10kV馈电线路微机保护毕业论文.doc

1山东科技大学学士论文 10kV馈电线路微机保护10kV馈电线路微机保护毕业论文1山东科技大学学士学位论文 目录目 录1 绪论11.1微机保护的概述11.2微机保护装置的特点31.3 10kV线路微机保护的功能41.4研究本课题的意义51.5论文的结构及安排52 10kV线路保护原理分析62.1 三段式电流保护62.2 三相一次重合闸172.3 零序保护183微机保护装置硬件设计193.1概述193. 2硬件总体结构193.3各个模块的设计与实现204. 微机保护的软件设计334.1 微机保护的算法334.2 微机保护软件流程图365. 工作结论和展望415.1工作总结415.2 工作展望41参考文献43致 谢45附录I46外文翻译46附录II电路总图1：模拟量输入部分电路总图2：单片机连接模块山东科技大学学士学位论文 绪论1 绪论1.1微机保护的概述 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1。 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Sampling Technique 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2。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型计算机实现的。在整个70年代，各国的专家学者围绕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。 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3。我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段4： 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。据2001年全国电力系统继电保护动作情况的统计数据，2001年我国220kV以上电网的继电保护动的正确动作率达到了99.13%，元件保护的正确动作率达到了9.03%。这些成果无疑与微机保护的成功应用分不开。1.2微机保护装置的特点 传统的模拟式保护是根据电力系统中的模拟量电流、电压等工作的，即将模拟量与装置中给定的机械量（如弹簧力矩）或电气量（门槛电压）进行比较和逻辑运算而构成的保护。而微机保护是根据数字量工作的，即将代表电力系统工作状态的模拟量（电流、电压）经采样、编码变为数字量后，输入到微机进行分析、计算、判断，从而构成保护。 微机保护在发展过程中继承、借鉴了模拟式继电保护的成熟经验，并利用微机的优越性能把继电保护技术推向前进。实践证明微机保护的性能显著优于传统的继电保护。微机保护主要有以下特点5：（1）性能稳定、可靠性高。机械型继电器的运动机构可能失灵，触点可能接触不良，模拟式静态继电器的元器件可能有故障，而微机保护中的功能是由软件实现的，没有上述缺陷。批量生产的保护装置程序相同，各功能的特性一致，不受温度等条件的影响，所以性能稳定。而且微机保护装置在程序指挥下，有极强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动。另外它还有自诊断能力，能够自动监测出本身软硬件的异常并报警，因而大大提高了装置的可靠性。（2）逻辑判断清除、正确。机械型保护由触点构成逻辑回路，模拟式静态保护由门电路构成逻辑回路，微机继电保护中主要由程序作逻辑判断。前两者逻辑依赖电路实现，不符合人的思维逻辑，而且从硬件上看环节多，易出错，不可靠。而在微机继电保护中功能均由软件完成，程序语句表达的逻辑完全符合人的思维，十分自然简单。一般错误均能在程序调试和动模试验中发现，并得以纠正。所以无论保护如何复杂，许多功能之间的复杂逻辑关系都编制在一个程序之中，都能正确反映设计思想，不会出错，并且程序被正确地复制到成批生产的各套保护装置之中。（3）维护调试方便。由于微机保护装置的硬件结构原理大致相同，各种复杂的功能是通过软件来实现的，所以也可以编制相应的软件来简化调试工作。而且微机保护装置大都具有自诊断功能，一旦发现异常会自动报警，所以只要装置没有报警，就可认为装置是完好的，从而大大减轻运行维护的工作量。（4）易于获得附加功能。应用微处理器后，如果配置打印机，或者其它显示设备，就可以在系统发生故障后提供多种信息。（5）灵活性大。由于微机保护装置的特性主要由软件决定，因此只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，所以能灵活地适应电力系统运行方式的变化。