110kV輸電線路零序電流保護設(shè)計(2)

1、微機繼電保護課程設(shè)計（論文）題目：110kV輸電線路零序電流保護設(shè)計（2）院（系）:電氣工程學(xué)院專業(yè)班級：學(xué)號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：（簽字）起止時間：2014.12.15-12.26課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院教研室：電氣工程及其自動化學(xué)號110303011學(xué)生姓名左社專業(yè)班級電氣111課程設(shè)計（論文）題目系統(tǒng)接線圖如圖:110kV輸電線路零序電流保護設(shè)計（2）AZti=10Zgi=160M)-Zi.ab=25Zi.bc=20CB2Z0.bc=40Zi.cd=40d3Z0.cd=80Zg2=16ZT2=10Z0.ab=40Zt4=50VZt3=5V課程設(shè)計的內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)參

2、見下表設(shè)計技術(shù)參數(shù)工作量課程設(shè)計論文>任務(wù)E=115/3kV,K；el=1.2,扃=福=1.1,系統(tǒng)中各元件及線路的負序阻抗與正序阻抗相同,其他參數(shù)見圖。計算最大和最小零序電流，應(yīng)根據(jù)當rdx-1cmfr/I（1）I（1.1）i一-Z1Z2VZOU寸，人J有I0.k0.k；反之,、【匕7d"7rnrf-j（1）/（1.1）土Z12_j>Z0XM,則有Io.kMo.k。1. 一、整定計算計算B母線、C母線、D母線處正序（負序）及零序綜合阻抗Z1】、Z0】。2. 計算B母線、C母線、D母線處發(fā)生單相或兩相接地短路時出現(xiàn)的最大、最小零序電流。3. 整定保護1、2、3零序電流I段

3、的定值，并計算各自的最小保護范圍。4. 當B母線上負荷變壓器始終保持兩臺中性點都接地運行時，整定保護1、2零序n定值，并校驗靈敏度。整定保護1零序川段定值，假定母線D零序過電流保護動作時限為0.5s,確定保護1、2、3零序過電流保護的動作時限，校驗保護1零序ID段的靈敏度。二、硬件電路設(shè)計包括CPU最小系統(tǒng)、電流電壓數(shù)據(jù)采集、開關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢測、控制輸出、報警顯示等部分。三、軟件設(shè)計說明設(shè)計思想，給出參數(shù)有效值計算及故障判據(jù)方法，繪制流程圖或邏輯圖。四、仿真驗證給出仿真電路及仿真結(jié)果，分析仿真結(jié)果同理論計算結(jié)果的異同及原因。續(xù)表第一天：收集資料，確定設(shè)計方案。第二天：計算綜合阻抗和零序電流，零序

4、I段的整定計算。第三天:零序II段、零序III段的整定計算。第四天：硬件電路設(shè)計（最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測部分）第五天：硬件電路設(shè)計（控制輸出、報警顯示部分）。第六天：軟件設(shè)計（有效值計算、故障判據(jù)）。第七天：軟件設(shè)計（繪制流程圖或邏輯圖）第八天：仿真驗證及分析。第九天：撰寫說明書。第十天：課設(shè)總結(jié)，迎接答辯。平時：論文質(zhì)量：答辯：總成績：指導(dǎo)教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以白分制計算iii隨著時代的進步，電力系統(tǒng)的規(guī)模在不斷擴大，用戶對電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。因此，對繼電保護裝置本身的要求也越來越高，微機繼電保護具備了傳統(tǒng)保護所沒有的優(yōu)良特性。本設(shè)計首先

5、簡要介紹了電力系統(tǒng)微機繼電保護的發(fā)展、技術(shù)構(gòu)成及其發(fā)展方向。其次對硬件、軟件的結(jié)構(gòu)做了分析，它的硬件結(jié)構(gòu)核心由P89C51RDDSP218組成，CP田成裝置的總啟動和人機界面及與外圍設(shè)備的通信功能,CPlrt設(shè)總啟動元件，啟動后開放出口繼電器正電源，使得裝置具有很高的固有可靠性及安全性。最后本文對裝置進行了軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，對各個模塊的功能作了具體介紹本文研究的110kV俞電線路微機零序電流保護原理分析與程序設(shè)計是由計算機實現(xiàn)的線路保護裝置，用三相一次自動重合閘重合方式，采用后加速方式，適用丁110kV的輸電線路。關(guān)鍵詞：微型機保護;110kV輸電線路；零序電流；重合閘第1章緒論11.1零序電流保

6、護的概況11.2本文主要內(nèi)容2第2章輸電線路零序電流保護整定計算32.1零序電流I段整定計算32.1.1零序電流I段動作電流的整定72.1.2靈敏度校驗82.1.3動作時間的整定102.2零序電流皿段整定計算112.3零序電流用段整定計算11第3章硬件電路設(shè)計123.1 CPlft小系統(tǒng)圖123.2 110KV俞電線路零序保護的硬件133.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)133.3.1電壓形成回路143.3.2采樣保持和模擬低通濾波153.3.3多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換153.4開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)173.4.1開關(guān)量輸入輸出模塊173.4.2開關(guān)量輸入部分173.4.3開關(guān)量輸出部分193.5電源模塊20第4章軟

7、件設(shè)計214.1軟件結(jié)構(gòu)分析概述214.2程序總框圖224.3中斷程序模塊244.4各程序的子模塊介紹254.4.1初始化254.4.2啟動元件264.4.3零序方向電流保護264.4.4重合閘及后加速274.5微機保護的算法284.5.1輸入為正弦量的算法294.5.2突變量電流算法294.5.3選相方法314.5.4傅里葉級數(shù)算法33第5章實驗驗證及分析365.1仿真結(jié)果及分析36第6章課程設(shè)計總結(jié)38參考文獻39第1章緒論1.1零序電流保護的概況與當代新興科學(xué)技術(shù)相比，電力系統(tǒng)繼電保護是相當古老了，然而電力系統(tǒng)繼電保護作為一門綜合性科學(xué)乂總是充滿宵春活力，處丁蓬勃發(fā)展中。之所以如此，是因

