工學KV線路微機保護裝置軟件設計

1、2011屆畢業(yè)生畢業(yè)論文題 目: 10KV線路微機保護裝置軟件設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 教師職稱： 講師 2011 年 05 月 29 日摘 要在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，繼電保護裝置是保證電力系統(tǒng)安全運行和提高電能質量的重要工具，而且，電力系統(tǒng)的規(guī)模在不斷擴大，用戶對電能質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。本設計的主題是10kV線路微機保護裝置的軟件。本文首先簡要介紹了電力系統(tǒng)微機繼電保護的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、技術特點及其發(fā)展方向。接著介紹了線路保護的原理，然后詳細論述了線路保護裝置中采用的保護、測量算法進行了詳細論述。本設

2、計針對10kV線路微機保護裝置的軟件，對微機保護裝置進行了軟件結構設計，對各個模塊的功能做了具體介紹。設計了主程序、A/D采樣、鍵盤、液晶顯示、通信程序的流程圖，針對一些模塊運用C語言進行了編程。關鍵詞:繼電保護； 微機保護； 線路保護Title Software Design For 10KV Line Microcomputer Protective Device AbstractProtection relay is the most important tool to make the power system work safely and improves the quality

3、of power energy. With the expansion of the power system and the consumer raising higher requirement for quality of power energy, the protection relay must be improved greatly and fulfill the high requirement.10kv microcomputer circuit designed to protect the software, the microcomputer protection de

4、vice of software structure design, the function of each module of introduced concretely. Design the main program, A/D sampling, keyboard, LCD display, communication program flowcharts, in view of some modules using C language programming.Key Words： Protection relay; Computer-based protection; Line p

5、rotection目 次1 緒論11.1 論文選題的背景及意義11.2 繼電保護的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3 本設計的主要內(nèi)容22 線路繼電保護原理和算法42.1 繼電保護裝置的基本功能概述42.2 線路故障分類及其原因52.3 繼電保護的原理與算法63 線路保護裝置的算法分析與軟件設計133.1 FIR數(shù)字濾波器的設計133.2 保護裝置的采樣算法153.3 主程序設計173.4 故障處理與AD交流采樣程序設計183.5 液晶顯示程序設計193.6 鍵盤設計224 CDT規(guī)約及其設計254.1 電力系統(tǒng)通訊規(guī)約254.2 CDT規(guī)約及其設計25結論30參考文獻32附錄A 濾波器算法程序

6、代碼33附錄B 微機保護傅氏算法程序33附錄C 鍵盤掃描程序35附錄D 液晶顯示程序36附錄E RS232串口通信程序（接收和發(fā)送）421 緒論1.1 論文選題的背景及意義現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個巨大的統(tǒng)一的整體，系統(tǒng)中的裝置以及用電設備都是由線路連接且都是開放設備。繼電保護的基本任務是：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域內(nèi)，自動將故障設備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。近年來隨著微型計算機和微處理機的飛速發(fā)展，繼電保護裝置的計算速度不斷加快，可靠性也大為提高。微機繼電保護的對象一般包括電動機、變壓器和線路

7、。線路是電力系統(tǒng)重要的組成部分，但是由于線路容易受到周圍環(huán)境以及自然災害的影響下，其發(fā)生故障的可能性很大。2008年冬季的凍災當中，由于輸電線路受損導致受災省份供電一度中斷，很多企業(yè)蒙受了經(jīng)濟損失尤其是對電力依賴較大的企業(yè)如電解鋁廠，減產(chǎn)明顯。這次災害體現(xiàn)了線路保護重要性。1.2 繼電保護的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢我國繼電保護技術進入微機保護時代以來，微機保護在電力系統(tǒng)的各個方面及各種電壓等級上均有較大的發(fā)展，如線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護、勵磁調節(jié)系統(tǒng)。1988年我國開始研究基于DSP的保護、控制、測量一體化微機裝置。采用32位微機芯片除了考慮精度之外，關鍵是32位微機芯片具有很高的集成

8、度、工作頻率和計算速度，同時芯片內(nèi)部的尋址空間較大，外部的端口資源豐富，具有存儲器管理功能、保護功能等，能夠滿足繼電保護算法對芯片數(shù)據(jù)處理速度和精度的要求。我國線路保護主保護在1994年推出LFP-901、WXH-15高頻方向原理技術，線路保護主保護采用高頻方向、高頻距離原理。由于光纖通道抗干擾能力強，解決了高頻相差、高頻距離很難解決的系統(tǒng)振蕩、選相等問題，2000年以后，光纖電流差動保護成為我國線路主保護。隨著光互感器（光TA、光TV）的研究和推廣使用，保護裝置應能夠適用于光互感器，國內(nèi)目前開展了適用于光互感器的繼電保護裝置的研究。自20世紀90年代中后期開始，國外著名繼電保護制造商如GE、

