864234481發(fā)電機微機保護系統(tǒng)設(shè)計分析與設(shè)計

1、 發(fā)電機微機保護系統(tǒng)設(shè)計分析與設(shè)計 摘要：本篇是針對發(fā)電機微機保護進(jìn)行分析和設(shè)計的。全文包括硬件和軟件兩個部分，共分為六個章節(jié)。研究了微機保護硬件系統(tǒng)中的輸入信號的預(yù)處理系統(tǒng)和開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)。針對微機保護硬件系統(tǒng)中的單片機系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計，其中設(shè)計的重點主要是芯片的選擇和擴展。軟件部分詳細(xì)闡述了發(fā)電機微機保護的原理和算法，從而確定出最適合的保護算法。另外還給出了與發(fā)電機保護的原理及算法相配合的數(shù)字濾波措施。這些設(shè)計完全滿足工程實踐需求。關(guān)鍵詞：發(fā)電機，保護，硬件，軟件，算法。abstract: this passage is analyzed and designed in accor

2、dance with the generator microcomputer protection. the full text includes two parts-hardware and software, and is divided into six chapters altogether. the general situation of development and the characteristic of microcomputer protection were firstly introduced. then it is introduced the pretreatm

3、ent system for input signals and the input/output system for the switch signals; the third chapter is about the analysis and the design of the computer system to the hardware system for the protection based on microcomputer ,and among them the chief part is the selection and expansion of chips. thes

4、e are the hardware parts about the generator microcomputer protection. and the most fit protection algorithm is defined by way of analyzing and introducing the principle and the algorithm to the microcomputer protection for generators; the digital filtering measures, which cooperates with the princi

5、ple and the algorithm of generator microcomputer protection introduce with the electric generator protection ,is chiefly introduced; the master routine of generator microcomputer protection, the procedure for interrupt service and the block diagram for trouble processing are simply introduced in the

6、 6th chapter. these three chapters are divided as the software parts of electric generator microcomputer protection.keywords: generator, protection, hardware, software, algorithm.一、概述微機保護的硬件大體上可分為：電源、模擬量輸入、數(shù)字量輸入輸出和計算機。電源的作用是將交流220伏或110伏直流電壓變換成能滿足微機系統(tǒng)各部分要求的弱電電壓。電源部分可直接采用現(xiàn)成的電源插件：im9041335。從電壓電流互感器二次測出

7、來的模擬信號經(jīng)過電壓形成回路轉(zhuǎn)變?yōu)槲C保護所需要的信號。為防止采樣失真，在采樣前先經(jīng)過二階rc低通濾波器濾去高頻信號。本篇論文采用80c196單片機和模數(shù)轉(zhuǎn)換器來完成16路模擬數(shù)據(jù)采樣和模數(shù)變換。本篇論文用并行口輸出的數(shù)字量來實現(xiàn)對以下六個繼電器：kcoa、kcob、kcoc、kst、kcor、axjn的控制。這六個繼電器分別為a相b相c相出口繼電器和啟動繼電器、永跳繼電器和報警繼電器。當(dāng)出口繼電器發(fā)生故障時可以啟動永跳繼電器進(jìn)行跳閘。這六個繼電器的觸點和縱差、橫差保護硬壓板作為內(nèi)部開關(guān)量引入并行接口。直流勵磁回路和交流三相四個斷路器的觸點作為外部開關(guān)量經(jīng)光電隔離后引入并行接口。計算機部分采用

8、6264和2864a來擴展80c196kc單片機。采用8255來擴展并行口。軟件部分選用全周波傅氏算法來提取所需要的諧波信號，在此基礎(chǔ)上又選用了對稱分量傅氏算法來求出序分量。但是全周波傅氏算法對衰減的非周期分量不起濾波作用，為了抑制這種非周期分量本次設(shè)計又采用了差分濾波。同時為降低保護定值和提高靈敏度，還采用了零點濾波器。二、發(fā)電機微機保護系統(tǒng)設(shè)計2.1電源模塊的設(shè)計保護裝置電源可選用逆變開關(guān)電源，它提供了三組穩(wěn)壓電源：5v供cpu等芯片電源。15v供運算放大器等需15v的芯片使用。24v用作啟動、跳閘及信號、告警繼電器電源。這三組穩(wěn)壓逆變電源均不接地，采用浮空方式，同外殼也不相連，而且輸入2

