110kV输电线路微型机零序电流保护原理分析与程序设计

1、毕 业 设 计 论 文题目 ：110kv输电线路微型机 零序电流保护原理分析与程序设计 系 别： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 河南城建学院2012年 5 月 20 日摘要随着时代的进步，电力系统的规模在不断扩大，用户对电能质量的要求也在不断提高。因此，对继电保护装置本身的要求也越来越高，微型机继电保护具备了传统保护所没有的优良特性。110kv输电线路微型机零序电流保护原理分析与程序设计是本次研究的主要内容。主要包括微型机保护的硬件结构分析、微型机保护的软件结构分析、微型机保护的算法和数字滤波器、零序保护及自动重合闸的基本原理与整定计算、零序保护及自动重合闸的流程图和程序设计等。本

2、设计首先简要介绍了电力系统微型机继电保护的发展、技术构成及其发展方向。其次对硬件、软件的结构做了分析，它的硬件结构核心由p89c51rd和dsp2181组成，cpu完成装置的总启动和人机界面及与外围设备的通信功能,cpu内设总启动元件，启动后开放出口继电器正电源,使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。最后本文对装置进行了软件结构设计，对各个模块的功能作了具体介绍本文研究的110kv输电线路微型机零序电流保护原理分析与程序设计是由微型计算机实现的线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式，适用于110kv的输电线路。关键词：微型机保护，110kv输电线路，零序电流，重合闸abst

3、ractrelay protection device is a reaction equipment of power system fault and unnormal operation condition and action in circuit breaker tripped and signal transmitted. moreover, the size of the power system, users in continuous expansion of power quality requirements are constantly improved. theref

4、ore, the requirements of the relay protection device itself more and more is also high. this article 110 kv transmission lines protection is the theme of zero sequence current protection principle analysis and design program of research. mainly includes microcomputer protection hardware structure an

5、alysis,microcomputer protection software structure analysis,zero sequence pilot protection and the basic principle of automatic reclosing and setting calculation,zero sequence pilot protection and the automatic reclosing flow chart and design program, etc. this design firstly introduces the microcom

6、puter relay protection of power system development history, present situation and the technical characteristics and development direction. second on the hardware and software structure are analyzed, and its hardware structure composed by p89c51rd and dsp2181 core cpu complete device, the total start

7、up components and human-computer interface and backend communication function, cpu with total startup components, start export relays are open, making the device with high power the inherent reliability and safety. this paper also have the software structure of the unit to design, the function of ea

8、ch module of introduced concretely.this paper developed 110 kv transmission lines of single-chip zero sequence current protection principle analysis and design program is realized by micro-computer line protection device, applicable to 110 kv transmission lines. apparatus includes three sections of

9、zero sequence current direction protection and automatic reclosing three-phase once. keywords: microprocessor-based protection, 110 kv transmission lines, zero sequence current protection, reclosion 目 录摘要iabstractii引 言11 微型机继电保护概述31.1微型机继电保护的发展31.2微型机继电保护的基本构成41.3对微型机保护的评价41.3.1微型机保护的特点41.3.2微型机保护的技

10、术进步与新概念51.3.3微型机保护的前景与展望62 微型机保护的硬件结构分析82.1 110kv输电线路微型机保护的硬件82.2数据采集系统92.2.1电压形成回路92.2.2 采样保持电路和模拟低通滤波102.2.3 多路转换开关和模数转换112.3 开关量输入/输出系统142.3.1开关量输入输出模块142.3.2开关量输入部分142.3.3开关量输出部分172.4微型机主系统模块182.5电源模块182.6显示部分193 数 字 滤 波 器203.1 数字滤波器介绍203.2离散时间信号的频谱203.3非递归型数字滤波器223.4递归型数字滤波器224 微型机保护的软件结构分析244.

11、1软件结构分析概述244.2程序总框图244.3中断程序模块274.4各程序的子模块介绍284.4.1初始化284.4.2启动元件294.4.3零序方向电流保护294.4.4重合闸及后加速304.5微机保护的算法314.5.1输入为正弦量的算法314.5.2突变量电流算法324.5.3选相方法334.5.4傅里叶级数算法354.5.5 r-l 模型算法385 零序电流保护及自动重合闸整定计算415.1零序电流保护整定计算415.2自动重合闸整定计算426 零序方向保护及自动重合闸的流程图和程序设计446.1零序方向保护流程图446.2自动重合闸流程图466.3程序部分477 总结和展望53参考

