中壓配電網(wǎng)微機線路保護原理分析程序設計畢業(yè)論文

1、 畢 業(yè) 設 計 論 文題 目：中壓配電網(wǎng)微機線路保護原理分析程序設計 學 院： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 姓 名： 學 號： 指導老師： 劉娜 完成時間： 2013.5.29 摘要本次畢業(yè)設計以10KV饋線為例，介紹了中壓配電網(wǎng)線路的微機保護，并進行了相關的原理分析和程序設計。同時根據(jù)繼電保護的配置原理，對所選擇的保護進行整定和靈敏性校驗，確定方案中的保護。設計分為五個章節(jié)。第一章為設計的基礎，主要介紹了微機保護的形成、發(fā)展、裝置特點及與傳統(tǒng)繼電保護裝置的對比；第二章為微機保護的硬件結構分析，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開關量等，并對微型機主系統(tǒng)進行了簡要的介紹；第三章為微機保

2、護的算法分析；第四章是保護方案的選擇（電流保護，自動重合閘），包括整定計算及靈敏性校驗；第五章是流程圖及程序設計，程序的優(yōu)化等。關鍵詞：中壓配電網(wǎng)、電流保護、微機保護、算法、程序設計 AbstractThe graduation design with 10 kv feeder as an example, introduces the microcomputer of medium voltage distribution network line protection, and has carried on the related theory analysis and program d

3、esign. According to the principle of the relay protection configuration at the same time, the choice of protection setting and sensitivity check, determine the scheme of protection.Design is divided into five chapters. First chapter for the design of foundation, mainly introduces the formation and d

4、evelopment of microcomputer protection, and device characteristics and with the contrast of traditional relay protection device; Chapter 2 as the hardware structure of the microcomputer protection analysis, including the amount of data acquisition system, switch, etc., and the miniature machine Lord

5、 system was briefly introduced; The third chapter for the microcomputer protection algorithm analysis; The fourth chapter is to protect the scheme (current protection, automatic reclosing), including setting calculation and sensitivity calibration; Chapter v is the flow chart and program design, pro

6、gram optimization, etc.Keywords: medium voltage distribution network, current protection，microcomputer protection, algorithm,program designing目錄 摘要IAbstractII目錄III1.緒論1微機保護的概述1微機保護與傳統(tǒng)繼電保護的對比分析2微機繼電保護裝置特點3研究本課題的意義42.微機保護的硬件結構分析5硬件結構概述5數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模擬量輸入系統(tǒng)）6電壓形成回路6采樣保持電路和濾波器8模擬量多路轉(zhuǎn)換開關（MPX）9模數(shù)轉(zhuǎn)換器102.2.5 VFC數(shù)

7、據(jù)采集系統(tǒng)11微型機主系統(tǒng)13開關量（或數(shù)字量）輸入/輸出系統(tǒng)14光電耦合器14開關量輸入回路15開關量輸出回路153.微機保護的算法分析17算法的概念及分類17算法的評價指標17采樣算法介紹18兩點乘積算法18突變量電流算法18傅里葉級數(shù)算法203.3.4 RL模型算法21算法的選擇224.中壓配電網(wǎng)線路電流保護的整定及自動重合閘23整定方案23相間短路的電流保護23電流速斷保護23限時電流速斷保護26定時限過電流保護28自動重合閘31自動重合閘的概念31對自動重合重閘的基本要求31三相一次重合閘31單相接地的零序保護325.電流保護的程序設計33程序流程的概念及基本結構33中斷的概念及作用

8、34中斷的概念34中斷的作用34電流保護流程圖35系統(tǒng)程序流程36中斷服務程序的流程37系統(tǒng)程序和中斷服務程序的關系38提高電流保護的靈敏度39提高電流保護的靈敏度的方法39提高電流保護的靈敏度的程序41中斷服務程序42啟動元件44電流突變量和相電流穩(wěn)態(tài)量44突變量及穩(wěn)態(tài)量啟動子程序45總結48參考文獻49致謝50附錄51計算機技術的飛速發(fā)展，給科學技術、生產(chǎn)和生活方式帶來了巨大的變化，在繼電保護領域也不例外，微機保護正是隨著計算機技術的發(fā)展逐步發(fā)展起來的。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。早在1965年，英國劍橋大學的P.G.Mc

9、lamr及其同事就提出用計算機構成電力系統(tǒng)繼電保護的設想，并發(fā)表Sampling Technique applied to derivation Letter的文章。1967年澳大利亞新南威爾士大學的L.F.Morrison預測了輸電線路計算機控制的前景2。1969年美國西屋公司與GE公司合作研制成功一套輸電線路的計算機保護裝置。這是世界上第一套比較完整的用于現(xiàn)場的計算機保護裝置，它具備了計算機保護的基本組成部分。但由于當時微型機尚未出現(xiàn)，因此該保護裝置是由一臺小型計算機實現(xiàn)的。在整個70年代，各國的專家學者圍繞算法理論作了大量的工作，為計算機繼電保護的發(fā)展奠定了比較完整和牢固的基礎。經(jīng)過80

