更高的要求。随着实时操作系统与嵌入式系统的应用日益广 泛，相继出现了几种可供高性能微机保护装置选用的微处理器，下 面列举出一些： 1 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) d s p 器件的突出特点是计算能 力强、精度高、总线速度快、i o 吞吐量大，尤其是采用专用硬件 电路来实现乘法，付式算法，极大的缩短了m c u 对信号的处理时 间，有助于保护动作速度的提高。 2 r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) r i s c 器件一般具有较 高的主频和很强的运算能力。由于兼有嵌入式设计和出众的浮点运 算能力因而能够较好的满足微机保护的要求。然而r i s c 由于主频 太原理工大学硕士学位论文5 较高，系统设计较单片机复杂、开发工具在国内不普及等原因，目 前在微机保护装置中应用较少。 3 x 8 6x 8 6 器件是在3 8 6 或4 8 6 的基础上通过集成外围器件和 接口而形成的p c 机软硬件兼容的嵌入式处理器。尽管这类器件在 性能上较前两者逊色( 相同主频而言) ，然而由于可以利用p c 机丰 富的开发环境、应用软件和电路设计技术，因而受到众多工控机厂 家的欢迎。本装置就是在9 0 3 8 6 工控机的硬件平台上实现的。 2 1 2 数据采集单元 数据采集单元( 或称模拟量的输入系统) 包括电压形成、模拟 滤波( a l f ) 、采样保持( s m ) 、多路转换( m p x ) 以及模数转换 ( 怕) 等功能块，完成将模拟量准确地转换为所需的数字量。 2 1 2 1 电压形成回路 微机保护要从电力线路或设备的电流、电压互感器中取得电气 量，但这些电气量的数值范围却大大超过了微机保护要求的5 v 或 1 0 v 的电压信号的要求，所以一般还须加装中间变换器来实现变 换。交流电流的变换一般采用电流中间变换器并在其二次侧并联电 阻以取得所需电压的方式。此外，也有采用电抗变换器的。但是由 于电抗变换器有放大高频的作用，容易使二次电压发生畸变，故不 多采用。但是采用_ 并联电阻的电流变换器。其铁芯较易饱和，在设 计和使用中要重点注意。另外，这些中间变换器还可起到屏蔽和隔 离的作用，可提高保护的可靠性。 2 1 2 2 采样保持( s h ) 电路和壤拟低通滤波c a l l = ) s h 电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时 太原理工大学硕士学位论文6 刻的瞬时值，并在模数转换期间内保持其输出不变。s h 电路的工 作原理可用图2 - 2 来说明。它由电子模拟开关k 、电容c 和两个阻 抗变换器组成。开关k 受逻辑输入端电平控制。高电平时k 闭合， 此时，电路处于采样状态。c 迅速充电或放电到u 在采样时刻的电 压值。k 闭合的时间应满足使c 有足够的充放电时间即采样时间。 采样时间希望越短越好，所以阻抗变换器i 在输入端呈现高阻抗， 在输出端阻抗很低，使c 上电压能迅速跟踪到u 值。k 打开时，c 上保持住k 打开瞬间的电压，电路处于保持状态。同样，为提高保 持能力，另一个阻抗变换器i i 的输入呈高阻抗，输出( u ) 很低， 以增强带负荷能力。 2 - 2 采样保持电路原理图 高质量的采样保持电路应满足： l 、使c 上电压按一定的精度跟踪上u 所需的最小采样宽度t ，对 快速变化的信号采样时，要求t 尽量短，以便可以用很窄的采样脉 冲，这样才能准确的反映某一时刻的u 值。 2 、保持时间要长。 3 、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。 上述1 、2 两指标一方面决定于阻抗变换嚣的质量，另一方面也和 电容器c 的容量有关。