小电流接地系统单相接地选线装置的设计.doc

0 前言长期以来，人们针对小电流故障选线问题进行了大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并在实际工作中取得了一定的应用，但现场应用效果都不理想。美国、日本等国的配电电网采用低电阻接地方式居多，人工增大故障点的接地电流，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，不需要配置单相接地选线装置。在俄罗斯、挪威、加拿大等国一直以来使用零序功率方向、零序过电流继电器，也研制了微机式接地故障继电器。继电保护的选择性等因素在一定程度上影响了小电流接地方式在一些国家和地区的应用与发展1。我国由于本身电网的网络结构薄弱从50年代就开始了对小电流接地系统接地选线原理和装置的研究，并且相继推出了几代产品，在该领域发展很快，对该项技术研究处于国际领先水平。国内接地保护和选线装置经历了继电器式产品、半导体集成电路装置、微机装置的发展阶段。但是，很多装置因为数据采集速度慢，或者因为数据计算处理、选线速度无法满足实时性要求，或者因为选线原理有一定的缺陷，在灵敏度和可靠性方面尚欠理想，装置在实际使用中的表现不能令人满意。基于工控机技术的小电流故障选线装置虽然具有速度快、内存大、硬盘大等优点，但是由于存在易损元件、环境适应性差、成本较高，不利于该项技术的进一步推广。相反，采用单片机控制不仅能够大大降低成本，而且可以提高装置的可靠性。尤其是近年来，随着计算机硬件的发展，高速度、高性能的单片机产品的出现以及相关应用系统的日臻完善，单片机的应用正在不断地走向深入，这为基于单片机控制的小电流故障选线装置的实现提供了非常好的硬件基础。各种单片机控制的小电流选线装置纷纷投入运行。但是现有的单片机控制的小电流选线装置中，因为内存空间不够大或者速度跟不上，导致选线算法单一，不能很好的满足小电流选线实时接收数据、实时判断的要求，从而选线精度大打折扣。所以，进一步深入研究装置的单片机实现方式是十分有必要的。本设计内容共分三个部分：第一，主要对小电流接地系统发生单相接地时，系统的故障特征进行了分析，分别分析了中性点不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的情况；第二，主要对目前各种算法的优、缺点及适用条件进行分析；通过分析提出了一种新的更有效的选线原理，即过半选线；第三，全文的核心，论述了基于AT89C51单片机的小电流接地选线装置的实现问题，重点介绍了小电流选线装置的软、硬件实现方式，包括装置的硬件电路整体设计方案、主要模块的搭建及芯片选取、系统的软件设计思想及其抗干扰措施。1 小电流接地系统单相接地故障分析小电流接地系统发生单向接地故障时，由于故障电流很小，而且线电压仍然保持对称，对负荷的供电没有影响，因此一般情况下保护不必立即动作于断路器跳闸，可以继续运行12h。但是，在单相接地以后，其他两相的对地电压要升高为原来的倍。为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，保护应及时发出信号，以便运行人员采取措施予以消除。1.1 中性点不接地电网发生单相接地故障的特点(a)系统图(a) Diagram (b) 正常运行时的向量图 (c)接地故障时的向量图(b) Normal operation vector diagram (c) Earth fault vector diagram图1-1中性点不接地的简单系统Fig.1-1The neutral point does not earth simple system图1-1(a)所示为一中性点不接地的简单系统。为分析方便，假定电网的负荷为零，并忽略电源和线路上的电压。电网各相对地电容为，这三个电容相当一对称Y行负载，其中性点就是大地。正常运行时，电源中性点对地电压等于零，即，各相对地电压为相电势。在三相对称电压的作用下，三相电容电流也是对称的，并超前相位电压。其相量如图1-1(b)所示。此时，三相对地电压之和与三相电容电流之和都为零，电网无零序电压和电流2。当A相发生单相接地时，A相对地电压变为零。此时中性点对地电压就是中性点对A相的电压，即。各相对地电压和零序电压分别为 (1-1)式(1-1)说明，A相接地后，B相和C相对地电压升高为原来的倍，此时三相电压之和不再为零，出现了零序电压。其相量如图1-1(c)所示非故障相出现了超前相电压的电容电流，即 (1-2)线路上出现了零序电容电流，其值为 (1-3)假设如图1-2所示的中性点不接地系统中，线路I、II 和发电机的各相对地电容分别为、。当线路II 上的K点发生A相接地故障时，系统中各元件的A相对地电容均被短接，因而各元件A相对地电容电流为零。