10、年代的繼續(xù)努力，現(xiàn)在計算機保護的算法己比較完善和成熟。到70年代末期，出現(xiàn)了一批功能足夠強的微型機，價格也大幅度降低，具備了用一臺微型機來完成一個電氣設備保護功能的條件。同時還可以設置多重化的硬件，用幾臺微型機互為備用構成一個電氣設備的保護裝置，從而大大提高了可靠性。由于微機保護具有優(yōu)良的動作特性，它的發(fā)展非常迅速，應用也十分廣泛。在高壓輸電線路保護上使用微機保護裝置，已經(jīng)成為目前的一種標準保護配置方案。其他元件微機保護的發(fā)展也非常迅速，應用領域也在不斷擴大。微機保護不但能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)保護無法實現(xiàn)的更為復雜和優(yōu)良的保護性能，而且運行維護更為簡單，更重要的是其動作可靠性大大優(yōu)于傳統(tǒng)保護。由于計算機

11、技術的不斷發(fā)展，微機保護的性能價格比也在不斷提高。目前，微機保護除了在高壓、超高壓電網(wǎng)中廣泛使用外，也廣泛應用于中低壓輸配電網(wǎng)絡中。在我國，計算機繼電保護技術的研究和開發(fā)起步比較晚，比先進國家大約延后10年，但進展卻很快。國內(nèi)自1979年開始微機繼電保護的研究工作，首先在各高校和一些科研單位開展了微機保護的研究工作，1984年4月，華北電力大學研究的以MC6809CPU構成的MDP-1型微機線路保護裝置在河北某電廠投入運行，這是我國研究成功的第一套微機線路保護裝置。我國微機保護的發(fā)展從硬件上看大體可分為三個階段： 以單CPU的8位微處理器構成的微機保護裝置。 以多個8位單片機組成的多微機系統(tǒng)。

12、 以16位單片機組成的多微機系統(tǒng)。由于我國繼電保護工作者的努力，到目前為止，計算機繼電保護特別是輸電線路的微機保護己達到了大量采用的程度。輸電線路的微機保護從用于500kV系統(tǒng)的保護裝置到用于10kV線路的微機保護裝置均有相應得產(chǎn)品，近年來，發(fā)電機、變壓器以及大型發(fā)電機變壓器組和母線的微機保護也相繼研究成功，己投入使用。據(jù)2001年全國電力系統(tǒng)繼電保護動作情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2001年我國220kV以上電網(wǎng)的繼電保護動的正確動作率達到99.13%，元件保護的正確動作率達到了9.03%。這些成果無疑與微機保護的成功應用分不開。電力系統(tǒng)繼電保護的基本任務是：自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中

13、切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證其他無故障部分迅速恢復正常運行；反應電氣設備的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護條件，而動作于發(fā)出信號或跳閘。為此，首先要取得與被保護電氣設備有關的信息，根據(jù)這些信息，按不同的原理，進行綜合和邏輯判斷，最后做出抉擇，并付諸執(zhí)行。所以，繼電保護的基本結構大致上可以分為三部分：信息獲取與初步加工；信息的綜合、分析與邏輯加工、決斷；決斷結果的執(zhí)行。信息要通過電壓、電流傳送，有時還通過一些開關量傳遞。早期，在機電型繼電器中，電流電壓直接加到繼電器的測量機構，變換成機械力，然后在機械力的層次上進行比較判別，中間并不需設置其他的變換、隔離等環(huán)節(jié)。隨著電子技術的引入，為了適

14、應電子器件的弱信號的要求，在電流互感器、電壓互感器與電子電路之間要求設置一些傳變環(huán)節(jié)。通常使用所謂的電流變換器、電壓變換器以及電抗變換器等等。在晶體管型繼電保護、整流型繼電保護以及集成電路型繼電保護中都采用類似的變換環(huán)節(jié)，其間并沒有本質(zhì)的差別，這些環(huán)節(jié)，可以稱為“信息預處理”環(huán)節(jié)。由于計算機是數(shù)字電路，其工作電平比集成電路的工作電平還低，因此，計算機繼電保護同樣也需要設置信息預處理環(huán)節(jié)，需要隔離屏蔽、變換電平等等處理。在這個問題上計算機保護與原來的模擬式保護是一致的。換言之，在這個問題上，模擬式保護的一些經(jīng)驗也是適用于計算機保護的。繼電保護的主要任務是操作、控制與被保護電氣設備有關的斷路器，使

15、發(fā)生故障的電氣設備迅速與電力系統(tǒng)分隔離開來，最大限度地減輕故障對電力系統(tǒng)的影響，減輕故障設備的損壞程度。這種操作是通過控制跳閘線圈實現(xiàn)的，也就是給線圈通入電流實現(xiàn)的。電流可以由接點控制，也可以由無接點的半導體器件控制。出于可靠性的考慮，目前基本上仍是采用有接點的小型中間繼電器，組成必要的出口邏輯。這個方面計算機繼電保護與傳統(tǒng)繼電保護也是基本一致的。微機繼電保護與傳統(tǒng)繼電保護的根本區(qū)別是在中間部分，即信息的綜合、分析與邏輯加工、判斷環(huán)節(jié)。區(qū)別主要是在于實現(xiàn)上述功能的手段不同。傳統(tǒng)繼電保護是靠模擬電路（或繼電器元件）的構成來實現(xiàn)的，即用模擬電路實現(xiàn)各種電量的加、減、乘、除和延時與邏輯組合需求。而計