（6）保护性能得到很好改善。由于微机的应用，使很多原有形式的继电保护中存在的技术问题可找到新的解决方法。 当然，与传统的模拟式保护相比，微机保护也存在不少缺点，如：与传统的保护有根本性的背离；对硬件和软件都要求高度可靠；硬件很快变成过时等。1.3 10kV线路微机保护的功能 10kV线路微机保护主要完成以下功能： （1）监视的功能：实时测量、显示10kV馈电线路电压、电流等主要参数，一旦参数有异常，立即发出报警功能。 （2）继电保护的功能：根据10kV馈电线路的特点，设置相应的保护方式。（3）具有就地整定保护定值的功能。（4）具有掉电保护重要数据的功能。对于一些重要的保护定值等参数，当系统出现故障重新上电时，应能够保持原来的数据，也就是必须有掉电保护的功能。（5）通信功能。自行选择先进高效的通讯技术，能实现与上位机及时、准确的传送报警数据，同时能接收上位机发送的控制命令。1.4研究本课题的意义 10kV供电系统是电力系统的一部分，是企业供电的重要组成部分。它能否安全、稳定、可靠地运行，不但直接关系到企业用电的畅通，而且涉及到电力系统能否正常的运行。因此要全面地理解和执行地区电业部门的有关标准和规程以及相应的国家标准和规范。由于10kV系统中包含着一次系统和二次系统。又由于一次系统比较简单、更为直观，在考虑和设置上较为容易；而二次系统相对较为复杂，并且二次系统包括了大量的继电保护装置、自动装置和二次回路。所谓继电保护装置就是在供电系统中用来对一次系统进行监视、测量、控制和保护，由继电器来组成的一套专门的自动装置。为了确保10kV供电系统的正常运行，必须正确的设置继电保护装置。1.5论文的结构及安排论文主要包括以下内容：1、 叙述了微机保护的国内外发展状况，及课题研究的目的与意义。2、 介绍了线路微机保护的原理，重点阐述了三段式电流保护原理，同时介绍了三相一次重合闸保护及零序保护原理。3、 给出了10kV线路微机保护的硬件设计原理图，并对各部分的功能结构做出了说明。4、 介绍了线路保护的一种算法三采样值乘积算法，同时给出了微机保护的软件流程图。5、 总结与展望。6山东科技大学学士学位论文 10kV线路保护原理分析2 10kV线路保护原理分析本章主要介绍了10kV线路微机继电保护的原理。包括带方向或低压闭锁的三段式电流保护、三相一次重合闸、小电流接地系统的零序保护等。2.1 三段式电流保护 在输电线路中，10kV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线路保护或不带方向的馈线保护6。2.1.1 I段瞬时电流速断保护 反应电流增大而瞬时动作的电流保护称为瞬时电流速断保护。为了保证选择性，一般只保护被保护线路的一部分，其工作原理可用图2-1来说明。单端电源输电线路，在每回线路的电源侧都装有电流速断保护，短路点距保护安装地点越远，流过保护安装地点的短路电流越小。图2-1 瞬时电流速断保护动作特性分析 对反应于电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置起动的最小电流值称为保护装置的起动电流，以表示，显然必须当实际的短路电流时，保护装置才能起动。保护装置的起动值是用电力系统一次侧的参数表示的，它所代表的意义是当在被保护线路的一次侧电流达到这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能够起动。 现在来分析电流速断保护的整定计算原则。根据电力系统短路的分析，当电源电动势定时，短路电流的大小决定于短路点和电源之间的总阻抗，三相短路电流可表示为 （2-1)式中系统等效电源的相电势； 短路点至保护安装处之间的阻抗； 保护安装处到系统等效电源之间的阻抗。 在一定的系统运行方式下，和等于常数。此时将随的增大而减小，因此可以经计算后绘出的变化曲线，如图2-1所示。当系统运行方式及故障类型改变时，将随之变化。对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式，本书中称为系统最大运行方式，而短路电流为最小的方式则称为系统最小运行方式。对不同安装地点的保护装置，应根据网络接线的实际情况选取其最大和最小运行方式。 在最大运行方式下三相短路时、通过保护装置的短路电流为最大，而在最小运行方式下两相短路时，则短路电流为最小，这两种情况下短路电流的变化如图2-1中的曲线I和II所示。 为了保证电流速断保护动作的选择性，对保护1来讲，其起动电流必须整定得大于点短路时可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下变电站C母线上三相短路时的电流亦即 (2-2) 引入可靠系数，则 (2-3） 对保护2来讲，按照同样的原则，其起动电流应整定得大点短路时的最大短路电流。