35kV輸電線路電流電壓保護設計

1、1 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 微機繼電保護微機繼電保護課程設計（論文）課程設計（論文） 題目：題目：35kV35kV 輸電線路電流電壓保護設計（輸電線路電流電壓保護設計（3 3） 院（系）：院（系）： 電氣工程學院電氣工程學院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： （簽字） 起止時間：起止時間： 20142014 20142014 1 課程設計（論文）任務及評語課程設計（論文）任務及評語 院（系）：電氣工程學院 教研室：電氣工程及其自動化 學 號學生姓名專業(yè)班級 課程設 計（論 文）題 目 35kV 輸電線路電流電壓保護設計（3） 課程設計

2、（論文）任務 系統(tǒng)接線圖如圖： 課程設計的內容及技術參數(shù)參見下表 設計技術參數(shù)工作量 ,22,3/37 1 G XkVE ,10,10 32 GG XX L1=L2=70km,L3=40km, LB-C=30km,LC-D=30km, LD-E=20km,線路阻抗 0.4/km, ,2 . 1 I rel K rel K15 . 1 rel K 最大負荷電流 IB-C.Lmax=100A, IC-D.Lmax=67A, ID-E.Lmax=35A, 電動機自啟動系數(shù) Kss=1.5，電流繼電 器返回系數(shù) Kre=0.85。 最大運行方式：三臺發(fā)電機及線路 L1、L2、L3 同時投入運行；最小運

3、行 方式：G2、L2 退出運行。 一、整定計算 1.確定保護 3 在最大、最小運行方式下的等值電 抗。 2.進行 C 母線、D 母線、E 母線相間短路的最大、 最小短路電流的計算。 3.整定保護 1、2、3 的電流速斷保護定值，并計 算各自的最小保護范圍。 4.整定保護 2、3 的限時電流速斷保護定值，并 校驗靈敏度。 5.整定保護 1、2、3 的過電流保護定值，假定母 線 E 過電流保護動作時限為 0.5s，確定保護 1、2、3 過電流保護的動作時限，校驗保護 1 作 近后備，保護 2、3 作遠后備的靈敏度。 二、硬件電路設計 包括 CPU 最小系統(tǒng)、電流電壓數(shù)據(jù)采集、開 關設備狀態(tài)檢測、控

4、制輸出、報警顯示等部分。 三、軟件設計 說明設計思想，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、實驗驗證 給出實驗電路及實驗結果，分析實驗結果同 理論計算結果的異同及原因。 B A G 1 1 23 L 3 L 2 L 1 ED C G 2 G 3 98 76 54 系統(tǒng)接線圖 續(xù)表 進度計劃 第一天：收集資料，確定設計方案。 第二天：等值電抗和短路電流計算、電流 I 段整定計算及靈敏度校驗。 第三天：電流 II 段、III 段整定計算及靈敏度校驗。 第四天：硬件電路設計（最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測部分） 。 第五天：硬件電路設計（控制輸出、報警顯示部分） 。 第六天：軟

5、件設計（有效值計算、故障判據(jù)） 。 第七天：軟件設計（繪制流程圖或邏輯圖） 第八天：實驗驗證及分析。 第九天：撰寫說明書。 第十天：課設總結，迎接答辯。 指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日 注：成績：平時20% 論文質量60% 答辯20% 以百分制計算 摘 要 電力系統(tǒng)的輸、配線路因各種原因可能會發(fā)生相間或相地短路故障，因此，必 須有相應的保護裝置來反映這些故障，并控制故障線路的斷路器，使其跳閘以切除 故障。 針對電力系統(tǒng)輸電線路進行繼電保護設計，采用三段式電流電壓保護的方法， 確定出最大、最小運行方式下的等值電抗。進行了相間短路的最大、最小短

6、路電流 的計算。進行了保護 1、2、3 的電流速斷保護整定值計算，并計算了各自的最小保 護范圍。進行了保護 2、3 的限時電流速斷保護定值計算，并校驗了靈敏度。進行了 保護 1、2、3 的過電流保護定值計算，確定保護 1、2、3 過電流保護的動作時限， 校驗保護 1 作近后備，保護 2、3 作遠后備的靈敏度。繪制三段式電流保護原理接線 圖。通過實驗驗證并分析了動作過程。采用 MATLAB 建立系統(tǒng)模型進行輸電線路電流 電壓保護仿真分析。 關鍵詞：三段式電流電壓保護；整定值計算；靈敏度；等值電抗 目 錄 第 1 章 緒論.1 第 2 章 輸電線路電流保護整定計算.3 2.1 電流 段整定計算 .