9、ABB等公司的產(chǎn)品就已經(jīng)向保護測控裝置網(wǎng)絡化的方向發(fā)展，開始將網(wǎng)絡設計思想引入裝置內(nèi)部硬件設計中。ABB公司生產(chǎn)的數(shù)字式保護就是基于通用標準化硬件設計的理念，采用了B448C總線作為保護內(nèi)部各模塊之間通信的方式。并且ABB公司于1998年推出的RE系列數(shù)字式保護裝置就是具有代表性的網(wǎng)絡化新一代繼電保護裝置?，F(xiàn)代繼電保護裝置的發(fā)展趨勢是向微機化、網(wǎng)絡化、智能化和功能一體化。（1） 微機控制化電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了實現(xiàn)繼電保護的基本功能外，還需要保護裝置具有存放故障報告和各種電參量的存儲空間、高速和準確的數(shù)據(jù)處理功能、可靠的通信能力以及與其它繼電保護裝置聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)、信息的能力，能

10、夠運行C/C+等高級語言的程序代碼。（2） 保護裝置網(wǎng)絡化繼電保護的作用是保護電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，能夠及時判斷電網(wǎng)出現(xiàn)的故障，啟動相應的保護動作，這就要求每個保護單元都能共享運故障報告的數(shù)據(jù)，各個保護單元在分析這些數(shù)據(jù)的基礎上動作，避免出現(xiàn)誤動作或是拒動作。這就要求繼電保護裝置實現(xiàn)網(wǎng)絡化。繼電保護裝置能夠通過網(wǎng)絡得到的故障信息越多，根據(jù)軟件算法的分析，就能越準確地判斷所發(fā)生故障的性質、位置和距離并啟動保護動作。（3） 算法智能化人工智能技術如神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等在電力系統(tǒng)各個領域都得到了應用。神經(jīng)網(wǎng)絡是一種非線性映射的方法，很多傳統(tǒng)方法難以求解的復雜的非線性問題，應用神經(jīng)網(wǎng)絡方法就能方便的解決

11、。其它智能化算法例如遺傳算法、動態(tài)規(guī)劃等方法也都各有特點，將這些算法相結合，可使求解的速度和準確度大幅提高。（4） 功能一體化繼電保護技術在實現(xiàn)了微機化、網(wǎng)絡化和算法智能化后，繼電保護裝置實際上就成為一臺高性能、多功能的計算機，可以從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，通過智能化的算法對這些數(shù)據(jù)進行快速準確的分析并作出判斷，生成故障報告，發(fā)出相應的保護動作指令，同時將存儲的被保護器件的運行和故障數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送到控制中心或其它終端。1.3 本設計的主要內(nèi)容本設計主要是針對10kV微機線路保護裝置開發(fā)軟件，分析了該保護裝置的軟件程序和通信方式。本設計的主要內(nèi)容如下：1） 緒論，主要介紹論

12、文的背景和意義，國內(nèi)外繼電保護的研究現(xiàn)狀以及微機線路繼電保護的今后發(fā)展方向。2） 線路故障與微機保護原理分析，主要介紹線路保護的常見故障，對線路繼電保護原理和故障判據(jù)進行了分析。3） 10KV微機線路保護的軟件算法設計，主要分析了線路保護的常用算法并對保護裝置的主要程序，如交流采樣程序，顯示程序，鍵盤程序等以流程圖的形勢表示出來。4） 10KV微機線路保護裝置的通信設計，本設計采用的RS232通信接口，同時分析了CDT通信規(guī)約。2線路繼電保護原理和算法10 KV電網(wǎng)線路是重要的公用基礎設施。如何正確有效地判斷、查找、處理配電線路故障，及時恢復供電非常重要。2.1 繼電保護裝置的基本功能概述當電

13、力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)安全運行時，能夠向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展的一種自動化措施和設備，一般通稱為繼電保護裝置。 繼電保護裝置的主要作用1） 當被保護的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時，應該由該元件的繼電保護裝置迅速準確地給脫離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令，使故障元件及時從電力系統(tǒng)中斷開，以最大限度地減少對電力系統(tǒng)元件本身的損壞，降低對電力系統(tǒng)安全供電的影響，并滿足電力系統(tǒng)的某些特定要求（如保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等）。2） 反應電氣設備的不正常工作情況，并根據(jù)不正常工作情況和設備運行維護

14、條件的不同（例如有無經(jīng)常值班人員）發(fā)出信號，以便值班人員進行處理，或由裝置自動地進行調整，或將那些繼續(xù)運行會引起事故的電氣設備予以切除。反應不正常工作情況的繼電保護裝置允許帶一定的延時動作。由此可見，繼電保護裝置直接關系到電力系統(tǒng)的安全運行。不僅如此，設計、選用完善的繼電保護裝置，對于進一步提高供電質量也有很大作用。例如，繼電保護裝置與自動重合閘、備用電源自投、故障點定位等裝置的配合使用，可以大大縮短故障停電時間等。但是，如果繼電保護裝置本身的質量不高或使用維護不當，不僅起不到積極作用，還會給電力系統(tǒng)的安全運行造成不利的影響。 繼電保護的基本原理和構成方式繼電保護主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路