12、文献54致谢55引 言与当代新兴科学技术相比，电力系统继电保护是相当古老了，然而电力系统继电保护作为一门综合性科学又总是充满青春活力，处于蓬勃发展中。之所以如此，是因为它是一门理论和实践并重的科学技术，又与电力系统的发展息息相关。它以电力系统的需要作为发展的源泉，同时又不断地吸取相关的科学技术中出现的新成就作为发展的手段。继电保护装置是电力系统的重要组成部分，它在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。它在系统发生故障时切除故障设备，对系统安全运行作出贡献，但若不正常动作(包括拒动和误动)，则给系统造成的危害也是巨大的。所以对继电保护装置的可靠性(包括安全性和信赖性两个方面)要求

13、很高。信赖性是指不应拒动，安全性是指不应误动。继电保护装置除了在故障的很短时间内动作外，长期是不动作的，因而被喻为电力系统的无声警卫。因此装置的某些缺陷可能不被察觉，从而成为故障时不正确动作的隐患。微型机保护可以实现自我监视和检测，大大提高了装置的安全性。传统的整流型或晶体管型继电保护装置的调试工作量很大，尤其是一些复杂的保护，例如超高压线路的保护设备，调试一套保护常常需要一周，甚至更长的时间。究其原因，这类保护装置都是布线逻辑的，保护的每一种功能都由相应的硬件器件和连线来实现。为确定保护装置是否完好，就需要把所具备的各种功能都通过模拟试验来校核一遍。微型机保护则不同，它的硬件是一台计算机，各

14、种复杂的功能是由相应的软件来实现的。换言之，它是用一个只会作几种单调的、简单操作的硬件，配以软件，把许多简单操作组合而完成各种复杂功能的。因而只要用几个简单的操作就可以检验微型机的硬件是否完好。或者说如果微型机硬件有故障，将会立即表现出来。如果硬件完好，对于已成熟的软件，只要程序和设计时一样，就必然会达到设计的要求，用不着逐台作各种模拟试验来检验每一种功能是否正确。微型机保护装置具有自诊断功能，对硬件各部分和存放在eprom中的程序不断地进行自动检测，一旦发现异常就会发出报警。通常只要给上电源后没有警报，就可确认装置是完好的。所以对微型机保护装置可以说几乎不用调试，从而可大大减轻运行维护的工作

15、量。计算机在程序指挥下，有较强的综合分析和判断能力，因而它可以实现常规保护很难办到的自动纠错，即自动地识别和排除干扰，防止由于干扰而造成误动作。另外它有自诊断能力，能够自动检测出本身硬件的异常部分，配合多重化可以有效地防止拒动，因此可靠性很高。由于计算机的应用，使很多原有形式的继电保护中存在的技术问题，可找到新的解决办法。本课题的主要目的在于，研究一套l1okv线路微型机保护装置和硬件电路的合理配置，着重研究微型机保护软件算法的优化设计，并对保护的新原理进行有益的探讨。1 微型机继电保护概述1.1微型机继电保护的发展微型机保护是指将微型机、微控制器等器件作为核心部件构成的继电保护。国内在微型机

16、保护方面的研究工作起步较晚，但进展很快。自从1984年第一套微型机线路保护装置在河北马头电厂投入运行以来，我国微型机继电保护的发展已经历了28年的历史，整个发展过程大体上经历了三个阶段：第一阶段为以单cpu的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式的ad574(12位或8位）芯片构成，硬件及软件的设计符合我国高压线路保护装置的“四统一”设计标准，其代表产品 wxb01，wxh1a型微型机高压输电线路保护装置；第二阶段为以多个单片机构成的多cpu硬件结构为主，数据采集系统为vfc电压-频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件及软件的设计方面吸取了wxb01型微型机保护装置的成功运行经验，针对01型保

17、护存在的问题进行了改进，同时，利用多cpu的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可定位到插件，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施及防止拒动和误动的措施，其代表产品为wxb11、wxh 1x型微型机高压线路保护装置和lfp900系列保护装置；第三阶段为以高性能的32位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不引出芯片，电路简单的特点，抗干扰能力进一步加强，完善了通信功能，为变电站综合自动化系统的实现提供了强有力的环境，其代表产品为csl及cst系列保护装置。十几年来，微型机继电保护的研究方向侧重于高压输电线路保护方面，目前在全国各大电力系统中投入运行的微型机线路保护装置以超过数千套。近年来，

18、各个制造厂家相继推出了中低压网的微型机保护装置。这些产品基本上可以分为两种方式，一种方式为“一对一”方式，即一套装置实现一条线路的保护：另一种方式为“一对n”方式，即一套装置实现多条线路的保护。由于中低压线路保护的使用面广，且大多处于电力系统的基层运行单位，这些单位的技术水平，运行维护管理能力，调试及检测仪器设备均相对偏低。因此中低压系统的微型机保护宜于采用积木式结构，对不同要求的用户可选用不同的插件组合，使用户的调试维护工作量尽量减少，使微型机保护成为“免维护”保护装置。另外，低压网的微型机保护可能安装于一次设备旁边，因此对其抗干扰水平提出了更高的要求。由于中低压网的用户广泛，并且考虑到无人

