微机保护设计

1、基于单片机的B站微机电流速断保护设计摘 要：电力作为一种高级、清洁、方便的能源利用形式，正越来越广泛地应用于经济社会的各个方面。电力系统运行的安全性是形成系统威胁的主要问题，然而电力系统中的故障却是不可避免的。为确保系统安全稳定运行，增强供电的可靠性和连续性，就需要一个优质的故障诊断分析系统。输电线路，它连接着电源和各种用电设备，实现电能的传输任务。当输电线路发生短路故障时，短路电流比正常工作电流大许多倍，产生巨大的热效应和力效应。这不仅危及线路的本身的运行，而且给整个电力系统的安全稳定运行带来了隐患。继电保护（包括安全自动装置）是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、

2、最重要、最有效的技术手段。本文是针对BC段线路的电流保护设计，对采用单片机构成结构简单，成本低，使用方便的三段式电流保护装置的硬件结构、软件设计进行了研究，设计了一种基于MCS-51单片机的输电线路电流保护装置，并且进行了电流保护整定值的计算和灵敏度教研，完成了芯片选型及外围电路设计，给出了软件流程图。关键词：微机保护；电流保护；继电保护；单片机；输电线路中图分类号：TM77A Deisign of Microcomputer Current Protection based on MCS-51Class2113,Institute of electrical and mechanical ,

3、 Anhui Polytechnic UniversityAbstract:The electric power took one kind of senior, clean,convenient energy use form, is more and more widely applied in economic society in evry aspect.Th

4、e security movement of electrical power system is the main question form the system threat, however breakdown in the electrical power system is inevitable actually. For g

5、uarantees the system safe stable movement, the enhancement power supply reliability and the continuity, need a high quality breakdown diagnostic analysis system. Transmission network,&#

6、160;it joins power source and the various transmission tasks that realize electrical energy with electrical equipment. When transmission network occurs the fault of short circuit&#

7、160;short-circuit current than normal working current a lot of times, produce huge fuel factor and force effect. This not only dangerous operation of the of line has 

8、;also brought hidden trouble to the safely steady operation of entire power system. Relay protection (including security automatic device) is the guarantee electric power equipment safety and to prevent and limit of power system blackouts f

9、or a long time the most basic, most important, the most effective technological means.This article is aimed at the BC section of line current protection design, to use single chip has simple structure, low cost, convenient to use the three-step current protection device of hardware structure and sof

10、tware design are studied, designed a MCS - 51 single chip microcomputer based transmission line current protection device, and the current protection setting value calculation and sensitivity of the research, completed the chip selection and peripheral circuit design, software flow chart are given.K

11、ey words: The microcomputer protection; Current protection; Relay protection; Single chip microcomputer; Transmission line.1 引言1.1 一次接线图 图1 一次接线图 微机线路保护实验装置的一次接线图如图所示，电源电压105V，最大运行方式下系统阻抗13，最小运行方式下系统阻抗10，正常运行方式下系统阻抗16。A保护位于AB段始端，线路阻抗20；B保护位于BC段始端，线路阻抗50。AB段输电线路最大负荷电流0.3A，额定负荷电流0.28A。BC段输电线路最大负荷电流0.2

12、A，额定负荷电流0.18A。1.2 电流速断保护（第段）对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。 其优缺点是：接线简单，动作可靠，切除故障快；但不能保护线路全长，保护范围受到系统运行方式变化的影响较大。基本原理：在电网的不同地点发生相间短路时，线路中通过电流的大小是不同的，短路点离电源愈远，短路电流就愈小。此外，短路电流的大小与系统的运行方式和短路种类也有关。图2 电流速断保护范围的确定在图2中：表示在最大运行方式下，不同地点发生三相短路时的短路电流变化曲线；表示在最小运行方式下，不同地点发生两相短路时的短路电流变化曲线。如果将保护装置中电流起动元件的动作电流Idz

13、整定为：在最大运行方式下，离线路首端Lb·max·3处发生三相短路时通过保护装置的电流，那么在该处以前发生短路，短路电流会大于该动作电流，保护装置就能起动。对在该处以后发生的短路，因短路电流小于装置的动作电流，故它不起动。因此，Lb·max·3就是在最大运行方式下发生三相短路时，电流速断的保护范围。从图2可见，在最小运行方式下发生两相短路时，保护范围为Lb·min·2，它比Lb·max·3来得小。如果将保护装置的动作电流减小，整定为Idz，从图2可见，电流速断的保护范围增大了。在最大运行方式下发生三相短路时，保护范