16、算機保護，即數(shù)字式繼電保護卻是用數(shù)字技術進行數(shù)值（包括邏輯）運算來實現(xiàn)上述功能的。計算機上的數(shù)字和邏輯運算是通過軟件進行的，即這些運算要通過預先按一定的規(guī)則（語言）制定的計算程序進行的。這是與模擬式繼電保護截然不同的工作模式。也就是說，微機繼電保護是由“硬件”和“軟件”兩部分組成的，硬件是實現(xiàn)繼電保護功能的基礎，而繼電保護原理是直接由軟件，即由計算機程序?qū)崿F(xiàn)的，程序的不同可以實現(xiàn)不同的原理，程序的好壞、正確與錯誤都直接影響繼電保護性能的優(yōu)劣、正確或錯誤。因此，微機保護的實質(zhì)就是以微型機、微控制器等器件作為核心部件構成的具有繼電保護功能的自動化安全裝置。微機保護主要有以下特點：（1）性能穩(wěn)定、可

17、靠性高。機械型繼電器的運動機構可能失靈，觸點可能接觸不良，模擬式靜態(tài)繼電器的元器件可能有故障，而微機保護中的功能是由軟件實現(xiàn)的，沒有上述缺陷。批量生產(chǎn)的保護裝置程序相同，各功能的特性一致，不受溫度等條件的影響，所以性能穩(wěn)定。而且微機保護裝置在程序指揮下，有極強的綜合分析和判斷能力，因而它可以實現(xiàn)常規(guī)保護很難辦到的自動糾錯，即自動識別和排除干擾，防止由于干擾而造成誤動。另外它還有自診斷能力，能夠自動監(jiān)測出本身軟硬件的異常并報警，因而大大提高了裝置的可靠性。（2）邏輯判斷清楚、正確。機械型保護由觸點構成邏輯回路，模擬式靜態(tài)保護由門電路構成邏輯回路，微機繼電保護中主要由程序作邏輯判斷。前兩者邏輯依賴

18、電路實現(xiàn)，不符合人的思維邏輯，而且從硬件上看環(huán)節(jié)多，易出錯，不可靠。而在微機繼電保護中功能均由軟件完成，程序語句表達的邏輯完全符合人的思維，十分自然簡單。一般錯誤均能在程序調(diào)試和動模試驗中發(fā)現(xiàn)，并得以糾正。所以無論保護如何復雜，許多功能之間的復雜邏輯關系都編制在一個程序之中，都能正確反映設計思想，不會出錯，并且程序被正確地復制到成批生產(chǎn)的各套保護裝置之中。（3）維護調(diào)試方便。由于微機保護裝置的硬件結構原理大致相同，各種復雜的功能是通過軟件來實現(xiàn)的，所以也可以編制相應的軟件來簡化調(diào)試工作。而且微機保護裝置大都具有自診斷功能，一旦發(fā)現(xiàn)異常會自動報警，所以只要裝置沒有報警，就可認為裝置是完好的，從而

19、大大減輕運行維護的工作量。（4）靈活性大。由于微機保護裝置的特性主要由軟件決定，因此只要改變軟件就可以改變保護的特性和功能，所以能靈活地適應電力系統(tǒng)運行方式的變化。（5）易于獲得附加功能。應用微處理器后，如果配置打印機，或者其它顯示設備，就可以在系統(tǒng)發(fā)生故障后提供多種信息。（6）保護性能得到很好改善。由于微機的應用，使很多原有形式的繼電保護中存在的技術問題可找到新的解決方法。 當然，與傳統(tǒng)的模擬式保護相比，微機保護也存在不少缺點，如：與傳統(tǒng)的保護有根本性的背離；對硬件和軟件都要求高度可靠；硬件很快變成過時等。中壓配電網(wǎng)（KV）是電力系統(tǒng)的一部分，是企業(yè)供電的重要組成部分。它能否安全、穩(wěn)定、可靠

20、地運行，不但直接關系到企業(yè)用電的暢通，而且涉及到電力系統(tǒng)能否正常的運行。因此要全面地理解和執(zhí)行地區(qū)電業(yè)部門的有關標準和規(guī)程以及相應的國家標準和規(guī)范。中壓配電系統(tǒng)中包含著一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。一次系統(tǒng)比較簡單、更為直觀，在考慮和設置上較為容易，而二次系統(tǒng)相對較為復雜，并且包括了大量的繼電保護裝置、自動裝置和二次回路。所謂繼電保護裝置就是在供電系統(tǒng)中用來對一次系統(tǒng)進行監(jiān)視、測量、控制和保護，由繼電器來組成的一套專門的自動裝置。為了確保10kV供電系統(tǒng)的正常運行，必須正確合理地設置繼電保護裝置。微機保護的硬件一般包括三大部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模擬量輸入系統(tǒng)）。包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持(S/H)、