7、3 2.1.1 保護 3 在最大、最小運行方式下的等值電抗 .3 2.1.2 C、D、E 母線相間短路的最大、最小短路電流 .4 2.1.3 保護 1、2、3 的電流速斷整定值 .4 2.2 電流段整定計算 .5 2.3 電流段整定計算 .6 第 3 章 硬件電路設計.7 3.1 單片機主系統(tǒng)設計 .7 3.1.1 單片機主系統(tǒng)介紹 .7 3.3.2 可編程 I/O 口 8255A .9 第 4 章 軟件設計.12 4. 保護算法 .12 4.1.1 概述.12 4.1.2全波傅立葉算法.12 4.2 保護軟件流程 .12 4.2.1 主程序.13 4.2.2 采樣中斷服務程序 .14 4.2

8、.3 事故處理程序.15 4.3 MATLAB 建模仿真分析 .15 第 5 章 實驗驗證及分析.17 第 6 章 課程設計總結.19 參考文獻.20 第 1 章 緒論 電力系統(tǒng)繼電保護是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和科學技術的進步而不斷發(fā)展起來的 為電力系統(tǒng)建立了一個安全保障體系。電力系統(tǒng)故障和不正常運行狀態(tài)是不可避免 的為了防止電力系統(tǒng)事故的擴大保證非故障部分仍能可靠供電通過繼電保護裝置準 確迅速地識別并切除故障同時電力系統(tǒng)運行狀態(tài)應實時監(jiān)視一旦發(fā)生不正常行狀態(tài) 時能通過繼電保護裝置及時警告或啟動自動控制裝置。這樣就可以保持供電的連續(xù) 性、保障人身的安全、防止或減輕設備的損壞。 繼電保護裝置由測量部

9、分、邏輯部分和執(zhí)行部分等組成。對于作用于斷路器跳 閘的繼電保護裝置有四點基本要求。 1.電流電壓保護的選擇性 電流電壓保護在單電源輻射網中一般有很好的選擇性。電流（電壓）保護第 段主要靠動作電流值來區(qū)分被保護范圍內部和外部短路而具有選擇性。而電流保護 第 段和第段則應由動作電流和動作時間二者相結合才能保證其選擇性，缺一不 可。但在多電源或單電源環(huán)網等復雜網絡中這種保護可能無法保證其選擇性。 2.電流電壓保護的動作速度 電流電壓保護第段和第段共同作為線路的主保護，能滿足技術規(guī)程關 于 35kV 及以下網絡主保護的速動性要求。電流電壓保護第段因為越接近電源， 動作時間越長，有時候動作時間長達好幾秒

10、，因而一般情況下只能作為線路的后備 保護。 3.電流電壓保護的靈敏度 電流電壓保護的靈敏度因系統(tǒng)運行方式的變化而變化。一般情況下能滿足靈敏 度要求。但在系統(tǒng)運行方式變化很大、線路很短和線路長而負荷重等情況下，其靈 敏度可能不容易滿足要求，甚至出現(xiàn)保護范圍為零的情況。這也是電流保護的主要 缺點。 4.電流電壓保護的可靠性 電流電壓保護的可靠性 電流電壓保護的電路構成、整定計算及調試維護都較簡 單，因此，它是最可靠的一種保護。 線路發(fā)生短路故障時可以采用電流電壓保護、接地零序保護、距離保護和縱差 動保護等。當線路發(fā)生相間短路時可以采用電流電壓保護。電流電壓保護是根據(jù)輸、 配電線上相間短路時線路電流

