輸電線路微機繼電保護系統(tǒng)設(shè)計匯總

1、繼電保護課程設(shè)計輸電線路微機繼電保護系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院：物理與電子電氣工程 專業(yè)：電氣工程及其自動化 姓名：學(xué)號：摘要輸電線路繼電保護是整個電力系統(tǒng)的重要組成部分，它的任務(wù)是快速準(zhǔn)確地切除線路 故障，保證電網(wǎng)安全運行。本文采用微機控制方法，對高壓輸電線路故障進行診斷和切除, 取代傳統(tǒng)電磁型繼電保護裝置。線路保護裝置采用STC12C5A60S宓片作為控制核心，硬件電路主要包括芯片外圍電 路，模擬信號處理和采樣電路，開關(guān)量輸入輸出電路，電源電路等。本文首先對整個控制 系統(tǒng)進行軟件仿真，然后再將設(shè)計應(yīng)用到實際當(dāng)中，闡述三段式電流保護的控制流程和軟 件實現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞 單片機；繼電保護；整流；電流互感器II

2、 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1緒論1. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 設(shè)計背景1. HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 微機繼電保護的發(fā)展趨勢及特點 1. HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 本文主要工作 2. HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2系統(tǒng)硬件設(shè)計 3. HYPERLINK l bookmark16 o

3、Current Document 系統(tǒng)框架3. HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 系統(tǒng)仿真3.仿真設(shè)計3. HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 部分電路分析4.仿真結(jié)果7. HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 系統(tǒng)硬件7. HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 主要芯片和器件的選擇.7. HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計10 HYPER

4、LINK l bookmark28 o Current Document 三段式電流保護理論 1.2 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 電流速斷保護（第I段） 12 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 限時電流速斷保護（第II段）12 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 定時限過電流保護（第III段）1.3 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 三段式電流保護小結(jié) 13 HYPERLINK l bookm

5、ark38 o Current Document 3系統(tǒng)軟件設(shè)計 .13 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計方案1.3 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 總結(jié)1.4.參考文獻1.51緒論設(shè)計背景當(dāng)今社會，電能已經(jīng)成為人類最重要的能源之一，它幾乎已經(jīng)滲透到人類一切的活動 當(dāng)中。由于電能的生產(chǎn)是在相對集中的區(qū)域完成，所以電能的輸送成為電力系統(tǒng)中重要組 成部分。隨著電網(wǎng)電壓等級的不斷升高和用電負(fù)荷的不斷增加，輸電安全也逐漸成為重要 研究課題。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)繼電保護經(jīng)歷了機電型、整流型、

6、晶體管型和集成電路型幾個階段。20世紀(jì)70年代以后，電力系統(tǒng)繼電保護進入微機時代。微機繼電保護降低了設(shè)備成本，提 高了設(shè)備可靠性，同時具有控制靈活、準(zhǔn)確，性能優(yōu)良等特點，成為當(dāng)今主流的繼?？刂?核心。本文采用51單片機為核心，通過低壓數(shù)字微機信號采集、數(shù)據(jù)分析、動作輸出， 實現(xiàn)對高壓輸電線路的診斷、分析、故障切除，保護電力系統(tǒng)安全運行。微機繼電保護的發(fā)展趨勢及特點繼電保護技術(shù)發(fā)展趨勢向計算機化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通 信一體化發(fā)展。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展及計算機在電力系統(tǒng)繼電保護領(lǐng)域中的普遍應(yīng) 用，新的控制原理和方法被不斷應(yīng)用于計算機繼電保護中，以期取得更好的效果，從而使