即 （2-4） 起动电流与无关，所以在图2-1上是直线，它与曲线I和II各有一个交点。在交点以前短路时，由于短路电流大于起动电流，保护装置都能动作。而在交点以后短路时，由于短路电流小于起动电流，保护将不能起动，由此可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。 因此，速断保护对被保护线路内部故障的反应能力(即灵敏性)，只能用保护范围的大小来衡量，此保护范围通常用线路全长的百分数来表示。由图2-1可见，当系统为最大运行方式时，电流速断的保护范围为最大，当出现其它运行方式或两相短路时，速断的保护范围都要减小，而当出现系统最小运行方式下的两相短路时，电流速断的保护范围为最小。一般情况下，应铵这种运行方式和故障类型来校验其保护范围7。 电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的应用。它的缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。2.1.2 II段限时电流速断保护 由于有选择性的电流速断不能保护本线路的全长，因此可考虑增加一段新的保护，用来切除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为速断的后备，这就是限时电流速断保护。对这个新的保护的要求，首先是在任何情况下都能保护本线路的全长，并具有足够的灵敏性，其次是在满足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限。正是由于它能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障，因此，称之为限时电流速断保护。 由于要求限时速断保护必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时，它就要起动，在这种情况下，为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，此时限的大小与其延伸的范围有关。为了使这一时限尽量缩短，照例都是首先考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围，而动作时限则比下一条线路的速断保护高出一个时间阶段，此时间阶段以表示。 现以图2- 2的保护2为例，来说明限时电流速断保护的整定方法。 设保护1装有电流速断，其起动电流按(2-3)式计算后为，它与短路电流变化曲线的交点M即为保护l电流速断的保护范围，当在此点发生短路时，短路电流即为，瞬时速断保护刚好能动作。根据以上分析保护2的限时电流速断不应超出保护1电流速断的范围。因此在单侧电源供电的情况下，它的起动电流就应该整定为 （2- 5）图2-2 限时电流速断动作特性的分析在上式中能否选取两个电流相等？如果选取的相等，就意味着保护2限时速断的保护范围正好和保护1瞬时速断的范围重合，这在理想的情况下虽是可以的，但是在实践中是不允许的，因为保护2相保护1安装在不同的地点，使用的是不同的电流互感器和继电器，因此它们之间的特性很难完全一样，如果正好遇到保护1的电流速断出现正误差，其保护范围比计算值缩小，而保护2的限时速断是负误差，其保护范围比计算值增大，那么实际上，当计其的保护范围末端短路时，就会出现保护1的电流速断已不能动作，而保护2的限时速断仍然会起动的情况。由于故障位于线路BC的范围以内，当其电流速断不动之后，本应由保护1的限时速断切除故障，而如果保护2的限时速断也起动了，其结果就是两个保护的限时速断同时动作于跳闸，因而保护2失去了选择性。为了避免这种情况的发生，就不能采用两个电流相等的整定方法，而必须使，引入可靠系数，则得 （2- 6）对于，考虑到短路电流中的非周期分量已经衰减，故可选取得比速断保护的小一些，一般取为1.11.2。从以上分析中已经得出，限时速断的动作时限，应选择得比下一条线路速断保护的动作时限高出一个时间阶段，即=+ （2- 7）从尽快切除故障的观点来看，越小越好，但是为了保证两个保护之间动作的选择其值又不能选择得太小。现以线路置BC上发生故障时，保护2与保护l的配合关系为说明确定的原则如下： （1）应包括故障线路断路器QF的跳闸时间(即从操作电流送入跳闸线圈Y的瞬间算起，直到电弧熄灭的瞬间为止)，因为在这一段时间里，故障并末消除，因此保护2在故障电流的作用下仍处于起动状态。（2）应包括故障线路保护1中时间继电器的实际动作时间比整定值要大才能动作。