21、多路轉(zhuǎn)換(MPX)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)等功能塊，完成將模擬輸入量準確地轉(zhuǎn)換為微型機能夠識別的數(shù)字量。微型機主系統(tǒng)。微型機主系統(tǒng)包括微處理器(MPU)、只讀存儲器(ROM)或閃存內(nèi)存單元(FLASH)、隨機存取存儲器(RAM)、定時器、并行接口以及串行接口等。微型機執(zhí)行編制好的程序，對輸入至RAM區(qū)的原始數(shù)據(jù)進行分析、處理，完成各種繼電保護測量、邏輯和控制功能。開關量輸入/輸出系統(tǒng)。開關量輸入/輸出系統(tǒng)由微型機的并行接口（PIA或PIO）、光電隔離器件及有觸點的中間繼電器等組成，以完成各種保護的出口跳閘、信號、外部觸點輸入、人機對話及通信等功能。 圖2.1 微機保護硬件結構示意框圖目前，隨著集

22、成電路技術的不斷發(fā)展，已有許多單一芯片將微處理器、只讀存儲器、隨機存取存儲器、時鐘、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）、并行接口、閃存單元（FLASH）、DSP、通信接口等多種功能集成與一個芯片內(nèi)，構成了功能齊全的單片機微型機系統(tǒng)，為微機保護的硬件設計提供了更多選擇。此外，還出現(xiàn)了芯片對外連線沒有了任何數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線的微型機，實現(xiàn)了“總線不出芯片”的設計，有利于與提高微機保護設備的可靠性和抗干擾能力。2.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（模擬量輸入系統(tǒng)）模擬量輸入電路的結構框圖如圖2-2所示。主要包括電壓形成回路、采樣保持電路和濾波器、模擬量多路轉(zhuǎn)換開關及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等部分。下面分別敘述這幾個部分的工作原理及作用

23、。圖2.2 模擬量輸入電路結構框圖繼電保護動作與否的判據(jù)來自被保護的電力線路或設備上的電氣參數(shù)，例如電流、電壓等，這些原始模擬量的數(shù)值一般都非常大，其數(shù)量級可能為千伏或千安級等。為了保障設備安全和人身安全，需要降低和變換原始模擬量數(shù)值。在微機保護中，通常根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍的要求，將輸入信號變換為±5V或±10V范圍內(nèi)的電壓信號，因此，一般采用中間變換器來實現(xiàn)以上變換。交流電壓信號可以采用電壓變換器；而將交流電流信號變換為成比例的電壓信號，可以采用電抗變換器或電流變換器，兩者各有優(yōu)缺點。輸入電壓的電壓形成回路，即通過電壓變換器實現(xiàn)。輸入電流的電壓形成回路（有以下2種方法實

24、現(xiàn)）1）電抗變換器。電抗變換器具有阻止直流、放大高頻分量的作用，因此當一次流過非正弦電流時，其二次電壓波形將發(fā)生嚴重的畸變，這是不希望的。電抗變換器的優(yōu)點是線性范圍較大，鐵芯不易飽和，有移相作用；另外，其抑制非周期分量的作用在某些應用中也可能成為優(yōu)點。2）電流變換器。電流變換器的最大優(yōu)點是，只要鐵芯不飽和，則其二次電流及并聯(lián)電阻上的二次電壓的波形可基本保持與一次電流波形相同且同相，即它的傳變可使原信息不失真。這點對微機保護是很重要的，因為只有在這種條件下作精確地運算或定量分析才是有意義的。至于移相、提取某一分量或抑制某些分量等，在微機保護中，根據(jù)需要可容易地通過軟件實現(xiàn)。電流變換器的缺點是，在

25、非周期分量的作用下容易飽和，線性度較差，動態(tài)范圍也較小。在微機保護中，一般采用電流變換器將電流信號變換為電壓信號。采用電流變換器的連接方式如圖2-3所示。其中Z為模擬低通濾波器及A/D輸入端等回路構成的綜合阻抗，數(shù)值很大；而R為電流變換器二次側的并聯(lián)電阻，數(shù)值遠小于Z（R<<Z）。故由圖2-3可得 u=Ri=R ） 圖2.3 電流變換器的連接方式電壓形成電路除了起電量變換作用外，另一個重要作用是將一次設備的電流互感器TA、電壓互感器TV的二次回路與微機AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)完全隔離，提高抗干擾能力。在存在共模干擾的情況下的等效電路如圖2-4所示，其中C、C為變換器兩側與屏蔽層之間的等效電容;

26、Z為交流傳輸導線的等效阻抗；Z為設備對地的等效阻抗；Z為接地阻抗。由于Z很小，所以共模信號對變換器二次側的影響得到了很大的抑制。 （a） （b）圖2.4 屏蔽層作用的等效圖（a）共模干擾及屏蔽層示意圖 （b）屏蔽層作用的等效電路圖采樣保持電路的作用及原理為了把連續(xù)的模擬信號變成數(shù)據(jù)處理單元能夠使用的數(shù)字信號，首先必須把連續(xù)時間信號變成離散時間信號。把連續(xù)時間信號變成離散時間信號的過程稱為采樣。采樣得到的是每個時刻的瞬時值，這個值還必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，然后才可以輸入數(shù)據(jù)處理單元。為了使采樣值在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變，需要把采樣值保持一段時間，這就是采樣保持器的作用。采樣保持電路（S/H）的工作原