11、增加而母線電壓下降的特征而設計的一種保護。主要 用于 35KV 及以下的小接地電流系統(tǒng)中。電流電壓保護分為兩種一種是以反應電流增 大而動作的電流測量元件為基礎的構成的電流保護元件另一種是以反應電壓為基礎 構成的電流保護。 根據(jù)線路故障對主、后備保護的要求線路相間的電流電壓保護有 三種第一無時限電流速斷保護或無時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護第二帶時限電流速斷 保護或帶時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護第三定時限過電流保護或低電壓啟動過電流保 護。這三種相間電流電壓保護分別成為相間短路電流保護第段第段和第段。 其中、段作為線路主保護第段作為本線路主保護的近后備保護和相鄰線路或 元件的遠后備保護。這三段統(tǒng)稱為線路相

12、間短路的。 本文設計研究中的繼電保護采用了三段式電流電壓保護通過動作電流來進行保 護。根據(jù)設計要求為了實現(xiàn)保護之間的配合和保護的選擇性在這些保護中增加延時 元件等邏輯元件形成一個完整的保護方案。 第 2 章 輸電線路電流保護整定計算 2.1 電流 段整定計算 2.1.1 保護 3 在最大、最小運行方式下的等值電抗 （1）最大運行方式：三臺發(fā)電機及線路 L1、L2、L3 同時投入運行，等效電路 圖如圖 2.1。 圖 2.1 最大運行方式等值阻抗圖 ； ； 20 1G X15 32GG XX ； 204 . 050 21LL XX124 . 030 3L X ； 164 . 040 BC X124

13、 . 030 CD X84 . 020 DE X 11/ 332121min3LGLLGG XXXXXXX （2）最小運行方式：在最大運行方式基礎上 G2、L2 退出運行，等效電路圖如 圖 2.2. 圖 2.2 最小運行方式等值阻抗圖 1 . 161620/2815/ 3311max3LGLG XXXXX 2.1.2 C、D、E 母線相間短路的最大、最小短路電流 C 母線最大短路電流： A 46 . 2 1611 3/115 min3 3 max BC KC XX E I C 母線最小短路電流： A 79 . 1 16 1 . 16 3/115 2 3 2 3 max3 2 min BC KC

14、 XX E I D 母線最大短路電流： A 7 . 1 121611 3/115 min3 3 max CDBC KD XXX E I D 母線最小短路電流： A 3 . 1 1216 1 . 16 3/115 2 3 2 3 max3 2 min CDBC KD XXX E I E 母線最大短路電： A 41 . 1 8121611 3/115 min3 3 max DECDBC KE XXXX E I E 母線最小短路電流: A 1 . 1 2 3 min3 2 min DECDBC KE XXXX E I 2.1.3 保護 1、2、3 的電流速斷整定值 無時限電流速斷保護依靠動作電流值來

15、保證其選擇性，被保護線路外部短路時 流過該保護的電流總小于其動作值，不能動作；而只有在內部短路時流過該保護的 電流有可能大于其動作值，使保護動作。且無時限電流速斷保護的作用是保證在任 何情況下只切除本線路上的故障。 保護 1： A KIKI KErelop 69 . 1 41 . 1 2 . 1 3 max1 保護 2： A 04. 27 . 12 . 1 3 max2KDrelop IKI 保護 3： A 95 . 2 46 . 2 2 . 1 3 max3KCrelop IKI 無時限電流保護不能保護線路全長，應采用最不利情況下保護的保護范圍來校 驗保護的靈敏度，一般要求保護的最小的線路長

16、度不小于線路長度的 15%。 保護 1 保護的最小范圍： 1 . 10)1216 1 . 16( 69 . 1 3115 2 3 2 3 max3 1 min11CDBC op XXX I E lx 保護 2 保護的最小范圍： 91 . 3 )16 1 . 16( 04 . 2 3115 2 3 2 3 max3 2 min22BC op XX I E lx 保護 3 保護的最小范圍： 39 . 3 1 .16 95 . 2 3115 2 3 2 3 max3 3 min33 X I E lx op 因為 %15 min33min22min11 BCCDDE sen X lx X lx X l