8、為它是一門理論和實踐并重的科學(xué)技術(shù)，乂與電力系統(tǒng)的發(fā)展息息相關(guān)。它以電力系統(tǒng)的需要作為發(fā)展的源泉，同時乂不斷地吸取相關(guān)的科學(xué)技術(shù)中出現(xiàn)的新成就作為發(fā)展的手段。繼電保護裝置是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它在保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行等方面起著非常重要的作用。它在系統(tǒng)發(fā)生故障時切除故障設(shè)備，對系統(tǒng)安全運行作出貢獻，但若不正常動作（包括拒動和誤動），則給系統(tǒng)造成的危害也是巨大的。所以對繼電保護裝置的可靠性（包括安全性和信賴性兩個方面）要求很高。信賴性是指不應(yīng)拒動，安全性是指不應(yīng)誤動。繼電保護裝置除了在故障的很短時間內(nèi)動作外，長期是不動作的，因而被喻為電力系統(tǒng)的無聲警衛(wèi)。因此裝置的某些缺陷可能不被察覺，

9、從而成為故障時不正確動作的隱患。微型機保護可以實現(xiàn)自我監(jiān)視和檢測，大大提高了裝置的安全性。傳統(tǒng)的整流型或晶體管型繼電保護裝置的調(diào)試工作量很大，尤其是一些復(fù)雜的保護，例如超高壓線路的保護設(shè)備，調(diào)試一套保護常常需要一周，甚至更長的時間。究其原因，這類保護裝置都是布線邏輯的，保護的每一種功能都由相應(yīng)的硬件器件和連線來實現(xiàn)。為確定保護裝置是否完好，就需要把所具備的各種功能都通過模擬試驗來校核一遍。微機保護則不同，它的硬件是一臺計算機，各種復(fù)雜的功能是由相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)的。換言之，它是用一個只會作幾種單調(diào)的、簡單操作的硬件，配以軟件，把許多簡單操作組合而完成各種復(fù)雜功能的。因而只要用幾個簡單的操作就可以

10、檢驗微型機的硬件是否完好?；蛘哒f如果微型機硬件有故障，將會立即表現(xiàn)出來。如果硬件完好，對丁已成熟的軟件，只要程序和設(shè)計時一樣，就必然會達到設(shè)計的要求，用不著逐臺作各種模擬試驗來檢驗每一種功能是否正確。微型機保護裝置具有自診斷功能，對硬件各部分和存放在EPROM的程序不斷地進行自動檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常就會發(fā)出報警。通常只要給上電源后沒有警報，就可確認裝置是完好的。所以對微機保護裝置可以說幾乎不用調(diào)試，從而可大大減輕運行維護的工作量。1. 1.2本文主要內(nèi)容計算B母線、C母線、D母線處正序（負序）及零序綜合阻抗Z1UZ0H計算B母線、C母線、D母線處發(fā)生單相或兩相接地短路時出現(xiàn)的最大、最小零序電流。

11、2. 整定保護1、2、3零序電流I段的定值，并計算各自的最小保護范圍。3. 當B母線上負荷變壓器始終保持兩臺中性點都接地運行時，整定保護1、2零序II定值，并校驗靈敏度。4. 整定保護1零序用段定值，假定母線D零序過電流保護動作時限為0.5s,確定保護1、2、3零序過電流保護的動作時限，校驗保護1零序用段的靈敏度。5. 用計算機實現(xiàn)線路保護裝置，用三相一次自動重合閘重合方式，采用后加速方式。第2章輸電線路零序電流保護整定計算2.1零序電流I段整定計算系統(tǒng)接線圖如圖2.1所示:Zl.cd=40d圖2.1系統(tǒng)接線圖Zoci)=8)、計算各母線處正序（負序）和零序綜合阻抗Zi£、Z

12、6;£（1）當G1、Ti、G2、T2、T3、T4均投入運行時：Z1ABBZ1BCCZ1CDDA圖2.2G1、T1、G2、T2、T3、T4均投入運行時等值正序（負序）網(wǎng)絡(luò)圖圖2.3G1、T1、G2、T2、T3、T4均投入運行時等值零序網(wǎng)絡(luò)圖B母線：乙毗=ZgiZti/Zg2Zt2Ziab=(i6-i0)/(i6i0)20=33，Zo'B7Zti/Zt2-Zo.ab/Zot3Zot4=(i0/1040)/(60/60)=i&C母線：乙、C=Z"b-Zibc=33.'.20"=53"Z。”=Z°、bZ°bc=i8.&

13、#39;40,，=58D母線：乙f=Ziy,Zicd=53"40,=93'.'Z°、d=Z°、cZ°cd=5880U=i38ABCZGiztiZiABZbcZCDJIZG2ZT2rrv%r_i圖2.4Gi、Ti、G2、T2、T3投入運行時等值正序(負序)網(wǎng)絡(luò)圖B母線：乙、B=ZgiZti/Zg2Zt2乙ab=(i6i0)/(i6i0)20=33,Z°、b=Zti/Zt2Z°ab/Zt3=(i0/i040)/60=25.7i"C母線：乙、C=ZibZibc=33'.',20,=53'Z0

14、、c=Z0、bZ0BC=25.7i"40；.=65.7i"D母線：Zi2=Zi、c-Zicd=53"40"=93、Z°、d=Z°、cZ°cd=65.7i"80"=i45.7i"(2)當Gi、Ti、G2、T2、T3投入運行時:D圖2.5Gi、Ti、G2、T2、T3投入運行時等值零序網(wǎng)絡(luò)圖(3)當Gi、Ti、T3、T4投入運行時ZG1ZT1AZABBZBCCZCDDt圖2.6Gi、Ti、T3、T4投入運行時等值正序（負序）網(wǎng)絡(luò)圖圖2.7Gi、Ti、T3、T4投入運行時等值零序網(wǎng)絡(luò)圖B母線：乙套=ZG