15、或異常情況時的電氣量（電流、電壓、功率、頻率等）的變化，構成繼電保護動作的原理，也有其他的物理量，如變壓器油箱內(nèi)故障時伴隨產(chǎn)生的大量瓦斯和油流速度的增大或油壓強度的增高。大多數(shù)情況下，不管反應哪種物理量，繼電保護裝置都包括測量部分（和定值調整部分）、邏輯部分、執(zhí)行部分。 電力系統(tǒng)對繼電保護的基本要求繼電保護裝置應滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求：這四“性”之間緊密聯(lián)系，既矛盾又統(tǒng)一。1） 可靠性是指保護裝置該動作時可靠動作，不該動作時應可靠不動作?？煽啃允菍^電保護裝置性能的最根本的要求。2） 選擇性是指首先由故障設備或線路本身的保護切除故障，當故障設備或線路本身的保護或斷路器拒動時，

16、才允許由相鄰設備保護、線路保護或斷路器失靈保護切除故障。為保證對相鄰設備和線路有配合要求的保護和同一保護內(nèi)有配合要求的兩元件（如啟動與跳閘元件或閉鎖與動作元件）的選擇性，其靈敏系數(shù)及動作時間，在一般情況下應相互配合。3） 靈敏性是指在設備或線路的被保護范圍內(nèi)發(fā)生金屬性短路時，保護裝置應具有必要的靈敏系數(shù)，各類保護的最小靈敏系數(shù)在規(guī)程中有具體規(guī)定。選擇性和靈敏性的要求，通過繼電保護的整定實現(xiàn)。4） 速動性是指保護裝置應盡快地切除短路故障，其目的是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍，提高自動重合閘和備用電源或備用設備自動投入的效果等。一般從裝設速動保護（如高頻保護、差動

17、保護）、充分發(fā)揮零序接地瞬時段保護及相間速斷保護的作用、減少繼電器固有動作時間和斷路器跳閘時間等方面入手來提高速動性。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，系統(tǒng)的電氣參量將有顯著變化。例如：電流增大，電壓降低，以及電壓與電流之間的相位角改變等。繼電保護裝置就是通過測量這些參量的變化來反應故障并構成對電力系統(tǒng)的保護。例如，反應電流增大的電流保護；反應電壓降低的電壓保護；反應電流增大及電壓降低的阻抗保護等。2.2 線路故障分類及其原因 線路常見故障分類一般來說，l0kV線路常見故障包括：1） 短路故障：短路故障分為2類：第1類是線路瞬時性短路故障（斷路器重合閘成功）；第2類是線路永久性短路故障

18、（斷路器重合閘不成功）。短路故障中常見故障包括線路金屬性短路故障；跌落式熔斷器、隔離開關弧光短路故障等。2） 接地故障：接地故障分為線路瞬時接地故障和線路永久性接地故障。 線路短路故障原因分析造成線路短路故障原因包括：1） 線路金屬性短路故障：外力破壞造成故障，電纜上設備例如變壓器、開關等被外力刮碰短路。2） 線路缺陷造成故障：弧垂過大引起碰線或短路引起碰線。3） 線路引跳線斷線弧光短路故障：線路老化引起斷線等。4） 跌落式熔斷器、隔離開關弧光短路故障：跌落式熔斷器熔斷引起熔管爆炸或拉弧引起相間弧光短路。 線路接地故障原因分析造成線路接地故障原因包括：1） 線路瞬時性接地故障：外拋物或樹木碰觸

19、導線引起單相接地；線路絕緣子濕度高的天氣出現(xiàn)對地閃絡。2） 線路永久性接地故障：線路隔離開關、跌落式熔斷器因絕緣老化擊穿引起；線路絕緣子老化或存在缺陷擊穿引起。2.3 繼電保護的原理與算法 過電流保護的原理與算法當流過被保護元件中的電流超過預先整定的某個數(shù)值時，保護裝置啟動，并用時限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報警信號，這種繼電保護稱為過電流保護。（1） 定時限過電流保護的原理定時限過電流保護是指過電流保護的動作時限是固定的，與通過其上電流的大小無關。1） 當被保護線路中電流增大且超過整定值時，電流繼電器啟動，同時啟動時間繼電器，待時間繼電器延時到預先整定時間，保護裝置動作切除故障并報

20、警。2） 定時限過電流保護在供電系統(tǒng)中多采用兩相式。（2） 定時限過電流保護的原理接線圖2.1 定時限過流保護原理圖由電流繼電器1KA與2KA，時間繼電器KT和信號繼電器KS組成。其中，1KA、2KA是測量元件，用來判斷通過線路電流是否超過預設值；KT為延時元件，它以適當?shù)难訒r來保證裝置動作有選擇性；KS用來發(fā)出保護動作的信號。正常情況下，斷路器QF閉合保護，保持正常供電，線路中流過正常電流，此時電流繼電器不會啟動。當線路發(fā)生相間短路故障是，線路中流過的電流迅速增加，使電流繼電器KA瞬時動作，啟動時間繼電器KT，經(jīng)過延時，KT延時觸點閉合，使串聯(lián)的信號繼電器（電流型）KS和中間繼電器KM動作，

21、KS觸點閉合接通報警線路，KM觸點閉合，接通跳閘線圈YR回路，使斷路器QF跳閘，切除斷路故障。在斷路故障切除后，繼電保護裝置除KS外的其他所有繼電器都自動返回起始狀態(tài)，而KS需手動復位。圖2.2 定時限電流保護展開圖正常運行時，1KA、2KA、KT、KS的觸點都是斷開的，當被保護區(qū)故障或電流過大時，1KA和2KA動作，通過其觸點啟動時間繼電器KT，經(jīng)過預定的延時后，KT的觸點閉合，將斷路器QF的跳閘線圈YR接通，QF跳閘，同時起動了信號繼電器KS，信號牌掉下，并接通燈光或音響信號。這樣不正常狀態(tài)或故障被切除。（3） 定時限過電流保護動作電流整定 （2.1）返回電流： （2.2） （2.3）可靠

