110kV输电线路零序电流保护设计 课程设计

1、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： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文）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 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目110kv 输电线路零序电流保护设计（2）本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务系统接

2、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 . 1irelkrelk1 . 1relk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(. 0kkii当 z1z0时，则有。)1 . 1(. 0)1(. 0kkii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

3、。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=50zt3=50zt2=10zg2=16zt1=10321zg1=16

4、z1.cd=40z0.cd=80z1.bc=20z0.bc=40z0.ab=40az1.ab=25dcb本科生课程设计（论文）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：

5、 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算本科生课程设计（论文）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

6、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;重合闸本科生课程设计（论文）目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 输电线路零序电流保护整定计算 .22.1 零序电流 段整定计算.22.1.1 零序电流 段动作电流的整定 .62.1.2 灵敏度校验 .72.1.3 动作时间的整定 .92.2 零序电流段整定计算.102.3 零序电流段整定计算 .10第 3 章 硬件电路设计 .123

7、.1 cpu 最小系统图 .123.2 110kv 输电线路零序保护的硬件 .123.3 数据采集系统.133.3.1 电压形成回路 .143.3.2 采样保持和模拟低通滤波.143.3.3 多路转换开关和模数转换.153.4 开关量输入输出系统 .163.4.1 开关量输入输出模块.163.4.2 开关量输入部分.173.4.3 开关量输出部分.183.5 电源模块 .20第 4 章 软件设计 .204.1 软件结构分析概述 .204.2 程序总框图 .214.3 中断程序模块 .234.4 各程序的子模块介绍 .234.4.1 初始化.234.4.2 启动元件.244.4.3 零序方向电流

8、保护.254.4.4 重合闸及后加速.25本科生课程设计（论文）4.5 微机保护的算法 .264.5.1 输入为正弦量的算法.264.5.2 突变量电流算法.274.5.3 选相方法.284.5.4 傅里叶级数算法.30第 5 章 实验验证及分析 .345.2 仿真结果及分析 .34第 6 章 课程设计总结 .36参考文献 .37本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论结合设计概括发展技术本设计的总体思路本科生课程设计（论文）2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 系统接线图一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗、1

9、z0z（1）当、均投入运行时：1g1t2g2t3t4tg11a b1bc1cdt1g2t2zabcdzzzzzz 图 2.2 、均投入运行时等值正序（负序）网络图1g1t2g2t3t4tt40a b0bc0cdt1t3t2zabcdzzzzzz图 2.3、均投入运行时等值零序网络图1g1t2g2t3t4t本科生课程设计（论文）3b 母线： abtgtgbzzzzzz122111/3320)1016/()1016( 4030. 0210/ttabttbzzzzzz18)60/60/()4010/10(c 母线：532033111bcbczzz584018000bcbczzzd 母线：934053

10、111cdcdzzz1388058000cdcdzzz（2）当、投入运行时:1g1t2g2t3tb 母线： 3320)1016/()1016(/122111abtgtgbzzzzzz 71.2560/)4010/10(/30210tabttbzzzzzc 母线：532033111bcbczzz71.654071.25000bcbczzzd 母线：934053111cdcdzzz71.1458071.65000cdcdzzzg11a b1bc1cdt1g2t2zabcdzzzzzz图 2.4、投入运行时等值正序（负序）网络图1g1t2g2t3t0a b0bc0cdt1t3t2zabcdzzzzz

11、图 2.5、投入运行时等值零序网络图1g1t2g2t3t（3）当、投入运行时1g1t3t4t本科生课程设计（论文）4g11a b1bc1cdt1zabcdzzzz图 2.6、投入运行时等值正序（负序）网络图1g1t3t4tt40a b0bc0cdt1t3zabcdzzzzz图 2.7、投入运行时等值零序网络图1g1t3t4tb 母线：462010161111abtgbzzzz 75.18)60/60/()4010(/4030010ttabtbzzzzzc 母线：662046111bcbczzz75.584075.18000bcbczzzd 母线：1064066111cdcdzzz75.1388

12、075.58000cdcdzzz（4）当、投入运行时1g1t3tg11a b1bc1cdt1zabcdzzzz图 2.8、投入运行时等值正序（负序）网络图1g1t3t0a b0bc0cdt1t3zabcdzzzz图 2.9、投入运行时等值零序网络图1g1t3t本科生课程设计（论文）5b 母线：462010161111abtgbzzzz27.2760/)4010(/3010tabtbzzzzc 母线：662046111bcbczzz27.674027.27000bcbczzzd 母线：1064066111cdcdzzz27.1478027.67000cdcdzzz二、计算 b、c、d 母线处发生