17、x K %15%21 min33 BC sen X lx K 所以保護 1、保護 2 的 1 段靈敏度不合格，保護 3 合格。 2.2 電流段整定計算 由于無時限電流速斷保護只能保護線路的一部分，而該線路剩下的短路故障由 能保護本線路全長的帶時限電流速斷保護（電流保護第段）來可靠切除。帶時限 電流速斷保護與無時限電流速斷保護的配合能以盡可能快的速度，可靠并有選擇性 的切除本線路上任一處，包括被保護線路末端的相間短路故障。 保護 2 的段應與相鄰線路的段配合 即：A 943 . 1 1/69 . 1 15 . 1 / 2min12boprelop KIKI 靈敏度： 不合格 5 . 13 . 1

18、67 . 0 943 . 1 3 . 1 2 2 min op KD sen I I K 保護 3 的段與相鄰線路的段配合 即：A 346 . 2 1/04 . 2 15 . 1 / 3min23boprelop KIKI 靈敏度： 不合格 5 . 13 . 176 . 0 346 . 2 79 . 1 3 2 min op KC sen I I K 保護 3 的段與相鄰線路的段配合 即：A 23 . 2 1/943 . 1 15 . 1 / 3min23boprelop KIKI 靈敏度： 不合格 )5 . 13 . 1 (8 . 0 23 . 2 79 . 1 3 2 min op KC

19、sen I I K 2.3 電流段整定計算 整定保護 1、2、3 的過電流保護定值，假定母線 E 過電流保護動作時限為 0.5s，確定保護 1、2、3 過電流保護的動作時限，校驗保護 1 作近后備，保護 2、3 作遠后備的靈敏度。 保護 1 的段： A 345170 85 . 0 5 . 115 . 1 max1LDE re ssrel op I K KK I 保護 2 的段： A 9 . 405200 85 . 0 5 . 115 . 1 max2LCD re ssrel op I K KK I 保護 3 的段： A 3 . 710350 85 . 0 5 . 115 . 1 max3LBC

20、 re ssrel op I K KK I 保護 1 作近后備的靈敏度： 合格 3 . 119 . 3 345 1100 1 2 min op KE sen I I K 保護 2 作遠后備的靈敏度： 合格 2 . 171 . 2 9 . 405 1100 2 2 min op KE sen I I K 保護 3 作遠后備的靈敏度： 合格 2 . 183 . 1 3 . 710 1300 3 2 min op KD sen I I K 假定母線 E 過電流保護動作時限為 0.5s，即：stOPE5 . 0 保護 1 的動作時間：sttt OPE 15 . 05 . 0 1 保護 2 的動作時間：

21、sttt5 . 15 . 01 12 保護 3 的動作時間：sttt25 . 05 . 1 23 第 3 章 硬件電路設計 3.1 單片機主系統(tǒng)設計 3.1.1 單片機主系統(tǒng)介紹 8051 的內部資源 （1）一個 8 位的微處理器（CPU） 。 （2）片內數(shù)據(jù)存儲器 RAM（128B/256B） ，用于存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運算的 中間結果、最終結果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 （3）片內程序存儲器 ROM/EPROM（4KB/8KB） ，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表 格。 （4）四個 8 位并行 I/O 接口 P0P3，每個口既可以用做輸入，也可以用作為輸 出。 （5）兩個定時器/計數(shù)器，每個定

22、時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用于對外 部事件進行計數(shù)，也可設置為定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機 控制。 （6）五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 （7）一個全雙工 UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行 I/O 口，用于實現(xiàn)單片機 之間或單片機與微機之間的串行通信。 （8）片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振 蕩頻為 12MHZ。 以上各個部分通過內部數(shù)據(jù)總線相連接。 8051 單片機引腳圖及其功能 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P1

23、1 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 GND 20 8051 圖 3.1 8051 引腳圖 (3)控制引腳 RST，ALE，PESN 和 EA RST/VPD：RST 是復位信號輸入端，高電平有效。RST 引腳的第二功能是，即備 用電源的輸入端。 ALE/（