27、理可用下圖來說明。（a） （b）圖2.5 采樣保持電路工作原理圖及采樣保持過程示意圖 （a）采樣保持電路工作原理圖 （b）采樣保持過程示意圖濾波器：廣義來說是一個裝置或系統(tǒng)，用于對輸入信號進行某種處理，以達到保留信號中的有用信息而去掉無用成分的目的。電力系統(tǒng)故障初期，電流、電壓中可能含有相當高的頻率分量（如2 kHz以上）。而目前大多數(shù)微機保護原理都是反映50Hz工頻分量的。因此，在采樣保持前用一個模擬低通濾波器把高頻分量過濾掉，防止高頻分量混疊到工頻來。模擬濾波器：應用無源器件（如電阻R、電感L、電容C）或有源電路（運放）元件組成的一個物理系統(tǒng)。最簡單的模擬低通濾波器是RC低通濾波器。圖3-

28、5模擬低通濾波電路圖2.6 RC低通濾波器數(shù)字濾波器：對經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量的信號進行某種數(shù)學運算，取得信號中的有用信息，而去掉信號中的無用成分。在微機保護中，數(shù)字濾波器一般體現(xiàn)成一段程序。 圖2.7 數(shù)字濾波結構圖把數(shù)字濾波器看出一個雙口網(wǎng)絡，就網(wǎng)絡的輸入、輸出來看，其作用和模擬濾波器完全一樣。與模擬濾波器比較，數(shù)字濾波器的優(yōu)點：1）特性一致性好。模擬濾波器存在元件特性的差異，而數(shù)字濾波器只要保證程序一樣，特性也就完全一致。2）不存在由于溫度變化、元件老化等因素對濾波器特性影響的問題。3）不存在阻抗匹配的問題。4）靈活性好。只要改變數(shù)字濾波器的計算公式或改變某些系數(shù)，即可改變?yōu)V波器的

29、特性。5）精度高。通過增加計算字長位數(shù)，就可提高計算精度。2.2.3模擬量多路轉(zhuǎn)換開關（MPX）多路轉(zhuǎn)換開關是一種電子型的單刀多擲開關，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，用來將各路S/H中保持的模擬信號分時地接通于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。常用的多路轉(zhuǎn)換開關有8路、16路等，可以接通單端或雙端（即差分）信號。多路轉(zhuǎn)換開關的接通和斷開由外部控制。如圖2.8所示。圖2.8 模擬多路轉(zhuǎn)換示意圖模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一般原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器，或簡稱ADC）是實現(xiàn)計算機控制的關鍵技術，是將模擬量轉(zhuǎn)變成計算機能夠識別的數(shù)字量的橋梁。模數(shù)轉(zhuǎn)換器是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬量相對于模擬參考量轉(zhuǎn)化成

30、數(shù)字量D輸出。數(shù)字量D和輸入模擬量之間關系式為： ） 其中是模擬參考電壓，一般，D是小于1的二進制數(shù)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC或D/A轉(zhuǎn)換器）逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在繼電保護測試儀中，也廣泛的將D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器應用于模擬量輸出的控制。數(shù)模轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字量D轉(zhuǎn)變成模擬電壓或電流輸出。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作過程：通過并行接口向16位D/A轉(zhuǎn)換器試探性送數(shù)。每送一次數(shù)，微型機通過讀取PA0端口的狀態(tài)判斷試送的16位數(shù)相對于模擬輸入量是偏大還是偏小。如果偏大，則減小試送的16位數(shù)，直至找到最相近的二進制數(shù)，這個16位二進制數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結果。試探送數(shù)采用逐次逼近的二分搜索法。模數(shù)轉(zhuǎn)換

31、器與微型機的接口模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能必須由微型機執(zhí)行軟件程序來控制，即微型機通過總線控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665。模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665與微型機的接口如下圖2.9所示。圖2.9 AD7665的并行接口示意圖微機保護對A/D轉(zhuǎn)換器的主要要求：1）轉(zhuǎn)換位數(shù)（分辨率），通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示；2）轉(zhuǎn)換時間（轉(zhuǎn)換頻率），A/D轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的時間,其轉(zhuǎn)換頻率為 式（2.3）2.2.5 VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本設計采用VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。用電壓頻率變換原理(VFC)構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有工作穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強,同CPU接口簡單和調(diào)試方便等一系列優(yōu)點。電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC（Vo

32、ltage Frequency Converter）是另一種實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的器件，圖2-10中，電壓、電流信號經(jīng)電壓形成回路后，均變成與輸入信號成比例的電壓量。 信號共享TV、TA二次側模擬量光電耦合VFC電壓形成電壓形成光電耦合VFC圖2.10 VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本框圖VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作原理電壓頻率轉(zhuǎn)換器VFC輸出脈沖方波的頻率和輸入交流模擬電壓信號的大小成正比，即: 在一段時間（采樣時間）內(nèi)，對VFC輸出的脈沖方波進行計數(shù)（即計算上升沿的個數(shù)），得到數(shù)字量D。則該數(shù)字量D和輸入模擬信號 之間的關usr(t)系是： 式（2.4）當采樣時間很小時，且輸入模擬信號中沒有高頻分量時，可以