13、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1g1t2g2t3t4tb 母线：kazzeibbskb962. 0201)1 . 1(0kazzeibbskb790. 0201)1(0c 母线：kazzeiccskc393. 0201)1 . 1(0kazzeiccskc405. 0201)1(0d 母线：kazzeiddskd180. 0201)1 . 1(0kazzeiddskd205. 0201)1(0（2）当、投入运行时1g1t2g2t3tb 母线：kazzeibbskb786. 0201)1 . 1(0kazzeibbskb724. 0201)1(0c 母线：ka

14、zzeiccskc360. 0201)1 . 1(0kazzeiccskc387. 0201)1(0d 母线：kazzeiddskd173. 0201)1 . 1(0kazzeiddskd200. 0201)1(0（3）当、投入运行时1g1t3t4tb 母线：kazzeibbskb795. 0201)1 . 1(0kazzeibbskb599. 0201)1(0c 母线：kazzeiccskc362. 0201)1 . 1(0kazzeiccskc348. 0201)1(0d 母线：kazzeiddskd173. 0201)1 . 1(0kazzeiddskd189. 0201)1(0（4）当

15、、投入运行时1g1t3t本科生课程设计（论文）6b 母线：kazzeibbskb660. 0201)1 . 1(0kazzeibbskb557. 0201)1(0c 母线： kazzeiccskc331. 0201)1 . 1(0kazzeiccskc333. 0201)1(0d 母线：kazzeiddskd166. 0201)1 . 1(0kazzeiddskd185. 0201)1(02.1.1 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(0kbkbiikazzzzzzziittabttttkbb385.

16、04302143)1 . 1(00（2） 、运行1g1t2g2t3t取两相接地短路)1(0)1 . 1(0kbkbiikazzzzziitabtttkbb449. 030213)1 . 1(00 最大运行方式为：、运行1g1t2g2t3t保护 1 的 i 段动作电流为：kaikibrelop6164.1449. 032 . 1301. 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(0kckciikaiikcc405. 0)1(00 （2） 、运行1g1t2g2t3t取单相接地短路)1(0)1 . 1(0kckciikaiikcc387.

17、 0)1(00 最大运行方式为：、运行1g1t2g2t3t4t保护 2 的 i 段动作电流为：kaikicrelop458. 1405. 032 . 1302. 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(0kdkdiikaiikdd205. 0)1(00 （2） 、运行1g1t2g2t3t取单相接地短路)1(0)1 . 1(0kdkdiikaiikdd200. 0)1(00本科生课程设计（论文）7 最大运行方式为：、运行1g1t2g2t3t4t保护 3 的 i 段动作电流为：kaikidrelop738. 0205. 032 .

18、1303. 02.1.2 灵敏度校验一、保护 1 的最小保护范围计算设 （） ，则abakzzk11101 k,4040,40,20101011111kzkzkzbkakak(1)、运行1g1t3t4t8/ )4070)(41 ()()(2030114300101111111111kkzzzzzzkzzzzttbkaktkaktgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(00111kbkbkkiizz8/ )4070)(41 ()2030(23/115211101)1(011kkkzzeikkskbkaiikkkzzzzzzziiopkttabtttbkkbk5084. 1375.6870203

19、/1158471. 001114301430)1(00111得，满足灵敏度要求%15%7 .331k(2)、运行1g1t3t11/ )40100)(41 ()()(203011300101111111111kkzzzzzkzzzztbkaktkaktgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(00111kbkbkkiizz11/ )40100)(41 ()2030(23/115211101)1(011kkkzzeikkskbkaiikkkkzzzzziiopktabttbkkbk5084. 1311/ )40100)(41 ()2030(23/115114101. 00111130130)1(0

20、0111得，满足灵敏度要求%15%37.401k 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本科生课程设计（论文）8设 （） ，则bcbkzzk22102 k202140,2022kzkzbkbk（1）、运行1g1t3t4t20430102111110475.18)()(20502222kzzzzzzkzzzzzbkttabtkbkabtgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(00122kckckkiizz2201)1(004075.18)2050(23/1152222kkzzeiikkskc

