微机保护35kv输电线微机保护装置设计学位论文Word格式文档下载.docx
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3.4.2报警电路14
3.5LCD显示电路15
3.6通讯电路15
3.7供电电源15
3.7.1微处理器供电电路15
3.7.2放大器供电电路16
第4章系统软件设计17
4.1软件系统构成17
4.2监控系统设计17
4.2.1监控系统实现的功能17
4.2.2监控系统程序设计18
4.3保护功能程序设计19
4.3.1数据采集系统软件设计19
4.3.2故障处理系统软件设计20
结论22
参考文献23
摘要
在电力系统中，输电线路是最重要的部分，因此，对输电线路的保护对于整个电力系统的稳定运行有非常重要的意义。
继电保护装置是一种反映电力系统故障和不正常运行状态、并且作用于断路器跳闸和发出告警信号的设备，随着电力工业的发展和电压等级的不断升高，对微机保护装置的要求也越来越高，继电保护装置是保证电力系统安全运行和提高电能质量的重要工具,随着变电站综合自动化技术的发展及其推广应用，微机保护装置已成为电力部门的普遍要求。
本文的主题是35KV线路保护装置设计，首先介绍了研究该装置的目的和意义、国内外的发展情况，并详细介绍了保护装置的原理与算法。
随后，本文详细介绍了装置所采用的单片机（AT89C52）和各辅助芯片的功能作用，以及相关电路的设计。
本装置硬件包括数据采集系统、开关量输出电路、键盘显示电路、通讯电路以及供电电源等。
最后，针对本文的硬件编写了系统的软件部分，包括按键和液晶显示系统软件、串口通讯软件和保护功能程序软件，实现了对35KV线路的三段式过电流保护和方向电流保护功能。
关键词:
微机保护线路保护单片机
第1章绪论
线路是电力系统的命脉，也是最容易发生故障的环节。
输电线路一旦发生故障，及时判断并进行故障排除，对保证整个电力系统的安全稳定和经济运行意义重大[1]。
微机型继电保护由于具有功能强、维护调试方便等一系列优点，自问世以来就受到普遍重视与欢迎，近年来更是在国内外得到广泛应用。
由于输电线路保护在继电保护中具有重要地位，且随着超高压、长距离输电线路的发展，对输电线路保护的功能提出了更新更高的要求，加之输电线路保护本身具有的复杂功能和逻辑，使微机保护在输电线路保护这一领域获得了广泛应用[2]。
1.1研究的目的和意义
继电保护装置是任何电力系统必不可少的组成部分，研制开发一套切合实际的微机继电保护装置，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和故障的发生，有作极其重要的作用。
由于输电线路保护在继电保护中具有重要地位，且随着超高压、长距离输电线路的发展，对输电线路保护的功能提出了更新更高的要求，加之输电线路保护本身具有复杂功能和逻辑，使微机保护在输电线路保护这一领域获得了广泛应用[3]。
目前国内外应用于微机保护的处理器有单片机、DSP和嵌入式的处理器。
其中，DSP由于其独特的算法处理功能而在最近的国内外市场上占有主导地位[4]。
单片机是通过大规模集成电路技术将CPU、ROM、RAM等封装在一个芯片中，具有接口设计简单、可靠性高、低功耗和性价比高的特点，从最初的8位单片机到16位、32位单片机的保护设计；
从最初的单CPU到现在的多CPU，都在电力系统微机保护中得到了广泛的应用。
总的来说，用单片机实现微机保护系统有以下几个优点：
（1）单片机价格低廉，接1：
3电路设计简单，扩展外围电路比较容易。
（2）单片机主要面向控制领域，抗干扰能力强，可靠性比较高。
（3）单片机技术基本已经成熟，可参考的例子和资料非常多，可以缩短开发周期[5]。
1.2国内外发展情况
微机型继电保护技术未来趋势是向计算机化、网络化、智能化及保护、控制、测量和数据通讯一体化发展。
为了保证系统的安全稳定运行，这就要求各个继电保护及其自动装置共享全系统的运行和故障信息数据，各个继电保护及其自动装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。
实现这种功能的基本条件是将全系统继电保护及其自动装置用计算机网络连接起来，即实现继电保护及其自动装置的网络化。