就截获时间来说，c 越小越好，但就保持时 太原理工大学硕士学位论文7 间而言，c 越大越好。所以设计者应根据使用场合的特点，在二者 之间权衡后选择合适的c 值。 采样总是按一定的频率工作的，为了满足采样定理，必须限制 输入信号的最高频率，也就是说必须给输入信号一定的带限。前置 低通模拟滤波( a l f ) 的作用就在于可以将电气量信号中不需要的 高频分量滤除。通过此种方法可以保证采样频率大于电气量信号频 率的两倍，从而避免造成频率的混叠。还应提出，实际上电流互感 器、电压互感器对高频分量已有相当大的抑制作用，因此不必对抗 混叠的a l f 提出很严格的要求，如：不一定要求很陡的过渡带， 也不一定要求阻带有理想的衰耗特性，否则高阶的模拟滤波器将带 来长的过渡过程，影响保护快速动作。模拟低通滤波器可以分为无 源滤波器和有源滤波器两种。在微机继电保护中常采用无源阻容 r c 低通滤波器，但是此种滤波器虽然具有结构简单，可靠性高， 能耐较大的负载和浪涌冲击等优点，但其传递函数的极点永远只能 位于s 平面的负实轴，频率特性总是单调衰减，无法做到通带平坦 和过渡陡峭。所以r c 滤波器会对本来在数值上较小的谐波分量衰 减很大，这对于用非基波量作判据的保护是不适宜的，但本装置并 非用高次谐波作判据，可以采用。 下图为二阶r c 滤波器电路图，其中r = 3 k f l ，c = 0 4 7 心。 rr 图2 - 3r c 无源低通滤波器 太原理工大学硕士学位论文8 2 1 2 3 模拟量的多路转换开关( _ p x ) 如果多个模拟输入信号共用一个模数转换器a d ，当把模拟量 转换成数字量时，必须使用某一元件把各个模拟输入信号依次接入 模数转换器a d 的输入端，那么这一元件就是多路转换开关。因模 数转换器a d 的价格比较昂贵，采用多个模拟输入信号共用一个模 数转换器的数据采集方式应用较为广泛。而多路转换开关选哪一路 模拟输入信号进行模数转换完全由控制字来决定。 2 1 2 4 模数转换( d ) 由于微机只能对数字量运算，因此必须采用模数转换器将连续 的模拟电气量转换为离散的数字量。 模数转换器可以认为是一编码电路。它将输入的模拟量u 相 对于模拟参考量u 。经一编码电路转换成数字量d 输出。关系式为： d ：阻1 ， l u 。j 式中d 是小于1 的二进制数。 d = b 1 2 - 1 + b 2 2 _ 2 + + b 。2 一“( 2 - 1 ) 式中b 。为其最高位，b 。为最低位，b 。b 。均为二进制码，其值只 能是1 或0 。由于编码电路的位数总是有限的，而d 却可能 为任意值，因而必然存在舍入误差。所以a d 的位数越多，所引入 的量化误差就越小，分辨率就越高。 模数转换的方式很多，总体上可以分为两类，即比较方式和积 分方式。比较方式主要有逐位比较和并联比较两种。目前，电力系 统用的较多的是逐位比较的模数转换器，下面简单的介绍一下。 太原理工大学硕士学位论文 逐位比较式模数a d 原理图见图2 4 图2 4 逐位比较式a d 转换原理图 转换经开始，控制器即首先在数码设定器中设置一个数码，并经 数模转换器d a 反变换为模拟电压u 。，反馈到输入端，使之与待 转换的输入模拟电压u 进行比较。若所设定的u 。大于被转换的电 压u ，则重新设定较小的数码，转换成较小的反馈电压u 。再去同u 相比较。如果设定值小于u 则保留已设定数码，并再次附加以较小 的数码，使所设定的数码总值增加再反馈到输入端与u 比较，并根 据结果重复上述做法，直到所设定的数码总值转化成的反馈电压 u 与u 尽可能的接近，若其误差小于所设定数码中可改变的最小 值，此时数码设定器中的数码总值即为转换结果。 逐位比较就是指按照数码的设定方式从最高到最低位逐次设 定每位的数码是1 还是0 ，并通过数模转换器d a 逐次将设 定数码转换为基准电压u 。