21、k得，满足灵敏度要求kaiiopk422. 132. 002%15%66.262k（2）、运行1g1t3t 203010211114027.27)(20502222kzzzzzkzzzzbktabtkaktgk 取单相接地短路)1(0)1 . 1(00122kckckkiizz2201)1(004027.27)2050(23/1152222kkzzeiikkskck得，满足灵敏度要求kaiiopk422. 132. 002%15%161k 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cdck

22、zzk33103 k303180,4033kzkzckck（1）、运行1g1t3t4t 3004301031111110875.58)()(40703333kzzzzzzzkzzzzzzckbcttabtkckbcabtgk若 ,则取单相接地短路3301kkzz)1(0)1 . 1(0kdkdii3301)1(008075.58)4070(23/1152333kkzzeiikkskdk得，满足灵敏度要求kaiiopk7272. 033. 003%15%97.463k本科生课程设计（论文）9此时，与矛盾326.96,788.883301kkzz3301kkzz所以，取两相接地短路3301kkzz

23、)1(0)1 . 1(0kdkdii)8075.58(240703/11523301)1 . 1(00333kkzzeiikkskdkkaiiopk7272. 033. 003得，满足灵敏度要求%15%20.433k（2）、运行1g1t3t300301031111118027.67)(40703333kzzzzzzkzzzzzzckbctabtkckbcabtgk若 ,则取单相接地短路3301kkzz)1(0)1 . 1(0kdkdii3301)1(008027.67)4070(23/1152333kkzzeiikkskdk得，满足灵敏度要求kaiiopk7272. 033. 003%15%6

24、5.413k此时，与矛盾59.100,66.863301kkzz3301kkzz所以，取两相接地短路3301kkzz)1(0)1 . 1(0kdkdii)8027.67(240703/11523301)1 . 1(00333kkzzeiikkskdk得，满足灵敏度要求kaiiopk7272. 033. 003%15%68.343k 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

25、间：stttiopiopiop0321本科生课程设计（论文）102.2 零序电流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1mini2. 0ii1. 0/bopiirelopkiki5 . 23075001minabbcbiik kaiop626. 05 . 2/422. 11 . 1ii1. 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kazzzzzziittabtttkb2096. 0430143)1(0min0 不满足灵敏度要求3 . 1005. 1626. 02096. 0331. 0min01iiopiiseni

26、ik所以，保护 1 的段与保护 2 的段配合，保护 2 的分支系数1minii2. 0ii1. 0/bopiirelopkiki12minbkkakikibopiirelop80. 01/7272. 01 . 1/2mini3. 0ii2. 0kaiop352. 05 . 2/80. 01 . 1ii1. 0满足灵敏度要求3 . 179. 1352. 02096. 0331. 0min01iiopiiseniik所以，保护 1 的段动作电流：kaiop352. 0ii1. 0保护 1 的段动作时间与保护 2 的段动作时间配合：sttttttiopiiopiiop0 . 15 . 05 . 00

27、3212.3零序电流零序电流段整定计算保护 1 的段与保护 2 的段配合kakikibopiiirelop352. 05 . 2/80. 01 . 1/1minii2. 0iii1. 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. 1352. 02096. 0331. 0min01iiiopbiiiseniik作为远后备：满足灵敏度要求2 . 173. 2352. 0320. 0331. 0min01iiiopciiiseniik本科生课程设计（论文）11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

28、 2 的段动作时间配合：sttttttiiopiiopiiiop5 . 15 . 05 . 05 . 0321本科生课程设计（论文）12第 3 章 硬件电路设计3.1 cpu 最小系统图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 3.1 图 3.1 cpu 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：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

29、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oe22we27ce 120a122a1123a1021a924a825vcc28ce 226gn d14a73a64a55a46a37a28a19a010i/o 718i/o 617i/o 516i/o 415i/o 314i/o 213i/o 112i/o 0116264s1sw-pbc5r410kc310ufd3vccc1300pfc2300pfy112mhznetlabel48netlabel49rd17wr16p2.728p2.425p2

30、.324p2.223p2.122p2.021p0.732p0.534p0.633p0.435p0.336p0.237p0.138p0.039al e30ea31gn d20xt al 119xt al 218rst989c51vccq719q616q515q412q39q26q15q02oe1d718d617d514d413d38d27d14d03g1174373netlabel50netlabel51本科生课程设计（论文）13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