22、系數(shù)，一般取。自動啟動系數(shù)，一般取1.5-3。 （2.4） （2.5）返回系數(shù)，DL型取0.85，用GL型0.801） 為保證在正常情況下過電流保護絕對不動作，顯然保護裝置的起動電流必須整定得大于該線路上出現(xiàn)的最大負荷電流；同時還必須考慮在外部故障切除后電壓恢復，負荷自起動電流作用下保護裝置必須能夠返回，其返回電流應大于負荷自起動電流。2） 一般情況下，負荷自起動電流大于最大負荷電流，因此往往以負荷自起動電流決定過電流保護的啟動電流。2.3.2 零序電流保護的原理與算法（1） 零序電流保護的原理當電力系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱運行時，就要出現(xiàn)零序電流?？梢灾苯訙y到零序電流互感器輸出的零序電流。造成零序電流

23、的故障包括接地故障，單相重合閘過程中的兩相運行等。零序分量具有以下特點：1）故障點的零序電壓最高為，距故障點越遠處的零序電壓越低，如圖2.3所示。圖2.3零序電壓分布圖2） 由于零序電流是由零序電壓產(chǎn)生的，因此零序電流的大小和相位由零序電壓和中性點至故障點的零序阻抗決定即： （2.6）式（2.6）說明零序電流的分布主要決定于線路的零序阻抗和中性點接地變壓器的零序阻抗。零序III段保護的整定為：1） 零序過電流保護的動作電流應躲過本線路三相短路時的最大不平衡電流即： （2.7）是零序III段可靠系數(shù)，取1.21.3，為三相短路時最大不平衡電流。2） 與相鄰線路零序111段保護進行配合，本段的靈敏

24、度系數(shù)要小于下一段的靈敏度系數(shù)，如圖2.4所示。圖2.4 零序三段保護示意圖在圖16中，零序電流的動作電流為： （2.8）為配合系數(shù)取，為保護2零序III動作電流。3） 如果線路允許非全相運行，則動作電流應大丁非全相運行叫出現(xiàn)的零序電流。 （2.9）為可靠系數(shù)，為非全相遠行時的最大零序電流。零序電流經(jīng)過零序互感器可以直接取樣獲得，當3倍零序電流大于零序電流保護定值時，通過算法判斷是否啟動告警或是跳閘。（2）零序電流保護的整定與算法表2.1 零序電流保護的整定零序電流定值零序電流時限零序電流壓板零序電流跳閘0.01 0s100s投入或退出投入（跳閘）或退出（告警）表2.1中零序電流保護時限整定范

25、圍0sl00s，整定步長為0.01s，零序電流定值整定范圍，整定步長為0.01。零序電流保護邏輯框圖如圖2.5所示。圖2.5零序電流保護邏輯圖2.3.3 瞬時電流速斷保護（1）工作原理為了獲得動作的快速性與保護的選擇性，保護區(qū)范圍不能超出全線范圍。 如圖所示，線路L1最大短路電流曲線用1表示，最小短路電流曲線用2表示，短路電流曲線與線路L1末端的交點用虛線表示?？紤]電流互感器的誤差因素，為避免保護1在線路L2首端故障時誤動作，保護1的動作電流應比最大短路電流曲線與線路L1交點對應的數(shù)值還要大一點，其動作值用Iop表示，Iop與最大短路電流曲線的交點為M，與最小短路電流曲線的交點用N表示。故保護

26、1的最大保護范圍為AM，最小保護范圍為AN。 瞬時電流速斷保護，是反映電流升高而動作，是不帶時限動作的一種保護，也稱段保護。 圖2.6 瞬時電流速斷保護原理圖圖2.7 單相原理接線圖（2） 瞬時電流速斷保護的構成 任何一套保護都是由測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分構成，瞬時電流速斷保護反應的物理量是電流，所以其測量部分是電流繼電器；依靠電流繼電器的動作值來滿足保護之間的配合要求，因此它的邏輯部分也是電流繼電器，保護的任務是在被保護對象發(fā)生短路故障時起切出故障作用，因此它的執(zhí)行部分包括信號繼電器和中間繼電器，信號繼電器通過相應的信號回路發(fā)出音響和燈光信號，中間繼電器則去驅動斷路器操作機構完成跳閘動作

27、。（3） 保護動作過程被保護對象上發(fā)生短路故障，流入電流繼電器的電流大于預先設定的數(shù)值（整定值），電流 繼電器動作，其接點立即閉合，從而接通中間繼電器KM線圈的電壓回路，中間繼電器動作，KM的接點經(jīng)過信號繼電器線圈接通跳閘線圈YT的電壓回路，QF實現(xiàn)跳閘，同時信號繼電器KS的接點也動作，接通信號回路，發(fā)出相應的燈光、音響信號。（4） 瞬時速斷保護的優(yōu)缺點瞬時速斷保護動作速度快是其主要特點，有利于切除故障，保護設備安全。但其保護范圍要隨運行方式的變化而變化，特別是在運行方式變化比較劇烈的情況下（引水式中小型水電站），甚至可能在最小運行方式下沒有保護范圍。一般只能作為輔助保護使用。3 線路保護裝置