并与待转换的模拟电压u 相比较，直到 最终确定出每一位数码是l 或0 。比较的次数与模数转换器 的位数相同。 2 1 3 开关量输入、输出单元 太原理工大学硕士学位论文 1 0 - 2 ，1 3 1 开关量的输入回路 对于微机保护的开关量输入，即接点状态( 接通或断开) 可分 为两大类。 1 、内部开关量：安装在装置面板上的接点。对于这一类的触点状 态包括起动继电器触点的状态。如：当线路发生故障时，起动继电 器动作，其触点闭合；保护装置在调试或运行中定期检修时使用的 操作键盘的触点状态；切换工作方式的转换开关的状态等等。 2 、外部开关量：从装置外部经过端子排引入装置的接点。这类开 关量主要有保护屏上的压板、连片、切换开关触点、操作继电器的 触点。 对于装在面板上的接点，可直接接至微机的并行接口，如图 2 5 所示，只须在初始化时规定图中的可编程并行口p a 。为输入口， 则c p u 就可通过软件查询，随时知道图2 - 4 中外部接点k 的状态。 图2 - 5装曼面板上的接点与微机接口连接 对于外部引入的接点，若也按上述方法简单引入，将会给微机 带来干扰，故须引入光电隔离元件。如图2 - 6 太原理工大学硕士学位论文 打印机输出 图2 - 6装置外部接点与微机的连接接线图 + 2 2 0 v 0 v 图中的虚线框内是一个光电耦合器件，集成在一个芯片内，当 外部接点k 接通时，有电流通过发光二极管，使光敏三极管导通。 k 打开时，光敏三极管截止。故三极管的导通和截止完全反映了外 部接点的状态，而外部干扰电路和微机回路部分无电的联系，而磁 联系亦极弱，所以避免了干扰。 2 1 3 2 开关量输出回路 开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号 等。一般都采用并行接口的输出口来控制接点继电器，但为了提高 抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离，如图2 - 7 。 + 5 v+ e 冈27装置丌火输山回路接线罔 太原理工大学硕士学位论文 只要由软件使并行口的p b 。输出0 ，p b ，输出1 ，便可使 与非门h 输出低电平，光敏三极管导通，继电器j 被吸合。在初始 化和需要继电器j 返还时，应使p b 。输出1 ，p b 输出0 。设 置反相器b ，及与非门h ，而不是将发光二极管直接同并行口相连， 一方面是因为并行口的带负载能力有限，不足以驱动发光二极管， 另一方面因为采用与非门后要满足两个条件才能使j 动作，增加抗 干扰能力。最后应注意，p b o 经一反相器，而p b 却没有，这样可 防止拉合直流电源的过程中继电器j 的短时误动。因为在拉合直流 电源过程中，当5 v 电源处在中间的某一电压值时，可能由于逻辑 电路的工作紊乱而造成保护误动，特别是保护装置的电源往往接有 大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5 v 电源还是驱动继 电器j 用的e ，都可能相当缓慢的上升或下降，从而使继电器j 短 时闭合。采用2 - 6 接法后，由于两个相反的条件相互制约，可以可 靠的防止误动作。 2 1 4 人机对话单元 当前的电力系统的微机继电保护装置中，大多具有与电力系统 自动化网络相联系的计算机接口，以及供运行人员了解，掌握，管 理微机保护装置的人机对话系统单元。按照功能划分，通常有以下 几部分组成：键盘，打印机，夜晶( 或显示器) 。键盘是数据输入 的外部设备，能实现运行人员对微机继电保护装置在线运行状态的 干预并完成保护定值的设定和修改等工作，通常包括功能键和数字 键，通过并行接口与微处理器相连；夜晶( 或显示器) 是微机继电 太原理工大学硕士学位论文1 3 保护装置显示有关数据、信息并向运行人员报告运行状态和结果的 设备，通常通过串口与m c u 相连；打印机能永久保存故障时间， 故障类型等相关信息，通常通过并口或串口与m c u 相连。 