31、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 3.2 所示： 电压形成电压形成lpflpfs/hs/h 多路转换开关a/d串行接口cpuflashram并行接口定时器光电隔离光电隔离出口电路数据采集系统微机系统输入输出系统通信人机人机对话对话开关开关输入输入 图 3.2 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（s/h） 、多路转换（mpx）

32、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 数据采集系统模拟量输入本科生课程设计（论文）143.3.1 电压形成回路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

33、理转换为电压信号，作为 a/d 转换的输入信号。 图 3.4 电压输入信号变换电压的计算公式： ni122rirulhlh 图 3.5 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 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，本科生课程设计（论文）15进而对硬件

34、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

35、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lpflpfs/hs/h多路转换开关a/dcpu采样脉冲 图 3.7 多路转换开关本科生课程设计（论文）16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

36、模转换。如图 3.8 为一个 4 位数模转换器的原理图，更多位数的情况与此类似。 图 3.8 4 位数模转换器原理输出电压为：drruufr0可见，输出模拟电压正比于控制输入的数字量 d。对一般的 a/d 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

37、，导致拒动。避免这种溢出现象的常用方法有：1，采用类似于逐次逼近方式的 a/d 转换器；2，在 a/d 转换器之前采用预先措施；3，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

38、。本科生课程设计（论文）173.4.23.4.2 开关量输入开关量输入部分部分在微型机线路保护装置中，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。需要采集的输入开关量共8路，分为两组，一组为4路220v开关量输入，另一组为4路24v开关量输入。图3.9 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，其集电极输出低电位；当外部接

39、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。这样，开关量经过光电耦合器后直接与保护dsp相应的通用io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。 图 3.9 开关量经光耦输入电路图3.10 是开关量输入电路的部分电路图(只画出220v的一路输入)。

40、在整体电路中，上面4路为220v开关量输入电路，并配有两路220v开关量监视电路；下面4路为24v开关量输入电路，配有两路24v开关量监视电路。监视电路能够实现8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4路开关量监视回路，可以实现8路开关量输入通道的自检功能。本科生课程设计（论文）18 图 3.10 开关量输入回路(以 220v 的一路输入量为例)图3.10 的原理为：6ja21为220v开关量控制1端口。当该端口输入为“1时，光电隔离器ptl中发光二极管发光，三极管导通，表现为低电平，可正确对220v开关量输入信号进行采集；当6ja21控制端口输入为“o”时

41、，光电隔离器pt3中发光二极管不导通，同时三极管截止，表现为高阻状态，此时无法采集相应的开关量。这样，就可以将装置的电源停掉，实现省电功能。自检测功能：220v开关量控制2端口6jb21输入为“1”时，光电隔离器pt2中的发光二极管导通发光，三极管导通，220v正电源经导通的三极管，二极管d3进入开关量采集电路中，通过查询开关量输入口6jbl8的状态，用以判断开关量采集电路是否工作正常。3.4.33.4.3 开关量输出开关量输出部分部分相对于开关量输入，开关量输出回路具有更加重要的地位。因为在微型机保护装置中，所有的保护功能最终是通过开关量输出部分来控制继电器动作，驱动断路器跳闸或发出告警信号

42、。如下图为一简单的输出接线图。 本科生课程设计（论文）19 图 3.11 装置开关量输出回路接线图但是，由于开关量输出信号的正确与否关系到整个继电保护装置的可靠性，因此，开关量输出回路必须加上监视回路来监视开关量的状态。开关量输出部分主要包括跳闸出口、重合闸出口以及各种信号出口等。开关量输出部分是对断路器实现控制的出口通道，dps2812m的io口输出的是33v的低电压微电流信号，不足以直接驱动断路器实现各种操作。因此，开关量输出回路需要将cpu输出的小信号放大为大功率信号，从而驱动断路器。另外，为了防止断路器操作过程中产生的瞬时脉冲对微型机保护装置的反馈干扰，还必须对出口通道进行隔离。通过采