(当保护1为速断保护时，保护装置中不用时间继电器，即可以不考虑这一项的影响)。（3）应包括保护2中时间继电器可能比预定的时间提早动作闭合它的触点。（4）如果保护2中的测量元件(电流继电器)在外部故障切除后，由于惯性的影响而不能立即返回时，则中还应包括测量元件延迟返回惯性时间。 （5）考虑一定的裕度，再增加一个裕度时间，就得到和之间的关系为 （2-8）或 （2-9） 对于通常采用的断路器和间接作用的二次式继电器而言，的数值位于0.350.6s之间，通常多取为0.5s。 为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，具有足够的反应能力，这个能力通常用灵敏系数来衡量。对反应于数值上升而动作的过量保护装置。灵敏系数的含义是 （2-10）式中故障参数(如电流、电压等)的计算值，应根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的系线运行方式和故障类型来选定。但不必考虑可能性很小的特殊情况。对保护2的限时电流速断而言，即应采用系统最小运行方式下线路AB末端发生两相短路时的短路电流作为故障参数的计算值。设此电流代入上式中则灵敏系数为 （2- 11）为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，对限时电流速断保护应要求。2.1.3 III段过电流保护过电流保护通常是指其起动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。它在正常运行时不应该起动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作，在一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。为保证在正常运行情况下过电流保护绝不动作，显然保护装置的起动电流必须整定得大于该线路上可能出现的最大负荷电流。然而，在实际上确定保护装置的起动电流时，还必须考虑在外部故障切除后，保护装置是否能够返回的问题。例如在图2- 3所示的网络接线中，当点短路时，短路电流将通过保护5、4、3，这些保护都要起动，但是按照选择性的要求应由保护3动作切除故障，然后保护4和5由于电流已经减小而立即还回原位。图2- 3选择过电流保护动作电流和动作时间的网络图实际上当外部故障切除后，流经保护4的电流是仍然在继续运行中的负荷电流。还必须考虑到，由于短路时电压降低，变电所B母线上所接负荷的电动机被制动，因此，在故障切除后电压恢复时，电动机要有一个自起动的过程。电动机的自起动电流要大于它正常工作的电流，因此，引入一个自起动系数来表示自起动时最大电流与正常运行时最大负荷电流之比，即保护4和5在这个电流的作用下必须立即返回。为此应使保护装置的返回电流大于。引入可靠系数段，则有 （2- 12）由于保护装置的起动与返回是通过电流继电器来实现的，因此，继电器返回电流与起动电流之间的关系也就代表着保护装置返回电流与起动电流之间的关系。引入继电器的返回系数，则保护装置的起动电流即为 （2- 13）式中 可靠系数，一般采用1.25 1.5； 自起动系数，数值大于l，应由网络具体接线和负荷性质确定； 电流继电器的返回系数，一般采用0.85 由这一关系可见，当越小时，则保护装置的起动电流越大，因而其灵敏性就越差，这是不利的。这就是为什么要求过电流继电器应有较高的返回系数的原因。如图2-4所示，假定在每个电气元件上均装有过电流保护，各保护装置的起动电流均按照躲开被保护元件上各自的最大负荷电流来整定。这样当k1点短路时，保护l5在短路电流的作用下都可能起动，但要满足选择性的要求，应该只有保护1动作，切除故障，而保护25在故障切除之后应立即返回。这个要求只有依靠使各保护装置带有不同的时限来满足。图2- 4 单侧电源发射形网络中过电流保护保护l位于电网的最末端，只要电动机内部故障，它就可以瞬时动作予以切除，t1即为保护装置本身的固有动作时间。对保护2来讲，为了保证k1点短路时动作的选择性，则应整定其动作时限。引入时间级差，则保护2的动作时限为 保护2的时限确定以后，当k2点短路时，它将以的时限切除故障，此时为了保证保护3动作的选择性，又必须整定。引入以后则得保护3的动作时限应为 依次类推，保护4、5的动作时限分别为 。 当故障越靠近电源端时，短路电流越大。而由以上分析可见，此时过电流保护动作切除故障的时限反而越长，因此，这是一个很大的缺点。正是由于达个原因，所以在电网中广泛采用电流速断和限时电流速断来作为本线路的主保护，以快速切除故障，利用过电流保护来作为本线路和相邻元件的后备保护。由于它作为相邻元件后备保护的作用是在远处实现的，因此是属于远后备保护。