15、1+ZT1+Z1AB=16Q+1g+2g=46QZo、B=Zt1Zoab/Z0T3/Z0T4=(1040)/(60/60)=18.73C母線：乙及=乙+Z1BC=46Q+2頃=66QZo'c=Zo、b-Zobc=18.75"40"=58.75D母線：乙云=Z1b+Zcd=66Q+4成=1060Z0、d=Z0、cZ0CD=58.75"80"=138.75"（4）當G1、T3投入運行時ZG1ZT1tAZ1ABBZ1BCCZ1CDD圖2.8G1、T3投入運行時等值正序（負序）網(wǎng)絡(luò)圖圖2.9G1、T3投入運行時等值零序網(wǎng)絡(luò)圖B母線:Zi'

16、;B=ZgiZtiZiAB=16"10"20U-461Zo、B=ZtiZoab/Zt3=(i040)/60=27.27"C母線:乙y=Zi、B.ZiBC=46"20"=66"Zo、c=Zo、b-Zobc=27.27"40"=67.27D母線:乙、d=Zi、c'ZicD=66"40，'=i061Zof=Zo、c-Zocd=67.27"80"=i47.27"二、計算B、C、D母線處發(fā)生單相或兩相接地短路時出現(xiàn)的最大、最小零序電流(1)當Gi、Ti、G2、T2、T3

17、、T4均投入運行時B母線:I(i.i)_Es-o962KA1-Es=0.7Q0KA10KB0.962Zi'B'2Zo、bOKB一2乙任Zo、bC母線:I(i.)_Es_o3Q3KA1-Es=0.405KA10KC-o.3Q3KAZc'2Z°、cOKC一2Z3.Zo"D母線:(i_.EskA|（）-Es=0.205KAIokdO.I8OKAZi、D2Zo、d1OKD一2Zi、D.Zo'd(2)當Gi、Ti、G2、T2、T3投入運行時B母線:(i.i)_Es_c7RRKA|_Es=0.724KAIokbO.786KAZm-2Zb1OKB-2乙任Z

18、o、bC母線:(i.)_EskA|_Es=0.387KAIOKC0.36OKAZ32Zc1OKC一2Z3Zo"D母線:i0Kd=0.i73KAZi'D2Zo、D|=Es=0.200KAOKD一2ZmZd(3)當Gi、Ti、T3、T4投入運行時B母線:(i_Es_c-7QCIZA|_Es=0.5QQKAIokbO.7Q5KAZm-2Zb1OKB一2Zm.Z*bC母線:(i.)_Es_八QPOKA|_Es=0.348KA1OKC-rcr一0.362KAZi"2ZCOKC一2Z3.Zo'cD母線:I0Kd=_.L=0.i73KAZi'd2Zo'd|

19、=Es-O.i8QKA1OKD一2Zi'd.Zm(4)當Gi、Ti、T3投入運行時B母線I(1J)-Es0660KA")Es0557KAI0KB-ZZB2Z°tb.I0KB2ZzbZ°tb.C母線:I(1.1)-Es=0.331KAIEs=0.333KAI0KC-Z32Z0、cI0KC2Zi、c'Z0、cD母線:I(1.1)-Es=0.166KAIEs=0.185KAI0KD一乙、D2Z°、dI0KD2ZCd-Zd2.1.1零序電流I段動作電流的整定、保護1零序電流I段Gl、Tl、G2、T2、T3、T4運行(1.1)(Zt3|T4.10K

20、B>10KB例.H10B_10KB'iju_0.385KAZt1Zt2Z°abZT3Zt4(1.1) G1、T1、G2、T2、T3運行(1)(1.1)ZT3,*KB>I0KB取兩相接地知路I0B=I0KB，ij0.449KAZT1ZT2'Z0ABZT3最大運行方式為：G1、T1、G2、T2、T3運行保護1的I段動作電流為：I0Iop1=K3I0B=1.2X3K0.449=1.6164KA、保護2零序電流I段(1.1) G1、T1、G2、T2、T3、T4運行(1).,I0KC<I0KC取甲相按地a路I0C=I0KC=0.405KA(1.1) G1、T1

21、、G2、T2、T3運行(1).,I0KC<I0KC取單相按地短路I0C=I0KC=0.387KA最大運行方式為：G1、T1、G2、T2、T3、T4運行保護2的I段動作電流為：I°Iop2=K3I0C=1.2X3X0.405=1.458KA、保護3零序電流I段(DGi、Ti、G2、T2、T3、T4運行I(i.i)(1)0KD-I0KD取單相接地短路I0D-II0KD-0.205KA(2)Gi、G2、T2、T3運行I(1.1)(1)0KD-I0KD取單相接地短路I0D=I(1)I0KD=0.200KA最大運行方式為：Gi、G2、T2、T3、T4運行保護3的I段動作電流為：1。1叩3

22、=K，3I°d=1.2x3x0.205=0.738KA2.1.2靈敏度校驗、保護1的最小保護范圍計算設(shè)ki=ZAK1ZAB(0<k1<1),則Z1AK1=20k1,Z°AK1=40k1,Z°K1B=4040k1,(1)G1、T1、T3、T4運行Zc-'k-Zg1Zt1Z1ak1-3020kZ0、K1-(ZT1Z0AK1)(Z0K1BZt3Zt4)=(143(70-40臨)/8-7i(1.1)'Z1KZo£k1二I0KI0KB取單相按地角路,(1)Es115/一3I0KB-2Z1FZo笊2(3020k)(14k)(70-40k)