9、20v采用雙lc濾波措施，以增加其抗干擾性能。各輸出電源設(shè)有5v、+15v、15v、24v的發(fā)光二極管作正常運行指示信號，面板上還設(shè)有各路電源測試的連接插孔及電源控制開關(guān)。2.2 模擬量輸入從電流互感器、電壓互感器二次測所取得電流和電壓量與微機保護所需的不相符合，需要輸入電壓形成回路進(jìn)行變換。交流電壓信號可采用電壓變換器，交流電流可采用電流變換器。電力系統(tǒng)在故障的暫態(tài)期間，電壓和電流含有較高的頻率成分，如果要對所有的高次諧波成分均不失真的采樣，那么其采樣頻率就要取得很高，這就對硬件速度提出很高的要求，使成本增高，這是不現(xiàn)實的。實際上，目前大多數(shù)微機保護原理都是反映工頻分量的，或者是反映某種高次

10、諧波，故可以在采樣之前將最高頻率分量限制在一定頻帶之內(nèi)，即限制輸入信號最高頻率，以降低，一方面降低了對硬件的速度要求，另一方面對所需的最高頻率信號的采樣不至于發(fā)生失真。要限制輸入信號的最高頻率。只需在采樣前用一個模擬低通濾波器（alf），將以上的頻率分量濾去即可。設(shè)計中可采用二級rc濾波器，當(dāng)rc時間常數(shù)選擇較大時，在整流濾波中可濾除全部交流成分，而只剩下直流成分。因此，只要恰當(dāng)調(diào)整rc時間常數(shù)，二級rc濾波器就可成為低通濾波器。此時截止頻率可設(shè)計為，以限制輸入信號的最高頻率，而較低的頻率信號就能順利地通過。從低通濾波器出來的信號再被輸入采樣保持電路。 采樣保持電路的作用是在一個極短的時間內(nèi)測

11、量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并將其記憶下來供模數(shù)變換用。但模數(shù)轉(zhuǎn)換器價格昂貴，功耗也大，經(jīng)濟性差。對于反映兩個量以上的繼電保護（如方向、阻抗等），要求對各個模擬量同時采樣，以準(zhǔn)確地獲得各個量之間的相位關(guān)系。為此，把所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯(lián)后由一個定時器同時供給采樣脈沖，從而保證了同時采樣和依次模數(shù)變換的要求。由于保護裝置所需同時采樣的電流和電壓模擬量不會很多，只要模數(shù)變換器的轉(zhuǎn)換速度足夠高，在一個采樣周期的保持周期的保持時間內(nèi)上述各種模擬量依次模數(shù)變換的要求是能夠滿足的。本次硬件部分采用mcs-96系列的80c196kc單片機和adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器。80c196kc單片機是inte

12、l公司推出的高性能、低功耗的chmos 16位單片機中的增強型。它和adc0809芯片一樣，都有8路轉(zhuǎn)換開關(guān)和逐次采樣模數(shù)變換器構(gòu)成。這樣可引入16路的模擬信號，已完全能滿足微機保護的數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換的任務(wù)。2.3 開關(guān)量輸入與輸出電路本次保護裝置采用6個繼電器，而發(fā)電機縱差和橫差保護都設(shè)有硬壓板，其觸點也應(yīng)作為內(nèi)部開關(guān)量引入。故需接入的內(nèi)部開關(guān)量有8個。在初始化時設(shè)定可編程并行口的工作方式，則微機保護可通過軟件查詢或中斷方式，獲取外部接點狀態(tài)。 外部開關(guān)量是從微機繼電保護的外部，通過接線端子排引入裝置的接點的。本次所做的發(fā)電機保護直流勵磁電路有一個斷路器，交流有三相需三個斷路器，這些斷路器