各元件的B相和C相对地电容电流都要通过大地、故障点、电源和本元件构成的回路，如图1-2(a)所示。可见，非故障线路I保护安装处流过的零序电容电流为： 发电机保护安装处流过的零序电容电流为： 故障线路II保护安装处流过的零序电容电流为仍以由母线流向线路作为假定正方向时，则其相量如图1-2（b）所示。 (a)网络图及电流分布 (a) Network chart and current distribution (b)保护安装处电流电压向量(b) Protection installment place electric current voltage vector图1-2中性点不接地系统单相接地时电容电流分布Fig.1-2When neutral point earth system single-phase earth charging current distribution综上所述，中性点不接地电网单相接地时有以下特征：1）接地相对地电压降为零，其他两相对地电压上升为线电压 ，系统出线零序电压，其值等于电网正常运行时的相电压，且处处相等。2）非故障线路保护安装处流过的是本线路的零序电容电流，其值为，方向由母线指向线路，相位超前零序电压。3）故障线路保护安装处流过的是所有非故障元件的零序电容电流之和，其方向由线路指向母线，相位滞后零序电压。1.2 中性点经消弧线圈接地当网单相接地故障的特点规程规定：266kV电网单相接地时，若故障点的电容电流总和大于10A，10kV电网电容电流和大于20A，36kV电网电容电流总和大于30A时，中性点应采取经消弧线圈接地的运行方式。(a)网络图及电流分布 (a) Network chart and current distribution（b）零序等效网络图 (b) Zero foreword equivalent network chart图1-3中性点经消弧线圈接地系统单相接地时电流分布Fig.1-3Neutral point after extinguishing coil earth system single-phase earth when current distribution图1-3（a）所示为中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地时的网络图及电流分布。设线路II的A 相接地，零序电容电流的大小和分布与中性点不接地时是一样的；所不同之处是在零序电压的作用下，消弧线圈有一电感电流经接地点流回消弧线圈。此时，流过接地点的电流由全系统零序电容电流和消弧线圈的电感电流两部分组成，即接地点的电流。由与和的相位相反，若选择适当，会因消弧线圈电感电流的补偿而减小。其零序等效网络如图1-3（b）所示3。根据对电容电流的补偿程度分为三种补偿方式。当时，称为全补偿；当时，称为欠补偿；当时，称为过补偿。1）全补偿方式。当时，接地点的电流近似为零。从消除故障点的电弧、避免出现弧光过电压的角度看，这种补偿方式是最好的。但由于，即L、C要产生串联谐振。当电网正常运行情况下线路三相对地电容不完全相等时，电源中性点对地之间将产生一个电压偏移；此外，当断路器三相触头不同时合闸时，也不会出现一个数值很大的零序电压分量。上述电压作用于串联谐振回路，回路中将产生很大的电流，如图1-4所示。该电流在消弧线圈上产生很大的电压降，造成电源中性点对地电压严重升高，设备的绝缘遭到破坏，因此完全补偿方式基本上不采用。图1-4产生串联谐振的零序等效网络图 Fig.1-4Produces the series resonance zero foreword equivalent network chart2）欠补偿方式。采用欠补偿方式时，接地点的电流仍是容性的。当系统运行方式变化时，如某些线路因检修被切除或因短路跳闸，系统电容电流就会减小，有可能出现完全补偿的情况，所以补偿方式也不可取。欠补偿方式一般用在采用单元接线的发电机电压系统。3）过补偿方式。过补偿时，采用这种补方式后，接地点的残余电流的感性的，这时即使系统运行方式变化，也不会出现串联谐振的现象，因此，这种补偿方式得到广泛的应用。习惯用补偿度P来表示补偿的程度，其关系式为 (1-4)一般选择补偿度为5%10%，不大于10%。综上所述，中性点经消弧线圈接地电网单相接地时有以下特征：1）故障相对地电压为零，非故障相对地电压升至线电压，电网出现零序电压，其大小等于电网正常运行时的相电压。这一特点与中性点不接地电网相同。2）消弧线圈两端的电压为零序电压，只经过接地故障点和故障线路的故障相构成回路，不经过非故障线路。3）当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流等于本线路的对地电容电流和接地点残余电流之和，其方向和非故障线路零序电流一样均由母线指向线路，且相位一致，因此，无法利用方向的不同来判别故障线路和非故障线路。