由以上分析也可以看出，处于电网终端附近的保护装置(如1和2)，其过电流保护的动作时限并不长，因此在这种情况下它就可以作为主保护兼后备保护，而无需再装瞬时电流速断或限时电流速断保护。过电流保护灵敏系数的校验仍采用(2- 10)式，当过电流保护作为本线路的主保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求是；当作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流进行校验、此时要求是。此外，在各个过电流保护之间还必须要求灵敏系数相互配合，即对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数。例如在图2- 6的网络中，当k1点短路时，应要求各保护的灵敏系数之间只有下列关系 （2- 14）在单侧电源的网络接线中，由于越靠近电源端时，保护装置的定值越大，而发生故障后，各保护装置均流过同一个短路电流，因此上述灵敏系数应互相配合的要求是自然能够满足的。 在后备保护之间，只有当灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能切实保证功作的选择性，这点在复杂网络的保护中，尤其应该注意。当过电流保护的灵敏系数不能满足要求时，应该采用性能更好的其它保护方式。2.2 三相一次重合闸 在电力系统的各种故障中，输电线路的故障约占90%左右。因此，采取措施提高输电线路的可靠性具有非常重要的意义。 就输电线路故障的性质而言，大多数是瞬时性故障，此类故障几率是线路故障的70%80%。所谓瞬时性故障，就是在故障后，继电保护快速动作，使断路器迅速跳闸，短路点的电弧立即熄灭，周围介质的绝缘强度也迅速恢复，故障便自行消除。如采用自动重合闸装置，就能将被切除的线路重新投入系统运行，从而提高了线路供电的可靠性。在双电源供电的线路上采用自动重合闸装置2，能使两侧系统在重合闸后稳定运行，对提高系统的稳定性是很有利的。另外，线路开关如发生误碰跳闸、继电保护误动作时，自动重合闸可以给予纠正。由此可见，自动重合闸装置就是将跳闸后的断路器自动重新投入的装置，简称为AAR装置。 如果AAR装置8将断路器重合到永久性故障线路上(如倒杆断线等)，保护装置将断路器重新跳开，而AAR装置将不再动作，我们称这种情况为重合闸不成功。可以用重合成功的次数与重合总动作次数之比的百分数来表示重合闸的成功率，运行资料表明，重合闸成功率一般在60%70%之间。由于自动重合闸是保证电力系统安全运行、可靠供电、提高电力系统稳定的一项有效措施，并且所需费用极低，自动重合闸装置极为广泛的应用在我国各种电压等级的线路上，特别是35kV电压等级以下的重合闸成功率更高。 当然，若重合于永久性故障上时，它也将带来一些不利的影响，如：（1）使电力系统又一次受到故障的冲击；（2）由于断路器在很短的时间内，连续切断两次短路电流，而使其工作条件变得更加恶劣。特别是油断路器，在第一次跳闸时，由于电弧的作用，已使油的绝缘强度降低，在重合后的第二次跳闸时，是在绝缘已经降低的不利条件下进行的，因此，油断路器在采用了重合闸后，其遮断容量要有不同程度的降低。因而，在短路容量比较大的电力系统中，不利的条件限制了重合闸的使用。 一般情况下，对于 110kV 及以下线路，采用三相一次重合闸，即三相同时合上；对于 220kV 及以上线路，采用综合重合闸，各相可以分别合闸。而母线、主变、发电机等则不进行重合闸。重合闸的启动方式有两种：不对应启动方式、保护启动方式，前者在断路器偷跳的情况下启动，后者在过电流保护动作后启动。2.3 零序保护 作为相间短路故障的电流保护虽也能反应接地故障，但灵敏度不高，而输电线路故障大部分是单相接地故障，所以，必须专门配置接地保护。针对35kV以下的电网中性点不接地或经消弧线圈接地的特点，采用小接地电流系统的零序保护9。 电力系统中性点的工作方式有：中性点直接接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。中性点的接地方式，是综合考虑供电可靠性、系统绝缘水平、系统过电压、继电保护的要求、对通信线路的干扰以及系统稳定运行的要求等因素确定的。一般 110kV 及以上电压等级电网都采用中性点直接接地方式，35kV 以下的电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。 19山东科技大学学士学位论文 微机保护装置硬件设计3微机保护装置硬件设计3.1概述 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，微机保护装置除具有一般微机系统的基本结构外，为了实现继电保护功能还有其自己的独特之处。