2 1 5 工作电源 工作电源是微机保护装置的重要组成部分。电源工作的可靠性 将直接影响整个微机继电保护装置的可靠性。由于电源是信号引入 干扰的一个重要途径，所以电源的抗干扰能力一定要强。 微机保护的工作电源，通常采用逆变稳压电源。根据需要提供 的直流电压有5 v ，1 2 v ，2 4 v 等几个电压等级，其中5 v 专门向 m c u 及其附属回路供电；1 2 v 要向运算放大器回路供电；2 4 v 向 出口网路及继电器供电；d c l 2 v 向开关量输入供电；d c 2 4 v 向开关 量输出供电。同时各级电压不共地，防止损坏芯片，及避免相互干 扰。 2 2 本装置硬件配置的组成概述 根据电力微机保护装置的实时特性要求，以及低压母线的运行 特性，我们选用在北京超拓公司的s t d 9 0 3 8 6 - 2 工控机平台上构建 低压母线微机保护装置，完全符合当前较为流行的嵌入式实时多任 务操作系统的设计理念。 首先，嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件 系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类 似于b i o s 的工作方式。具有软件代码小，高度自动化，响应速度 快等特点。而实时多任务操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 是根据操作系统的工作特性而言的。实时是指物理进程的真实时 太原理工大学硕士学位论文1 4 间。实时操作系统是指具有实时性，能支持实时控制系统工作的操 作系统。首要任务是调度一切可利用的资源完成实时控制任务，其 次才着眼于提高计算机系统的使用效率，重要特点是要满足对时间 的限制和要求。 实时操作系统应具有如下的功能 1 ) 任务管理( 多任务和基于优先级的任务调度) 2 ) 任务间同步和通信( 信号量和邮箱等) 3 ) 存储器优化管理( 含r o m 的管理) 4 ) 实时时钟服务 5 ) 中断管理服务 s t d 9 0 3 8 6 - 2 采用九十年代末的最新科技成果s i n g l ep c0 n c h i p 技术，即采用超集成度的单片计算机芯片( 一个芯片相当于一 台计算机) ，主频为4 0 m h z 。支持c g a 、v g a 以2 5 6 色全彩色图文显 示。支持各种i b m p c 兼容的操作系统。 s t d 9 0 3 8 6 - 2 采用的是s t d 标准工业总线，所谓s t d 正是 “s t a n d a r d ”标准的缩写。总线是计算机模块间传递信息的通道。 总线技术在整个计算机系统中占有十分重要的位置。任何系统的研 制和外围模块的开发都必须服从一定的总线规范。按照总线传递的 信息的类别，总线可分为地址总线，数据总线和控制总线三类。而 按照总线在微机结构中所处的不同位置，可把总线分为四类： 1 、片内总线：是c p u 芯片内部各功能单元电路之间传输信息用总 线。 2 、芯片总线：也称片级总线。用于同一块电路板上c p u 与外围芯 片间的互联。 太原理工大学硕士学位论文1 5 3 、系统总线：也称板级总线，是微机特有的一种总线。为了使系 统灵活和便于开发，微机系统多采用模块结构，由多个模块组成一 个系统。一个模块往往就是一块电路板，各电路板的插座间就是用 系统总线相连，因此系统总线一定是规格化的，可通用的，必服从 某一总线标准。 4 、外部总线：用于微机系统之间的通讯网络或用于微机系统与电 子仪器和其它设备相连接。 s t d 总线是系统总线的一种。共有5 6 条引线，包括1 6 条地址 线，8 条数据线，2 2 条控制线( 其中3 条为双向线) ，1 0 条电源线 ( 其中6 条为逻辑电源线，4 条为辅助电源线) 。 