再者由于补偿后残余电流较小，因而也很难利用电流大小的差别来判别故障线路和非故障线路。2 小电流接地选线的算法2.1 现有选线算法综述目前可以采集利用的电气量有：零序稳态基波分量、零序稳态谐波分量、零序暂态分量、负序分量和注入信号。根据采集的电气量的不同，可以采用不同的方法，而根据电气量的不同特性，也可以看出各种方法在不同故障条件下的优劣。目前可以采用的方法有：比幅比相方法、无功功率方法、小波方法、暂态能量方法、能量方法、负序电流法、注入方法等等4。2.1.1 零序电流比幅算法比幅算法基于早期的继电保护原理，适用于中性点不接地系统。当中性点不接地系统发生单相接地故障时，流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件对电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过零序电流幅值大小的比就可以找出故障线路。在具体实现上，通常采用“绝对整定值”原理，即利用零序电流I0与某一整定值Iz做比较，整定值Iz一般大于系统内任何一条出线的电容电流值，如果I0小于整定值Iz，极化继电器不动作；如果I0大于整定值Iz则极化继电器动作，显示器示该回路的编号，选线完成。这种方法在理论上是不完备的，因为系统中可能存在某条线路的电容电流大于其线路电容电流之和的情况。在这种情况下，当这条线路发生接地故障时，就会出现拒动的情况。这种方式为单一判据方式，不能排除电流互感器(CT)不平衡的影响，它受系统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等许多情况的影响，从而导致误选、多选或漏选。从整定方式上看，这种整定方式可能导致死区，不能满足系统运行多变的情况。2.1.2 群体比幅比相法群体比幅比相突破了原有的传统的保护原理，充分的利用了故障信息之间的联系，将孤立的故障信息进行融合比较，大大提高了选线的正确性。群体比幅比相算法适用于中性点不接地系统。这种方法的基本原理是先进行比较，选出几个幅值较大的作为候选，这样在一定程度上就避免了不平衡带来的影响，然后在此基础上再进行相位比较，选出零序电流方向与其它零序电流方向不同的，即为故障线路。该方法还引入零序电压作为参考正方向。实践和理论分析证明，零序电压幅值大，波形稳定，因而以其作为参考正方向，保证了参考正方向的稳定性。群体比幅比相算法利用故障信息之间的相对关系，克服了采用“绝对整定值”时原理上的缺陷，并且通过选取幅值较大的线路作为候选线路的方法，在一定程度上克服了CT等不平衡带来的影响。群体比幅比相法是目前应用最为广泛的一种方法，在不接地系统中，这种方法的应用效果较好，但是当系统的中性点经消弧线圈接地时，由于消弧线圈对故障线路电流的补偿作用，算法则会失效，这使群体比幅比相算法的使用受到限制5。2.1.3 无功功率算法这也是比较传统的方法，在欧洲应用的较为广泛。这种方法是通过计算各条线路的容性无功功率来判断是哪条线路发生了故障。这种方法也是利用了容性电流的幅值与方向，所以从本质上讲，无功功率法和比幅比相方法同出一辙，两者的优缺点是一致的。2.1.4 五次谐波分量算法电力系统由于变压器、线路设备的非线形影响，线路电流中存在着谐波分量，其中五次谐波含量最大，发生单相接地故障时，谐波分量还会有一定程度增加。对于中性点经消弧线圈接地的系统，消弧线圈对五次谐波所呈现的感抗是基波的5倍，而线路分布电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1/5，因此消弧线圈基本上不能补偿五次谐波的电容电流。所以在消弧线圈接地系统中，对于五次谐波分量，依然可以近似看成故障线路的电流大小等于所有非故障线路的电流之和，方向与非故障线路的电流方向相反。五次谐波分量算法的提出在一定程度上解决了中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的选线问题。但是五次谐波的含量仅占基波的10左右，且负荷中的五次谐波源、CT不平衡电流和过渡电阻的大小，都会在一定程度上影响选线结果。2.1.5 有功分量法有功分量法的基本原理是：当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，提取各条线路的零序有功分量，非故障线路的零序有功分量方向是由母线流向线路，大小等于线路本身的有功损耗电流值；故障线路的零序有功分量方向是由线路流向母线，大小等于非故障线路的零序有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和。当母线故障时，所有线路的零序有功分量都等于线路本身的有功损耗电流值，方向是由母线流向线路。利用各条线路零序有功分量的相对大小和相位关系就可以确定故障线路或者母线故障。