28、的算法分析與軟件設計3.1 FIR數(shù)字濾波器的設計 數(shù)字濾波器（1） 概述數(shù)字濾波是由乘法器、加法器和單位延時器組成的一種運算過程，其功能是將輸入的離散信號通過一定的運算處理后轉變成另一組頻譜結構不同的離散信號。實現(xiàn)數(shù)字濾波的離散時間系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)可用多種算法實現(xiàn)，各種算法又對應有各自不同的網(wǎng)絡結構。（2） FIR數(shù)字濾波器的結構設h（n），n=0,1,2N-1為濾波器的沖激響應，輸入信號為x（n），則FIR濾波器就是要實現(xiàn)下列差分方： （3.1）式（3.1）中,y（n）為輸出信號，即經(jīng)過濾波之后的信號；N 為濾波器階數(shù)。FIR濾波器的最主要特點是沒有反饋回路，因此是無條件穩(wěn)定系統(tǒng),其單位脈

29、沖響應 h（n）是一個有限長序列。由式（3.1）可見,FIR濾波算法實際上是一種乘法累加運算，不斷地輸入樣本 x（n），經(jīng)延時做乘法累加,再輸出濾波結果 y（n）。對式進行Z變換,整理后可得FIR濾波器的傳遞函數(shù)為： （3.2）FIR濾波器的一般結構如圖3.1所示。圖3.1 FIR濾波器結構圖FIR濾波器的C語言算法實現(xiàn)由上述分析可知，F(xiàn)IR濾波器的算法實際上是一個乘累加運算。在這個乘累加運算中，主要涉及到3個要素：輸入信號x（n）、沖擊響應即濾波器系數(shù)h（n）和輸出信號y（n）。其中，x（n）和h（n）為已知,y（n）為待求。（1） 輸入信號x（n）的獲取假設輸入信號是頻率為1000Hz和2

30、500Hz的正弦波合成的波形，希望得到輸入信號的256個抽樣點，為了與整個系統(tǒng)保持一致，抽樣頻率fs規(guī)定為8000Hz。利用C語言得到256個點的輸入信號的源代碼如下： #include<stdio.h>#include<math.h>main（void）int i,;double f256;for（i=0;i<=255;i+）;fi=sin（2*3.14159*i*1000/8000）+0.2*sin（6*3.14159*i*2500/8000）;printf（"%1d,",（long）（fi）;圖3.2 輸入信號波形圖（2） 濾波器系數(shù)h（

31、n）的獲取設計一個FIR低通濾波器，其截止頻率fc= 1500Hz，抽樣頻率fs=8000Hz，階數(shù)N=17，選擇 Hamming窗。利用MATLAB軟件設計濾波器方法有很多，可以采用FDATool濾波器設計分析工具箱和 SPTool信號處理工具，還可以直接編程實現(xiàn)。在此采用編程實現(xiàn),代碼如下： h=fir1（16,1500/8000*2）；得到17個濾波器系數(shù)。理論上，上述輸入信號（頻率為1000Hz和2500Hz的正弦波合成的波形）經(jīng)過此低通濾波器濾波后的輸出信號應該為頻率為1000Hz的正弦波。圖3.3 輸出信號波形3.2 保護裝置的采樣算法 采用傅氏變換算法導數(shù)式算法是針對理想正弦信號

32、進行計算，由于故障時的電流、電壓波形畸變很大，此時不能把他們假設為單一頻率的正弦函數(shù)，而應該假設它們是包含各種分量的周期函數(shù)，這時就要采用傅氏變換算法。傅氏變換算法來自于傅里葉級數(shù)，以電流為例，即一個周期性函數(shù)I（t）可用傅里葉級數(shù)展開為各次諧波的正弦項和余弦項之和，即： （3.3）式（3.3）中，n為自然數(shù)，n=0,1,2表示諧波分量次數(shù)。于是電流中的基波分量可表示為： （3.4）還可以表示為一般表達式： （3.5）式（3.5）中，為基波有效值；為t=0時基波分量初相角。將用和角公式展開，再與式（3.4）比較，可以得到： （3.6） （3.7）從式（3.6）和式（3.7）可以看出，只要求出基

33、波的正弦幅值和余弦幅值，就很容易救得基波的有效值和初相角。根據(jù)傅氏級數(shù)的逆變換原理可求的和： （3.8） （3.9）在用微機計算和時，通常都是采用有限離散方法算得，即將用各采樣點數(shù)值代入，通過梯形法就和來代替積分法。考慮到時式（3.8）和式（3.9）可表示為 （3.10） （3.11）式中，N為一周采樣點數(shù)；為弟k次采樣值；、分別為k=0和N時的采樣值。當N=12時采樣間隔一般用角度表示為。由于上述和是對一周波N個采樣點求和所以其數(shù)據(jù)窗為一周波，故稱其為全波傅氏算法。根據(jù)式（3.6）和式（3.7）基波的有效值和相角： （3.12） （3.13）傅氏變換算法可以計算周期性時間函數(shù)，還可算出初相位