23、/8IIZ0K1BZT3ZT4_7-4k115/,30k1一0KBZt1ZoabZt3|Zt4-8-20k170k168.753I0S=I°Iop1=1.5084KA得，k1=33.7%>15%滿足靈敏度要求G1、T3運行Z1、K1=ZG1'ZT1Z1AK1=3020k1Zo丞1=(Zt1+Zoak1)|(Zok1B+ZT3)=(1+4k1)(100-40k1)/11:ZW>Z寸-I(AI(1)取單相校址短路Z1云匕"Z0”：0KB“：0KBB中/|口女冗a虹：(1)Es115/、3IIZP=2Zk1Zk12(3020k)(14臨)(100-40k)/1

24、110K1=I0KbZ0KBZT310'4kZt1-ZoabZt11115/.32(3020k1)(14k1)(1040k1)/11310KIoop1=1.5084KA得，k=40.37%>15%滿足靈敏度要求根據(jù)、，最小運行方式為：G1、T1、T3、T4運行保護1的I段最小可以保護線路AB全長的33.7%、保護2的最小保護范圍計算設(shè)k2=包(0<k2<1),則ZBJ=20k2,Z°Bj=40k2Zbc22(1)G1、Ti、T3、T4運行Zi*2=ZgiZtiZiAB-ZiBK2=5020k2Z0Wk2=(ZT1Z0AB)(Zt3Zt4)Z0BK2=18.7

25、540k2ZK2I0K2Z(1.1)115/.30丞2二I0KCAI0KC取叩相接?地A路=I0Kc=2Z1WZ0wK22(5020k2)18.7540k23成2=I°Iop2=1.422KA得，k2=26.66%a15%滿足靈敏度要求(2)Gi、Ti、T3運行Z1、K2-ZG1'ZT1Z1AK2-5020k2Z°、k2=(ZtiZ°ab)Zt3Z°bk2=27.2740k?Zk2I0K2az°wk210KC)>I0Kc取單相接地短路Es_115/.32Z1、k2Z。"=2(5020匕)27.2740=I0Kc:3I0k

26、2=10%2=1.422KA得，k=16%a15%滿足靈敏度要求根據(jù)、，最小運行方式為：G1、T1、T3運行保護2的I段最小可以保護線路BC全長的16%三、保護3的最小保護范圍計算設(shè)k3=祟(0<k3<1),則Z1CK3=40k3,Z0CK3=80k3ZCD(1)G1、T1、T3、T4運行Z1、K3=Zg1.Zt1-Z1AB-Z1BC.Z1CK3=7040kZ0JX=(ZT1*Z0AB)(ZT3|ZT4)*Z0bc*Z0CK3=58.75*80k3右ZCK3-Zk3,則i0KD)i0Kd取單相接地短路._|(1)_Es115/'3I0K3T0KD一一2ZZk3Z0、k32(

27、7040k3)58.7580k3v3I0k3=I0%3=0.7272KA得，k46.97%>15%滿足靈敏度要求此時，Z迓3=88.788Q,Zo£K3=96.32命，與Z也幻>乙為矛盾所以,Ze3；：Z"k3,I0k/<I0Kd,取兩相接地短路:,(i.i)Es115/.3IOK3=I0KD=Zi、k32Zo、k37040k32(58.7580k3)3I0K3=I°op3=0.7272KA得，k3=43.20%a15%滿足靈敏度要求(2)Gi、Ti、T3運行Zi、K3=ZgiZtiZiab-Zibc.Zg=7040k3Z0M3=(Zti'

28、;ZoAB)Zt3ZoBC'Z0CK3=67.2780k3若Z宓3aZo丞3,則IOKD)a/Kd取單相接地短路3310K3=IOKdEsii5/、.32Zi、K3Z°、K3一2(7040k3)67.2780k；3Iok3=Io%3=0.7272KA得，k3=4i.65%>i5%滿足靈敏度要求此時，乙丞3=86.66Q,Zo£k3=i°0.5織，與Zi丞aZo矛盾一一.(A所以，ZiW：Zo、K3,IOKD<IOKD,取兩相接地短路.(i.i)Esii5/3IOK3一IOKD一一Zi、k32Zo*7040k32(67.2780k3)；3Iok3

29、=Io%3=0.7272KA得,k=34.68%ai5%滿足靈敏度要求根據(jù)(i)、(2)，最小運行方式為：Gi、Ti、T3運行保護3的I段最小可以保護線路Cg長的34.68%2.i.3動作時間的整定因為零序電流I段是無時限零序電流保護，不必加延時元件,所以其整定的動作延時為0即，保護i、2、3的動作時間：t；pi=t；p2=t：p3=Os2.2零序電流II段整定計算保護1的皿段與保護2的I段配合1111110.op1=Krel0.op2/kbmin1,保護1的刀支系數(shù)kbmin110BC10AB備2.510'河=1.仆1.422/2.5=0.626KA靈敏度校驗：最小運行方式為G1、T

30、1、T3、T4運行流過保護1的最小零序電流I°min="Kb0minZT3|ZT4Zt1,Z°ab0.2096KA'Zt3|Zt4K11sen1310minI0'op1竺些6=1.005<1.3不滿足靈敏度要求0.626所以，保護1的皿段與保護2的II段配合I0'op1=匕；"搭/、min1，保護2的分支系數(shù)kbmin2=1Ie.opHinI0'op2=Kr；I0op3/kbmin2=1.10.7272/1=0.80KAie.opiinncI0'op1=1.10.80/2.5=0.352KAkiisen13I

31、0min孕0.2096=1.79>1.3滿足靈敏度要求0.352I0Iop1所以，保護的II段動作電流：I0'op1=0.352KA保護的II段動作時間與保護2的II段動作時間配合:t11,=t11“、t=t1，2t=00505=10Sl°p1op2op3.s2.3零序電流m段整定計算保護1的用段與保護2的II段配合IIIIIIIII0.op1=Krel10.op2/kbmin1=1.10.8°/2.5=0.352KA作為近后備：K；en1310Bmin靈敏度校驗：最小運行方式為G1、T3、°=1.71.3滿足靈敏度要求0.352作為遠后備：K；en