从原理上可见，有功分量方法有效的克服了消弧线圈补偿带来的影响；并且，在消弧线圈存在的情况下，故障线路的零序有功分量的大小比中性点不接地时更大，故障特征更明显，更利于选线。但是，由于线路的有功损耗相对较小，因此有功分量算法的故障信息同样不够突出；受CT不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且，由于三相电容不平衡引起的“虚假有功电流分量”对有功分量算法的影响也较大。2.1.6 小波算法小波算法是90年代后期发展起来的一种新的选线方法。针对稳态时故障信息比较微弱的问题，人们提出利用有较大突变的暂态信息作为故障信号的选线算法。这其中主要采用的是小波分析，故称为小波算法。小波分析是一门现代信号处理理论与方法，它能有效的分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，能够从信号中提取到局部化的有用成分。小波算法利用单相接地故障产生的暂态电流和暂态电压作为选线判断的依据。由于小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大；特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障的情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用于选线。小波选线方法的优点是：对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用；特别适应于故障状态复杂、故障波形杂乱的情况，与稳态量选线方法形成优势互补。由于小波算法采用的暂态信号受过渡电阻、故障时刻等多种因素的影响，暂态信号呈随机性、局部性和非平稳性的特点，有可能出现暂态过程不明显的情况，在这种情况下小波算法就要和其它方法联合使用。2.1.7 注入信号法注入信号法是通过向系统注入某种信号，根据注入信号仅在接地线路中流通、非接地线路中没有信号来检测信号，有注入信号的线路为故障线路。该方法不利用故障自身提供的故障信息进行被动式选线，而是主动地注入一个选线信号。注入信号法缺点：1）注入信号的功率不够大，变换到高压侧的注入信号非常微弱，很难准确测量；2）非故障线路中也会有注入频率的对地充电电流，在故障电阻较大的情况下，故障线路与非故障线路上的信号差异不明显；3）需要附加信号装置，实现困难，可靠性差。2.1.8 首半波法首半波原理基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，当在相电压接近最大值而发生单相接地故障时，故障相电容的电荷通过故障线路向故障点放电。故障时，设故障相电压为正，则电流首半波对故障线路来说是母线流向线路，对非故障线路来说是线路流向母线。而在故障瞬间，消弧线圈还未起到补偿作用，补偿电流很小，相当于开路，因此首半波原理不受消弧线圈的影响。但故障发生在相电压过零值附近时，电流的暂态分量值较小，易引起极性误判。2.2 选线影响因素分析从上述分析中可以看出，小电流接地系统的接地故障零序电流小，微弱的零序电流往往混杂在各式各样的干扰中间，使得选线问题变得很复杂，必须综合考虑各种因素的影响。1）跟中性点的接地方式有关。中性点不接地或经消弧线圈接地系统中，单相接地故障的特征是不同的，因此选线问题有显著的不同。中性点不接地系统中的选线技术现在已经相当成熟，但是在谐振接地系统中尤其是暂态选线目前还没有一种非常有效的选线方法。2）跟线路的长短与结构有关。小电流接地系统单相接地故障电流是由对地电容产生的，线路的对地电容与线路的长短和结构关系密切。一般来说，电缆线路的对地电容比架空线路的零序电流大；线路的对地电容与线路的长度成正比。并且对地电容不平衡对基于有功分量信号选线方法会产生影响，具体影响也是跟过渡电阻和故障相有关系。3）跟系统的故障方式有关。由等值电路可以看出，小电流接地系统单相接地故障后的电流与等效接地阻抗有关。系统中的故障方式很多，包括直接接地、电阻接地、电弧接地、瞬间接地、间歇性接地、电阻电弧接地等，这些接地情况的等效接地电阻不同，要保证解决小电流接地选线问题，必须保证对各种故障情况都能选线准确。4）跟电流互感器有关。在小电流接地选线中，一般采用测量用电流互感器获得零序电流或负序电流进行选线。因为零序电流通过三个单相电流互感器组成的相序滤过器获得，每一相互感器的铁芯不可能完全相同，所以存在零序电流误差。另外，电流互感器的变比比较大，铁芯具有非线性，这些都对选线有影响。5）跟电压互感器有关。小电流接地选线往往采用零序电压作为启动条件，选线过程也要用到电压量。这些都是通过并联在母线上的电压互感器得到的。电压互感器的电气特性跟选线关系密切，如电压互感器的铁磁谐振现象，会对选线造成较大的干扰。