3. 2硬件总体结构 微机保护综合自动化系统的硬件平台10如图3-1所示。整个系统分为模拟量输入电路、开关量输入电路、开关量输出电路、CPU主机系统和人机监控电路等五个部分。模拟量变换模块的功能是实现直流、交流强电与系统主模块的电隔离，并使模拟输出电平与主模块中的采样及A/D转换的电平相一致；开关量输入电路用于将各种外部开关的状态(灭磁开关状态、各种隔离开关状态、断路器状态、分合闸回路状态、弹簧操作机构储能状态、副边控制开关状态等)经光电隔离器输入到微处理器中；主模块中的微处理器启动软件程序、计算各电流电压的大小以及监视各种开关量的状态，经计算处理后输出开关量保护信号去驱动继电器动作；微处理器与人机监控电路通过通信将各种数据和继电器动作参数送LCD显示，通过键盘可以查看各种数据和修改预设定值，并可与上位机通信。图3- 1微机保护系统硬件平台3.3各个模块的设计与实现3.3.1 CPU的选择 本设计采用单片机芯片AT89C5111。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机1213。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，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。AT89C51单片机采用的是8051单片机的内核，即AT89C51单片机的内部CPU技术与8051单片机相同，所以都具有一样的指令系统。它与8051单片机的不同在于，AT89C51单片机比8051单片机在片内存储器空间和功能单元方面有所补充。4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，增加了在线编程功能，使程序的修改和调试及其方便，而且编程和校验也更加方便。AT89C51单片机的主要工作特性如下：8051CPU；4KB的快速擦写Flash存储器，用于程序存储，可擦写次数为1000次；256字节的RAM，其中高128字节地址被特殊功能寄存器SFR占用；32根可编程I/O端口线：P0，P1，P2，P3；2个可编程16位定时器，一个可编程的全双工串行通信：3口的第二功能；具有6个中断源，5个中断矢量，两级优先权的中断系统；1个数据指针DPTR；具有“空闲”和“掉电”两种低功耗工作方式；可编程的3级程序锁定位；工作电源的电压为（50.2V）；AT89C51芯片引脚图如图3- 2 所示图3- 2 AT89C51 引脚排列图3.3.2 AT89C51存储器的扩展由于AT89C51只有一个256B RAM可能无法满足整个系统对程序存储、数据存储的要求，所以必须对AT89C51存储器扩展。电路图如图3- 3所示。图3- 3 AT89C51 扩展电路图3.3.3电源模块的设计 电源是系统必不可少的组成部分，一个良好的电源对于系统的正常工作至关重要，其设计的性能优劣直接关系到系统的技术指标和能否安全可靠的工作。如何保持电源的稳定性、减少系统的功耗和外界的干扰往往成为工程师最为头疼的问题。目前常用的直流稳压电源分为两种，一种是线性稳压电源，另一种是开关稳压电源。本设计采用开关稳压电源，从而可以减少系统的体积和降低功耗14。+5V开关稳压电源的电路原理图如图3- 4所示。在图中，C1=220F，C2=0.47F，C3=0.1F，C4=200F。为了达到最佳的滤波效果，除了选择合理的电路结构以外，在安装时，应尽量将滤波器的输入和输出端远离开始端。经验表明，电源的接地阻抗越小，负载间的耦合就越少。较为经济的做法是采用负载分离供电的方法。也就是说，如果是单纯的最小系统，应尽量减少电源接地阻抗，否则，就应当将其他负载与最小系统分离供电。图 3- 4 电源电路原理3.3.4开关量输入及输出电路设计 开关量分为开关量输入和开关量输出两个部分，在本系统中，开关量主要是断路器，刀闸的合、分闸信号，开关状态等信号，由于开关信号传输的距离比较远，容易受到外界的干扰，确保开关动作的可靠性至关重要，所以开关量的输入输出应确保可靠，并具有良好的抗干扰的能力，本系统通过采用电容滤波和光电隔离的方法来提高输入输出信号抗干扰能力15。开关量输入原理如图3- 5 所示。 图3- 5 开关量输入原理图从控制器端子箱引入的开关量（常开）图中的S表示，在输入端接有电阻与二极管并联的电路主要起保护作用，经光电隔离进入单片机的输入接口，由CPU读取，当开关打开时，光敏三极管关闭，输出为高电平，对应位为1，当开关闭合时，光敏三极管导通，输出为低电平，对应位为0。CPU可以通过软件查询，随时知道外部开关量的状态。