19、值班变电站，首先在较低电压等级的变电站推广，所以中低压微型机保护可望出现一个新局面。1.2微型机继电保护的基本构成微型机保护的主要部分是微型计算机本体。微型机是被用来分析计算电力系统的相关电量并判定系统是否发生故障，然后决定是否发出跳闸信号的主要装置。除计算机本体外，还必须配备自电力系统向计算机送进有关信息的输入接口部分和向电力系统送出控制信息的输出接口部分。此外计算机还要输入有关计算和操作程序，输出记录的信息，以供运行人员分析事故，即计算机还必须有人机联系部分。总的来说就是由数据采集系统、微型机主系统、开关量（或数字量）输入/输出系统构成。1.3对微型机保护的评价微型机保护在我国已获得极其广

20、泛的应用。微型机保护在发展过程中继承、借鉴了模拟式保护的成熟经验，由于微型机的优越性把继电保护的技术向前推进。实践已证明微型机保护的性能显著优于传统的保护。1.3.1微型机保护的特点微型机保护的优缺点如下。优点是：程序可实现自适应性，可依系统运行状态而自动改变整定值和特性，灵活性大；有可存取的存储器；在现场可灵活地改变继电器特性；用数学方程方法较之用继电器元件特性方法可以使保护性能得到更大的改进；有自检的能力，对硬件各部分和程序（包括功能、逻辑等）不断地进行自动检测，一旦发现异常就会自动报警；有利于事故后分析；可与计算机交换信息；对现有硬件可增加其功能；缺点和问题：与传统的保护有根本性的背离；

21、对硬件和软件都要求高度可靠；硬件很快变成过时；微型机保护的优缺点一方面决定于技术本身，另一方面与各国的技术经济发展状况有关。微型机保护和传统保护相比还有两大特点：(1)保护中的各项功能(相应于传统保护中的元件)都是由软件实现的；(2)保护中的各项功能是按程序规定的顺序依次串行(在传统保护中是并行)工作的。1.3.2微型机保护的技术进步与新概念微型机的应用给线路保护带来以下几个方面的技术进步和新概念。由软件实现的功能性能稳定、优越。机械型继电器的运动机构可能失灵，触点可能接触不良，模拟式静态继电器的元器件和电路可能有故障。微型机保护中的功能是由软件实现的，没有上述缺陷。批量生产的保护装置程序相同

22、，各功能的特性一致，不受温度等影响，所以性能稳定。复杂的微型机保护都采集到齐全的交流信息，于是只要写出一项功能的动作判据的数字表达式，cpu按保护算法进行计算就实现了该项功能。如果输入交流量已经过滤波，数据窗中数据完整，那么每一采样间隔对判据的计算结果都相同。从这一点说各项功能的动作都与短路发生时的初相角无关，动作后输出连续脉冲。当然滤波和保护算法要求的数据窗宽度会影响动作速度，继电器特性复杂，精度要求高，会带来动作的延时。在故障切除时返回也回需要延时。逻辑判断清楚、正确。在复杂的保护中，要对若干相关继电器的动作作出逻辑判断，才能决定保护是否出口跳闸。机械型保护由触点构成逻辑回路，模拟式静态保

23、护由门电路构成逻辑电路。在微型机保护中主要由程序作逻辑判断。不论逻辑关系如何复杂，在微型机保护中都可按人的思维逻辑编写程序，十分自然不会出错，要注意的是设置的标志要在适当时候清除，否则下一次执行程序时要出现错误。不论保护如何复杂，只要许多功能之间复杂逻辑关系都编制在一个程序中，都能正确反映设计思想，并且程序被正确地复制于成批生产的各套保护装置之中，所以与传统保护相比较，微型机的应用使线路的保护得到简化，继电保护的正确率必将得到提高。微型机能对输入的电气量进行数值计算，可以实现传统保护无法实现的优良性能。微型机保护既能对以瞬时值也能对以相量表达的数据进行计算，不仅能计算交流输入量也能计算其对时间

24、的导数和积分值。微型机可方便的贮存数据因而不仅可以记忆相量的相位也可记忆其幅值，所以微型机保护可以实现传统保护无法实现的良好性能。微型机保护可不考虑个别元件的功能失灵。在机械型和模拟式静态保护中每一元件都是由独自的硬件实现的，因此为了保证可靠性常常要考虑个别元件的失灵问题。例如，对于电流保护要不要加方向元件的问题，加方向元件后电流元件的整定就可不考虑反方向故障，不与背后保护配合，可以提高保护的灵敏性或缩短动作时间。但万一方向元件失灵就会导致保护的拒动，机械型方向继电器还有电压死区问题，因此传统的习惯是能不带方向性就不加方向元件。微型机保护增加一个方向判别的功能只是多计算一个方向判据。只要采集的