34、角，其積分運算結果同樣具有數(shù)字濾波功能，運算工作量也不大。3.3 主程序設計微機線路保護裝置的主程序如圖3.4所示。圖3.4 主程序流程圖線路保護裝置的程序使用C語言編寫，按照不同的功能如顯示，AD，外部中斷等，對程序進行了模塊化設計，方便了調試和修改。軟件設計分為整定測試部分和故障判斷處理2個部分。整定部分是對各種保護定值和時限按照規(guī)定的步長和范圍進行整定。交流信號通過低通濾波器，進入AD8364采樣，運用傅氏變換算法對電流的幅值和初相位進行計算得到有效值。使用CPU的外部中斷測量頻率和相位角差。故障判斷處理程序是根據(jù)測試部分得到的電流、頻率等參數(shù)，與存儲的整定數(shù)值進行比較，按照各種故障的判

35、據(jù)，進行分析，如果符合某種故障的條件則馬上啟動對應的保護動作如報警或跳閘等，并生成故障報告。3.4 故障處理與AD交流采樣程序設計故障判斷與處理程序是本保護裝置軟件程序的核心部分，故障判斷程序對進過算法處理的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過保護算法判斷，當符合故障判據(jù)，則故障處理程序將啟動相應的保護動作，本裝置使用ADS8364作為采樣芯片。采樣中斷不能夠被其余中斷打斷，否則會引起采樣間隔出錯，所以必須設置為最高優(yōu)先級中斷。本裝置采用每周波40點采樣，采樣中斷由計時器定時觸發(fā)，對測量電流和電壓進行采樣，測量電流和電壓的采樣是由ADS8364完成的，ADS8364具有16bit精度。圖3.5采樣中斷流程圖如圖3.

36、5所示，采樣中斷可以分為5個部分：采樣、對采樣值調整、對采樣隊列的調整保護計算和啟動計算。故障判斷流程圖為： . 圖3.6 故障判斷流程圖3.5 液晶顯示程序設計 MGLS12864的結構和特性MGLS12864點陣圖形液晶顯示模塊的顯示屏是一塊128×64點陣的液晶顯示屏，它以一片HD61203U作為64路行驅動器，兩片HD61202U組成128點列的列驅動器組。他能顯示ASC字符、漢字和各種曲線，可與單片機連接構成功能強、結構簡單的人機界面，因此廣泛用于各種智能儀表和控制系統(tǒng)。HD61202U是帶顯示存儲器的圖形液晶顯示列驅動控制器，其特點是內(nèi)置64×64位顯示存儲器，

37、可以直接與計算機總線連接。但它本身不能生成顯示時序，所以需要與相應的帶振蕩器和顯示時序發(fā)生器的行驅動器HD61203U配套才能形成一個完整的液晶驅動和控制系統(tǒng)。MGLS12864模塊有18個引腳，17、18引腳為背光燈提供電源；1、2引腳為兩個片選信號，組合功能定義是：、為00時禁止使用，01時選左區(qū)，10時選右區(qū)，11時未選；3為GND；4為Vcc；5為液晶顯示驅動電源V0；6為數(shù)據(jù)、指令選擇D/；7為讀/寫選擇R/；8為使能信號E；916為數(shù)據(jù)總線AD7AD0。表3.1 MGLS12864引腳序號符號狀態(tài)功能1輸入片選A，低電平有效2輸入片選B，低電平有效3GND-電源地4VCC-邏輯電源

38、正5V0-液晶顯示驅動電源6D/輸入數(shù)據(jù)、指令選擇信號7R/輸入讀/寫選擇信號8E輸入讀寫使能信號916AD7AD0三態(tài)數(shù)據(jù)總線 軟件設計內(nèi)置HD61202U液晶顯示模塊的軟件特性，這是指HD61202U的指令功能。HD61202U一共有七條指令，分別解釋各條指令的功能，并對使用不同的指令時D/、R/信號的狀態(tài)給予說明。（1）讀寫狀態(tài)（D/=0，R/=1）BUSY0ON/OFFRESET0000BUSY:BUSY=1，內(nèi)部正工作，不能訪問；BUSY =0時，等待訪問。ON/OFF：ON/OFF=1時，關顯示狀態(tài)；ON/OFF=0時，開顯示狀態(tài)。RESET:RESET=1時，復位狀態(tài)；RESET

39、=0時，正常工作狀態(tài)。在每次對HD61202U操作之前，都要讀出狀態(tài)字判斷BUSY是否為“0”。若不為“0”，則需要等待，直到BUSY=0為止。（2）顯示開關設置（D/=0，R/=0）0011111DD=1為開顯示，D=0為關顯示設置。（3）顯示起始行設置（D/=0，R/=0）11L5L4L3L2L1L0L5L0為顯示起始行的地址，取值在03FH（164行）范圍內(nèi)，它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對應的顯示存儲器的行地址。（4）頁地址設置（D/=0，R/=0）10111P2P1P0HD61202U將顯示存儲器分成8頁，由指令代碼中的P2P0確定當前所要選擇的頁地址，取值范圍為07H，代表弟18頁。（