14、围为Lb·max·3；在最小运行方式下发生两相短路时，保护范围为Lb·min·2。由以上分析可知，电流速断保护是根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的，以动作电流的大小来控制保护装置的保护范围。假如电力线路如图3所示： 图3 BC段线路的无时限电流速断保护 在如图3所示的线路上，若故障发生在线路BC之间即K3点短路时，希望（要求）本段线路上装设的电流速断保护装置，能够根据选择性的要求使断路器3迅速动作，切除故障。1.3 保护整定及灵敏度校验1无时限电流速段保护整定计算在图2所示的电网中，如果在线路上装设了无时限电流速断保护，由于它的动作时间很小（小

15、于0.1s），为了保证选择性，当在相邻元件上发生短路时，则不允许电流起动元件动作的。因此，不论在哪种运行方式下发生哪种短路，保护范围不应超过被保护线路的末端。也就是说，无时限电流速断保护的起动电流 或 =Kk （2-1）在式（2-1）中，Kk为可靠系数，考虑到计算采用的是次暂态电流而没有计及短路电流中的非周期性分量的影响、电流继电器误差和计算误差等因素，因此它的数值取1.21.3。选择可靠系数取1.25。由于系统设计一次电流等于二次电流，接线系数为1。所以BC段电流速断保护电流整定值：(A)=I1 2、无时限电流速段保护的灵敏度校验灵敏性指的是继电保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状

16、态的反应能力，通常用灵敏系数来衡量。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点是否存在过度电阻，都能敏锐感觉，正确反应。无时限电流速断保护的灵敏度是用保护范围的大小来衡量的。对于保护相间短路的无时限电流速断保护来说，在最大运行方式下发生三相短路时，它的保护范围Lb·max·3最大；在最小运行方式下发生两相短路时，它的保护范围Lb·min·2最小。从图2可见，根据动作电流和在不同地点发生短路时的短路电流变化曲线，可以求得Lb·max·3和Lb·min·2

17、的大小。一般要求Lb·max·3不小于被保护线路全长的50%，Lb·min·2不小15%20%。 无时限电流速断保护的保护范围也可以用解析法进行计算。在最大运行方式下保护范围Lb·max·3末端发生三相短路时，短路电流与动作电流相等。即=或 从上式可以求得 Lb·max·3= (2-2)在最小运行方式下保护范围末端Lb·max·2末端发生两相短路时，短路电流与动作电流相等，即=或 从上式可以求得 Lb·min·2 = (2-3)系统的次暂态电势(相)； 最大运行方式下的系统电

18、抗； 最小运行方式下的系统电抗； 被保护线路每公里的电抗； 被保护线路的全长(Km)。从式(2-2)可见：线路长度一定，系统容量愈大(即一定，愈小)，保护范围愈大；反之，系统容量一定，线路愈长(即一定，愈长)，保护范围愈大。从式(2-3)可见：最大、最小运行方式相差愈小(即与的差值愈小)，保护范围愈大。因此，电流速断保护适用于系统容量较大，或被保护线路较长或系统运行方式变化较小的场合。BC段电流速断保护灵敏度校验：最大运行方式下三相短路66.6最小运行方式下两相短路=371.4继电保护装置的组成  根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但他们都有三个基本部分组成，即测量部分、逻

19、辑部分和执行部分。1、测量部分   测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等于“0”或“1”的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。通常这一部分的硬件电路主要有模数转换芯片（A/D）或电压频率变换芯片（VFC）与数据信号处理器(DSP)或控制处理器单元(CPU)组成。 2、逻辑部分   逻辑部分是根据各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，是保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部

20、分。继电保护中常用的逻辑回路有或与否延时启动延时返回以及记忆等回路。3、执行部分  执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所负担的任务。如故障时动作于跳闸；不正常运行时发出信号，正常运行时，不动作等。这一部分的硬件电路主要由控制器和继电器组成的开关部分组成。其原理框图4如下： 图4 继电保护装置的原理结构图 2 微机保护硬件结构图 单片机实现的输电线路电流保护装置要求把输电线路上的电流经过A/D转换变成数字量，利用单片机系统进行处理，判断是否发生故障或不正常状态，从而控制跳闸电路，达到保护输电线路的作用。按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由模拟量输入通道，单片机系统