25、电流、电压经变换后得到的数值是正确的，代入判据进行计算，其结果是不会出错的，也不会带来机械上的或回路上的故障，因此在微型机保护中增加方向性应当说是有益无害的。在一个庞大的保护程序中有关关方向判据的少数语句出现障碍的可能性是很小的。因干扰等原因，程序走飞了的情况也许会发生，但出现那种情况就不是有无方向判据功能的问题了。可以增加功能实现多重判别，完善保护性能。在传统保护中每一元件都由独自的硬件构成，为了不使保护过于复杂，希望所采用的元件的性能应尽可能的适应各种工况下的各种故障。在微型机保护中既然各种功能都是由软件实现的，而软件又十分可靠，所以只要及时允许就可以增加功能实现多重判别，获得完善的保护性

26、能。简化定期校验、延长检验周期。继电器的动作特性是从其动作判据推导出来的，继电器的动作是微型机直接按动作判据进行数学运算所得的结果，所以没有必要用试验的方法来检验继电器进而取得动作特性。微型机保护中的继电器是由软件实现的，继电器的动作没有机械障碍，也没有电路元件参数失调的问题，不同相别继电器的特性没有差别，批量生产的装置由于程序相同，继电器特性包括逻辑回路也一定完全相同。对微型机保护的检验主要是检验各个通道（交流量、开关量、输入和输出)是否良好，确认各项功能是否按设计要求正确起作用，检验的项目和内容和传统保护相比可大大精简，检验周期可以延长。1.3.3微型机保护的前景与展望微型机保护的研制工作

27、虽然在我国起步较晚，但发展迅速，经过十几年的努力，微型机保护的研究和应用工作取得了可喜的成果，但是还应该看到微型机保护的应用发展不平衡，微型机保护的智能作用有待进一步开发，微型机保护的运行管理工作尚需进一步提高。关于微型机保护的硬件目前，微型机保护的硬件变化十分迅速，高性能，多功能，综合性强的芯片不断推向市场，因此，微型机保护的硬件变化快，但是硬件的多样性，过快的更新周期，使得在应用与实际的时候难以适应。因此，硬件的相对稳定是有利于现实情况的，当然这并不排除局部硬件采用先进的设计。另外，对用户来说，各厂家的产品最好能在端子排布置，模拟量，开关量的引入，开关量输出，键盘命令设置，定值管理，液晶显

28、示菜单方面取得统一，这将极大的有利于微型机保护的运行管理。所谓自适应保护是指保护系统能够自动修改其动作参数以响应变化的网络条件，从而保持其最优的性能，这个概念是由dyliaaco于1967年首先提出的，常规保护也力图适应系统运行方式的变化，例如电流保护的整定值考虑了最大运行方式下不误动，最小运行方式下的灵敏性，差动保护的制动特性与区外故障时的不平衡电流相适应等，但是由于常规保护不能实时检测系统运行方式的变化和在线修改定植，因此其适应能力差。微型机保护与常规保护相比有着根本的区别，利用微型机的智能作用，可以获取更多的有用信息，同时借助现代化通信手段可以方便地得到远方的信息，这样微型机保护通过分析

29、即可最大限度的适应系统运行方式的变化，从而，给微型机型自适应保护的发展开辟了广阔前景。充分利用微型机的特点，开发新原理的微型机保护装置。国内现有的微型机保护装置中，在起动元件、选相元件、阻抗元件中充分利用了突变量的原理：在振荡闭锁中利用了drdt的原理；在零序功率方向元件中，根据电压互感器二次是否断线，采用了由软件自动切换产生3u。或开口三角3u。的方法。总之，为改善保护的性能在微型机保护中采用了一些新原理，但是从大的方面看，微型机保护装置在保护的新原理开发上不够全面，需要进一步深入研究和探讨。另外，神经网络的完善和模糊控制理论的应用必将给继电保护新原理的研究开发创造出一条新的途径。微型机保护

30、与变电站综合自动化近年来，我国的变电站综合自动化技术有了迅速发展，微型机保护在变电站综合自动化系统中是一个十分重要的方面，因此微型机保护的研究工作应与变电站综合自动化系统相适应，在变电站综合自动化系统中，微型机保护装置既要保持其相对的独立性又要具备与变电站监控系统相适应的接口条件和环境，对无人职守的变电站，要求微型机保护的硬件及软件设计应具备与调度端计算机通信的条件及适合遥测、遥信、遥控、遥调的要求。2 微型机保护的硬件结构分析2.1 110kv输电线路微型机保护的硬件微型机保护的硬件构成由四部分组成： 数据采集系统（或称模拟量输入系统）：数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持(s/h)