2.3 过半选线原理的提出2.3.1 故障信息分析通过小电流系统发生单相接地故障时的运行状态的分析，其不同于正常运行状态的信息主要有以下几点：1）故障相对地电压降低，非故障相对地电压升高，线电压仍然保持对称。2）系统正常运行时，零序电压很小，接近于零，发生接地故障后零序电压显著升高。3）故障线路与非故障线路出现零序电流。故障线路流过的零序电流为所有非故障线路零序电流的和；非故障线路流过的零序电流为该线路的电容电流。4）理论上，故障线路零序电流相位滞后零序电压90度；非故障线路的零序电流超前零序电压90度，即故障线路与非故障线路零序电流相位相差180度，两者方向相反。5）中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障后，消弧线圈控制器将调整、改变消弧线圈的电感，产生电感电流对系统电容电流进行补偿。在具体的选线实现方案中除绝对值最大法外，较多应用的选线方法是群体比幅比相法，即当零序电压大于整定值时，启动采样，按基波或5次谐波排队，取幅值最大的前3个电流进行比相，若其中一个与另外两个相反，则判该线路接地，否则为母线接地。2.3.2 过半选线原理由于现场运行情况复杂，实现方案存在较多判断死区，而且该方法按照一次的采样值的运算结果进行选线判断，但是由于该装置现场的干扰较多，如果仅根据一次的选线结果进行判断，存在很高的误判概率，大大降低了装置的选线的准确性，在开发的初始阶段，在应用群体比幅比相原理的条件下，甚至出现了根本不能选线的情况。经过仔细的研究和反复的试验我们发现了这一关键原因，对该方法进行了改进，提出了一种基于多次计算结果的选线方法，过半选线原理。这种选线原理适用于各种中性点接地方式的选线判断，很好的解决了误判的问题，大大提高了选线的准确率。过半选线原理：首先选出零序电流(或零序五次谐波电流)有效值为最大的三条线路Lx、Ly、Lz，线路号分别为x、y、z。然后再对这三条线路的有功功率(无功功率)方向进行检测，假设对线路检测的次数为T，线路Lx、Ly、Lz为负的次数分别为Tx、Ty、Tz，另外Vx、Vy、Vz为分别对应线路Lx、Ly、Lz的三个状态量，其中Vx、Vy、Vz的定义如下6：如果Tx 1/2T，则Vx=1，否则Vx=0；如果Ty 1/2T，则Vy =1 否则Vy =0；如果Tz 1/2T，则Vz=1，否则Vz=0。则有如下判断规则：如果(Vx)XOR(Vy)XOR(Vz)=l且若(Vx)AND(Vy)AND(Vz)=1则为母线接地(Vx)AND(Vy)AND(Vz)=0则若Vx=l，Lx接地若Vy=1，Ly接地若Vz=1，Lz接地如果(Vx)XOR(Vy)XOR(Vz)=0且若(Vx)OR(Vy)OR(Vz)=0则为母线接地(Vx)OR(Vy)OR(Vz)=l则若Vx=0，Lx接地若Vy=0，Ly接地若Vz=0，Lz接地以上XOR为异或操作，OR为或操作，AND为与操作。用上述选线原理做具体应用举例如下，相应选线结果见表2-1。表2-1过半选线原理选线结果Tab.2-1More than half route selection principle route selection resultCaseVxVyVz结果1110Lz接地2101Ly接地3011Lx接地4001Lz接地5010Ly接地6100Lx接地7101010母线接地3 硬件电路设计3.1 总体思路目前，我国的小电流接地系统增长而不断扩建和发展，小电流接地系统自动化改造的进程也不断地加快。小电流接地系统单相接地选线和定位在配电网中是个技术难点，如何快速准确地找到接地线路，是国内外小电流接地系统必须面对的问题7。从小电流接地系统的角度来看，小电流接地系统单相接地故障占故障总数的80%以上，但由于小电流接地系统的中性点接地方式为不接地或经消弧线圈接地，单相接地时不能启动馈线自动化系统来隔离故障恢复供电，因此单相接地故障选线是小电流接地系统急需解决问题之一。小电流接地故障选线装置需要完成的任务依次是采集母线的零序电压及各线路的零序电流的模拟信号，按适当比例调节其大小使之成为装置能处理的幅值范围。通过模数转换器将其转换为单片机能够识别的数字信号，依据一定的算法原理分析信号，判断是否发生故障，若发生故障给出选线结果保存故障信息，并将选线结果传送给执行装置并进行故障显示。图3-1示为系统结构框图，包含了信号采集系统模块、A/D转换模块、CPU模块、存储器扩展模块、通信模块、人机对话模块等。 图3-1系统整体结构框图 Fig.3-1System overall construction diagram3.2 CPU处理单元CPU模块是单片机的核心模块。选择合适的CPU芯片对整个系统有着举足轻重的地位。