43、用光电耦合器与继电器相结合的方法来实现出口信号的隔离与放大。为了提高开关量输出回路的可靠性，在数字输出和继电器之间选用了光电耦合器，提高了抗干扰能力。另外，任何一路的输出均由两个信号通过与非门产生的控制信号所控制，这样就可以有效地抑制干扰产生的误动，可也以在装置出现故障的时候有效地实现闭锁。输出量光耦电路如图3.12所示。 图 3.12 输出量光耦电路(只画出一路）本科生课程设计（论文）20输出量光耦电路原理为：6jb24为输出总控制端口，只用当该端口输入为“0”，与非门， u1a输出“1”时，整个开关量输出电路才能正常工作，否则，当该端口输入为“1”时，各开关量输出端口经与非门后均为“1”，

44、光电耦合器不导通，回路被闭锁。在6jb24为“o”的前提下，当跳闸输出端口6jbl4输出为“1”时，经与非门输出为“0”，光电耦合器中发光二极管导通，三极管导通，24v电源经二极管d1至3d26，3d28端口，驱动相应的继电器；同时24v电源经二极管d8至光电耦合器pt8，二级管导通，三级管导通，输出电路监视端口6ja25对电路进行监视。3.5 电源模块电源模块保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆变电源，即将直流电逆变为交流电，再把交流电整流为微型机系统所需的直流电压。将变电所强电系统的直流电源与微型机的弱电系统电源完全隔离开，通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰能力，对来自变电所中因断路

45、器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。本设计采用的逆变稳压电源的输入电压为直流220v，其输出有5v，供微型机系统使用，12v供数据采集系统使用，24v供继电器回路使用。电源模理图如图3.13所示。 图 3.13 电源模块原理图第 4 章 软件设计4.1 软件结构分析概述软件结构分析概述110kv 输电线路零序电流保护装置是由 p89c51rd 单片机实现的两 cpu 线路保护装置。装置包括三段零序电流保护及三相一次自动重合闸。装置采用了多单片机并本科生课程设计（论文）21行工作的方式，配置了两个 cpu 插件，分别完成零序保护及重合闸，另外配置了一块接口板，完成对各保护 cpu 插件的巡

46、检、人机对话和与系统微型机连机等功能。零序电流保护包括零序 i 段-iii 段和不灵敏 i 段，零序三段均可由控制字整定是否经零序功率方向闭锁。可由控制字控制是否加速 ii、iii 段。振荡闭锁采用启动元件动作后短时开放的原理，即启动元件动作后的 015 秒内开放保护，若在该时间内 i、ii 段均不动作，则将保护闭锁。零序保护不经振荡闭锁，只受启动元件的控制。三相一次自动重合闸由保护启动或由开关位置不对应启动。4.2 程序总框图程序总框图如图 41 所示软件整体流程图。本设计中，采用模块化的设计思想，软件模块主要由主程序模块、中断服务程序模块和故障处理程序模块组成。如图 4.1 软件整体流程图

47、本科生课程设计（论文）22主程序模块主程序模块包括初始化、全面自检、开放中断与等待中断、数据传输通信等环节。初始化初始化是指保护装置在上电或按下复位键时首先执行的程序，它主要是对 dsp芯片的工作方式及参数进行设置，以便在后面的程序中按预定的方案工作。首先f2812 对自身的工作环境进行设置，初始化各种寄存器，按照电路设计的输入输出要求，设置每一个端口用作输入还是输出，初始化保护输出的开关量，以保证出口继电器均不动作；初始化 dsp 采样定时器，控制采样间隔时间等。全面自检对装置的软硬件进行一次全面的自检，包括 ram、flash 或 rom、各开关量输出通道、程序和定值等，以保证装置在投入使

48、用时处于完好的状态。(1)ram 的读写检查对 ram 某一单元写入 1 个数，再从中读出，并比较两者是否相等。如发现写入与读出的数不一致，说明随机存储器 ram 有问题，则转至告警模块。并将告警信息显示在液晶显示屏上。(2)开出自检开出自检主要是检测开出通道是否正常，它是通过硬件开出反馈来检查的依次开出每一路开出量，并从反馈回路检查开出量是否正确。由于受启动继电器的闭锁，所以在开出每一路开出量时，保护并不会误动。(3)整定值检查每套定值在存入eeprom时，都自动固化若干个校验码。若发现只读存储器eeprom定值求和码与事先存入的定值和不一致，说明eeprom有故障，转至告警模块，并将告警信