31、、多路转换(mpx)以及模数转换(a/d)，其功能为完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。 微型机主系统：微处理器(mpu)、只读存储器(rom)或闪存内存单元(flash)、随机存取存储器(ram)、定时器、并行以及串行接口等。其功能为执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能。 开关量（数字量）输入/输出系统：并行接口(pia或pio)、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，其功能为完成各种保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话及通信等功能。 电源模块：其功能为微型机保护装置提供工作电压。一般常采用开关稳压电源或dc/dc电源模块，其提供数字系统5、24、+15、

32、-15v、电源。微型机保护的硬件构成图如下图2.1所示，图1.1微型机保护的硬件结构图图2.1 微型机保护的硬件结构图2.2数据采集系统数据采集系统（模拟量输入系统）主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持(s/h)、多路转换(mpx)以及模数转换(a/d)，其功能为完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量。如下图2.2：图2.2 数据采集系统2.2.1电压形成回路微型机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取得电流、电压信息，但这些互感器的二次数值、输入范围对典型的微机电路却不使用，故需要降低和变换。在微机保护中，通常根据模数转换器输入范围的要求，将输入信号变换为5v或10v范围内的电压

33、信号。因此，一般采用中间变换器来实现以上的变换。交流电流信号可以采用电压变换器，将交流电流信号变换为称比例的电压信号。可以采用电抗变换器或电流变换器，两者各有优缺点。总之，就是把信号变换为模数转换模块可以承受范围内的电压信号，供微型机保护的模数转换芯片使用。本文研究的110kv线路微型机保护装置将由二次电流互感器(ct)转换来的电流信号(5a)通过如图2.3所示的电路转换为ma级的电流信号；将由二次电压互感器(pt)转换来的电压信号(100v)通过如图2.4所示的电路也转换为可供模数转换部分使用的电压，这样做的优点是可以使得元件小型化。再将ma级的电流信号经过如图2.2所示的电路，进行放大处理

34、转换为电压信号，作为ad转换的输入信号。图2.3 电流信号输入变换电压的计算公式为：图2.4 电压信号输入2.2.2 采样保持电路和模拟低通滤波采样保持电路，又称s/h（sample/hold）电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。利用采样保持电路后，可以方便地进行多个模拟量实现同时采样。s/h电路的工作原理可用图2.5来说明，它由一个电子模拟开关as、保持电容以及两个阻抗变换器组成。其中和为两个放大器构成跟随器，使输出端电压跟随输入端的电压，r为负反馈电阻，两个反向并联的二极管是为了防止放大器进入饱和区以防止信号的失

35、真。 图2.5 芯片内部结构示意图采样频率的是指采样周期的倒数。采样频率的选择是微型机保护硬件设计中应该特别关注的问题。如果过快时，因微型机的cpu在处理采样信号时需要一定的时间，在这段时间内不允许有再一个采样数据的输入，否则会造成处理混乱出错。如果过慢时，会使cpu的效率得不到充分的发挥而浪费了资源，而且得到的数据还不能真实反映被采样信号的真实情况。有采样定理知道，其中是被采样信号的最大频率成分。对微机保护系统而言，在故障刚发生时，电压、电流信号中可能含有较高的频率分量（如2khz以上），为防止混淆，将不得不用的很高，进而对硬件速度提出过高的要求。实际上，目前大多数的微机保护反映的是工频量，

36、在这种情况下，可以采用一个前置的低通滤波器（lpf，low pass filter）将高频分量滤掉，这样就可以降低，从而降低对硬件提出的要求。对频率高于的可以用简单的低通滤波器（如图2.6所示）来滤除高频分量，而对于小于的频率分量可以用数字滤波器来滤除。rrcc图2.6 低通滤波器2.2.3 多路转换开关和模数转换对反映两个电气量以上的继电保护装置，都要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个量之间的相位关系，因而要对每个模拟输入量设置一套电压形成、抗混叠低通滤波器采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后，由定时器同时供给采样脉冲。但由于模数转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道

37、设一个a/d转换成数字量输入给微型机。而是公用一个，中间是通过转换开关mpx (multiplex)切换，轮流由公用的a/d转换成数字量后输入给微机。图2.7 多路转换开关模数转换是微机保护的重要元器件，要理解它的工作原理需先了解数模转换器的原理。数字量是用代码按数位的组合起来表示的，每一位代码都有一定的权，及代表一个具体数值。因此，为了将数字量转换成模拟量，必须先将每一位代码按其权的值转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，即可得到与被转换数字量相当的模拟量，完成了数模转换。如图2.8为一个4位数模转换器的原理图，更多位数的情况与此类似。 图2.8 四位数模转换器原理输出电压为：可见