21、，开关量输入输出通道以及键盘和显示四个部分组成。其基本结构框图如5所示。在系统的硬件设计中，单片机系统主芯片使用的是AT89S51芯片，AT89S51是高性能单片机，其可以完全兼容AT89C51单片机。AT89S51单片机是一种有一个8位的CPU，片内集成4KB的Flash存储器带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM）的低电压、高性能CMOS微处理器，最高工作频率24MHZ，具有32位可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，低功耗的闲置和掉电模式，五个中断源，2级中断优先权等，因而本身具有很强的接口能力。对于AT89S51组成的系统，P0-P3口均可作为I/O口用，共有32根I/

22、O口线。但在应用系统中往往是不够的，需要对I/O接口电路进行扩展。在模拟输入通道设计中，由于需要同时输入多路电流，所以常常采用模拟多路开关，利用它将各路模拟量轮流与AD转换器接通。这样使用一片AD转换器就可完成多个模拟输入信号的依次转换，从而节省了硬件电路。在AD接口中，模拟多路开关用于切换模拟信号，通常是多路输入，一路输出。目前已有多种型号的模拟多路开关集成芯片，它们的功能基本相同，仅在某些参数和性能指标上有所差异。这里采用了芯片ADC0809，其为逐次比较型AD，由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输

23、出数字值，其电路规模属于中等，优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（<12位）时价格宜。 图 5 单片机实现输电线路电流保护结构框图    在开关量输出通道中，为了提高抗干扰能力，经过一级光电隔离，控制断路器跳闸。显示部分采用四位一体共阴极数码管 。2.1 硬件选型1、 AT89S51单片机AT89S51的内部资源 ：（1）一个8位的微处理器（CPU）。 （2）片内数据存储器RAM（128B/256B），用于存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。 （3）片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB

24、），用以存放程序、一些原始数据和表格。 （4）四个8位并行I/O接口P0P3，每个口既可以用做输入，也可以用作为输出。 （5）两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用于对外部事件进行计数，也可设置为定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。 （6）五个中断源的中断控制系统。 （7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。 （8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频为12MHZ。 以上各个部分通过内部数据总线

25、相连接。  AT89S51单片机引脚图及其功能： 图6 AT89S51引脚图AT89S51采用40脚双列直插封装方式，其引脚功能如下： (1) 电源引脚Vcc和Vss Vcc（40脚）：电源端，为+5V。 Vss（20脚）：接地端。 (2) 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端； 在8051片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需要采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容

26、的另一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟信号时，该引脚必须接地。   (3) 控制引脚RST，ALE，PESN和EA RST/VPD：RST是复位信号输入端，高电平有效。RST引脚的第二功能是，即备用电源的输入端。 ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KB    

27、EPROM的8751编程写入时，作为编程脉冲输入端。 PESN（29脚）：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为片外存储器的选通信号。 EA/VPP（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA接高电平时，CPU只访问片内的EPROM/ROM并执行内部程序存储器的指令，但当PC（程序 计数器）的值超过0FFFFH（对8051为4KB）时，将自动转去执行外部程序存储器的程序。 当EA接低电平时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器的指令，而不管是否有片内程序存储器。 （4）输

28、入/输出端口P0，P1，P2和P3 P0口：P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O端口。作输出端口时，每位可驱动8个LS型的TTL负载。作输入时，应先向口锁存器（80H）写入全1。P1口、P2口、P3口均可作为输出/输入口，每位可驱动4个LS型的TTL负载。P3口除此之外，每个引脚还具有第二功能。2、ADC0809模数转换器ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809各引脚功能 ADC0809各引脚功能如下： D7-D0：8位数字量输出引脚。 

29、IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。 GND：地。 REF（+）：参考电压正端。 REF（-）：参考电压负端。 START：A/D转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端。以上两种信号用于启动A/D转换）。 EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。 OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。 CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz）。 A、 B、C：地址输入线。 图7 ADC0809的引脚图  ADC0809对输入模

30、拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。3、 LM324运算放大器  LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点，该放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一（对每一个放大器而言）。共模输入范围包括负电源，因而消除了许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。4、LF398采样保持芯片 LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前比较流行的通用型

31、采样/保持放大器。与LF398结构相同的还有LF198F、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。5、四位一体共阴极数码管    LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的 2个8字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光