33、認為在采樣時間內(nèi)輸入模擬電壓也不變。則有 式（2.5）以最終輸出的數(shù)字量D也正比于輸入的模擬信號 式（2.6） 輸入輸出圖2.11 VFC內(nèi)部電路結構示意圖圖2.12 VFC電路波形圖分辨率一般用VFC轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量D的位數(shù)來衡量。VFC型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點1）有低通濾波的作用；2）抗干擾能力強，在VFC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端和CPU主系統(tǒng)的計數(shù)器之間接入光電耦合器；3）輸出數(shù)字量D的位數(shù)可調(diào)；4）與微型機的接口簡單；5）可實現(xiàn)多微機共享數(shù)據(jù)采集；6）易于實現(xiàn)同步采樣；7）但不適用于高頻采樣。本設計采用單片機芯片AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPE

34、ROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51單片機采用的是8051單片機的內(nèi)核，即AT89C51單片機的內(nèi)部CPU技術與8051單片機相同，所以都具有一樣的指令系統(tǒng)。它與8051單片機的不同在于，AT89C51單片機比8051

35、單片機在片內(nèi)存儲器空間和功能單元方面有所補充。4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器，增加了在線編程功能，使程序的修改和調(diào)試及其方便，而且編程和校驗也更加方便。AT89C51單片機的主要工作特性如下：8051CPU；4KB的快速擦寫Flash存儲器，用于程序存儲，可擦寫次數(shù)為1000次；256字節(jié)的RAM，其中高128字節(jié)地址被特殊功能寄存器SFR占用；32根可編程I/O端口線：P0，P1，P2，P3；2個可編程16位定時器，一個可編程的全雙工串行通信：3口的第二功能；具有6個中斷源，5個中斷矢量，兩級優(yōu)先權的中斷系統(tǒng)；1個數(shù)據(jù)指針DPTR；具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式；可編程的3級程

36、序鎖定位；工作電源的電壓為（5±0.2V）；AT89C51芯片引腳圖如圖2.13 所示圖2.13 AT89C51引腳排列圖2.4開關量（或數(shù)字量）輸入/輸出系統(tǒng)光電耦合器：把發(fā)光器件和光敏器件組合在一起，實現(xiàn)以光信號為媒介的電信號變換。由于發(fā)光器件和光敏器件之間相互絕緣，所以可以實現(xiàn)輸入和輸出兩側電路之間的電氣隔離。在微機保護中常用光電耦合器來輸入或輸出開關量信號。圖2.14 光電隔離的幾種情況將光電耦合器用于邏輯電平控制時，主要采用了以下兩種工作方式： 當發(fā)光二極管側通過的電流較小時，產(chǎn)生的光電流較小，光敏器件側處于截止狀態(tài)。 當發(fā)光二級觀側通過的電流較大時，產(chǎn)生的光電流較大，光敏

37、器件側處遇到同狀態(tài)。這樣，通過控制發(fā)光二極管側的電流，就可以實現(xiàn)控制光敏器側的截止或?qū)āｉ_關量輸入DI（Digital Input）主要用于識別運行方式、運行條件等，以便控制程序的流程圖。如重合閘方式、同期方式和定值區(qū)號等。微機保護裝置的開關量輸入可以分為2類：安裝在裝置面板上的接點；如用于人機對話的鍵盤上的接點信號。這類信號可以直接接至微型機的并行口。從裝置外部經(jīng)過端子排引入的接點；如保護屏上的各種硬壓板、轉(zhuǎn)換開關等。為了抑制干擾，這類接點必須要經(jīng)過光電耦合器進行電氣隔離，然后接至并行口。圖2.15 裝置面板上的接點與微機接口連接圖圖2.16 裝置外部接點與微機接口連接圖 開關量輸出DO（

38、Digital output）主要包括保護的跳閘出口、本地和中央信號以及通信接口、打印機接口等。 保護的跳閘出口，本地和中央信號對于保護的跳閘出口、本地和中央信號等，一般都采用并行接口的輸出口來控制有接點繼電器的方法。為了提高抗干擾能力，也經(jīng)過一級光電隔離。如圖2.17所示。圖2.17 裝置開關輸出回路接線圖只要由軟件使并行口的PB0輸出“0”、PB1輸出“1”，便可使與非門H1輸出低電平，光敏三極管導通，繼電器K被吸合。在初始化和需要繼電器K返回時，應使PB0輸出“1”、PB1輸出“0”。 設置反相器B1及與非門H1而不是將發(fā)光二極管直接同并行口連接，一方面是因為并行口帶負荷能力有限，不足以