38、，输出模拟电压正比于控制输入的数字量d，比例常数为数模转化器在构成逐次逼近型a/d转换器时会有用到。且一般的a/d转换都是单极性的，即如果输入的信号是负值，则不论负值多大，比较结果必然是零。但是继电保护所反映的交流电流、交流电压都是双极性的，为了实现对双极性模拟量的模数转换，需要设置一个直流偏置量，其值为最大允许值的一半。对一般的a/d转换来说，如果输入电压超过所允许的最大值，就会出现平顶波，这种现象叫溢出，出现小部分平顶波溢出的危害并不是特别严重，因为在微型机得到采样值后，还可以经过数字滤波器来对平顶波进行修正，基波相位可以做到基本不受影响，对电流保护和阻抗保护的影响较小。但是，应当指出：不

39、应出现输入量超出允许值时出现零值的现象，这种现象对微机保护的危害是致命的。如果电流信号出现这种溢出情况，则出口短路可能会被计算成区外短路，导致拒动。避免这种溢出现象的常用方法有：1，采用类似于逐次逼近方式的a/d转换器；2，在a/d转换器之前采用预先措施；3，调整模拟量回路的增益。模数转换器的类型有并行，积分型、逐次逼近型、流水线型等。在a/d转换器中ad7665时一种逐次逼近型的16位快速模数转换器。转换速率是500ksps（samples per second），即进行一次模数转换的时间为1/500k=2us。a/d7665模数转换器是由 analog devices 公司生产。芯片内部结

40、构示意图如图2.9所示。图2.9 芯片内部结构示意图其中，reset为复位输入。当该端子输入逻辑1时，无论a/d其器件处于什么状态，均被强制复位，任何正在进行的转换工作都不在继续进行。、分别为读数据和片选控制信号。当二者均为0时，输出数据才有效。为启动a/d转换输入端。在下降沿时，先触发内部的采样保持电路，随即开始模数转换。模数转换器ad7665的模数转换功能必须由微型机执行软件程序来控制，即微型机通过总线控制模数转换器ad7665。 模数转换器ad7665与微型机的接口如下图2.10所示。图2.10 模数转换器ad7665与微型机的接口由于微机保护的采样脉冲是由定时器产生。为了实时、快速地进

41、行a/d转换，将采样信号转换成数字量，在微机保护中可以利用采样脉冲的下降沿作为微型机的中断信号，从而触发微型机响应中断，保证中断服务程序能过快速地与采样脉冲实现同步。在微型机的多个中断源中，一般将完成数据采集系统功能的中断设置为优先级最高。这样，就可以将需要实时、快速、与采样脉冲同步的功能程序放在优先级最高的中断服务程序中予以执行。微机保护数据采集系统的控制和a/d数据存储，就是属于需要实时、快速、与采样脉冲同步的功能之一。2.3 开关量输入/输出系统2.3.1开关量输入输出模块开关量输入输出模块包括开关量输入回路和开关量输出回路，是微型机保护装置的重要组成部分，是连接外部强电和内部弱电的主要

42、通道，其核心是状态信号的隔离输入回路和动作信号的隔离输出回路，主要完成外部开关量引入装置进行处理和将装置内发出的开关信号引出到继电器插件，从而驱动相应的继电器跳闸或告警，达到保护的功能。下面分别介绍开关量输入回路和输出回路的设计。2.3.2开关量输入部分在微型机线路保护装置中，通常需要采集断路器状态、隔离开关状态和外部分、合闸等状态信息，这些状态量的采集都是以光电隔离方式输入的，采用光电隔离的主要优点是：输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力很强；无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高；响应速度快，易与逻辑电平配合使用。需要采集的输入开关量共8路，分为两组，一组为4路220v开关量输入，另一

43、组为4路24v开关量输入。图2.11所示开关量通过光电隔离输入电路图。其工作原理是：当外部接点接通时，光电隔离的二极管导通，光电隔离的三极管也导通，其集电极输出低电位；当外部接点断开时，光电隔离的二极管不导通，于是三极管截止，集电极输出高电位，软件读并行口该位的状态，即可知道外部接点的状态。图中二极管起保护作用，用于防止开关量输入回路电源极性接反时将光电耦合器中的发光二极管反向击穿，另一方面二极管还能够加速继电器的返回。电容为抗干扰电容。这样，开关量经过光电耦合器后直接与保护dsp相应的通用io口相连，光敏三极管的导通和截止完全反映外部接点的状态，带有电磁干扰的外部输入回路与微型机电路之间没有

44、直接电的联系，各种干扰信号不能进入微型机电路部分，从而达到抗干扰的目的。图2.11 开关量经光耦输入电路图2.12是开关量输入电路的部分电路图(只画出220v的一路输入)。在整体电路中，上面4路为220v开关量输入电路，并配有两路220v开关量监视电路；下面4路为24v开关量输入电路，配有两路24v开关量监视电路。监视电路能够实现8路开关量输入信号的开启与停止，从而达到省电目的；同时，配备有自检回路，通过4路开关量监视回路，可以实现8路开关量输入通道的自检功能。图2.12 开关量输入回路(以220v的一路输入量为例) 图2.12的原理为：6ja21为220v开关量控制1端口。当该端口输入为“1