24、30 腳）：地址鎖存允許信號端。當 8051 上電正常工作后，ALE 引PROG 腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。CPU 訪問片外存儲器時， ALE 輸出信號作為鎖存低 8 位地址的控制信號。此引腳的第二功能在對片內PROG 帶有 4KB EPROM 的 8751 編程寫入時，作為編程脈沖輸入端。 （29 腳）：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外程序存儲器時，此端PESN 定時輸出負脈沖作為片外存儲器的選通信號。 /VPP（31 腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA EA 接高電平時，CPU 只訪問片內的 EPROM/ROM 并執(zhí)行內部程序存儲

25、器的指令，但當 PC（程序 計數(shù)器）的值超過 0FFFFH（對 8051 為 4KB）時，將自動轉去執(zhí)行外部程序存儲器的 程序。 當 EA 接低電平時，CPU 只訪問外部 EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲器的指令，而不 管是否有片內程序存儲器。 （4）輸入/輸出端口 P0，P1，P2 和 P3 P0 口：P0 口是一個漏極開路的 8 位準雙向 I/O 端口。作輸出端口時，每位可驅 8051 采用 40 腳雙列直插封裝方式，其 引腳功能如下： (1) 電源引腳 Vcc 和 Vss Vcc（40 腳）：電源端，為+5V。 Vss（20 腳）：接地端。 (2) 時鐘電路引腳 XTAL1 和 X

26、TAL2 XTAL2（18 腳）：接外部晶體和微調電 容的一端； 在 8051 片內它是振蕩電路 反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率 就是晶體固有頻率。若需要采用外部時 鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。 XTAL1（19 腳）：接外部晶體和微調電 容的另一端；在 8051 片內它是振蕩電 路反相放大器的輸入端。在采用外部時 鐘信號時，該引腳必須接地。 動 8 個 LS 型的 TTL 負載。作輸入時，應先向口鎖存器（80H）寫入全 1。 P1 口、P2 口、P3 口均可作為輸出/輸入口，每位可驅動 4 個 LS 型的 TTL 負載。 P3 口除此之外，每個引腳還具有第二功能。 時鐘電路 單片機

27、的時鐘產生方法有內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多數(shù)單片機運 用系統(tǒng)采用內部時鐘方式。 最常用的內部時鐘方式是采用外接晶體 （陶瓷諧振器的頻率穩(wěn)定性不高）和電容組 成的并聯(lián)諧振回路。連接方法如圖 4-9 所示 8051 單片機允許的諧振晶體可在 1.2MHZ 24MHZ 之間選擇，一般取 11.0592MHZ。電 容 C1、C2 可在 20PF100PF 之間選擇，一 般當外接晶體時典型取值為 30 PF，外接陶瓷 諧振器時典型取值為 47 PF，取 60 PF70 PF 時震蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 3.3.2 可編程 I/O 口 8255A 8255A 的基本特性 1）8255A 具有二

28、個 8 位、二個 4 位的并行 I/O 端口的芯片； 2）8255A 能以多種形式，在 I/O 端口與 CPU 之間進行數(shù)據(jù)傳送。如：程序直接傳 送、應答方式傳送和中斷方式傳送等。 3）有 4 個端口地址：A、B、C 三個數(shù)據(jù)端口地址和控制口地址。一般情況下該芯 片的 A1、A0 腳接系統(tǒng)總線的 A1、A0，此時，A1A0=11 時選擇的是控制口；A1A0=00 時選擇的是 A 口；A1A0=01 時選擇的是 B 口；A1A0=10 時選擇的是 C 口； 4）8255A 的工作方式選擇和 C 口按位操作控制字均利用控制口發(fā)布命令。傳送數(shù) 據(jù)時用各數(shù)據(jù)口的地址。 8255A 有三種工作方式： 1