13、的輔助觸點都應(yīng)該作為外部開關(guān)量接入電路。這將給微機引入干擾，因此應(yīng)將開關(guān)量回路與微機并行接口回路相隔離，這就需要光電隔離。在微機繼電保護中，由微機發(fā)出的開關(guān)量形式的數(shù)字信號主要用于保護跳閘及其它控制。開關(guān)量輸出回路一般采用并行輸出端口來控制有接點的繼電器進(jìn)行跳閘。為了提高干擾能力，都要進(jìn)行光電隔離。本篇論文采用了六個繼電器：kcoa、kcob、kcoc、kst、kcor、axjn。這六個繼電器分別為a相b相c相出口繼電器和啟動繼電器、永跳繼電器和報警繼電器。當(dāng)出口繼電器發(fā)生故障時可以啟動永跳繼電器進(jìn)行跳閘。為完成微機保護的任務(wù)，還需將發(fā)電機各保護的整定值輸入微機。可用鍵盤輸入，然后將其固化在e

14、eprom中。本次設(shè)計采用2864a，因此在改寫過程中，可用查詢方式來判斷改寫是否完成，以免造成數(shù)據(jù)改寫出錯。整定值在2864a中。為了確保繼電保護定值寫入2864a中應(yīng)存入的內(nèi)存單元，在微機繼電保護裝置面板上設(shè)置了定值區(qū)碼輪撥開關(guān)，從0到9分別對應(yīng)10個不同的定值區(qū)，定值區(qū)的編碼由撥輪開關(guān)輸出四根引線形成bcd送至8255并行擴展口。保護cpu通過8255并行口查詢撥輪開關(guān)的四位bcd碼，從而確定定值區(qū)號。在整定值輸入前，由接至8255的c口的數(shù)據(jù)線pc4pc7先指示出輸入的繼電保護整定值在2864a中應(yīng)該存儲的存儲區(qū)，然后再通過鍵盤輸入整定值。2.4 人機接口與通訊電路在本次設(shè)計中的cpu

15、需兼任接口與保護兩項任務(wù)。為了減輕保護cpu的負(fù)擔(dān)，由可編程鍵盤、顯示器專用接口芯片8279來完成鍵盤、顯示器與保護cpu的接口任務(wù)。intel 8279能同時完成鍵盤和顯示器兩種控制功能?？蓪︽I盤進(jìn)行自動掃描，并識別出閉合鍵的鍵值；能自動向led顯示器輸出顯示字符的段選碼和位選碼，實現(xiàn)動態(tài)掃描，可代替cpu來完成鍵盤和顯示器的控制，減輕了cpu的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定，不會出現(xiàn)按鍵誤動。采用28鍵盤，數(shù)字鍵為09，命令鍵為a、b、c、d、e、f。8279的引腳經(jīng)3-8譯碼輸出，再經(jīng)bic8708驅(qū)動器輸出作為led的位選碼，同時其輸出作為鍵盤行掃描輸出線。計算機要與外部交換信息就要具有通訊功能。

16、本次微機保護設(shè)計保護cpu與接口cpu為同一個cpu，因此就不用接口cpu與保護cpu之間進(jìn)行通訊，而只設(shè)計出了人機接口與系統(tǒng)機pc機和cpu接口的通訊。選用rs-232c作為數(shù)據(jù)通訊標(biāo)準(zhǔn)。本次設(shè)計采用集成芯片max232來完成ttl電平與rs-232c電平之間的相互轉(zhuǎn)換。max232是一種新型的芯片，可以實現(xiàn)ttl電平與rs-232c電平的相互轉(zhuǎn)換，且其內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，僅需+5v電源便可工作，使用十分方便。若需要進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊可借用現(xiàn)成的公用電話網(wǎng)，可通過調(diào)制解調(diào)器modem。在發(fā)送端把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，在接收端再把數(shù)字信號恢復(fù)出來。2.5微機保護主系統(tǒng)設(shè)計因為單片機80c