开关量保护信号和闭锁信号经光电隔离后输入单片机的高速输入口，每个高速输入口电平的跳变都可以产生中断，这可以使CPU对保护信号和闭锁信号做出快速反应，最大限度地提高控制器的可靠性。开关量输出原理如图3- 6所示。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来控制有触点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离。只要光敏三极管导通，驱动继电器动作，从而产生输出接点的动作，同时要有效消除由于干扰问题而产生的误动作。此外，在动作指令发出之后，CPU要监测动作的执行情况，一方面是看动作指令是否产生了相应继电器接点的动作，另一方面是看控制对象（线路上的开关）是否正确动作，如有异常情况立即闭锁装置并报警。 图3- 6 开关量输出原理图3.3.5模拟量输入模块 模拟量输入电路的结构框图如图3- 7所示。主要包括电压形成回路、低通滤波电路、采样保持、多路转换开关及A/D变换芯片五部分。下面分别叙述这五部分的工作原理及作用。图3- 7 模拟量输入电流结构框图3.3.5.1电压形成电路16系统要从电流互感器(TA)和电压互感器(TV)取得信息，但这些互感器的二次侧电流或电压量不能适应模数变换器的输入范围要求，故需对它们进行变换。电压变换器将由电压互感器二次侧引来的电压进一步降低。电流变换器将电流互感器二次侧的电流变换成电压信号，并进一步降低电压。一般模数转换芯片要求输入电压5V或10V。由此可以决定上述电压变换器、电流变换器的变比。 电压形成电路除了起电量变换作用外，另一个重要作用是将一次设备的电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与微机AD转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。3.3.5.2 低通滤波（ALF)17 为了使信号被采样后不失真，采样频率必须不小于2倍的输入信号的最高频率，这是采样定理的要求。电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的谐波成分。如果要对所有的高次谐波成分均不失真地采样，那么其采样率就要取得很高，这就对硬件速度提出很高要求，使成本增高，这是不现实的。实际上，大多数的模拟量输入回路都在采集之前将最高信号频率分且限制在一定频带以内，即限制输入信号的最高频率，以降低采样频率。这样，只需要在采样前用一个模拟低通滤波器将高频分量滤去即可。3.3.5.3采样保持器(SH)18采样保持器(SH)的基本原理：AD转换器完成一次完整的转换需要一段时间，在这段时间里，模拟量不能变化，否则就不准确了，必须引入采样保持电路，将瞬间采集的模拟量“样本”冻结一段时间，以保证AD转换的精度。3.3.5.4. 多路转换开关 多路开关是一种受CPU控制的高速电子切换开关。由采样保持器送来的多路模拟量公用一套AD转换器，只有被选中的一路才可以通过多路开关进入AD转换器，其余各量需等候下一次的选择。电路连接图如图3- 8所示：a 电流测量电路b 电压测量电路图3- 8 电压及电流测量电路3.3.6 模数转换模块 A/D转换器是把模拟量转换成数字量的线性电路器件，已做成集成芯片。A/D变换器主要有以下几种类型：积分型、逐次逼近型、并行比较型，型和流水线型等转换器。在选用A/D变换器时，主要应根据使用场合的具体要求，按照转换速度，精度，价格，功能以及接口条件等因素而决定选用哪种类型。本设计中采用逐次逼近型芯片ADC080911。逐次逼近式A/D转换器是由逐次逼近寄存器，D/A转换器，比较器，和缓冲寄存器等组成。当启动信号由高电平变为低电平时，逐次逼近寄存器清0，这时，D/A转换器输出电压也为0，当启动信号变为高电平时，转换开始，同时，逐次逼近寄存器进行计数。衡量一个A/D转换器的性能的主要参数有： （1）分辨率 是指A/D转换器能够转换的二进制数的位数，位数多分辨率也就越高。 （2）转换时间 指模拟量输入到完成转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间。一般在几ns到几百ns之间。逐次逼近型A/D转换器的转换时间为1至200s。 （3）转换精度 指A/D转换器实际输出电压与理论值之间的误差，有绝对精度和相对精度两种表示法。 （4）量程量程是指所能转换的电压范围。如5V或10V等，用户在使用时遥通过调理电路将输入信号调制到量程范围以内。 （5）工作温度范围较好的A/D转换器的工作温度为-40到85C，较差的为0到70C。应根据具体应用要求去查器件手册，选择使用的型号。超过工作温度范围，将不能保证达到额定精度指标。