29、）0 方式：基本 I/O 方式。無須連接信號的直接 I/O，三個 8 位口均可作此類 I/O。無專用聯(lián)絡信號，不能采用中斷方式與 CPU 交換數(shù)據(jù)，輸出鎖存，輸入緩沖 （有三態(tài)門）而無鎖存。 2）1 方式：選通方式。只有 A 口、B 口可作此方式使用，C 口此時作為聯(lián)絡線或 0 方式使用； 3）2 方式：雙向 I/O。只有 A 口可以作為此方式使用，C 口在此方式下有 5 條線 C1 C2 XTAL2 XTAL1 Vss 8051 圖 3.2 內部時鐘方式的時鐘電路 作聯(lián)絡線，余下的做 B 口 1 方式的聯(lián)絡線。 8255A 芯片引腳 在與單片機接口的方向，8255A 提供如下信號，引腳如圖

30、3.3 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 VCC 26 GND 7 U34 8255A 圖 3.38255A 的引腳圖 AD7 AD0 三態(tài)

31、雙向數(shù)據(jù)線。 讀選通信號。RD 寫選通信號。WR 片選信號。CE RESET復位信號。復位后 A、B、C 口均置為輸入方式。 A1-A0地址線，用來選擇 8255A 內部端口。 8255A 與 8051 單片機的連接 根據(jù)需要對單片機 8051 芯片擴展了 I/O 口，擴展了兩片 8255A 芯片，設計了 8255A 和 8051 的連接圖，如圖 3.4 圖 3.4 8051 和 8255A 的連接圖 8051 擴展 8255A，兩片 8255A 都工作在 0 方式。將 A 片 PA 口設置為輸入口，PB 口設置為輸出口，CS 由譯碼電路的 Y6 控制；將 B 片 PA、PB 口都設置為輸出口

32、，PC 口低 4 位設置為輸入口，CS 由譯碼電路的 Y7 控制。 第 4 章 軟件設計 4. 保護算法 4.1.1 概述 微機保護及其控制裝置根據(jù)模數(shù)轉換提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進行分析、 運行和判斷以實現(xiàn)各種繼電保護及其控制功能的方法稱為算法。目前，提出的算法 有很多種，其核心問題歸根結底不外乎是從已有的輸入電氣量的采樣值中算出可表 示被保護或控制對象運行特點的物理量。如電壓、電流等。有了這些基本的電氣量 的計算值，就可以很容易地實現(xiàn)各種不同原理的保護及控制方法 算法是研究微機保護及控制裝置的重點之一。分析和評價各種不同的算法優(yōu)劣 的標準是精度和速度。研究算法的實質是如何在速度和精度兩方

33、面進行權衡。另外， 算法本身具有數(shù)字濾波功能，即是否能從帶有其他頻率成分的采樣值中比較精確地 將基波分量的幅值和相位估算出來，也是必須考慮的，特別是作為繼電保護算法時， 更需要考慮數(shù)字濾波功能好的算法。而在故障后的暫態(tài)過程中，保護安裝中的電流 和電壓除了含有基波分量外，還含有高次諧波和衰減非周期分量，保護要從這樣的 電流，電壓采樣值中比較精確的估算出基波分量，必須選用數(shù)字濾波功能好的算法。 4.1.2全波傅立葉算法 假定被采樣的模擬信號是一個周期性時間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流 分量和各次諧波，根據(jù)傅立葉級數(shù)的概念，可以將其展開成無數(shù)次諧波的和。全波 傅立葉算法，不僅能濾掉各種整次諧波和

34、純直流分量，而且對整次高頻分量和按指 數(shù)衰減的非周期分量中的低頻分量有一定的抑制作用。正因為全波傅立葉算法具有 良好的數(shù)字濾波特性，使得它成為應用廣泛的繼電保護及控制算法。 4.2 保護軟件流程 保護的程序的主要包括三大模塊：主程序、采樣中斷服務程序和事故處理程序。 4.2.1 主程序 主程序包括初始化、全面自檢、開放和等待中斷等功能。當裝置上電或按復位 按扭后，進入該程序模塊的入口。首先進行必要的初始化（一） ，如堆棧寄存器賦值、 控制口初始化（置 ID、T0、T1 的工作方式） 、查詢面板上開關的位置等。當面板上 開關在調試位置則進入監(jiān)控程序，否則進入運行程序。進入運行程序后，單片機將 開