39、使光電耦合器處于深度飽和狀態(tài)；另一方面因為采用與非門后要滿足兩個條件才能使K動作，增加了抗干擾能力，也增加了芯片損壞情況下的防誤動能力。對于重要的保護跳閘出口信號，為了防止誤發(fā)信號，還需要增加與非門環(huán)節(jié)。 通信接口（包括打印機接口）對于通信接口、打印機接口等數(shù)字信號，可采取如圖2.18所示的連接方法。這里采用光電耦合器，既實現(xiàn)兩側的電氣隔離，提高抗干擾能力，又可以實現(xiàn)不同邏輯電平的轉(zhuǎn)換。圖2.18 數(shù)字信號接口 圖中，將設置為輸出方式，設置為輸入方式。在微機保護中，需要應用不同的離散運算方法來實現(xiàn)故障量的測量、計算和故障判別。這些不同的離散運算方法就是不同的保護算法。按算法的目標可分有兩大類：

40、 根據(jù)輸入電氣量的若干點采樣值通過一定的數(shù)學式或方程式計算出保護所反應的量值，然后與定值進行比較。 根據(jù)動作方程來判斷是否在動作區(qū)內(nèi)，而不計算出具體的阻抗值。繼電保護按保護對象分有元件保護、線路保護等；按保護原理分有差動保護、距離保護和電壓、電流保護等。但是不管哪一類的保護算法，其核心問題歸根結底為算出可表征被保護對象運行特點的物理量，如電壓、電流等的有效值和相位以及視在阻抗等，或者算出它們的序分量、基波分量、某次諧波分量的大小和相位等?；旧峡梢哉f，只要找出任何能夠區(qū)分正常與短路的特征量，微機保護就可以予以實現(xiàn)。 1、精度2、速度（1）算法要求的采樣點數(shù)（數(shù)據(jù)窗長度）（2）運算工作量。算法的

41、精度和速度總是矛盾的。若要計算精確，則往往要利用更多的采樣點和進行更多的計算工作量，這就增加了對硬件的要求。研究算法要把握如何在速度和精度兩方面進行權衡。另外，評價算法時還要考慮對數(shù)字濾波的要求，因為有些算法本身具有數(shù)字濾波的功能，有些算法則需配以數(shù)字濾波器一起工作。假定原始數(shù)據(jù)為純正弦量的理想采樣兩個采樣值為和，采樣時刻和其相差為 式（3.1） 式（3.2） 式（3.3） 由上推導可得： 式（3.4） 式（3.5）由式(3.2)和式(3.3)可得，只要知道正弦量任意兩個電氣角度相隔/2的瞬時值，就可以算出該正弦量的有效值和相位。 . 其中，有效值 式（3.6） 相位式（3.7）理論根據(jù)是線性

42、系統(tǒng)的疊加原理，對于系統(tǒng)結構不發(fā)生變化的線性系統(tǒng)，利用疊加定理可以進行分解 圖3.1 短路示意圖故障后的測量電流 式（3.8） 故障電流分量 式（3.9） 正常運行的負荷電流是周期信號，有 式（3.10）式中 時刻的負荷電流； 比t時刻提前一個周期的負荷電流； 工頻信號的周期。 可得故障分量的計算式化為 式（3.11）在非故障階段，測量電流等于負荷電流，即 式（3.12）微機保護的采樣值計算公式為： 式（3.13）故障分量電流的特點：（1）系統(tǒng)正常運行時，計算出來的值等于0；（2）當系統(tǒng)剛發(fā)生故障的一周內(nèi)，求出的是純故障分量；（3）突變量電流算法受頻率偏移的影響。傅里葉級數(shù)算法簡稱傅氏算法。算

43、法的基本思路來自于傅里葉級數(shù)，本身具有濾波作用。它假定被采樣的模擬信號是一個周期性的時間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流分量和各次諧波，可表示為:（n=0,1,2,   ） 式（3.14） 、分別為直流、基波和各次諧波的正弦項和余弦項的振幅。由于各次諧波的相位可能使任意的，所以把它們分解為有任意振幅的正弦和余弦之和。、分別為基波分量正余弦項的振幅，為直流分量的值。易求得 式（3.15） 式（3.16） 由積分過程可知，基波分量正、余弦項的振幅、已經(jīng)消除了直流分量和整次諧波分量的影響。中的基波分量為 式（3.17） 式中 基波分量的有效值； 時基波分量的相角。不難得

44、出 式（3.18） 式（3.19）可用復數(shù)表示為 式（3.20） 式（3.21） 式（3.22）在用微型機處理時，式（3.15）和式（3.16）中的積分可以用梯形法則得到： 式（3.23） 式（3.24）式中 基波信號的一周期采樣點數(shù)； 第次采樣值； 、分別為和時的采樣值。3.3.4 RL模型算法RL算法僅用于計算線路阻抗。對于一般的輸電線路，從故障點到保護安裝處的線路段可用一電阻和電感串聯(lián)電路來表示，即把輸電線路等效為RL模型。式（3.25） 其中，是線路正序電阻；是正序電感。由于三相線路間有互感的影響。對于不同的故障類型，選取不同的電壓、電流來構成方程式。（1）對于相間短路，應用， 。如A