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，并发表了《SamplingTechniquesappliedtoderivationLetter》的文章。
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重庆大学工程硕士学位论文绪论型计算机实现的。
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[8]。
第2章线路保护装置的原理与算法
本文首先介绍了35KV线路保护的基本原理，包括三段式电流保护和方向电流保护，随后介绍了傅氏算法的原理和特点，从精度、速度和系统的要求各方面综合考虑，最后选择全波傅氏算法作为装置的算法。
2.1线路保护基本原理
2.1.1三段式过电流保护
在输电线路中，特别是60kV及以下的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段是瞬时电流速断保护，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[10]。
1.瞬时电流速断保护（I段）：
（1）电流速断保护的特点：
①简单可靠，动作迅速，因而获得广泛应用；
②不能保护线路的全长。
③保护范围直接受系统运行方式变化的影响：
系统运行方式变化很大时，速断保护可能没有保护范围；
被保护线路的长度很短时，速断保护可能没有保护范围；
没有保护范围时,需采用其它性能更好的保护。
2.电流限时限速断保护（II段）：
（1）电流限时限速断保护的特点：
①切除本线路速断范围以外的故障，保护本线路的全长；
②作为速断的后备。
（2）动作原理：
①保护范围延伸到下一条线路；
②为保证选择性，必须使保护的动作带有一定的时限；
③为了使动作时限尽量缩短，考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围；
④其动作时限比下一条线路的速断高出一个时间阶段[11]。
3.定时限过电流保护（III段）：
（1）定时限过电流保护的特点：
①保护本线路及相邻下条线路的全长；
②本线路I、II段保护的近后备（装置故障）；
③相邻线路的保护的远后备（装置故障及开关失灵）。
（2）工作原理：
①起动电流大于（躲开）最大负荷电流；
②起动电流大于（躲开）最大自起动电流；
③保护定值不能保证选择性；
④为保证选择性，必须使保护的动作带有一定的时限；
⑤相邻线路动作时限配合关系：
阶梯时限特性[12]。
2.1.2方向电流保护
1.电流保护的方向性问题：
图2-1电流保护方向性问题
在双电源网络中，当线路L1上发生K1点短路时，装在线路L1两侧的保护1、2动作，使断路器QF1、QF2断开，将故障线路L1从电网中切除。
故障线路切除后，接在A母线上的用户以及B、C、D母线上的用户，仍然由A侧电源和D侧电源分别继续供电。
从而大大地提高了对用户供电的可靠性。
但是，这种电网也给继电保护带来了新的问题。
若将电流、电压保护直接用在这种电网中，靠动作值和动作时限的配合，不能完全满足保护动作选择性的要求[14]。
（1）瞬时电流速断保护的方向问题：
要满足选择性要求，保护动作电流要按A、B母线短路时流过保护安装时最大短路电流进行整定，若A母线短路电流大于B母线，与单侧电源线路相比，保护的整定值将被提高，灵敏度下降。
（2）过电流保护的方向问题：
对于过电流保护，若不采取措施，将会发生无选择性误动作。
图中对B母线两侧的保护2和3而言，当K1点短路时，为了保证选择性，要求T2＜T3；
而当K2点短路时，又要求T3＜T2。
显然，这两个要求是相互矛盾的。
说明过电流保护在双侧电源的网络中无法满足选择性的要求。
（3）分析：
在双侧电源网络中，短路电流是分别从2个电源指向短路点，短路电流流经保护时有方向，如：
线路L1的K1点发生短路时，右侧电源流经保护2的短路功率方向是由母线指向线路，而流经保护3的短路功率是由线路指向母线；
当线路L2的K2点发生短路时，左侧电源流经保护2的短路功率方向是由线路指向母线，而流过保护3的短路功率方向是由母线指向线路。
若规定短路功率方向是由母线指向线路时，才能允许保护动作的话，则前叙的方向问题就可解决。
可将该类网络视为2个独立的单电源供电网络，在保护的配合上不再考虑方向的影响。
（4）结论：
从分析可看出，只有当短路功率的方向从母线指向线路时，保护动作才是有选择性的。