45、时，光电隔离器ptl中发光二极管发光，三极管导通，表现为低电平，可正确对220v开关量输入信号进行采集；当6ja21控制端口输入为“o”时，光电隔离器pt3中发光二极管不导通，同时三极管截止，表现为高阻状态，此时无法采集相应的开关量。这样，就可以将装置的电源停掉，实现省电功能。自检测功能：220v开关量控制2端口6jb21输入为“1”时，光电隔离器pt2中的发光二极管导通发光，三极管导通，220v正电源经导通的三极管，二极管d3进入开关量采集电路中，通过查询开关量输入口6jbl8的状态，用以判断开关量采集电路是否工作正常。2.3.3开关量输出部分相对于开关量输入，开关量输出回路具有更加重要的地

46、位。因为在微型机保护装置中，所有的保护功能最终是通过开关量输出部分来控制继电器动作，驱动断路器跳闸或发出告警信号。如下图为一简单的输出接线图。图2.13 装置开关量输出回路接线图但是，由于开关量输出信号的正确与否关系到整个继电保护装置的可靠性，因此，开关量输出回路必须加上监视回路来监视开关量的状态。开关量输出部分主要包括跳闸出口、重合闸出口以及各种信号出口等。开关量输出部分是对断路器实现控制的出口通道，dps2812m的io口输出的是33v的低电压微电流信号，不足以直接驱动断路器实现各种操作。因此，开关量输出回路需要将cpu输出的小信号放大为大功率信号，从而驱动断路器。另外，为了防止断路器操作

47、过程中产生的瞬时脉冲对微型机保护装置的反馈干扰，还必须对出口通道进行隔离。通过采用光电耦合器与继电器相结合的方法来实现出口信号的隔离与放大。为了提高开关量输出回路的可靠性，在数字输出和继电器之间选用了光电耦合器，提高了抗干扰能力。另外，任何一路的输出均由两个信号通过与非门产生的控制信号所控制，这样就可以有效地抑制干扰产生的误动，可也以在装置出现故障的时候有效地实现闭锁。输出量光耦电路如图2.14所示。图2.14 输出量光耦电路(只画出一路) 输出量光耦电路原理为：6jb24为输出总控制端口，只用当该端口输入为“0”，与非门， u1a输出“1”时，整个开关量输出电路才能正常工作，否则，当该端口输

48、入为“1”时，各开关量输出端口经与非门后均为“1”，光电耦合器不导通，回路被闭锁。在6jb24为“o”的前提下，当跳闸输出端口6jbl4输出为“1”时，经与非门输出为“0”，光电耦合器中发光二极管导通，三极管导通，24v电源经二极管d1至3d26，3d28端口，驱动相应的继电器；同时24v电源经二极管d8至光电耦合器pt8，二级管导通，三级管导通，输出电路监视端口6ja25对电路进行监视。2.4微型机主系统模块微型机主系统一般由中央处理器、存储器、定时器计数器以及控制电路等部分组成，并通过数据总线、地址总线、控制总线连成一个系统，实现数据交换和操作控制，对数据采集系统送来的数据进行分析处理，指

49、挥各种外围接口部件运转，完成各种继电保护测量和逻辑功能。2.5电源模块微型机保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆变电源，即将直流电逆变为交流电，再把交流电整流为微型机系统所需的直流电压。将变电所强电系统的直流电源与微型机的弱电系统电源完全隔离开，通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰能力，对来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。本设计采用的逆变稳压电源的输入电压为直流220v，其输出有5v，供微型机系统使用，12v供数据采集系统使用，24v供继电器回路使用。电源模理图如图2.15所示。图2.15 电源模块原理图2.6显示部分显示面板单设一个单片机p89c51rd，负责汉

50、字液晶显示、键盘处理，通过串口与cpu交换数据。3 数 字 滤 波 器3.1 数字滤波器介绍定义：对经过采样和模数转换变成数字量的信号进行某种数学运算，取得信号中的有用信息，而去掉信号中的无用成分。在微机保护中，数字滤波器一般体现成一段程序。 图3.1 数字滤波器数字滤波器的优点：1、特性一致性好。模拟滤波器存在元件特性的差异，而数字滤波器只要保证程序一样，特性也就完全一致。2、不存在由于温度变化、元件老化等因素对滤波器特性影响的问题。3、不存在阻抗匹配的问题。4、灵活性好。只要改变数字滤波器的计算公式或改变某些系数，即可改变滤波器的特性。5、精度高。通过增加计算字长位数，就可提高计算精度。3