7、微機繼電保護的研究向更高的層次發(fā)展，出現(xiàn)了一些引人注目的新趨勢。微機繼電保護主要有以下特點：.改善和提高繼電保護的動作特征和性能，動作正確率高。主要表現(xiàn)在能得到常規(guī) 保護不易獲得的特性；具很強的記憶力能更好地實現(xiàn)故障分量保護；可引進自動控制、新 的數(shù)學(xué)理論和技術(shù)如自適應(yīng)、狀態(tài)預(yù)測、模糊控制及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其運行正確率很高 也已在運行實踐中得到證明。.可以方便地擴充其他輔助功能。如故障錄波、波形分析等，可以方便地附加低頻 減載、自動重合閘、故障錄波、故障測距等功能。.工藝結(jié)構(gòu)條件優(yōu)越。體現(xiàn)在硬件比較通用，制造容易統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；裝置體積小，減 少了盤位數(shù)量；功耗低。.可靠性容易提高。體現(xiàn)在數(shù)字元件的

8、特性不易受溫度變化、電源波動、使用年限 的影響，不易受元件更換的影響；且自檢和巡檢能力強，可用軟件方法檢測主要元件、部 件的工況以及功能軟件本身。.使用靈活方便，人機界面越來越友好。其維護調(diào)試也更方便，從而縮短維修時間； 同時依據(jù)運行經(jīng)驗，在現(xiàn)場可通過軟件方法改變特性、結(jié)構(gòu)。.可以進行遠方監(jiān)控。微機保護裝置具有串行通信功能，與變電所微機監(jiān)控系統(tǒng)的 通信聯(lián)絡(luò)使微機保護具有遠方監(jiān)控特性等等。本文主要工作本文在借鑒國內(nèi)外微機繼電保護發(fā)展的成功經(jīng)驗結(jié)合現(xiàn)有資源對輸電線路繼電保護系統(tǒng)進行了軟件仿真以及硬件實物的設(shè)計。其主要內(nèi)容包括以下幾個方面：.簡單概述了微機繼電保護技術(shù)2。主要介紹了國內(nèi)國外微機繼電保

9、護的發(fā)展史、繼 電保護的幾大特點、主要的理論技術(shù)和成果以及今后總的發(fā)展要求和趨勢。.三段式電流繼電保護的原理，及整定方法。.利用protues軟件進行系統(tǒng)的電路設(shè)計并仿真。.與仿真軟件配合進行單片機軟件編程。.系統(tǒng)硬件設(shè)計原理與過程。包括單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計、A/D模塊、AC/DC整流穩(wěn)壓電路設(shè)計、三段式電流速斷保護電路連接。.系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。2系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)框架隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，對其保護、控制、變量、通信等功能的 要求越來越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出現(xiàn)，微機保護裝置將逐步實現(xiàn)高集 成度、全功能化。本系統(tǒng)著重考慮了保護的特殊性和實驗的靈活性要求，采用了STC

10、新型的高性能FLASKS MCU從而使本裝置既滿足了繼電保護的“四性”要求，又能靈活的適 應(yīng)各種保護原理的需要。本系統(tǒng)硬件核心采用中國STC公司STC12C5A60S宓片作為微制器，并配以適當(dāng)?shù)耐?圍電路來完成各項功能。本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括：中央處理單元、數(shù)據(jù)采集單元（模擬量和數(shù)字量）、人機接口（鍵盤與顯示）單元、開關(guān)量輸出單元，各部分如圖所示。圖2-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)仿真仿真設(shè)計本系統(tǒng)采用Proteus軟件仿真。Proteus是世界上著名的EDAX具（仿真軟件），從原 理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PC瞅計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。其處理器模型支持8

11、051、HC11 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33 AVR ARM 8086和MSP43/，2010年又增加了 Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加 其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持 IAR、Keil和MATLA萼多種編譯器。由于Protues不對stc12系列單片機提供支持，我暫且用 AT89系列代替。用外部AD轉(zhuǎn)換芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。并且用變壓器來代替電流互感器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求作如下仿真：mmaIXDttFLW&JtTALIII 劃 叵住H Mi闿AWiDD flCUMDlP2DM 城皿 不他小 歌川口 m.31; P2JWVJ Pf4AILPJMxD