若在过电流保护的基础上加装一个功率方向判别元件---功率方向元件,并且规定短路功率方向由母线指向线路为正方向。
只有当线路中的短路功率方向与规定的正方向相同，保护才允许动作[15]。
第3章系统硬件电路设计
图3-1系统的总体结构框图
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，微机保护装置具有一般微机系统的基本结构[18]。
本设计是以AT89C52单片机为核心，采集量为三相电流与三相电压的数字型微机继电保护装置。
将采集量通过电流互感器与电压互感器转变成小电流与低电压，再经过滤波电路、采样保持和A/D转换，将数字量传入单片机，与输入的保护整定值进行比较，而后将结果经过通讯模块与上位机进行交流传输，从而决定继电气开关量的输出，并将结果通过数码管呈现给工作人员。
（1）数据采集系统。
模拟量输入通道为电流、电压信号，由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此需要将这种类型的模拟信号转变为数字信号，完成模拟量到数字量的转换。
该系统包括电流、电压形成和模数转换模块，以完成模拟输入量准确转换为数字信号的功能。
（2）数据处理系统（计算机系统）。
计算机系统包括微处理器、存储器、随机存储器、定时器及并行口等。
微处理器执行存放在程序存储器中的保护程序，对由数据采集系统输入至随机存储器中的数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能。
（3）开关量输出通道。
微机继电保护装置通过数字量输出实现对断路器等控制。
开关量输出通道由若干并行接口、光电耦合器件及中间继电器等组成，完成各种保护出口跳闸、信号报警、外部触电输入及人机对话功能。
（4）通讯接口。
它包括通讯接口电路和接口，以实现多机通讯或联网。
本设计采用以RS-485的通讯电路。
（5）电源。
电源的作用是将220V或110V交流电源变换成供给微处理器、数字电路、模数转换芯片及放大器所需要的弱电电压，有±
12V、+5V等。
3.1主控制器
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用[19]。
图3-2AT89C52管脚图
3.2模拟量采样电路
3.2.1电流互感器
1.电流互感器的作用：
电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途,如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。
2.电流互感器的接线方式：
a.一相式接线b.两相不完全星形接线c.两相电流差接线d.三相完全星形接线。
本设计采用微型CT作为系统电器参量的采集与系统隔离，防止系统干扰的侵入。
本设计中采用星格公司的SCT254AX精密电流互感器，该互感器小巧轻便，隔离度高，耐冲击性强。
输入额定电流为5A，额定输出电流为2.5mA。
3.2.2电压互感器
1.电压互感器的接线方式：
a.用一台单相电压互感器来测量某一相对地电压或相间电压的接线方式。
b.用两台单相互感器接成不完全星形，也称V—V接线，用来测量各相间电压，但不能测相对地电压，广泛应用在20KV以下中性点不接地或经消弧线圈接地的电网中。
c.用三台单相三绕组电压互感器构成YN，yn，d0或YN，y，d0的接线形式，广泛应用于3~220KV系统中，其二次绕组用于测量相间电压和相对地电压，辅助二次绕组接成开口三角形，供接入交流电网绝缘监视仪表和继电器用。
用一台三相五柱式电压互感器代替上述三个单相三绕组电压互感器构成的接线，除铁芯外，其形式与图3基本相同，一般只用于3～15KV系统。
本设计采用武汉精良电子有限公司生产的JLBV11型电压互感器，输入电压为100V，输出电压为5V。
3.2.3低通滤波电路
经互感器转换后的电信号，由于测量现场的电磁干扰及放大电路等本身的影响，往往含有多种频率成分的噪声信号，严重情况下，这种噪声信号会淹没待提取的输入信号，造成系统无法获取被测信号[22]。
所以在这种情况下，需采取滤波措施，将不需要的杂散信号抑制掉，使系统的信噪比增加，完成这种功能的电路就是滤波电路。
因为在实际工作环境中，混入的噪声信号多为高次谐波，所以在设计中选用了有源低通滤波器。