35、始運行狀態(tài)所需的各項準備工作即初始化（二） ，包括往 I/O 并行控制口寫數(shù)，讓 所有的開關量處于正常狀態(tài)；按照面板上的整定值或門檻值切換開關的位置，按套 號將所需要的那一套整定值或門檻值放在預先規(guī)定好的 RAM 區(qū)。之后單片機依據(jù)程 序對裝置硬件的各部分進行全面自檢。 在確認一切良好后才允許數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始工作，將采集指針和軟件定時器初 始化，準備好定時對各模擬輸入量進行采樣和 A/D 轉換。這一工作完成后，先將保 護的啟動元件動作標志置 1，即 PB6=0，PB7=1，閉鎖采樣中斷服務程序中起動元件 的計算。然后開放采樣定時器中斷并等待。 開放采樣定時器中斷后，若中斷時刻到，則轉入采樣中斷

36、服務程序，執(zhí)行完后 返回至主程序的斷點處，繼續(xù)執(zhí)行主程序。若中斷時刻未到，主程序會繼續(xù)往下執(zhí) 行而不斷的進行專用自檢項目。專用自檢項目是依據(jù)不同的被保護元件或不同的保 護原理自行設置。 該裝置軟件中含有三個故障處理程序。故障處理程序 II 的功能與故障處理程序 III 的功能類似，只是延時動作時間不同。 并且，由于各段動作后均具有記憶功能。因此，在斷路器跳閘后，重新合閘前 應先使單片機系統(tǒng)復位。 4.2.2 采樣中斷服務程序 包括對模擬量的采樣、A/D 轉換、采樣值存儲、起動元件的計算和是否有故障 發(fā)生的判斷等功能。圖 5-2 給出了采樣中斷服務程序的框圖。進入該程序模塊后， 首先發(fā)出采樣/保

37、持命令以保證各模擬量輸入通道的同時采樣；再對各通道保持信號 依次進行 A/D 轉換并將轉換結果存儲到預先劃分好的 RAM 區(qū)域；然后進行起動元件 的計算和判斷。如果起動元件已經動作，說明這次中斷服務程序的執(zhí)行是由于事故 處理程序被采樣定時器中斷時間到而打斷引起的，則不用再進行起動元件的計算和 判斷，當判斷出起動元件剛好動作時，則進行以下三項工作：）將起動元件動作 標志置；）向并行控制口寫數(shù)，驅動起動繼電器動作；）修改返回地址為事 故處理程序的入口地址，這樣在采樣中斷服務程序的出口處程序將返回到事故處理 程序，而不是返回到主程序的斷點處。 入口 N Y N 采樣/保持、A/D 轉換及結果存儲 P

38、B6=0 PB7=1 ？ 起動元件計算 起動元件動作？ PB6=0，PB7=1，驅動起動繼電器 修改返回地址為事故處理程序 入口地址 Y 圖 4.2 采樣中斷服務程序框圖 返回 4.2.3 事故處理程序 此程序模塊在起動元件動作后才投入，包括保護特性的計算、故障性質的判斷 等功能，其框圖如圖 5-3 所示。進入該模塊后，首先檢查故障后的采樣數(shù)據(jù)是否夠 一個數(shù)據(jù)窗長。所謂數(shù)據(jù)窗長是指能估算出電氣量中所含某一頻率分量的幅值和相 位所需要的采樣數(shù)據(jù)的長度。若數(shù)據(jù)窗長已經達到了，則開始進行保護動作方程的 計算和判定。如果判定故障發(fā)生在區(qū)外，則進入整組復歸模塊，使所有的動作標志 和繼電器重新恢復到初式正