32、1310CminI0Hop13x0.320=2.73,1.2滿足靈敏度要求0.352已知母線D零序過電流保護動作時限為0.5s所以保護1的用段零序電流保護的動作時間與保護2的皿段動作時間配合:t111=t，ttt=050505=15sop1op2op3.第3章硬件電路設(shè)計3.1CPU最小系統(tǒng)圖NetLabel49NetLabeH本設(shè)計中的89C51的最小系統(tǒng)包括89C51單片機，6264可編程I/O接口，晶振電路，按鍵復(fù)位電路。CPUft小系統(tǒng)圖如圖3.1VCCS10uF0KC5R4RDWRP2.7P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7RSTP0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P

33、0.1P0.0172216"272820252242323""T12224212533233343536373839C1300PFC2300PF2MHz1819XTAL2XTAL18743D7Q7D6Q6D5Q5.D4Q4.D3Q3iD2Q2D1Q1.D0Q0OEG18VT14一1331641551269721686592210619111817161514T121120IALEGNDEAVCC3031OEWECE1vccA12iA11CE2,A10A9GNDA8A7,A6A5A4.A3iA2A1A0I/O71I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O

34、0282614圖3.1CPU最小系統(tǒng)圖NetLabel48NetLab3.2110KV輸電線路零序保護的硬件保護的硬件構(gòu)成由四部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（或稱模擬量輸入系統(tǒng)）：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持、多路轉(zhuǎn)換以及模擬轉(zhuǎn)換，其功能為完成將模擬輸入量準確轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量。主系統(tǒng)：處理器（CPU、只讀存儲器（ROM或閃存內(nèi)存單元（FLASH、隨機存取儲存器（RAM、定時器、并行以及申行接口等。其功能為執(zhí)行編制好的程序，以完成各種繼電保護測量、邏輯和控制功能。開關(guān)量（數(shù)字量）輸入/輸出系統(tǒng)，并行接口（PIA或PIO）、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成，其功能為完成各種保護的出

35、口跳閘、信號、外部接點輸入及人機對話及通信等功能。電源模塊：其功能為保護裝置提供工作電壓。一般常采用開關(guān)穩(wěn)壓電源或DC/DC電源模塊。其提供數(shù)字系統(tǒng)5、24、+15、-15V電源。其構(gòu)成圖3.2所示：模擬量輸入圖3.2硬件機構(gòu)圖光電隔離3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模擬量輸入系統(tǒng)）主要包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持（S/H）、多路轉(zhuǎn)換（MPX以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）,其功能為完成將模擬輸入量準確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量，如圖3.3所示:圖3.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.3.1電壓形成回路本文研究的110KV輸電線路零序電流保護裝置將由二次電流互感器轉(zhuǎn)換來的電流信號通過如圖3.4所示的電路轉(zhuǎn)換為mA級的電流

36、信號；將由二次電壓互感器轉(zhuǎn)換來的電壓信號（100V通過如圖3.5所示的電路也轉(zhuǎn)換為可供模數(shù)轉(zhuǎn)換部分時用的電壓，這樣做的優(yōu)點是可以使得元件小型化。再講mA的電流信號經(jīng)過如圖3.3所示的電路，進行放大處理轉(zhuǎn)換為電壓信號，作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入信號。圖3.4電壓輸入信號變換電壓的計算公式：uLirn:1圖3.5電壓信號輸入3.3.2采樣保持和模擬低通濾波采樣保持電路，乂稱S/H電路，其作用是在一個極短的時間內(nèi)測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變。利用采樣保持電路后，可以方便地進行多個模擬量實現(xiàn)同時采樣。采樣頻率是指采樣周期的倒數(shù)，對保護系統(tǒng)而言，在故障剛發(fā)

37、生時，電壓、電流信號中可能含有較高的頻率分量（如2KHz以上），為防止混淆，頻率將不得不用的很高，進而對硬件速度提出過高的要求。實際上，目前大多數(shù)的保護反應(yīng)的是工頻量，在這種情況下，可以采用一個前置的低通濾波器將高頻分量濾掉，這樣就可以降低頻率，從而降低對硬件提出的要求，對頻率高丁二分之一的可以用簡單的低通濾波器（如圖3.6所示）來濾除高頻分量，而對丁小丁二分之一頻率的分量可以用數(shù)字濾波器來濾除。A4oTctco圖3.6低通濾波器3.3.3多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換對反應(yīng)倆個電氣量以上的繼電保護裝置，都要求對各個模擬量同時采樣，以準確地獲得各個量之間的相位關(guān)系，因而要對每個模擬輸入量設(shè)置一套電壓形

38、成、抗混淆低通濾波器采樣保持電路。所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯(lián)后，由定時器同時供給采樣脈沖，但由丁模數(shù)轉(zhuǎn)換器價格相對較貴，通常不是每個模擬量輸入通道設(shè)一個A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入給裝置。而是公用一個，中間是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)MPXU換，輪流由公用的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸入給裝置。模擬量1電壓形成LPFS/H多路轉(zhuǎn)換開關(guān)A/DCPU模擬量n采樣脈沖圖3.7多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換是微機保護的重要元器件，要理解它的工作原理需先了解數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位的組合起來表示的，每一位代碼都有一定的權(quán)，即代表一個具體數(shù)值。因此，為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，即可得到與被轉(zhuǎn)換數(shù)字

39、量相當?shù)哪M量，完成了數(shù)模轉(zhuǎn)換。如圖3.8為一個4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理圖，更多位數(shù)的情況與此類似。圖3.84位數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理輸出電壓為：Uo=W可見，輸出模擬電壓正比丁控制輸入的數(shù)字量D對一般的A/D轉(zhuǎn)換器來說，如果輸入電壓超過所允許的最大值，就會出現(xiàn)平頂波,這種現(xiàn)象叫溢出，出現(xiàn)小部分平頂波溢出的危害并不是特別嚴重，因為在裝置得到采樣值后，還可以經(jīng)過數(shù)字濾波器來對平頂波進行修正，基波相位可以做到基本不受影響，對電流保護和阻抗保護的影響較小。但是，應(yīng)當指出：不應(yīng)出現(xiàn)輸入量超出允許值時出現(xiàn)零值的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對保護的危害是致命的。如果電流信號出現(xiàn)這種溢出情況，則出口短路可能會被計算成區(qū)外短路，導(dǎo)致拒