和大多数总线一样，s t d 总线所有的数据线和地址线都是三态 隔离式的。由于s t d 总线所有的信号线定义明确，消除了其他总线 常见的定义混乱的现象。适应性很好，能与任何通用的8 位及1 6 位微处理器相配：采用扩展后的s t d 3 2 总线方法及a l l i n o n e 方 式后可以和3 2 位m c u 兼容。具有开放式的体系结构与i b mp c 完全 兼容的设计，其产品的操作系统完全支持m s d o s ，w i n 3 2 ，w i n 9 5 ， 使熟悉p c 的技术人员都能操作与控制s t d 总线系统。 由于s t d 总线产品具有很高的性能价格比，很适合我国国情，因 而深受广大用户的青睐，本装置的硬件即由高性能的s t d 9 0 0 0 系列 工业控制机构成，装置的组成如图2 - 8 太原理工大学硕士学位论文 图2 - 8低压母线微机保护装置硬件结构图 2 2 1 本装置用到的s t d 9 0 0 0 系列模块； l 、s t d 9 0 3 8 6 2c p u 模块i s ，主要性能如下： ( 1 ) 增强e i d e 接口，可接任意容量的硬盘； ( 2 ) 采用a 1 im 6 1 1 7 d 单片与i n t e l 兼容的3 8 6 s x - 4 0 c p u ，几乎集 成了所有的c p u 外围芯片功能，使系统的集成度高，可靠性大大提 高，而功耗却大大下降； ( 3 ) c p u 主频高达4 0 m h z ，支持d s l 2 c 8 8 7 实时时钟； ( 4 ) s t d 9 0 3 8 6 2 可支持c g a 、v g a 以2 5 6 色全彩色图文显示。 ( 5 ) s t d 9 0 3 8 6 2 支持各种i b m p c 兼容的操作系统。主要有 d o s 6 2 2 、w i n d o w s 3 2 、w i n d o w s 9 5 等。 ( 6 ) s t d 9 0 3 8 6 2 可支持两个3 5 寸的软驱。 太原理工大学硕士学位论文1 7 ( 7 ) s t d 9 0 3 8 6 2 支持一个标准并行口l p t l ，支持两个基本点标准 串行接口c o m l 、c o m 2 ，其中c o m 2 可以通过跳线设置成r s 2 3 2 串口或r s 4 8 5 串口。方便保护装置的m c u 与外围设备或远端 计算机网络相连。 ( 8 ) 板上自带p s 2 键盘接口和+ 5 v 小型蜂鸣器。 ( 9 ) s t d 9 0 3 8 6 2 支持d s l 2 c 8 8 7 ，可以很好的解决千年问题。 ( 1 0 ) s t d 9 0 3 8 6 2 自身带p c i 0 4 总线接口，可以挂接各种p c i 0 4 总 线接口的模板( c p u 板除外) 。 ( 1 1 ) 复位电路有手动和系统两种方式，采用m a x l 2 3 2 复位电路， 具有电源电压监视功能。 ( 1 2 ) 支持8 k 串行e 2 p r o m 功能，用来保存重要数据。 ( 1 3 ) 采用国际上最新9 9 年d i s ko nc h i p2 0 0 0f l a s hd i s k 电子 盘技术，使电子盘容量可达1 4 4 m b ，可根据需要通过总线扩 展为e p r o m f l a s h s r a m 电子盘，特别适合恶劣工业现场使 用； ( 1 4 ) 板上具有非常灵活的可编程看门狗技术，增加系统稳定性； ( 1 5 ) 六层板工艺，板内元件单一+ 5 v 电源工作，有效避免电磁干 扰影响 1 2 v 电源用于p c 1 0 4 总线扩展。 ( 1 6 ) 板上采用e d od r a m 帖片工艺，具有4 m b 内存，采用帖片工 艺使该板具有抗强震动，灰尘等工业现场； ( 1 7 ) 可根据用户的需要固化s t a n da n dc m o s 设置，在任何强干 扰下不丢失c i o s 设置； 2 、s t d 9 4 4 8a d ( 模数) 转换板1 6 1 ，主要技术特性如下： 太原理工大学硕士学位论文1 8 ( 1 ) s t d 9 4 4 8 仅须单个+ 5 v 电源供电，板上自带高效的d c d c 变换 器。用户无须准各要求苛刻的1 5 v 电源。 ( 2 ) 允许3 2 通道单端输入或1 6 通道双端输入。在单端输入时， 还可选择板内提供的1 0 v 基准电压或外接基准电压连接成伪差 分输入方式。不论何种方式，每个模拟输入端允许最大输入 2 0 v 。 ( 3 ) 非线性误差为1 l s b ，一次a d 转换时间为1 0 us ，包括信 号建立时间在内系统数据采集速率大于3 0 k - i z 。 ( 4 ) s t d 9 4 4 8 可提供查询和中断两种状态输出，其中断申请可直接 接入任一种c p u 中断系统。s t d 9 4 4 8 设有多种量程，包括o j v 到l o v 若干种，使用十分方便。 ( 5 ) s t d 9 4 4 8 板选地址可在1 0 0 h 1 f f h 之间任选一个偶数地址及 这个地址数加1 的地址，这两个连续地址即可完成通道选择及 1 2 位数据的读取。初始化时将其设为了0 x 1 5 0 ，0 x 1 5 1 。 3 、s t d 9 3 7 2 2 开关量输入板【7 】，主要技术特性如下： ( 1 ) s t d 9 3 7 2 - 2 是带光隔、共地型开关量输入板，与用户接口设备 之间完全电隔离； ( 2 ) 3 2 个开关量输入( 输入信号共地) ，占四个连续口地址，初始 化时将其设为：0 x 1 5 4 ，0 x 1 5 5 ，0 x 1 5 6 ，0 x 1 5 7 ； ( 3 ) 输入端有r c 滤波电路，以消除噪音： ( 4 ) 采用单端输入； ( 5 ) 工作模式为c p u 扫描，不支持硬件中断逻辑。 下图为其输入电路示意图 太原理工大学硕士学位论文 v c 。 图2 - 9s t d 9 3 7 2 2 开关量输入电路示意图 输入信号、经r c 滤波，光隔后由l p 经缓冲器送至数据总线。 不同的v i 可由相应的r 调整，以满足流过光耦器件的电流为 5 - 1 0 m a 。当输入信号对地短接或接低电平时，则相应的位为“0 ”； 当输入信号对地接高电平时，相应的位为“1 ”。 4 、s t d 9 3 1 1 - 2 开关量并行输入、输出控制板【8 】 由板的通道选择电路、控制逻辑电路、光电隔离输入缓冲电路、 输出数据锁存、光电耦合驱动电路以及输出驱动电路组成。硬件结 构框图如下： 太原理工大学硕士学位论文 图2 1 0s t d 9 3 1 1 - 2 开关量输入输出电路示意图 主要技术特性如下： ( 1 ) 1 6 路光电隔离开关量并行输入、输出，模板和c p u 间通过“读” 指令和“写”指令进行对话。“读”指令直接访问板上两个字节输 入通道中任一个以读取受控开关量状态信息或数字量信息，“写” 指令分别向受控对象输出两个字节的开关量信息或数字量信息，控 制外部设备的启停等开关动作。 ( 2 ) 采用光电隔离技术，以消除公共地线和电源干扰。具有较强 的输出驱动能力和电平转换能力，可达2 4 v 2 0 0 m a ，能直接驱动继电 器和电磁阀； 太原理工大学硕士学位论文2 1 ( 3 ) 输入、输出延时时间不大于l o us ； ( 4 ) 1 6 点输入、输出通道共用两个连续的i 0 地址。