3.2.4功率因数测量电路
方向电流保护需要判断电流的方向，因而要用到功率角的余弦值cos
。
所以我们需要测量功率因数，这便需要功率因数的测量电路。
3.3采集电路
数据采集系统由采样保持器，多路开关和A/D转换器所组成。
为简化电路的硬件结构，本设计采用模数转换器TLC2543对采到的数据进行数字滤波，并计算有效值。
TLC2543有十一路模拟输入通道，它将多路开关、采样保持12位A/D转换，基准电源，内部时钟等集成于一个芯片内，大大提高了集成性与可靠性，此部分电路将信号输入电路传来的信号进行A/D变换，将模拟输入量变成数字量，送给单片机进行处理。
3.4输出及报警电路
3.4.1开关量输出电路
开关量输出包含合闸信号、跳闸信号以及报警信号等。
开关量输出采用固态继电器来实现，首先通过单片机驱动光电耦合器件，然后光耦器件导通继电器的控制电源，由继电器空节点输出开关信号。
3.4.2报警电路
光报警器件的发光器件常用发光二极管。
因为发光二极管不仅耗电小，而且有多种颜色可供选择，便于用闪光颜色区分不同报警信息。
本次设计通过LED发光二极管，一个蜂鸣器进行报警。
当输电线路上发生故障，单片机通过内部保护判据判断继电器是否跳闸，如果继电器动作，则启动报警电路。
3.5LCD显示电路
显示电路采用串口控制LCD12864，LCD的R/W（SID）、E（CLK）和
角分别于单片机的P2.3、P2.4和P2.5口相连。
由于此款LCD12864为串行口控制，所以只需连接3个管脚即可正常工作。
LCD显示主菜单包括采样、输入定值、设置以及其他。
3.6通讯电路
RS485的通讯接口是由MAX485芯片构成，通讯方式上采用了半双工方式，即指令和数据的传送都采用应答方式，RS485通讯接口实行光电隔离。
它使通讯总线上的节点之间没有电气上的连接，提高了各个节点工作的可靠性.一旦某个节点出现故障，避免整个系统陷入瘫痪。
常用的光电隔离方法是将AT89C52的RXD、TXD通过光电隔离电路连接MAX485芯片的RO、DI引脚，控制信号R/D同样经光电隔离电路去控制MAX485芯片的DE和/RE引脚。
3.7供电电源
3.7.1微处理器供电电路
1.整流二极管耐压（反向击穿电压）应该在变压器的次级电压的3倍以上，即25V（留有余量）。
耐流值等于变压器的次级电流。
LM7805为+5V稳压器件。
而输出电容C22一般接入0.1uF的电容器，便可改善负载的瞬态相应，但是为了减小纹波电压，有时在稳压器的输出端并入一只大容量电解电容器C23。
但是，当稳压器的输入端出现短路时，输出上的大电容器上储存的电荷，将通过集成稳压器内部电路的输出调整管放电，由于电荷量较大，会造成集成稳压器输出调整管的损坏。
为了防止这一点，设计中接入了一个二极管，它为电容器C23上的电荷提供了放泄通路，对集成稳压器起到了分流保护作用。
2.电解电容C20的选型：
由公式RLC≥（3*5）T/2（3-8）
取RLC=5T/2
则
由于规格限制取C20=2200uF，耐压值选35V。
3.7.2放大器供电电路
1.T8作用是将交流电网电压220V变成要求的交流电压，通过桥式整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。
由于整流后的脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网的电压波动（一般有±
10%左右）、负载和温度的变化而变化。
因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。
稳压电路由三端稳压器构成，其作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定，其中二极管D10和D11对集成稳压器起到了分流保护作用。
直流电压进入三端稳压器LM7812和LM7912的输入端进行稳压，再分别由输出端输出+12V、−12V电压。
2.电解电容C12的选型：
由公式（3-8），代入数据得：
，由于规格限制取C10=3300uF，耐压值选35V。
第4章系统软件设计
一个好的微机保护系统，除了必要的硬件系统，还要有功能强大的软件系统。
软件系统在硬件平台上运行，通过程序设计实现所要求的保护功能，是整套装置的灵魂。