40、5）列地址設置（D/=0，R/=0）01C5C4C3C2C1C0該指令設置列地址計數(shù)器的內(nèi)容，列地址由C5C0確定，其取值在03FH（164）內(nèi)。每次讀/寫數(shù)據(jù)后，列地址計數(shù)器將自動加一。（6）寫顯示數(shù)據(jù)（D/=0，R/=0）D7D6D5D4D3D2D1D0該指令將8位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲器的單元內(nèi)。操作完成后列地址計數(shù)器自動加一。（7）讀顯示數(shù)據(jù)（D/=1，R/=1）D7D6D5D4D3D2D1D0該指令將HD61202U接口輸出寄存器內(nèi)容讀出，然后列地址計數(shù)器自動加一。 基本子程序MGLS12864的顯示屏分左、右兩區(qū)，分別有兩片HD61202U控制。圖3.7為HD61202的操作

41、流程。圖3.7 HD61202的操作流程液晶顯示程序流程圖如圖。圖3.8 液晶顯示程序流程圖 液晶顯示初始化，對屏幕進行清屏，然后進行寫操作，CPU寫入8位控制字，8位數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到80C196，液晶顯示數(shù)據(jù)，然后返回。3.6 鍵盤設計本裝置的鍵盤采用32的行列式鍵盤，行線為P4.0、P4.1、P4.2，列線為P4.3、P4.4，分別對應于6個按鍵。鍵盤如圖3.9所示。圖3.9 鍵盤鍵盤程序流程圖為：圖3.10 鍵盤掃描程序流程圖 首先對鍵盤進行掃描，查看是否有鍵閉合，若無建立無效標志，同時返回。有鍵閉合則延時去鍵抖動，再次掃描鍵盤，找到閉合鍵并計算鍵值。釋放閉合鍵成功，建立有效標志然后進行

42、返回。4 CDT規(guī)約及其設計4.1 電力系統(tǒng)通訊規(guī)約通信規(guī)約（協(xié)議）是指通信雙方必須共同遵守的題中約定，也稱為通信控制規(guī)程或傳輸控制規(guī)程。通信規(guī)約的信息傳送格式包括收發(fā)方式、傳送速率、幀結構、幀同步字、位同步方式、干擾措施等。信息傳送的具體步驟分為將信息分類、分循環(huán)周期傳送，系統(tǒng)對時數(shù)據(jù)收集方式和設備狀態(tài)監(jiān)視方式。電力系統(tǒng)通訊規(guī)約按照傳輸方式分為循環(huán)式通訊規(guī)約（CDT）和問答式通訊規(guī)約（Polling）。按傳輸基本單位分為面向字符的通信規(guī)約和面向比特的通信規(guī)約。4.2 CDT規(guī)約及其設計CDT循環(huán)遠動規(guī)約適用于點對點的通道結構，采用可變幀長、多種幀類別的循環(huán)傳送方法，優(yōu)先傳送變位遙信，隨機量和

43、插入量采用不同形式傳送信息。每幀分為若干類型，分別以“幀類別”編碼來加以區(qū)別，每幀長度按實際需要而定。CDT規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中循環(huán)式遠動規(guī)約的功能、幀結構、信息字結構和傳輸規(guī)則等。CDT適用于點對點的遠動通道結構、循環(huán)字節(jié)同步方式傳送遠動設備與系統(tǒng)和調度所間以循環(huán)式遠動規(guī)約轉發(fā)實時信息的系統(tǒng)。本規(guī)約采用可變幀長度、多種幀類別循環(huán)傳送、變位遙信優(yōu)先傳送，重要遙測量更新循環(huán)時間較短，區(qū)分循環(huán)量、隨機量和插入量采用不同形式傳送信息，以滿足電網(wǎng)調度安全監(jiān)控系統(tǒng)對遠動信息的實時性和可靠性的要求。 幀結構幀結構如表5所示。每幀都以同步字開頭，并有控制字，除少數(shù)幀外均應有信息字。信息字的數(shù)量根據(jù)

44、實際需要設定，幀長度可變。 表4.1幀結構同步字控制字信息字1信息字N同步字控制字（1）同步字結構同步字按通道傳送順序分為3組EB90H，即1110、l0Il、1001、0000， 。為保證通道中傳送順序，寫入串行口的同步字排列格式如表6（a）所示。（2）控制字結構控制字共有B1-B66個字節(jié)，如表6（b）（3）信息字結構每個信息字由Bn-BN+56個字節(jié)構成：功能碼一個字節(jié)、信息、數(shù)據(jù)碼4個字節(jié)和校驗碼一個字節(jié)，其通用格式如表4.2所示。表4.2 幀中的字結構（a）同步字排列格 （b）控制字 （c）信息字 b7 b0 b7 b0 b7 b0控制字節(jié)幀類別信息字數(shù)源站地址目的站地址校驗碼功能碼