40、動。避免這種溢出現(xiàn)象的常用方法有：1,采用類似丁逐次逼近方式的A/D轉(zhuǎn)換器；2,在A/D轉(zhuǎn)換器之前采用預(yù)先措施；3,調(diào)整模擬量回路的增益。3.4開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)3.4.1開關(guān)雖輸入輸出模塊開關(guān)量輸入輸出模塊包括開關(guān)量輸入回路和開關(guān)量輸出回路，是微型機保護裝置的重要組成部分，是連接外部強電和內(nèi)部弱電的主要通道，其核心是狀態(tài)信號的隔離輸入回路和動作信號的隔離輸出回路，主要完成外部開關(guān)量引入裝置進行處理和將裝置內(nèi)發(fā)出的開關(guān)信號引出到繼電器插件，從而驅(qū)動相應(yīng)的繼電器跳閘或告警，達到保護的功能。下面分別介紹開關(guān)量輸入回路和輸出回路的設(shè)計。3.4.2開關(guān)雖輸入部分在微機線路保護裝置中，通常需要采集斷路器

41、狀態(tài)、隔離開關(guān)狀態(tài)和外部分、合閘等狀態(tài)信息，這些狀態(tài)量的采集都是以光電隔離方式輸入的，采用光電隔離的主要優(yōu)點是：輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力很強；無觸點，耐沖擊，壽命長，可靠性高；響應(yīng)速度快，易與邏輯電平配合使用。需要采集的輸入開關(guān)量共8路，分為兩組，一組為4路220W關(guān)量輸入，另一組為4路245關(guān)量輸入。圖3.9所示開關(guān)量通過光電隔離輸入電路圖。其工作原理是：當外部接點接通時，光電隔離的二極管導(dǎo)通，光電隔離的三極管也導(dǎo)通，其集電極輸出低電位；當外部接點斷開時，光電隔離的二極管不導(dǎo)通，丁是三極管截止，集電極輸出高電位，軟件讀并行口該位的狀態(tài)，即可知道外部接點的狀態(tài)。圖中二極管

42、起保護作用，用丁防止開關(guān)量輸入回路電源極性接反時將光電耦合器中的發(fā)光二極管反向擊容，另一方面二極管還能夠加速繼電器的返回。電容為抗干擾電容。這樣，開關(guān)量經(jīng)過光電耦合器后直接與保護DS舶應(yīng)的通用I/?？谙噙B，光敏三極管的導(dǎo)通和截止完全反映外部接點的狀態(tài)，帶有電磁干擾的外部輸入回路與微型機電路之間沒有直接電的聯(lián)系，各種干擾信號不能進入微型機電路部分，從而達到抗干擾的目的。0Xra02圖3.9開關(guān)量經(jīng)光耦輸入電路圖3.10是開關(guān)量輸入電路的部分電路圖（只畫出220V勺一路輸入）。在整體電路中，上面4路為2205關(guān)量輸入電路，并配有兩路2205關(guān)量監(jiān)視電路；下面4路為24V開關(guān)量輸入電路，配有兩路24

43、5關(guān)量監(jiān)視電路。監(jiān)視電路能夠?qū)崿F(xiàn)8路開關(guān)量輸入信號的開啟與停止，從而達到省電目的；同時，配備有自檢回路，通過4路開關(guān)量監(jiān)視回路，可以實現(xiàn)8路開關(guān)量輸入通道的自檢功能圖3.10開關(guān)量輸入回路（以220V的一路輸入量為例）圖3.10的原理為：6JA21為220"關(guān)量控制1端口。當該端口輸入為“1"時，光電隔離器PTl中發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導(dǎo)通，表現(xiàn)為低電平，可正確對220VF關(guān)量輸入信號進行采集；當6JA21控制端口輸入為“。時，光電隔離器PT"發(fā)光二極管不導(dǎo)通，同時三極管截止，表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，此時無法采集相應(yīng)的開關(guān)量。這樣，就可以將裝置的電源停掉，實現(xiàn)省電功能。自

44、檢測功能：2205關(guān)量控制2端口6JB21輸入為“1”時，光電隔離器PT源的發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，三極管導(dǎo)通，220ME電源經(jīng)導(dǎo)通的三極管，二極管DG®入開關(guān)量采集電路中，通過查詢開關(guān)量輸入口6JB18的狀態(tài)，用以判斷開關(guān)量采集電路是否工作正常。3.4.3開關(guān)雖輸出部分相對丁開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出回路具有更加重要的地位。因為在微型機保護裝置中，所有的保護功能最終是通過開關(guān)量輸出部分來控制繼電器動作，驅(qū)動斷路器跳閘或發(fā)出告警信號。如下圖為一簡單的輸出接線圖。圖3.11裝置開關(guān)量輸出回路接線圖但是，由丁開關(guān)量輸出信號的正確與否關(guān)系到整個繼電保護裝置的可靠性，因此,開關(guān)量輸出回路必須加上監(jiān)視