小电流故障选线装置要求实时接收数据，实时判断，实时输出选线结果，因而本系统使用了八位单片机AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。它在硬件资源和功能、软件指令及编程上与Intel 80C3X单片机完全相同。在应用中可直接替换。在AT89C51内部有FLASH程序存储器，既可用常规的编程器编程，也可用在线使之处于编程状态对其编程。编程速度很快，擦除时也无需紫外线，非常方便8。AT89C5X系列可认为是Intel 80C3X的内核与Atmel FLASH技术的结合体。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.2.1 AT89C51 的结构与性能特点AT89C51是MCS-51系列单片机的典型产品之一。其内部具有的硬件资源如图3-2所示。图3-2AT89C51功能框图Fig.3-2AT89C51 function diagram1）AT89C51的主要性能包括：与MCS-51产品指令系统完全兼容；片内集成4KB的FLASH存储器，可反复编程/擦除1000次；数据保留时间：10年；全静态设计，时钟频率范围为024MHz、33MHz；三个程序存储器保密位；1288字节的内部RAM；32条可编程的I/O口线；2个可工作于4种模式的16位定时/计数器；5个中断源/2个中断优先级；可编程串行通道；具有4种工作模式的全双工串行口；低功耗的待机工作模式和掉电工作模式；片内振荡器和时钟电路。2）AT89C51的内部分工AT89C51内部有256个字节的RAM，地址范围是00H-FFH，但实际提供给用户使用的只有128个字节(00H-7FH)，另128个字节(80H-FFH)是特殊寄存器区。除ROM和RAM外，芯片内部还有三个16位的定时器/计数器。AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pF士l0pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF士l0pF。在本设计中，采用内部振荡电路，C1、C2值选择为30pF，对应的时钟频率为12MHz。振荡电路如图3-3所示图3-3AT89C51 单片机内部振荡电路Fig.3-3AT89C51 monolithic integrated circuit interior oscillating circuit3.2.2 AT89C51的引脚使用分配AT89C51的引脚如图3-4所示：图3-4AT89C51引脚图Fig.3-4AT89C51 pin chartP0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8 TTL门电流。当P0口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4 TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,P3口管脚备选功P3.0 RXD（串行输入口）；P3.1 TXD（串行输出口）；P3.2 INT0（外部中断0）；P3.3 INT1（外部中断1）；P3.4 T0（计时器0外部输入）；P3.5 T1（计时器1外部输入）；P3.6 WR（外部数据存储器写选通）；P3.7 RD（外部数据存储器读选通）；P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR 8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器读取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 数据采集系统零序电流信号进入传感器及信号调理电路后，首先经过高精度电流传感器，变换成为一定幅值范围的电压信号。同理，零序电压信号经过高精度电压传感器，变换成为一定幅值范围的电压信号。此信号被隔离跟随后，经过信号调节电路将电压信号调节到A/D转换器能转换的范围内，送入二阶滤波电路，滤除十倍频以上的高次谐波，最终由多路开关将信号输入A/D转换器将模拟信号转换成单片机能够处理的数字信号。3.3.1 传感器的选取小电流接地系统的故障信号因其是高电压，大电流的强电信号，难于与计算机匹配，因而不宜直接与计算机类的系统直接相接。采用WBV/I高速宽带跟踪型电量隔离传感器不仅能使输入电压Vin（或电流Iin）信号转换成某种标准电压，并赋予较强的驱动能力，而且光电隔离电路实现输入信号的线性变换及隔离处理；此外，其输出电路能将信号进一步放大，同时实现整个传感器的量程调节，输出是跟踪输入信号、具有较强的驱动能力的标准化电压，方便用户使用9。传感器内部还配备有DC/DC转换器，供输入电路使用。具体结构如下图3-5所示。