17、196kc的內(nèi)部eprom/rom為16k字節(jié) ，內(nèi)部ram為488個字節(jié)，在這篇設(shè)計中只擴展數(shù)據(jù)存儲器ram、電可擦除可編程只讀存儲器eeprom和并行接口。6264ram和2864aeeprom容量均為8k8位可同時進(jìn)行擴展，采用片選法加入反向器74ls04，用a14控制片選信號。為完成一些較復(fù)雜的輸入輸出，本次設(shè)計采用可編程并行接口芯片8255a來擴展并行口。2.6微機保護的算法針對發(fā)電機可能發(fā)生的故障類型及不正常運行狀態(tài)進(jìn)行分析，應(yīng)設(shè)置以下保護：縱聯(lián)差動保護、橫聯(lián)差動保護、基波零序電壓和三次諧波電壓共同構(gòu)成100%定子接地保護、發(fā)電機過負(fù)荷及過流保護、發(fā)電機勵磁回路一點接地和二點接地保

18、護和發(fā)電機的失磁保護。保護的原理決定了采用的算法。在這篇論文中，我們采用了基波零序電壓和三次諧波電壓共同構(gòu)成100%定子接地故障的保護，這就需要將三次諧波電壓提取出來。而采用傅氏算法，便可以很容易導(dǎo)出的三次諧波分量的實部和虛部及三次諧波正余弦項幅值。而且傅氏算法本身具有濾波作用，能完全濾掉各種整數(shù)次諧波和純直流分量，對非整數(shù)次高頻分量和按指數(shù)衰減的非周期分量包含的低頻分量也有一定的抑制能力。在采用橫聯(lián)差動保護作為發(fā)電機內(nèi)部匝間短路的主保護時需檢測發(fā)電機定子多分支繞組的零序不平衡電流中的基波成分。負(fù)序過流保護按發(fā)電機長期允許的負(fù)序電流下能可靠返回的條件進(jìn)行整定，而負(fù)序過負(fù)荷由發(fā)電機轉(zhuǎn)子表面所允許

19、的負(fù)序過流能力確定。定子接地故障是利用基波零序電壓和三次諧波電壓共同構(gòu)成的。為了采用這些序分量做判據(jù)來檢測電力系統(tǒng)故障，就需要求出零序和負(fù)序分量。因此本篇論文在全周波傅氏算法基礎(chǔ)上選用了對稱分量傅氏算法。2.7數(shù)字濾波器在微機繼電保護的算法中所用數(shù)據(jù)均是將輸入模擬量進(jìn)行數(shù)字化處理后的采樣值。對于滿足采樣定理的諸多低頻信號，經(jīng)采樣轉(zhuǎn)換后其成分很復(fù)雜。它們對繼電保護的有用特征量構(gòu)成極大的干擾，必須設(shè)計相應(yīng)的數(shù)字濾波器從中濾出不需要的各種分量，而提取有用頻率成分的采樣信號。為了使保護保護能夠快速對被保護對象的故障做出反應(yīng)，采用用非遞歸型數(shù)字濾波器。本篇論文我們選用全周波傅氏算法，雖然傅氏算法本身具有

20、濾波作用，但它對衰減的非周期分量不起濾波作用，還應(yīng)考慮采取措施對中的衰減非周期分量進(jìn)行抑制。本次采用差分濾波器來抑制非周期分量，而且差分濾波器還可以消除直流分量。發(fā)電機正常運行時，接于兩中性點之間的橫聯(lián)差動保護，不平衡電流主要是基波。在外部短路時，不平衡電流主要是三次諧波成分，為降低保護定值和提高靈敏度，保護中還應(yīng)增加三次諧波阻波功能。本次采用零點濾波器來濾除三次諧波來防止保護誤動。三、結(jié)束語本篇論文是從選課題的要求出發(fā)，從發(fā)電機微機保護的硬件和軟件兩個方面著手進(jìn)行分析和設(shè)計。（1）首先是硬件部分。微機保護的硬件大體上可分為：電源、模擬量輸入、數(shù)字量輸入輸出和計算機。從電流互感器和電壓互感器二次回路出來的信號首先經(jīng)過電壓形成回路變換為符合要求的電壓信號，再通過模擬的通濾波器和采樣保持電路進(jìn)行濾波和采樣，之后經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換才可以變成計算機所需的數(shù)字信號。為了對發(fā)電機最基本的故障進(jìn)行保護，需采集16路模擬量。而8