12、 pavrxp P3jnrn PlifiTl 尺.5 pgsnriFl 7市 FIT西口F LRI4 PO5AD, 阻附D6PQ1AD3AT89c52地需蝕需,需m界浮R4i unl圖2-2系統(tǒng)仿真圖部分電路分析1、本系統(tǒng)采用橋式整流電路，整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管 組成。經(jīng)過整流電路之后的電壓已經(jīng)不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的 混合電壓。此時需要在電路中加入濾波電容，讓電流波形更加趨于平滑。電路如下：圖2-3整流電路圖如下圖所示，在整流電路電壓輸入輸出端加入示波器來對比顯示整流效

13、果圖2-4整流前后對比圖2、光電隔離。光電隔離的目的是 使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生 電的聯(lián)系。隔離的實質(zhì)是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。由于本 系統(tǒng)現(xiàn)場信號是從高壓輸電線路中取得，而控制裝置是低壓的數(shù)字芯片，兩者必須隔離才 能工作，否則低壓芯片很容易被燒毀。見圖2-5,光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電 信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進 一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由 于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有

14、良好的電絕緣 能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強 的共模抑制能力3、仿真中選用ADC0832K片作為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯 片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電 壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0-5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32 nS,據(jù)有雙數(shù)據(jù) 輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入， 使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。ADCD832 去CHaniwi MUX Oual-lr-L

15、ine(N)圖 2-6 ADC0832 圖4、本系統(tǒng)用5V直流繼電器作為開關(guān)量輸出單元，再接一個LED發(fā)光二極管來直觀的顯示繼電器是否動作。由于一般單片機的I/O 口并不具備直接帶負(fù)載能力，我們可以用三 極管來驅(qū)動直流繼電器。止匕外，因繼電器的內(nèi)部是一個線圈繞組，相當(dāng)于一個大容量的電 感。而電感具有緩存電流的作用，如果電流過大則可能擊穿三極管。因此，在繼電器回路 中加入一個二極管來釋放電感中的大電流。圖2-7開關(guān)量輸出模塊圖2.2.3仿真結(jié)果圖2-8系統(tǒng)仿真圖經(jīng)過調(diào)試，當(dāng)變壓器一次側(cè)電壓升高，二次側(cè)及整流電路輸出電壓也隨之升高，經(jīng)模 數(shù)轉(zhuǎn)換后如果AD值大于預(yù)先設(shè)定的值，則可認(rèn)為線路發(fā)生短路故障

16、。此時，繼電器動作， 指示燈亮。系統(tǒng)硬件主要芯片和器件的選擇.主控芯片本設(shè)計的主控芯片是STC12C5A60S2此芯片是STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單 片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代 8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051, 但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX81%用復(fù)位電路、1280字節(jié)RAM 2路PWM 8路高速 10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。還具有 EEPRQM看門狗、外部掉電檢測電路、4個16位定時器、3個時鐘輸出口、7路外部中斷I/O 口、兩路通用全雙工異步出行 口 （UART痔等功能。該單片機自帶多路高速AD轉(zhuǎn)換功能，省去另行設(shè)計 AD模塊的

17、步驟。該單片機的 ADC 是逐次比較型ADC主次比較型ADC由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯， 從最高位（MSB）開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置 D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)過多次 比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應(yīng)值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點。需作為AD使用的口先將P1ASF#殊功能寄存器中的相應(yīng)位置為1, 將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能。CLEOUH ADCaP1 0 匚 ADC1,-T J 匚RxDim/ADCZ P 2 匚 TxD CPPQ ADC1!3 31-SSOFUADCPl 1 匚 MOSI ADC5 P1 5C7 MISO.ADC

18、&-Pl EU StXKrADC7Tl .1= _ P4 wru 而儂WPMJU TxDT 3 J CZ INT0P3 2 TCT1.T3 31CLKOUTO 恒 TW3 4 匚 CLK8n.面EE5 匚RDP3 7 匚 XTAL2U XTAL1CZGad12 3454789 Q 12345678IILIIILILI2期。北 7 5 5 4 1- 1 1 ft Q.- S 7 6- -UI- 1 3 1 - 1? 2 2 2 2 2 2 2ZOPOlZZIP02JPOSnpo。二）POTI EX LVD4 fi/RST2ZOALL ?1 :二INAPI 4np2 7 Al5二IP2 HAi47