WBV/I电量隔离传感器能对电网的交流、直流或交直流混合的电流、电压信号进行实时测量，并隔离转换成跟踪输入信号的、有一定驱动能力的、标准的输出电压信号，很好的满足了选线算法对选线装置具有交直流通用、高精度、高隔离、宽频响、低漂移、低功耗、宽温度范围等特点的要求。能直接与计算机连接，用于高速数据采集系统中的隔离跟踪测量。 图3-5传感器结构图 Fig.3-5Sensor structure drawing3.3.2 采样信号的调理电流传感器输出电流信号经测量电阻RM转换为电压信号后，进入由LM324构成的电压跟随电路，电压跟随电路保障了信号的稳定性，同时加强了装置内、外部的电气隔离。然后由运算放大器LM324构成的放大器的增益与RW取值配合决定，可使输出的双极性信号恰好落在5V范围，两个二极管为钳位二极管10。电流检测与调理单元电路如图3-6所示。图3-6电流信采样号调理电路Fig.3-6Electric current letter sampling number recuperation electric circuit经由电压传感器采集的交流电压信号作为同步信号，将采集的电压信号送去信号调理电路进行调理。电压信号的调理电路与电流信号调理电路基本相同，电路如图3-7所示。图3-7电压信号采样调理电路Fig.3-7Voltage signal sampling recuperation electric circuit3.3.3 滤波电路小电流故障选线系统还需要从复杂的干扰中提取出微弱的暂态信号。这时，我们如果采用普通的有源滤波器（运算放大器和R、C组成）实现，不但参数调整较困难、结构复杂，而且当工作频率较高时，元件周围的杂散电容将严重影响滤波器的特性，使其偏离预定工作状态11。因此，我们采用低通滤波电路来滤掉干扰信号其电路图如图3-8所示：图3-8二阶有源低通滤波器Fig.3-8Second-order active low pass filter3.3.4 多路转换器采集的多路零序电流及其零序电压信号需要由多路转换开关进入AD转换。本设计选取了常用的模拟多路转换器CD4051。CD4051的内部结构图及其引脚图如图3-9、图3-10。 图3-9CD4051内部结构图 图3-10CD4051引脚图Fig.3-9CD4051 interior structure drawing Fig.3-10CD4051 pin chartCD4051为8 通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出，也可用于一到多的输出切换。开关接通哪一通道，由输入的3位地址码A、B、C来决定，其真值表见表3-1。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。表3-1CD4051真值表Tab.3-1CD4051 truth tables/INHCBA接通通道0000S00001S10010S20011S30100S40101S50110S60111S71XXX无3.4 锁相功能模块通常单片机装置进行数据采集时是以一定时间间隔进行采样，当信号的频率发生变化后采样的结果会与预想的情况有很大差别。例如装置采集母线的零序电压及各线路的零序电流信号时拟采集5个周波，但系统的频率发生了波动，导致采集的结果并不是5个周波的长度，这会给接下来的数据处理及选线程序带来不利的影响，所以在设计中要尽量避免这种情况的发生。所以，我们设计了锁相电电路来解决上述问题，电路如图3-11所示。母线零序电压信号经过分压和跟随后，再经过光电耦合隔离，输入微分电路，在每周波正向过零点产生脉冲信号，启动施密特触发器。触发信号可以作为外部中断源启动单片机采样程序。由于所有采集节点都以母线零序电压正向过零点作为启动信号，保证了采样功能启动时间的绝对同步。并且，以每周波的正向过零点作为新一周波采样周期的开始，避免了由于各个采集节点晶振频率不严格一致造成的计时误差的积累12。图3-11锁相电路Fig.3-11Phase locking circuit总之，具备了锁相功能后，各个采集节点可以同步采集零序电流信号，并且做到等时间间隔连续采样，满足了故障选线分析判别的要求。3.5 A/D转换模块在接地故障选线装置中，需要采集所有线路的零序电流及其零序电流，并且每次信号采集都要在相同时刻，需要同步采样功能。应用A/D转换芯片AD574、AD674需要采用多组采样保持单元（T/H）等外围器件，这种方法在硬件设计、软件控制上比较繁杂，影响其可靠性，同时硬件成本比较高，因此我们选用了AD1674完成数据的同步采样及其转换。AD1674是美国AD公司推出的一种完整的12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片与AD574、AD674的引脚、内部结构及外部应用特性完全相同；所不同的是，AD1674具有片内采样/保持电路，可以进行双极性或单极性转换。