32、二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。 2.2 电路设计本次设计的电路框图如图所示： 图 8 实现电流速断保护的电路框图 若线路BC发生故障，其短路电流流经电流互感器并将短路电流的信号传送至放大器LM324的输入端口，根据ADC0809对输入模拟量要求，由于模拟输入信号变化太快，需在转换器的输入前增加采样保持电路（主要由芯片LF398这种反馈型采样/保持放大器构成）后才能加到ADC0

33、809模数转换器的输入端，经A/D转换器将模拟信号转换为电信号后送给AT89S51单片机处理，而后单片发出跳闸信号给继电器，继电器发出执行跳闸给该线路（BC）上装设的断路器，断路器断开，切除故障，缩小停电范围。3 软件流程图设计3.1 主程序设计 主程序流程如图9所示。图中Iu，Iv，Iw分别为A/D转换后的各相电流，Iopi为A/D转换后I的动作电流。PB0、PB1控制跳闸，PB2、PB3控制报警，PB4、PB5控制信息出口，和PB6、PB7控制启动继电器。只要由软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门输出低电平，光敏三极管导通，K的接点被吸合。在初始化和需要继电器J返

34、回时，应使PB0输出“1”，PB1输出“0”，PB2和PB3、PB4和PB5、PB6和PB7同样控制K。 主程序包括初始化、全面自检、开放和等待中断等功能。当装置上电或按复位按扭后，进入该程序模块的入口。首先进行必要的初始化（一），如堆栈寄存器赋值、控制口初始化（置ID、T0、T1的工作方式）、查询面板上开关的位置等。当面板上开关在调试位置则进入监控程序，否则进入运行程序。进入运行程序后，单片机将开始运行状态所需的各项准备工作即初始化（二），包括往I/O并行控制口写数，让所有的开关量处于正常状态；按照面板上的整定值或门槛值切换开关的位置，按套号将所需要的那一套整定值或门槛值放在预先规定好的RA

35、M区。之后单片机依据程序对装置硬件的各部分进行全面自检。 在确认一切良好后才允许数据采集系统开始工作，将采集指针和软件定时器初始化，准备好定时对各模拟输入量进行采样和A/D转换。这一工作完成后，先将保护的启动元件动作标志置1，即PB6=0，PB7=1，闭锁采样中断服务程序中起动元件的计算。然后开放采样定时器中断并等待。 开放采样定时器中断后，若中断时刻到，则转入采样中断服务程序，执行完后返回至主程序的断点处，继续执行主程序。若中断时刻未到，主程序会继续往下执行而不断的进行专用自检项目。专用自检项目是依据不同的被保护元件或不同的保护原理自行设置。 上电或复位 初始化（一） 工作方式？

36、调试 监控程序 初始化（二） 运行 全面自检 不通过 告警 数据采样系统初始化 通过 PB6=0   PB7=1  开中断 PB6=1  PB7=0 整组复归来 输入Iu, Iv ,Iw全小于Iopi?  N Y 故障处理程序 图9 主程序框图 3.2 中断服务程序设计 该中断服务程序包括对模拟量的采样、A/D转换、采样值存储、起动元件的计算和是否有故障发生的判断等功能。图10给出了采样中断服务程序的框图。进入该程序模块后，首先发出采样/保持命令以保证各模拟量输入通道的同时采样；再对各通道保持信号依次进行

37、A/D转换并将转换结果存储到预先划分好的RAM区域；然后进行起动元件的计算和判断。如果起动元件已经动作，说明这次中断服务程序的执行是由于事故处理程序被采样定时器中断时间到而打断引起的，则不用再进行起动元件的计算和判断，当判断出起动元件刚好动作时，则进行以下三项工作：1）将起动元件动作标志置1；2）向并行控制口写数，驱动起动继电器动作；3）修改返回地址为事故处理程序的入口地址，这样在采样中断服务程序的出口处程序将返回到事故处理程序，而不是返回到主程序的断点处。 入口 采样/保持、A/D转换及结果存储 返回PB6=0 PB7=1 ？ Y 起动元件计算 （BC段短路电流I） N起动元件动作（I>=I1）？ N Y PB6=0，PB7=1，驱动起动继电器 修改返回地址为事故处理程序  入口地址 图 10 中断服务程序框图3.3 跳闸子程序流程图 此程序模块在起动元件动作后才投入，包括保护特性的计算、故障性质的判断等功能，其框图如11图所示。进入该模块后，首先检查故障后的采样数据是否够一个数据窗长。所谓数据窗长是指能估算