19、7IP2 5 AI3Z3P24AUP2 2AI0 二|理j的 nP2 0 A8圖 2-9 STC12C5A60 引腳圖.光耦合器本設(shè)計的光耦合器采用TLP521-2。TLP521是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣 泛作用在電腦終端機，可控硅系統(tǒng)設(shè)備，測量儀器，影印機，自動售票，家用電器，如風(fēng) 扇，加熱器等。電路之間的信號傳輸，使之前端與負(fù)載完全隔離，目的在于增加安全性， 減小電路干擾，減化電路設(shè)計等。下面給出了TLP521光電藕合器的相關(guān)重要參數(shù)，以及如何應(yīng)用到實際電路當(dāng)中去。心OUT表2-1 TLP521參數(shù)表重要參數(shù)符號最小典型取大單位電源電壓VCC-524V正向電流IF-1625mA集

20、電極電流IC-110mA工作溫度Tepr-25-85C圖2-10光耦合器典型電路圖.開關(guān)量輸出元件在線路發(fā)生故障時，微機繼電保護主要是通過各種開關(guān)量輸出來完成對線路中各個繼 電器和斷路器的控制，從而使發(fā)生事故的線路被隔離，其它線路能夠最大程度上得到保護。 在開關(guān)量輸出通道中，為防止現(xiàn)場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反用到測控系統(tǒng)， 一般采用通道隔離技術(shù)。本裝置以繼電器控制中間繼電器，實現(xiàn)隔離的效果。選用額定驅(qū) 動電壓5v、驅(qū)動電流30mA以下的小型繼電器作為開關(guān)量輸出控制元件，具有可直接用TTL電平驅(qū)動，不用附加電路、體積較小，節(jié)省印刷電路板空間等優(yōu)點。.人機接口人機接口單元即實驗裝置的輸入

21、與輸出設(shè)備部分。在微機繼電保護系統(tǒng)的控制過程 中，微機的輸入與顯示部分是十分重要，缺一不可的。輸入設(shè)備可以將指令通過信號傳遞 給主機，繼而控制繼保系統(tǒng)動作與否，以達到本設(shè)計的最終目的；顯示設(shè)備可以將系統(tǒng)的 動作情況及時的反饋出來，以達到實時監(jiān)督繼保系統(tǒng)動作正常與否的過程。鍵盤電路是最重要的輸入單元，是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中是一個很關(guān)鍵的部件，它能向計 算機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)計算機的主要手段。鍵盤接口主要分矩陣式和獨立式兩種。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場合，由行 線和列線組成，按鍵位于行列的交點上，占用較多的地址空間或I/O 口線。獨立式按鍵就是個按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸

22、入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不影響其他 輸入線上的工作狀態(tài)。獨立式按鍵適用于按鍵較少或速度要求較高的場合。獨立式按鍵相比矩陣式結(jié)構(gòu)，具 有配置靈活的明顯特點。在保證能完成各種功能的情況下，為了使操作簡單，選用了盡量少的按鍵數(shù)（本裝置中僅選用了 8個），并且采用了獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，實行功能復(fù)用，此方法雖然在判斷哪一 個按鍵按下的程序上顯得復(fù)雜了一些，但它可以節(jié)省很多的數(shù)據(jù)地址空間或I/O口線，配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單。本裝置的按鍵部分直接采用MCU勺I/O口作為輸入。按鍵的掃描方式有兩種：查詢 方式和中斷方式。由于中斷方式不但占用 CPU勺外部中斷資源，而且還可能干擾其它重要 中斷程序的正常運行