49、息显示在显示器上。参数刷新在经过全面自检后，应将所有的数据、标志字清零，因为每一个标志代表了一个“软件继电器”和逻辑状态，如果不清零，这些标志将控制程序流程的走向，以致无法达到预期的目的。开放中断与等待中断经过初始化和全面自检后，表明装置的准备工作已经全部就绪，此时，开放中断，将数据采集系统投入工作。可编程的定时器将按照初始化程序规定的采样间隔ts不断发出采样脉冲，控制各模拟量通道的采样和ad转换，并在每次采样完成后向微型机请求中断，来实时监视和获取电力系统的采样信号。对保护计数器的值进行判断，该计数器用于保护起动元件动作后的6s延时计算。保护计数器不为零，说明在6s延时时间内，则进入等待中断

50、流程；当保护计数器归零时，说明起动元件延时时间到，进入整组复归环节。数据传输通信数据传输通信主要为串口收发数据。串口通信主要完成保护处理cputms320f2812与管理cpu lpc2220处理器之间的数据通信，包括dsp到arm的数据上传显示，arm到dsp的数据下传整定，以及相关通信控制标志位的置位与清零等，从而实现保护动作定值的查询、修改和保存，以及动作信息报告和各种实时参数的显示等。本科生课程设计（论文）234.3 中断程序模块中断程序模块在保护装置开中断后，每隔一个ts，定时器就会发出一个采样脉冲，随即产生中断请求。保护装置先暂停一下系统程序的流程，转而执行一次中断服务程序，以保证

51、对输入模拟量的实时采集，同时，实时地运行一次继电保护的相关功能。中断服务程序主要包括定时采样，电流求和自检，tv 断线检查，以及启元件等功能。控制数据采集系统，将8个模拟量输入通道的模拟量输入信号转换成数字量的采样值，然后存入ram区的相应的地址单元中。采用全波傅氏算法等微型机保护算法对各数字量采样值进行计算。将计算得到的各电力系统参数代入启动元件动作判据中，判断启动元件是否动作。若电力系统正常运行，保护启动元件不启动。系统进入自检程序。首先对每个采样点都检查三相电流之和是否与变压器中性点侧ta引入的零序电流3io相等，如果不相等，则判定为采样回路出错，进行上传数据请求置位，将相应的报警信息上

52、传给arm。然后，系统进入tv断线检查模块，依据相应的判据对tv进行断线检查。tv断线判据如下：1负序电压大于8v，负序电流小于0.1a；2正序电压小于30v，相电流差突变量小于0.1a。系统确定tv二次断线时，发出“tv断线”信号，待电压恢复正常后信号复归。在tv断线期间，相应的tv断线标志位置“1”，并通过程序安排闭锁自动重合闸。这时保护将根据整定的控制字决定是否退出与电压有关的保护。经过上述tv断线以及采样通道自检后，若互感器及数据采集系统均无异常，再次判断启动继电器是否动作。如果此时电力系统正常，则中断服务程序执行完毕后就回到主程序中被中断的地址处，继续循环自检。若启动继电器动作，则设

53、置保护计数器的初始值，并通过保护计数器每次循环自减“l”来实现启动元件动作后自保持6s的时间。同时，系统修改中断返回地址和中断返回参数，使系统流程跳转至故障处理程序入口出。在进入中断服务程序后，若启动元件动作，则装置闭锁掉采样通道检查，tv断线检测环节，直接跳转至修改中断返回地址和修改中断返回参数环节，从而进入故障处理程序中。这样可以使cpu集中时间处理故障处理程序，以便加快保护动作。在执行故障处理程序时，定时器仍将每隔一个ts发出中断请求，以保证采样不中断。4.4 各程序的子模块介绍各程序的子模块介绍4.4.14.4.1 初始化初始化本科生课程设计（论文）24 图 4.2 初始化流程图在初始

54、化模块中执行的程序内容见图4.2.首先是对所有的可编程序的并行接口的初始化，规定每一个端口用作输入还是输出，用于输出的则要赋值等。这一步必须首先执行，否则无法通过并行口读取各开关量输入的状态。第二步是读取所有开关量输入的状态，并将其保存在ram区规定的地址内，以备以后在自检循环时不断监视开关量输入是否有变化。接着是对装置的硬件进行一次全面的自检，包括ram，eprom、各开关量输出通道等。这一次全面自检不包括对数据采集系统的自检，因为它尚未工作。对数据采集系统的检测安排在中断服务程序中。在经过全面自检后应将所有标志字清零，接着进行数据采集系统的初始化，包括对定时器以及采样数据寄存区地址指针的初