初始化时将 其口地址设为0 x 1 8 2 ，0 x 1 8 3 ； ( 5 ) s t d b u s 需要+ 5 v 电源，开关量输入和输出电路需要有一个与 s t d b u s 相互隔离的d c l 2 v d c 2 4 v 外部电源： 2 2 2 人机对话系统硬件配置 1 、微型打印机 9 1 为了能方便的记录线路故障时间，故障类型等相关信息以及母 线保护的动作情况，我们采用了北京炜煌公司的微型打印机 w h a 1 6 6 ，技术特性如下： 1 ) 控制板深度为3 9 m m ，待机电流为6 m a ，电源需直流5 v 5 、1 a ： 安装开孔尺寸仅1 0 3 m m ( 宽) 5 6 r a m ( 高) 5 5 m m ( 深) ； 2 ) 可打印全部a s c i i 码字符和德、法、俄、日语片假名、数学符 号、专用符号、自造字符、点阵图形、曲线等，更能灵活打印 1 2 1 2 点阵全部国标一、二级汉字库中任意1 4 0 个用户自选汉 字，并通过软件下载到打印机中。本装置的汉字和代码如下： 2 0 h ：0123456789 2 a h ： ：! 变电站进线 i i 3 4 h ：=电流 a 电 压kv 母线 3 e h ：故障开 关断路器 m s 跳 4 8 h ：闸合闸年月 日 时分秒后 5 2 h ：备保护母 联闭合 分开延 5 c h ：时山西太原理 工 大学电 太原理工大学硕士学位论文 2 2 6 6 h ：力教研室说明 本 文件 提 7 0 h ：供 样本用户可任意 修 改 3 ) 炜煌w h a 1 6 6 型微型打印机具有独特的串并口一体化设计，与 r s 2 3 2 串口或单片机t t l 电平串口相连后进行通讯打印，且两种 串口的波特率可通过随机附带的软件在1 2 0 0 9 6 0 0 问灵活设 置；在本装置中，微型打印机通过并口l t p l 与s t d 9 0 3 8 6 2 模 板相连，波特率设置为9 6 0 0 ； 2 、夜晶显示器l l o 】 本装置配备了s h a r pl m 3 2 0 1 9 t 型夜晶显示器，显示适配卡 是a r - b 1 0 4 2 ，挂接在s t d 9 0 3 8 6 - 2c p u 模板的p c f 0 4 插槽上， 这样，就能实现计算机彩显与夜晶同步显示，方便程序的开发 与调试。主要技术参数如表2 一l 所示： 参数规格单位 外形尺寸1 6 6 0 ( w ) 1 0 9 0 ( h ) 7 5 ( d )咖 可视区域 1 2 1 0 ( w ) 9 1 6 ( h )咖 活动区域 1 1 5 1 7 ( w ) 8 6 3 7 ( h )衄 显示方式 3 2 0 2 4 0 点阵哪 点阵尺寸 0 3 3 ( h ) x 0 3 3 ( 1 )哪 点距 o 0 3咖 背景颜色普黑 功耗 i 4 w 使用寿命 1 5 ，0 0 0h o u r 表2 1 s h a r pl m 3 2 0 1 9 t 型夜晶显示器技术参数表 太原理工大学硕士学位论文 2 3 3 、键盘 计算机中使用的键盘分为编码键盘和非编码键盘。编码键 盘带有必要的硬件电路，能自动提供按键的a s c i i 编码，并能 将数据保持到新键按下为止，此外还有去抖动和防止多键、串 键的保护装置。编码键盘软件简单，它根据编码就能识别是什 么键按下，但硬件电路复杂，价格较贵；非编码键盘仅仅是按 行、列排列起来的矩阵开关，其他的工作由软件来完成。本装 置采用的就是p c 系列的非编码小键盘，它的特点是： 1 ) 从外观上看，键盘是一个单独的部件，通过5 芯电缆与微处理 器相连； 2 ) 按键采用电容式开关，即按下按键的上下动作使电容量发生变 化，从而实现开关接通或断开的目的； 3 ) 键盘上的按键排列成矩阵形式，对按下键的识别，采用行列扫 描原理，由键盘内部的i n t e l 8 0 4 8 单片机执行固化在其内部的 键盘扫描程序，周期性地连续扫描，识别当前键的位置，然后 向系统中的键盘接口电路输入按键的接通扫描码，而当该按键 松开时产生相应的断开扫描码( 接通扫描码是一字节的二进制 数；断开扫描码是两字节的二进制数，即在接通扫描码前加前 缀字节f o h ) 。 