该芯片片内含有高精度的参考电压源和时钟，具有3态缓冲输出，可以直接与8位或16位微控制器接口，具有集成度高，外围器件少的特点。转换时间最快为35us，非线性误差为0.0125，功耗390mW，充分满足了系统的性能要求。AD1674的并行数据访问方式和总线时间分配方式与大部分的数字信号处理器以及8bit和16bit微控制器的特性兼容13。因此，AD1674与单片机的连接简单易行。3.5.1 AD1674内部结构及其功能图3-12为AD1674的内部结构框图图3-12AD1674内部结构框图Fig.3-12AD1674 internal structure diagram带有内部采样保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/数转换器；采样频率为100kHz；转换时间为10s；具有1/2LSB的积分非线性（INL）以及12位无漏码的差分非线性（DNL）；满量程校准误差为0.125%；内有+10V基准电源，也可使用外部基准源；四种单极或双极电压输入范围分别为5V，10V，0V10V和0V20V；数据可并行输出，采用8/12位可选微处理器总线接口；内部带有防静电保护装置（ESD），放电耐压值可达4000V；采用双电源供电：模拟部分为12V/15V，数字部分为+5V；使用温度范围：AD1674J/K为070（C级）；AD1674A/B为-4085（I级）；AD1674T为-55+125（M级）；采用28脚密封陶瓷DIP或SOIC封装形式；功耗低，仅为385mW。3.5.2 AD1674引脚及其功能图3-13为AD1674的引脚图图3-13AD1674 引脚图Fig.3-13AD1674 pin chartAD1674的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口四种类型。1）逻辑控制端口12/8：数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双8位字节；当该端输入为高时，数据输出为单12位字节；CS：片选信号输入端；R/C：读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时为读状态，输入为低时为转换状态。在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换；CE：操作使能端。输入为高时，芯片开始进行读/转换操作；A0：位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若A0为低，则进行12位数据转换。若A0为高，则进行周期更短的8位数据转换。当R/C=1且12/8=0时，若A0为低，则在高8位（DB4DB11）作数据输出。若A0为高，则在DB0DB3和DB8DB11作数据输出，而DB4DB7置零；STS：转换状态输出端。输出为高时表明转换正在进行，输出为低时表明转换结束。2）并行数据输出端口DB11DB8：在12位输出格式下，输出数据的高4位；在8位输出格式下，A0为低时也可输出数据的高4位。3）模拟信号输入端口10VIN：10V范围输入端，包括0V10V单极输入或5V双极输入；20VIN：20V范围输入端，包括0V20V单极输入或10V双极输入；应当注意的是：如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。4）供电电源端口REF IN：基准电压输入端，在10V基准电源上接50电阻后连于此端；REF OUT：+10V基准电压输出端；BIP OFF：双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过50电阻与REF OUT端相连，在单极输入时接模拟地；VCC：+12V/+15V模拟供电输入；VEE：-12V/-15V模拟供电输入；VLOGIC：+5V逻辑供电输入；AGND/DGND：模拟/数字接地端。表3-2给出了AD1674的逻辑控制真值表：表3-2AD1674控制逻辑真值表Tab.3-2AD1674 control logic truth tableCE/CSR/C12/8A0执行操作0XXXX无操作X1XXX无操作100X0启动12位数据转换100X1启动8位数据转换1011X允许12位并行输出10100允许高8位并行输出10101允许低4位并行输出3.5.3 A/D转换与单片机接口电路此系统采用双极性输入方式，对士5V模拟信号进行转换。图3-14为AD 1674双极性输入时的连接电路图。由于AT89C51是8位CPU，而AD 1674为12位，12/8引脚必须接地使AD