ADC0809是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。主要特性如下：8路输入通道。 具有转换起停控制端。 转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时）。 单个+5V电源供电。模拟输入电压范围0+5V， 不需零点和满刻度校准。 工作温度范围为-40+85摄氏度。 低功耗，约15mW。输出带锁存器。逻辑电平与TTL兼容。8位A/D转换器，即分辨率为8位。ADC0809 引脚图如图3- 9所示： 其主要功能如下： IN0IN7：8路模拟量输入端。 D0D7：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。 REF（+），REF（-）：基准电压。VCC：电源，+5V。图3-9 ADC0809引脚排列图ADC0809与AT89C51连接如图3-10所示：图3- 10 ADC0809 与AT89C51连接图3.3.7 通信电路 系统设计中采用RS485通信方式，RS-485标准接口是单片机系统中常用的一种串行总线之一。RS-485操作方式为差动方式，最大传输距离为1200米，最大传输速率为10Mbps,最大驱动器数目为32，最大接收器数目为32。RS-485接口可连接成半双工和全双工两种通信方式。常见的半双工通信芯片有MAX481、MAX483、MAX485、MAX487等，全双工通信芯片有MAX488、MAX489、MAX490、MAX491等。图3- 11为RS-485通过MAX485与单片机的连接图。 图3- 11 RS485 通信接口电路3.3.8 复位电路复位是单片机的初始化操作，其功能主要是使单片机内逻辑电路回到起始点。本设计采用看门狗复位电路11。看门狗电路是用来监测微处理器是否正常工作的，如果单片机应用系统工作不正常，程序飞掉，看门狗电路的输入端就会被触发，那么看门狗电路的输出端就可以产生一个复位脉冲使系统复位。一般看门狗电路的本质是一个带有具有清零功能的计数器。具体的原理是在预先设定的时间内是CPU复位计数器，即预先设定的时间要小于计数器的溢出时间，如计数器一旦溢出，即认为CPU目前的运行状态出现问题，可用计数器溢出信号去复位CPU，使单片机系统重新工作，从而使系统纳入正常的工作状态。本系统的复位电路如图3- 12所示。图3- 12 CD4060 构成的看门狗电路3.3.9 人机交互模块键盘是计算机应用系统的重要组成部分，对于一些人工干预的计算机控制系统来说，键盘就成为人机联系的必要手段。因此，任何一个人工可干预的计算机开发或应用系统必须配置键盘输入设备。这样就可以随时将程序、数据、命令等输入到单片机中。一般键盘接口有独立式按键和矩阵式按键11。独立式键盘就是各按键相互独立，该方式的优点是电路配置灵活、软件结构简单，适用于按键较少或速度要求高的键盘。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它与独立式键盘相比要省很多的I/O口线。独立式键盘连接图如图3- 13 所示。图3-13 键盘连接电路在人机界面当中，LCD显示技术由于其具有界面友好，成本较低等特点而在很多应用场合得到广泛应用。本设计采用以HT1621D为驱动芯片的液晶显示，电路图如图3- 14所示。图3- 14 以HT1621D为驱动的液晶显示电路34山东科技大学学士学位论文 微机保护的软件设计4. 微机保护的软件设计4.1 微机保护的算法电力系统中的各种电气量通过微机继电保护的模数转换器后形成了若干个离散的、量化了的数字采样序列。微机继电保护的CPU通过软件对采样序列进行分析、运算和判断，是实现故障量的测量及各种继电保护的功能。因此，在微机继电保护中，一个基本问题就是寻找适当的离散运算方法，使运算结果的精确度在能够满足工程要求的同时计算耗时又要尽可能短，以达到既判断又满足速动性和可靠性的要求。本设计采用三采样值乘积算法6。三采样值乘积算法是利用3个连续的等时间间隔的采样值，通过适当的组合消去项以求出采样的幅值和相位的方法。为分析方便，设电压的初相位为0，电流滞后电压的角度为，则 取、为采样时刻，每个采样间隔为，则对应的电压和电流的采样值为：、，、，、。则时刻的采样值可表示为 （4- 1）在时刻的采样值为 (4- 2)在时刻的采样值为 （4- 3）如果将（4- 3)中的两式相乘积，有 （4- 4）将式（4- 2）中的两式相乘积，有 （4- 5）式（4-4）与相加，得 （4- 6）很显然，式（4- 6）与式（4- 5）经过适当组合便可消去项，得 （4- 7）当用代替时，即用代以，则有 (4- 8)同理 （