51、.2离散时间信号的频谱一个模拟信号x(t)经过采样和模数转换后，输入至微机的是一串时间离散、数值量化的离散数列。此数列可表示为 式（3.1）图3.2 采样信号的表示法离散数列的傅氏变换定义： 式（3.2）与x(t)的频谱x(f)的关系之间关系：定义： 式（3.3）信号的频谱为 式（3.4） 由公式（3.2）与（3.4）得 式（3.5） 的频谱 和的频谱 的关系：对式（3.3）傅里叶变换得 式（3.6）如果x(f)是有限带宽的，且满足： x(f) =0，当|f|fs/2.则 在任一个周期内的形状都同x(f)一样。且有： 当|f|fs/2时, 式（3.7）3.3非递归型数字滤波器定义：将输入信号和

52、滤波器的单位冲激响应作卷积而实现的一类滤波器。即： 式（3.8）非递归型数字滤波器的单位冲激响应必须是有限长的，即从0到n，共n+1个冲激序列值。 非递归型数字滤波器必定是有限冲激响应滤波器（fir）。 设计步骤：1、先在连续域进行，即根据频域提出的要求，找到一个合适的傅氏变换对h(f)和h(t)，称为设计样本。 2、然后对h(t)按系统的采样频率采样得到h(nts)的各系数值，即可实现滤波器。数字滤波与模拟滤波等价的条件： 常用的有差分滤波器与积分滤波器3.4递归型数字滤波器定义：将前几次的输出值作为输入来求下一时刻输出的数字滤波器。 式（3.9） 两边进行傅氏变换： 式（3.10） 式（3

53、.11）递归型数字滤波器的设计步骤：1确定所要求的频率特性； ；2对进行采样得到进行傅氏变换得到 ；3将 整理成 的形式；从而得到 和 系数，得出递归型数字滤波器。4 微型机保护的软件结构分析4.1软件结构分析概述110kv线路微型机保护装置是由p89c51rd单片机实现的两cpu线路保护装置。装置包括三段零序电流保护及三相一次自动重合闸。装置采用了多单片机并行工作的方式，配置了两个cpu插件，分别完成零序保护及重合闸，另外配置了一块接口板，完成对各保护cpu插件的巡检、人机对话和与系统微型机连机等功能。零序电流保护包括零序i段-iii段和不灵敏i段，零序三段均可由控制字整定是否经零序功率方向

54、闭锁。可由控制字控制是否加速ii、iii段。振荡闭锁采用启动元件动作后短时开放的原理，即启动元件动作后的015秒内开放保护，若在该时间内i、ii段均不动作，则将保护闭锁。零序保护不经振荡闭锁，只受启动元件的控制。三相一次自动重合闸由保护启动或由开关位置不对应启动。4.2程序总框图如图41所示软件整体流程图。本设计中，采用模块化的设计思想，软件模块主要由主程序模块、中断服务程序模块和故障处理程序模块组成。如图4.1 软件整体流程图主程序模块主程序模块包括初始化、全面白检、开放中断与等待中断、数据传输通信等环节。初始化初始化是指保护装置在上电或按下复位键时首先执行的程序，它主要是对dsp芯片的工作

55、方式及参数进行设置，以便在后面的程序中按预定的方案工作。首先f2812对自身的工作环境进行设置，初始化各种寄存器，按照电路设计的输入输出要求，设置每一个端口用作输入还是输出，初始化保护输出的开关量，以保证出口继电器均不动作；初始化dsp采样定时器，控制采样间隔时间等。全面自检对装置的软硬件进行一次全面的自检，包括ram、flash或rom、各开关量输出通道、程序和定值等，以保证装置在投入使用时处于完好的状态。(1)ram的读写检查对ram某一单元写入1个数，再从中读出，并比较两者是否相等。如发现写入与读出的数不一致，说明随机存储器ram有问题，则转至告警模块。并将告警信息显示在液晶显示屏上。(

56、2)开出自检开出自检主要是检测开出通道是否正常，它是通过硬件开出反馈来检查的依次开出每一路开出量，并从反馈回路检查开出量是否正确。由于受启动继电器的闭锁，所以在开出每一路开出量时，保护并不会误动。(3)整定值检查每套定值在存入eeprom时，都自动固化若干个校验码。若发现只读存储器eeprom定值求和码与事先存入的定值和不一致，说明eeprom有故障，转至告警模块，并将告警信息显示在显示器上。参数刷新在经过全面自检后，应将所有的数据、标志字清零，因为每一个标志代表了一个“软件继电器”和逻辑状态，如果不清零，这些标志将控制程序流程的走向，以致无法达到预期的目的。开放中断与等待中断经过初始化和全面自检后，表明装置的准备工作已经全部就绪，此时，开放中断，将数据采集系统投入