55、始化等。完成数据采集系统的初始化后，即可开放中断，程序转入振荡闭锁模块。4.4.24.4.2 启动元件启动元件启动元件的主体由反应相间工频变化量的过流继电器实现，同时又配以反应全电流的零序过流继电器和负序过流继电器互相补充；低周起动元件可经控制字选择投退。反应工频变化量的起动元件采用浮动门坎，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门坎，浮动门坎始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，而装置有很高的灵敏度。当外接和自产零序电流均本科生课程设计（论文）25大于整定值，且无交流电流断线时，零序起动元件动作并展宽7秒，去开放出口继电器正电源。4.4.34.4.3 零序

56、方向电流保护零序方向电流保护零序电流方向保护是反应线路发生接地故障时零序电流分量大小和方向的多段式电流方向保护装置，在我国大短路电流接地系统不同电压等级电力网的线路上，根据部颁规程规定，都装设了这种接地保护装置作为基本保护。 电力系统事故统计材料表明，大电流接地系统电力网中线路接地故障占线路全部故障的 80一 90，零序电流方向接地保护的正确动作率约 97，是高压线路保护中正确动作率最高的一种。零序电流方向保护具有原理简单、动作可靠、设备投资小、运行维护方便、正确动作率高等一系列优点。当保护方向上有中性点接地变压器时，无论被保护线路对侧有无电源，保护反方向发生接地故障，就有零序电流通过本保护，

57、因此，当零序电流 i 段不能躲过反向接地流过本保护的最大零序电流，或零序过电流保护时限不配合时，应配置零序方向元件以保证保的选择性。零序方向元件十分灵敏，3u 电压应躲过不平衡电压的影响，否则不能保证判别接地故障方向的正确性。为此，零序方向元件只有在 3u 值达一定值时才投入工作，一般取值为 2-3v。电压互感器二次回路断线时（零序方向元件取用自产零序电压），零序方向元件工作的正确性得不到保证，此时零序方向元件自动退出工作，零序方向电流保护变为零序电流保护。在电压互感器二次回路断线期间，可自动投入两段相电流元件。由于零序电流保护反映的是接地故障，不反映相间短路故障，因此不论零序电压取用母线侧电

58、压互感器还是线路侧电压互感器，当三相合闸（自动重合和手动合）于出口接地故障时，零序方向元件可灵敏动作而没有死区，所以零序电流加速段经零序方向元件控制。零序电流加速段独立设置，定值和延时可独立整定。当然，本线末端接地故障时，加速段的灵敏度应满足要求；与零序电流速断相同，为躲过断路器三相触头不同时接通产生的零序电流，加速段的时限取 100ms 或 200ms。此外，为防止合闸于空载变压器时励磁涌流引起零序后加速误动，零序加速段可以由控制字选择是否需要投入二次谐波闭锁，二次谐波的制动比选为 18%。接地时零序分量的特点：故障点的零序电压最高，离故障点越远处的零序电压越低，中性点接地变压器处零序电压为

59、零。 零序电流的分布，主要决定于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。 在电力系统运行方式变化时，如果输电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。但电力系统正序阻抗和负序阻抗要随着系统运行方式而变化，将间接影响零序分量的大小。 对于发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。本科生课程设计（论文）264.4.44.4.4 重合闸及后加速重合闸及后加速自动重合闸装置是将因故跳开后的断路器按需要自动再投入的一种自动装置。电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是瞬时性的，而永久性

60、故障一般不到 10%。因此，在由继电保护动作切除短路故障之后，电弧将自动熄灭，绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复。因此，自动将断路器重合，不仅提高了供电的可靠性，减少停电损失，而且还提高了电力系统的暂态稳定水平，增大了高压线路的送电容量。根据国标对于 110kv 线路，采用三相一次重合闸。重合闸可以通过整定灵活选择检无压、检同期、不检方式进行重合。不检方式在跳闸固定后，到达重合时间时直接重合；选择检无压方式时，如果满足无压条件到达重合时间则重合，若不满足无压条件则自动转为检同期。装置设有两个启动重合闸回路：保护启动以及断路器位置不对应启动。保护启动是指根据三相跳闸启动重合闸；断路器位置不对