45、B相間短路時，取和。（2）對于單相接地短路，取增加零序電流補償?shù)南嚯妷杭跋嚯娏鳌＜矗?式（3.26） 其中，零序電阻補償系數(shù) 式（3.27） 零序電感補償系數(shù)式（3.28）、分別為輸電線路每公里的零序和正序電阻和電感。本設計采用傅里葉級數(shù)算法，因其具有良好的濾波特性。傅氏算法從傅氏級數(shù)導出，它假定被采樣信號是周期性的。當符合這種假定時，傅氏算法可以準確地求出基頻分量。實際上，傅氏算法不僅能夠完全濾掉各種整次諧波和純直流分量，對非整次諧波和按指數(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。4.中壓配電網(wǎng)線路電流保護的整定及自動重合閘本章以10KV中壓配電網(wǎng)為列，著重介紹了幾種常用的電流保護

46、。10KV及以下中性點非直接接地電網(wǎng)線路的相間短路保護必須動作于斷路器跳閘，單相接地時，由于接地電流較小，三相電壓仍能在一段時間內(nèi)保持平衡，對用戶沒有很大影響。故單相接地一般動作于信號，但當其對人身和設備的安全產(chǎn)生危害時，應動作于斷路器跳閘。實質(zhì)上，電流保護為相間短路的保護。 對于中壓配電網(wǎng)（10KV）線路的保護，由于線路多為饋線，且線路較短，一般采用有選擇性的電流速斷保護（電流段）和定時限過電流保護（電流段）的兩段式保護。同時在個別情況下，當快速切除故障是首要條件時，采用無選擇性的電流速斷保護，然后通過自動重合閘予以糾正。對于不能滿足要求的特殊線路結構或特殊負荷線路保護（如較長線路），可考慮

47、增加其他保護，如保護段、零序保護等?，F(xiàn)針對一般保護進行分析并簡要介紹特殊情況下的保護。根據(jù)有關規(guī)程，相間短路保護應按下列原則配置：保護的電流回路的電流互感器采用不完全星形接線，各線路保護用電流互感器均裝設在A、C兩相上，以保證在大多數(shù)兩點接地情況下只切除一個故障地接點；采用遠后備方式，主要體現(xiàn)在應用電流段；線路上發(fā)生短路時，應快速切除故障，滿足速動性要求，以保證非故障部分能繼續(xù)運行。相間短路的電流保護通常是三段式保護。第段為瞬時電流速斷保護；第段為限時電流速斷保護；第段為過電流保護或低電壓閉鎖的過電流保護。反應電流增大而瞬時動作的電流保護稱為電流速斷保護。為了保證選擇性，一般只保護被保護線路的

48、一部分，其工作原理可用圖4.1來說明。對單端電源輸電線路，在每回線路的電源側都裝有電流速斷保護，短路點距保護安裝地點越遠，流過保護安裝地點的短路電流越小。圖4.1 瞬時電流速斷保護動作特性分析 對反應于電流升高而動作的電流速斷保護而言，能使該保護裝置啟動的最小電流值稱為保護裝置的整定電流，以表示，顯然必須當實際的短路電流時，保護裝置才能啟動。保護裝置的整定電流，是用電力系統(tǒng)一次側的參數(shù)表示的。它所代表的意義是當在被保護線路的一次側電流達到這個數(shù)值時，安裝在該處的這套保護裝置就能夠動作。以保護2為例，為保證動作的選擇性，保護裝置的啟動電流必須大于下一條線路出口處短路時可能的最大短路電流，從而造成

49、在本線路末端短路時保護不能啟動，保護不能啟動的范圍隨運行方式、故障類型的變化而變化。 現(xiàn)在來分析電流速斷保護的整定計算原則。根據(jù)電力系統(tǒng)短路的分析，當電源電動勢定時，短路電流的大小決定于短路點和電源之間的總阻抗，三相短路電流可表示為 式（4.1） 式中系統(tǒng)等效電源的相電勢； 短路點至保護安裝處之間的阻抗；保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗；短路類型系數(shù)，三相短路取1，兩相短路取。在一定的系統(tǒng)運行方式下，和等于常數(shù)。此時將隨的變化而變化，因此可以經(jīng)計算后繪出的變化曲線，如圖4-1所示。當系統(tǒng)運行方式及故障類型改變時，將隨之變化。對每一套保護裝置來講，通過該保護裝置的短路電流為最大的方式，本書中稱

50、為系統(tǒng)最大運行方式，而短路電流為最小的方式則稱為系統(tǒng)最小運行方式。對不同安裝地點的保護裝置，應根據(jù)網(wǎng)絡接線的實際情況選取其最大和最小運行方式。在最大運行方式下三相短路時、通過保護裝置的短路電流為最大；在最小運行方式下兩相短路時，則短路電流為最小。這兩種情況下短路電流的變化如圖2-1中的曲線和所示。為了保證電流速斷保護動作的選擇性，對保護1來講，其整定的動作電流必須大于點短路時，可能出現(xiàn)的最大短路電流，即大于在最大運行方式下變電站C母線上三相短路時的電流 式（4.2） 引入可靠系數(shù)，則動作電流為 式（4.3） 對保護2來講，按照同樣的原則，其整定電流應大于點短路時B母線上的最大短路電流，即 式（4.4） 啟動電