45、回路來監(jiān)視開關(guān)量的狀態(tài)。開關(guān)量輸出部分主要包括跳閘出口、重合閘出口以及各種信號出口等。開關(guān)量輸出部分是對斷路器實現(xiàn)控制的出口通道，DPS2812MI/CH輸出的是3.3V勺低電壓微電流信號，不足以直接驅(qū)動斷路器實現(xiàn)各種操作。因此，開關(guān)量輸出回路需要將CPUS出的小信號放大為大功率信號，從而驅(qū)動斷路器。另外，為了防止斷路器操作過程中產(chǎn)生的瞬時脈沖對微型機保護裝置的反饋干擾，還必須對出口通道進行隔離。通過采用光電耦合器與繼電器相結(jié)合的方法來實現(xiàn)出口信號的隔離與放大。為了提高開關(guān)量輸出回路的可靠性，在數(shù)字輸出和繼電器之間選用了光電耦合器，提高了抗干擾能力。另外，任何一路的輸出均由兩個信號通過與非門產(chǎn)

46、生的控制信號所控制，這樣就可以有效地抑制干擾產(chǎn)生的誤動，可也以在裝置出現(xiàn)故障的時候有效地實現(xiàn)閉鎖。輸出量光耦電路如圖3.12所示。圖3.12輸出量光耦電路（只畫出一路）輸出量光耦電路原理為：6JB24為輸出總控制端口，只用當該端口輸入為“0”，與非門，U1A輸出“1”時，整個開關(guān)量輸出電路才能正常工作，否則，當該端口輸入為“1”時，各開關(guān)量輸出端口經(jīng)與非門后均為“1”，光電耦合器不導(dǎo)通，回路被閉鎖。在6JB24為“O'的前提下，當跳閘輸出端口6JB14輸出為“1”時，經(jīng)與非門輸出為“0”，光電耦合器中發(fā)光二極管導(dǎo)通，三極管導(dǎo)通，24如源經(jīng)二極管D1至3d26,3d2哪口，驅(qū)動相應(yīng)的繼電

47、器；同時24如源經(jīng)二極管D8至光電耦合器PT8,二級管導(dǎo)通，三級管導(dǎo)通，輸出電路監(jiān)視端口6JA25M電路進行監(jiān)視。3.5電源模塊保護系統(tǒng)對電源要求較高，通常這種電源是逆變電源，即將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，再把交流電整流為微型機系統(tǒng)所需的直流電壓。將變電所強電系統(tǒng)的直流電源與微型機的弱電系統(tǒng)電源完全隔離開，通過逆變后的直流電源具有極強的抗干擾能力，對來自變電所中因斷路器跳合閘等原因產(chǎn)生的強干擾可以完全消除掉。本設(shè)計采用的逆變穩(wěn)壓電源的輸入電壓為直流220V,其輸出有5V,供微型機系統(tǒng)使用，土12Vft數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用，24俶繼電器回路使用。電源模理圖如圖3.13所示。+Z20V+24V24VE220

48、V+12V-12V12VE+5V5VE7T關(guān)電源¥idbziz1C1BZT61dbz18IdbzS1dbzeidbzz圖3.13電源模塊原理圖第4章軟件設(shè)計4.1軟件結(jié)構(gòu)分析概述110KV輸電線路零序電流保護裝置是由P89C51R西片機實現(xiàn)的兩CPUB各保護裝置。裝置包括三段零序電流保護及三相一次自動重合閘。裝置采用了多單片機并行工作的方式，配置了兩個cpuK件，分別完成零序保護及重合閘，另外配置了一塊接口板，完成對各保護CPLK件的巡檢、人機對話和與系統(tǒng)微型機連機等功能。零序電流保護包括零序I段-III段和不靈敏I段，零序三段均可由控制字整定是否經(jīng)零序功率方向閉鎖?？捎煽刂谱挚刂剖?/p>

49、否加速II、III段。振蕩閉鎖采用啟動元件動作后短時開放的原理，即啟動元件動作后的0.15秒內(nèi)開放保護，若在該時間內(nèi)I、II段均不動作，則將保護閉鎖。零序保護不經(jīng)振蕩閉鎖，只受啟動元件的控制。三相一次自動重合閘由保護啟動或由開關(guān)位置不對應(yīng)啟動。4.2程序總框圖如圖4.1所示軟件整體流程圖。本設(shè)計中，采用模塊化的設(shè)計思想，軟件模塊主要由主程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊和故障處理程序模塊組成。主程序模塊主程序模塊包括初始化、全面自檢、開放中斷與等待中斷、數(shù)據(jù)傳輸通信等環(huán)節(jié)。 初始化DSP初始化是指保護裝置在上電或按下復(fù)位鍵時首先執(zhí)行的程序，它主要是對芯片的工作方式及參數(shù)進行設(shè)置，以便在后面的程序中按預(yù)

50、定的方案工作。首先F2812對自身的工作環(huán)境進行設(shè)置，初始化各種寄存器，按照電路設(shè)計的輸入輸出要求，設(shè)置每一個端口用作輸入還是輸出，初始化保護輸出的開關(guān)量，以保證出口繼電器均不動作；初始化DS吹樣定時器，控制采樣間隔時間等。 全面自檢對裝置的軟硬件進行一次全面的自檢,包括RAMFLASH或ROM各開關(guān)量輸出通道、程序和定值等，以保證裝置在投入使用時處丁完好的狀態(tài)。(1) RAM的讀寫檢查對RA觀一單元寫入1個數(shù)，再從中讀出，并比較兩者是否相等。如發(fā)現(xiàn)寫入與讀出的數(shù)不一致，說明隨機存儲器RAMW問題，則轉(zhuǎn)至告警模塊。并將告警信息顯示在液晶顯小屏上。開出自檢開出自檢主要是檢測開出通道是否正常，它是

51、通過硬件開出反饋來檢查的依次開出每一路開出量，并從反饋回路檢查開出量是否正確。由丁受啟動繼電器的閉鎖，所以在開出每一路開出量時，保護并不會誤動。(3)整定值檢查每套定值在存入EEPROM,都自動固化若干個校驗碼。若發(fā)現(xiàn)只讀存儲器EEPROM定值求和碼與事先存入的定值和不一致，說明EEPROM故障，轉(zhuǎn)至告警模塊，并將告警信息顯示在顯示器上。 參數(shù)刷新在經(jīng)過全面自檢后，應(yīng)將所有的數(shù)據(jù)、標志字活零，因為每一個標志代表了一個“軟件繼電器”和邏輯狀態(tài)，如果不活零，這些標志將控制程序流程的走向，以致無法達到預(yù)期的目的。 開放中斷與等待中斷經(jīng)過初始化和全面自檢后，表明裝置的準備工作已經(jīng)全部就緒，此時，開放中