45、b7b0b7b0b7b0b7b0b7b0D7H（11010111B）09H（00001001B）D7H（11010111B）09H（00001001B）D7H（1l0l011lB）09H（00001001B） 幀的分類幀的分類如表4.3上行和下行的信息不一樣，上行是從站向主站發(fā)數(shù)據(jù)，下行是主站向從站發(fā)數(shù)據(jù)。表4.3 幀的類別幀類別代號定 義上行E=0下行E=06lH重要遙測（A幀）遙控選擇C2H次要遙測（B幀）遙控執(zhí)行B3H一般遙測（C幀）遙控撤銷F4H遙信狀態(tài)（D1幀）升降選擇85H電能脈沖數(shù)值（D口幀）升降執(zhí)行26H事件順序記錄（E幀）升降撤銷57H設定命令7AH設置時鐘0BH召喚子站時鐘

46、 幀的發(fā)送方式及校驗規(guī)則（1）簡單的基本循環(huán)發(fā)送方式如圖4.1所示圖4.1 兩種基本循環(huán)發(fā)送方式（2）發(fā)送規(guī)則數(shù)據(jù)以幀結構循環(huán)發(fā)送，重要遙測在A幀發(fā)送，次要遙測在B幀發(fā)送，一般遙測在C幀發(fā)送，遙信信息在D1幀發(fā)送，變位遙信隨機插入發(fā)送。以控制字和功能碼共同鑒別數(shù)據(jù)。（3）CRC校驗控制字和信息字都是（n，k）二（48,8）碼組，生成多項式為，陪集為FFHG（X）以模2除前5個字節(jié)，生成余式R（x）。以R（x）的反碼為校驗碼。4.3 CDT通信程序設計4.3.1 主機通信子程序 主機通信子程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2 主機通信子程序 串口初始化發(fā)送地址幀到從機，從機響應與從機地址比較，地址

47、不符合從機復位串口初始化，地址相符向從機發(fā)送命令幀，命令不正確則從機復位串口初始化，命令正確，對命令進行分類，決定從機是發(fā)送還是接受數(shù)據(jù)塊，然后返回。 從機通訊子程序 從機通訊子程序如圖4.3所示。圖4.3從機子程序流程圖現(xiàn)場保護發(fā)送地址不符合則SM2=0，恢復現(xiàn)場，進行返回。地址符合則發(fā)回地址，接受下一幀，分析是否命令幀，不是恢復現(xiàn)場，進行返回。是，對命令進行分類，非法命令，恢復現(xiàn)場并返回。命令為01時，詢問從機發(fā)送準備是否就緒，TRDY=1（目標設備準備好信號）發(fā)送主機，發(fā)送數(shù)據(jù)幀，SM2置1，恢復現(xiàn)場并返回。命令為00時詢問從機接受準備是否就緒。否，則RRDY=0（接收數(shù)據(jù)標記未激活），

48、SM2置0，恢復現(xiàn)場并返回。RRDY=1（接收數(shù)據(jù)標記激活），主機接受數(shù)據(jù)幀，接受完畢SM2置0，恢復現(xiàn)場并返回。結論本設計在充分了解國內(nèi)外繼電保護的研究現(xiàn)狀以及目前微機繼電保護技術發(fā)展趨勢的基礎上，設計了10kV線路微機保護裝置各個模塊的程序流程圖。設計總結如下：在軟件設計方面，使用C語言編程，按照程序功能進行模塊化設計，方便調試和修改，對交流采樣數(shù)據(jù)進行傅氏變換算法計算有效值，設計了主程序、故障處理程序、A/D交流采樣程序、液晶顯示程序和鍵盤掃描程序的流程圖。通信部分采用RS232物理通信接口，CDT通信規(guī)約，然后設計出了主機、從機通信程序流程圖。設計改進：考慮到交流信號中包括各次諧波以及

49、直流衰減信號，為得到更準確的采樣數(shù)據(jù)，可以使用更完善的算法，如改進傅立葉算法和最小二乘法進行數(shù)據(jù)處理。在算法中，為提高保護裝置的應用范圍，尤其是對地下電纜的故障檢測，可以考慮在算法中加入故障測距算法。致謝大學生涯即將結束，在河南工業(yè)大學度過了本科學習的四年，這些日子讓我在專業(yè)方面收獲匪淺，在身心成長方面更是至關重要。衷心感謝我的導師張華老師四年年來對我的和精心培養(yǎng)，他給我提供了良好的實驗條件，在論文的選題和研究過程中，張老師深厚的理論知識和新穎獨特的思路使我受益匪淺，本文是在張老師悉心指導下完成的。張老師的言傳身教是我四年生活的寶貴財富，使我終生受益!感謝其它同學們在學習、生活上給予我無私的幫

50、助。我要特別感謝我的父親彭宏賓、母親蘇喜梅，是他們讓我毫無后顧之憂全身心的投入工作學習中。最后，衷心感謝在各方面給予我無私幫助的同學和朋友，并將最誠摯的感謝獻給評審該論文的各位老師。參考文獻1 李瑞生，朱景云線路保護的發(fā)展及展望j電氣應用，2005， 20（4）：15-162 尹星光，韓榮珍微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀及其趨勢j廣東電力，2003，16（3）：11-143 索南加樂，康小寧，宋國兵等基于參數(shù)識別的繼電保護原理初探j電力系統(tǒng)及其自動化學報，2007，19（1）：14-204 沈國榮，鄭玉平，趙希才繼電保護技術的研究與應用j電力設備，2003，4（5）：5-85 劉向軍，李明，文亞

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