在本装置中，键盘通过p s 26 芯标准小口键盘接口与 s t d 9 0 3 8 6 2 模板相连。系统上电初始化后，键盘复位，之后其 内部的8 0 4 8 单片机便周而复始地执行固化在r 嗍中的键盘扫描 程序( 包括清除键盘抖动、生成扫描码等，可缓冲存放2 0 个键 的扫描码) ，髓时检测按键的动作情况。 太原理工大学硕士学位论文 第三章本保护装置的动作原理 3 1 国内目前装设母保的状况1 2 1 【1 3 1 f 1 4 3 1 1 装设母线保护的一般原则及低压母保装配的意义 母线作为电能汇集与分配的枢纽，在电力系统占有极其重要的 地位。母线运行的可靠性将直接影响到整个电网的可靠性，如果母 线故障的切除时间较长，可能对电气元件、线路造成不同程度的损 害，甚至造成系统稳定的破坏，所以电力部门规定根据电压等级， 母线的接线方式应设置专门的母线保护。 1 l 1 ) 1 i o k v 及以上的双母线和分段母线上，为保证有选择地切除任一 组母线上所发生的故障，而另一组无故障的母线仍能继续运行， 应装设专用的母线保护。 2 ) 1i o k v 及以上的单母线，重要发电厂的3 5 k v 母线或高压侧为 1 i o k v 及以上的重要降压变电所的3 5 k v 母线，按照全线速动保 护的要求必须快速切除母线上的故障时，应设专用的母线保护。 以前，母线保护一般装设在1 1 0k v 及以上电压等级的母线上， 而由于i o k v 3 5 k v 降压供电系统没有稳定问题，一般未装设母线 保护。母线故障是靠变压器后备保护( 复合电压过流保护) 切除， 由于母线短路故障电流大、故障持续时间长，严重危及变压器、开 关设备。全国电业局多次发生的低压母线故障经常会造成故障开关 柜烧毁及相邻的开关柜受损，扩大了设备损失，使用户长时间停 太原理工大学硕士学位论文2 5 电，造成了很大的社会影响和经济损失。因此，在短路容量较大的 中、低压系统中，要考虑加装母线保护，这对于保障变压器及母线 设备的安全是有利的。 3 1 2 对母线保护装置的基本要求【l 】 1 ) 母线保护的可靠性母线保护如果动作，将跳开母线上的 所有元件，因此母线保护的可靠性将直接影响到电力系统的安 全运行。母线保护的可靠性( r e l i a b i l i t y ) 包括两个方面： 一方面要在故障时保证母线保护的可靠动作，防止拒动。这个 特性被称为可信性( d e p e n d a b i l i t y ) ；另一方面，在正常运行 及外部短路时，保证保护不误动，在保护自身出现问题时，也 不应误动，这个特性称为安全性( s e c u r i t y ) 。 2 ) 母线保护的选择性母线保护的选择性包括：正确区分内 部、外部短路的选择性；在各种运行方式下发生故障时，正确 区分故障母线的选择性；而在母线互联( 如刀闸双挂) 运行方 式下发生故障时，保护应无选择的将两条母线上的全部元件跳 开。 3 ) 母线保护的速动性如切除母线短路故障的时间过长，有 可能造成电力系统失步甚至解列事故。因此，母线保护快速切 除母线短路故障，是保证电力系统安全运行的重要手段。此外， 在发生母线的外部短路故障时，流过故障元件的电流值很大， 尤其是当一次短路电流中包含幅值较大、衰减较慢的直流分量 时，将会使该元件的电流互感器铁芯迅速饱和，电流互感器二 次电流的数值和波形会发生严重的畸变。二次电流畸变有可能 太原理工大学硕士学位论文- 2 6 导致母线保护误动作。但是铁芯饱和总需要一定的时间，如果 母线保护动作速度十分迅速，其工作特性就可不受或少受电流 互感器饱和的影响，并在发生外部短路时可很快地闭锁保护。 3 1 3 传统母线保护的基本原理及种类( 1 l i s - s 】 母线保护的原理构成总是基于对母线上各连接元件之间的 电流比较，主要有电流差动