23、，因此在本裝置中采用查詢方式，即在程序中對相應(yīng)I/O口的狀態(tài)進行查詢，確認(rèn)是否有鍵按下，然后調(diào)用相應(yīng)的按鍵處理程序。.顯示器在各類儀表中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管顯示器 （LED）、液晶顯示器（LCD）、熒光 管顯示器、簡易的CRTS口等。本裝置從電路設(shè)計簡單、減小功耗、能顯示多種字符的想 法出發(fā)，選用點陣式液晶顯示模塊 LCM它是將LCD空制器、RAIM ROM口 LCD顯示器集成 在一起，使用時只要向LCM模塊送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)便可實現(xiàn)所需要的顯示。本裝置采用了 12864A-1圖形點陣液晶顯示模塊，它主要由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器及128X 64全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以

24、顯示12X4個(16X16點陣)漢字。主要技術(shù)參數(shù)和性能：(1)電源(Vd : +5V。(2)工作電流：約1. 3mA比背光，無負(fù)壓)。(3)顯示內(nèi)容：128(列)X64(行)點。(4)全屏幕點陣。(5)七種指令。(6)與CPUS口采用8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和6條控制線。(7)占空比：11: 64。(8)工作溫度：20c70C,存儲溫度：30 C-80 Co單片機最小系統(tǒng)設(shè)計單片機最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。FD*rOmClILGLm/AIXXP IJiV&cADCm.lrQ.MAUiLcrwADcyrue.2MmMiKI/ADCi/PIJ期NN即 HrwAnr

25、w11 苒STLKMDCMPL了ftSTflM 7P07MIHHJdVFyOEX_LATMFM.州RST2TxCWllALEJP4JFfWACU 1 d . B .max式（1.1）引入可靠系數(shù)Kk =1.21.3,則式（1.1）即可寫為：1 dz=K k?Id.B.max式（1.2）當(dāng)被保護線路的一次側(cè)電流達到起動電流這個數(shù)值時，安裝在A母線處的保護1就能起動，最后動作于跳斷路器1。電流速斷保護的主要優(yōu)點是：簡單可靠，動作迅速，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。但由于一、 . 一 . 引入的可靠系數(shù)K k = 1.21.31 ,所以不難看出，電流速斷保護的缺點是：不能保護本線 路的全長，且保護范圍直接受

26、系統(tǒng)運行方式變化的影響。運行實踐證明，電流速斷保護的 保護范圍大概是本線路的85%- 90%限時電流速斷保護（第II段）由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長，因此我們考慮增加一段新的保 護，用來切除速斷范圍以外的故障，保護本線路的全長，同時也能作為電流速斷保護的后 備保護。由于要求它必須保護本線路的全長，因此它的保護范圍必然要延伸到下一條線路 中去，這樣當(dāng)下一條線路出口處發(fā)生短路時，它就要起動，在這種情況下，為了保證動作 的選擇性，就必須使保護的動作帶有一定的時限，但又為了使這一時限盡量縮短，我們就12 考慮使它的保護范圍不超過下一條線路速斷保護的保護范圍，而動作時限則比下一條線路

27、速斷保護高出一個時間階段，即t 1 = t 2 + Dt式(1.4)由于它能以較小的時限快速切除全線路范圍以內(nèi)的故障，所以我們稱它為限時電流速斷保 護。當(dāng)線路裝設(shè)了電流速斷保護和限時電流速斷保護以后，它們的聯(lián)合工作就可以保證全 線路范圍以內(nèi)的故障能夠在 0.5s的時間內(nèi)予以切除，在一般情況下都能夠滿足速動性的 要求。因此具有這種性能的保護可以作為線路的“主保護”。定時限過電流保護(第III段)過電流保護通常是指其起動電流按躲過最大負(fù)荷電流來整定的一種保護。它在正常運 行時不起動，而在電網(wǎng)發(fā)生故障時，則能反應(yīng)于電流增大而動作，它不僅能保護線路的全 長，也能保護相鄰線路的全長，以起到后備保護的作用。三段式電流保護小結(jié)由于電流速斷保護不能保護線路的全長，而限時電流速斷保護又不能完全作為相鄰線 路的后備保護，因此，為了保證迅速而又選擇性地切出故障，常常將電流速斷保護、限時 電流速斷保護和定時限過電流保護組合