52、斷，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)投入工作。可編程的定時器將按照初始化程序規(guī)定的采樣間隔TM斷發(fā)出采樣脈沖，控制各模擬量通道的采樣和A/D轉(zhuǎn)換，并在每次采樣完成后向微型機請求中斷，來實時監(jiān)視和獲取電力系統(tǒng)的采樣信號。對保護計數(shù)器的值進行判斷，該計數(shù)器用丁保護起動元件動作后的6s延時計算。保護計數(shù)器不為零，說明在6s延時時間內(nèi)，則進入等待中斷流程；當保護計數(shù)器歸零時，說明起動元件延時時間到，進入整組復(fù)歸環(huán)節(jié)。 數(shù)據(jù)傳輸通信數(shù)據(jù)傳輸通信主要為申口收發(fā)數(shù)據(jù)。申口通信主要完成保護處理CPUTMS320F2812管理CPULPC222處理器之間的數(shù)據(jù)通信，包括DSffiJARI®數(shù)據(jù)上傳顯示，ARMJDSP勺

53、數(shù)據(jù)下傳整定，以及相關(guān)通信控制標志位的置位與活零等，從而實現(xiàn)保護動作定值的查詢、修改和保存，以及動作信息報告和各種實時參數(shù)的顯示等。4.3中斷程序模塊在保護裝置開中斷后，每隔一個Ts,定時器就會發(fā)出一個采樣脈沖，隨即產(chǎn)生中斷請求。保護裝置先暫停一下系統(tǒng)程序的流程，轉(zhuǎn)而執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序，以保證對輸入模擬量的實時采集，同時，實時地運行一次繼電保護的相關(guān)功能。中斷服務(wù)程序主要包括定時采樣，電流求和自檢，TV斷線檢查，以及啟元件等功能。 控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將8個模擬量輸入通道的模擬量輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的采樣值，然后存入RAM：的相應(yīng)的地址單元中。采用全波傅氏算法等微型機保護算法對各數(shù)字量采樣值進

54、行計算。 將計算得到的各電力系統(tǒng)參數(shù)代入啟動元件動作判據(jù)中，判斷啟動元件是否動作。若電力系統(tǒng)正常運行，保護啟動元件不啟動。系統(tǒng)進入自檢程序。首先對每個采樣點都檢查三相電流之和是否與變壓器中性點側(cè)TA引入的零序電流3Io相等，如果不相等，則判定為采樣回路出錯，進行上傳數(shù)據(jù)請求置位，將相應(yīng)的報警信息上傳給ARM然后，系統(tǒng)進入TM線檢查模塊，依據(jù)相應(yīng)的判據(jù)對TV®行斷線檢查。TVf線判據(jù)如下：1 負序電壓大丁8V,負序電流小丁0.1A;2 正序電壓小丁30V,相電流差突變量小丁0.1A。系統(tǒng)確定T次斷線時，發(fā)出“TM線”信號，待電壓恢復(fù)正常后信號復(fù)歸。在TV斷線期間，相應(yīng)的TVW線標志位置

55、“1”，并通過程序安排閉鎖自動重合閘。這時保護將根據(jù)整定的控制字決定是否退出與電壓有關(guān)的保護。 經(jīng)過上述TM線以及采樣通道自檢后，若互感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均無異常，再次判斷啟動繼電器是否動作。如果此時電力系統(tǒng)正常，則中斷服務(wù)程序執(zhí)行完畢后就回到主程序中被中斷的地址處，繼續(xù)循環(huán)自檢。若啟動繼電器動作，則設(shè)置保護計數(shù)器的初始值，并通過保護計數(shù)器每次循環(huán)自減“l(fā)”來實現(xiàn)啟動元件動作后自保持6s的時間。同時，系統(tǒng)修改中斷返回地址和中斷返回參數(shù)，使系統(tǒng)流程跳轉(zhuǎn)至故障處理程序入口出。在進入中斷服務(wù)程序后，若啟動元件動作，則裝置閉鎖掉采樣通道檢查，TV斷線檢測環(huán)節(jié)，直接跳轉(zhuǎn)至修改中斷返回地址和修改中斷返回參數(shù)

56、環(huán)節(jié)，從而進入故障處理程序中。這樣可以使CPU!中時間處理故障處理程序，以便加快保護動作。在執(zhí)行故障處理程序時，定時器仍將每隔一個T歐出中斷請求，以保證采樣不中斷。4.4各程序的子模塊介紹4.4.1初始化在初始化模塊中執(zhí)行的程序內(nèi)容見圖4.2.首先是對所有的可編程序的并行接口的初始化，規(guī)定每一個端口用作輸入還是輸出，用丁輸出的則要賦值等。這一步必須首先執(zhí)行，否則無法通過并行口讀取各開關(guān)量輸入的狀態(tài)。第二步是讀取所有開關(guān)量輸入的狀態(tài)，并將其保存在RAIMC規(guī)定的地址內(nèi)，以備以后在自檢循環(huán)時不斷監(jiān)視開關(guān)量輸入是否有變化。接著是對裝置的硬件進行一次全面的自檢，包括RAMEPROM各開關(guān)量輸出通道等。這一次全面自檢不包括對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自檢，因為它尚未工作。對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的檢測安排在中斷服務(wù)程序中。在經(jīng)過全面自檢后應(yīng)將所有標志字活零，接著進行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化，包括對定時器以及采樣數(shù)據(jù)寄存區(qū)地址指針的初始化等。完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化后，即可開放中斷，程序轉(zhuǎn)入振