39、常運行的狀態(tài)；如果判定故障發(fā)生在區(qū)內，則發(fā)出跳閘 命令等，即往并行控制口寫數(shù)，置 PB0、PB2、PB4 為 0，置 PB1、PB3、PB5 為 1，從 而控制跳閘、報警、發(fā)出故障信號。在故障切除后，經整組復歸后進入主程序，準 備下次故障時再動作。若發(fā)出跳閘令 5s 后，故障仍未切除，就收回跳閘命令，以防 止被保護元件又發(fā)生故障時保護拒動作。 4.34.3 MATLABMATLAB 建模仿真分析建模仿真分析 根據(jù)線路三段式保護的原理以及各段保護之間的配合模擬各段保護的動作情況。 （1）模擬電流段保護動作執(zhí)行仿真后，仿真結果如下圖 4.3 所示： 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產生

40、一個較大的短路電流，之后經過 一個很小的延時 0.001s，斷路器 1 跳閘。電流段成功按時動作。 圖 4.3 電流段仿真波形圖 （2）模擬電流段保護動作，在電流段的范圍內設置故障，由于本設計是模 擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路 1 的值來模擬線路不同段的故障。 將線路 1 的值設置為 10，線路 0、2 分別為 0.3、3.5。仿真參數(shù)同（1） ，執(zhí)行仿 真后，仿真結果如下圖 4.4 所示: 圖 4.4 電流段仿真波形圖 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過 預先設置的延時 0.5s，斷路器 1 在 0.55s 跳閘。電流段成功按時動作。

41、 （3）模擬電流段保護動作，在電流段的范圍內設置故障，由于本設計是模 擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路 1 的值來模擬線路不同段的故障。 將線路 1 的值設置為 15.5，線路 0、2 分別為 0.3、3.5。仿真參數(shù)同 1） ，執(zhí)行仿 真后，仿真結果如下圖 4.5 所示: 圖 4.5 電流段仿真波形圖 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產生一個較大的短路電流，之后經過 預先設置的延時 1.0s，斷路器 1 在 1.05s 跳閘。電流段成功按時動作。 第 5 章 實驗驗證及分析 在系統(tǒng)運行方式為最小時，做三段式常規(guī)電流保護實驗，找出 I 段電流保 護的最小保護范圍，具體實

42、驗步驟如下： (l)按前述完全星型實驗接線，將變壓器原方 CT 的二次側短接。調整 I 段三個電流繼電器的整定值為 5.16A，II 段三個電流繼電器的整定值為 2.78A 或者I 段整定值為 1.62A。 (2)系統(tǒng)運行方式選擇置于“最小” 。 (3)把“區(qū)內” 、 “線路”和“區(qū)外”轉換開關選擇在“線路”檔。 (4)合三相電源開關，三相電源指示燈亮（如果不亮，則停止下面的實驗） 。 (5)合上直流電源開關，直流電源指示燈亮（如果不亮，則停止下面的實 驗） 。 (6)合上變壓器兩側的模擬斷路器 1KM，2KM。 (7)緩慢調節(jié)調壓器輸出，使并入線路中的電壓表顯示讀數(shù)從 OV 上升到 IOOV

43、 為止，此時負載燈全亮。 (8)將常規(guī)出口連接片 LP2 投入，微機出口連接片退出（斷開 LPI） 。 (9)合上短路選擇開關 SA、SB、SC 按鈕中任意二相，如 AB 相。 (10)模擬線路段不同處做短路實驗，先將短路電阻置于位置，合 上故障模擬斷路器，檢查 I 段保護是否動作，如果沒有動作，則斷開故障模擬 斷路器，再將短路點調至 90%處，合上故障模擬斷路器，檢查 I 段是否動作， 沒有動作再繼續(xù)本步驟前述方法改變短路電阻大小的位置直至 I 段保護動作， 再慢慢調大一點短路電阻值，直至 I 段保護不動作， (11)分別將系統(tǒng)運行方式置于“最大”和“正?！狈绞?，重復步驟（4） 至(10)的過程，將能夠使 I 段保護動作的最大短路電阻值記錄。 (12)實驗完成以后，將調壓器輸出調為 OV，斷開所有電源。 (13)分別將短路選擇開芙設為 AC 或 BC 相，重復步驟(2)至(12)。 (14)根據(jù)實