就线路微机保护而言，一套好的软件系统可以增加硬件系统的稳定性和可靠性，可以充分利用硬件资源，在不增加硬件的基础上就可以尽可能多的实现保护功能[24]。
4.1软件系统构成
在35KV线路微机保护装置的软件设计中，实现了三套程序设计，分别是保护功能程序设计、监控系统程序设计和串口通讯程序设计。
其中监控系统程序主要完成通过按键对保护整定值的调整和LCD液晶显示功能；
保护功能程序主要完成数据采集、算法设计、逻辑比较和开关量输出口控制等功能。
串口通讯程序主要完成数据采集系统和LCD之间的通讯功能。
4.2监控系统设计
4.2.1监控系统实现的功能
系统的监控程序实现对按键和LCD显示屏的控制，包括主程序、串口中断程序、定时器中断程序。
通过按键实现对参数整定值的调整，调整完毕通过发送按键实现对整定值的存储和发送。
4.2.2监控系统程序设计
图4-2监控程序设计流程图
LCD的初始化子程序如下所示：
charfnLCMInit（void）
{
fnPRl（0x40，0x00，0x00）；
fnPRl（0x41，0x1E，0x00）；
//文本显示区宽度
fnPRl（0x42，0x00，0x00）；
//图形显示区首地址
fnPRl（0x43，0xlE，0x00）；
//图形显示区宽度
fnPRl2（0xA7）；
//光标形状
fnPRl（0x21，0x00，0x00）；
//光标定位
fnPRl2（0x80）；
//显示方式设置
fnPRl2（0x9f）；
//显示开关设置
returnO；
}
4.3保护功能程序设计
保护功能软件包括数据采集系统软件和故障处理系统软件。
数据采集系统主要完成对A/D转换的控制，使单片机采集到正确的数据，通过算法对数据进行计算，然后根据不同的判据控制出口继电器。
故障处理系统主要是根据不同保护功能的判据来判断不同的故障，来进行不同的控制操作。
4.3.1数据采集系统软件设计
数据采集系统软件包括主程序、定时器中断程序、外部中断程序、串口中断程序等。
定时器中断程序实现1.667ms的定时中断。
外部中断程序用来处理数据。
串口中断程序用来接收调整好的参数整定值。
数据采集系统软件设计主程序流程图如图4-4所示：
图4-4数据采集系统软件设计主程序流程图
4.3.2故障处理系统软件设计
图4-5故障处理系统程序设计流程图
由图4-5可以看出，经数据采集系统采集到的数据，经过计算，判断电流方向，如果方向为正，则进入下一阶段，若方向为负，继电器则不动作。
若方向为正，将采样值进行计算，得出有效值，与整定值进行比较，若有效值不在整定值范围内，系统则发出报警信号，继电器动作，跳闸；
若有效值在整定值范围内，则继电器不动作，由此实现继故障处理。
结论
电力工业的飞速发展和继电保护相关学科的不断进步使微机保护在实际生产中的地位变得更加重要。
本文便是在此背景下，先介绍了微机保护的理论原理，然后设计了一套35KV线路保护装置。
本文的主要工作包括：
1.介绍了微机保护的发展历程，阐述了本文的目的与意义。
设计了以三段式过电流保护和方向电流保护为主保护的保护系统。
2.详细介绍了三段式过电流保护与方向电流保护的原理，分析了傅氏算法的工作原理和特点，从算法的速度、精度和系统的功能要求各方面综合考虑，确定了全波傅氏算法作为主保护板的算法和判据。
3.对本设计的硬件进行了详细的介绍，包括主控制器、模拟量采样电路、采集电路、开关量输出电路、键盘电路、LCD显示电路、通讯电路和电源电路。
4.用C语言编写了本设计的软件部分，包括监控程序、RS-485通讯程序以及保护功能程序。
采用C语言编写程序易于理解，便于调试。
尽管本人在装置的硬件和软件的设计方面都下了不少功夫，但是由于时间有限和本人能力的局限性等，本设计还有很多不足需要改进，比如：
1.本设计的保护功能较少：
随着自动化系统的发展，微机保护在实际中的应用越来越广泛，保护功能也越来越多，本装置只加入了三段式过电流保护和方向电流保护，可以加入其它保护来适应自动化系统的发展。
2.主CPU相对落后：
整个装置是采用是ATMEL公司的AT89C52作为主CPU的，本装置在35KV线路保护中可以满足系统的速度、精度等性能指标。
但是对于高压线路保护便不能满足。
因此，可以考虑采用更高级的微处理器来作为装置的主CPU，比如DPS处理器。
参考文献
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