电气工程及其自动化毕业设计——配电网输电线路微机式保护装置设计

1、中国矿业大学本科生毕业设计姓 名： 学 号： 学 院： 中国矿业大学 专 业: 电气工程及其自动化 设计题目： 配电网输电线路微机式保护装置的设计 专 题： 指导教师： 职 称： 2014年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书 任务下达日期： 年 月 日毕业设计日期： 年 月 日至 年 月 日毕业设计题目：配电网输电线路微机式保护装置的设计毕业设计主要内容和要求：通过查阅相关书籍、文献、资料，对配电网输电线路的故障类型、特征以及对保护的要求等方面有较好的掌握，在此基础上，进行下列内容的设计1、对配电网输电线路各种故障类型的故障特征进行分析计算。2、熟悉配电网输电线路对继电保护的要求。3、掌

2、握配电网输电线路保护的配置和整定计算方法。4、完成配电网输电线路微机式保护硬件电路的设计。5、 完成所设计微机式保护的电路原理,pcb图和程序流程图。6、编写设计论文指导教师签字：郑 重 声 明本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业设计的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的

3、掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及

4、建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日摘 要现代电力系统中，继电保护装置是保证电力系统安全运行和提高电能质量的重要工具。随着变电站综合自动化技术的发展及其推广应用，微机保护装置已成为电力部门的普遍要求。本文的主题是输电线路保护装的置设计，首先介绍了研究该装置的目的和意义、国内外的发展情况，并详细介绍了保护装置的原理与算法。随后，本文详细介绍了装置所采用的单片机（at89s52）和各辅助芯片的功能作用，以及相关电路的设计。本装置硬件包括数据采集系统、开关量输出电路、键盘显示电路等。最后，针对本文的硬件绘制了系统的软件流程图部分，包括按

5、键和液晶显示系统软件流程图和保护功能程序软件流程图，实现了对输电线路的三段式过电流保护和反时限过电流保护的功能。关键词: 微机保护 ；线路保护 ；单片机 abstractin the modern power system, protective relaying equipment is of importance to guarantee the safety of the system operation and improve power quality.with the development of the integrated automation technology of su

6、bstations and its application, microcomputer protection installation has become the universal demand to the power sector.the theme of this paper is about the design of line protection of the device, firstly it introduces the purpose and meaning of this research on the device, the development both at

7、 home and abroad, and the principle and algorithm of the protective device.then, it introduces the functions of the single chip microcomputer (at89s52) and each companion chip used by the device relating to its circuit design. the hardware includes data acquisition system, switching output circuit,

8、keyboard display circuit and so on.finally, the flow chart which is drew according to in this paper the hardware of written parts includes the keys and liquid crystal display system software, thus realizing the three-step over current protection and the inverse time limit overcurrent protection func

9、tion of the lines.keywords: microcomputer protection ；line protection ；single chip microcomputer目 录1绪论11.1本课题研究的目的及意义11.2微机保护的发展史及国内外研究现状21.2.1微机保护的发展史21.2.2微机保护国内外现状31.3本文需展开的工作42基本理论分析42.1线路保护基本原理42.1.1三段式电流保护52.1.2反时限过电流保护1122微机保护基本算法133硬件电路设计173.1功能介绍173.2程序框图183.2硬件电路设计193.2.1互感器193.2.2采样电路203.

10、2.3a/d转换电路223.2.4主控制电路233.2.5lcd显示电路273.2.6键盘电路和声光电路283.2.7开关量输出电路304软件流程图3141系统软件流程图3142保护判断流程图325总结32参考文献34英文原文37中文译文45致 谢50中国矿业大学2014届本科生毕业设计1 绪论1.1本课题研究的目的及意义电力能源已经成为世界上现如今使用范围十分宽泛的能源，也同时拥有十分重要的地位，供电系统输电网络可否正常、稳定、安全地运转，直接关系到百姓的生活、国民的经济，甚至能够影响到社会的稳定。1正因为这样，才有必要为电力系统构建一个安全的保障系统，而继电保护便是这个系统中尤为重要的一项

11、技术，而输电线路又是电气元件当中非常关键的一部分，因此，对输电线路继电保护的研究就显得尤为重要。线路对于电力系统而言，至关重要，同时这一环节也是故障最为易发的部分。一旦输电线路上发生故障，故障点能否被及时判断，故障是否能被及时排除，就整个电力系统的经济运行和安全稳定具有相当重要的意义。2相比较于初期较传统的继保装置，微型机保护装置拥有优良的动作特性，运行起来可靠而又稳定、具备简单的接线方式，安装起来十分的方便，在维护和调试方面也相当的便捷，自从问世到现在，吸引了人们普遍的关注，在最近的一些年来受到了国内外的关注，更是得到了广泛的运用。输电线路的保护因其在继电保护中拥有地位非常的重要，而且近些年

12、超高压、长距离输电线路飞速发展，这便对输电线路保护所能完成的功能又提出了更进一步的要求，再加上输电线路保护其本身的功能和逻辑又十分的复杂，而微型计算机却能完成复杂的指令操作，这便使得微型机式保护在输电线路保护方面的应用变得更加广泛。3电力系统体系在其运行的过程当中不可避免的会出现非正常的工作状态，发生各种各样故障。这其中最为常见的故障便是各种形式的短路，而最常见的非正常工作状态一般为过负荷，长时间处于过负荷状态会加速绝缘老化，使得设备遭到损坏，严重时甚至有可能引发故障，而且两者皆很有可能在系统中引发事故，从而酿成难以补救的损失。更多的经验表明，电力系统中只要一出现故障，如果不能够得到有效而及时

13、的控制和解决，从而造成电网瓦解，必然会导致大面积的停电，进而很有可能给社会带来难以想象的严重后果。我国的国民经济在近年来发展飞速，其对电力能源的需求也日益剧增，目前国家正在加大对电网建设，电力能源的投入，但仍旧无法满足现如今飞速发展的经济的需要，可以预料，我国的电能开发在可预见的将来任将保持较快的发展速度，输电线路见愈来愈长，电压降愈来愈高，电网将愈来愈复杂，这对电力系统的稳定运行及故障的及时发现和处理提出了更为苛刻的要求，继保装置的快速和准确动作变得愈发重要。输电网的线路既是系统内部元件，也肩负着系统与系统之间连接的重要工作，因而，保障输电网的线路安全，平稳地运转，关乎到整个输电网络的平稳和

14、有效性。4而在输电线路上可能出现的故障即为短路和断路，短路并不会对负载造成严重的损毁，而短路故障，如若不能及时发现和有效的处理，将会对负载及系统，甚至对整个电网网络造成不可挽回的损失。因此，研究和解决输电线路上的短路故障变得十分重要。随着计算机技术的不断进步，功能全面，各项性能指标表现卓越的微型机保护装置，逐渐取代了传统晶体管保护装置，集成电路保护装置和电磁式保护和装置，微机继保装置技术的发展和应用是这些年来继保方面取得的十分明显的成果，通过长期地研究和实践，微机保护在电网保护中无可取代的地位已然被普遍的认可。1.2微机保护的发展史及国内外研究现状1.2.1微机保护的发展史基于微型计算机系统构

15、成的继电保护系统被称为微机保护系统。微机保护装置在一些欧美学者的倡导下，于十九世纪里六零年代中后期开始进行研究。运用小型计算机来实现继电保护的设想在六零年代的中期曾经被人提及，但限于当时较为高昂的计算机价格，与此同时继电保护的相关技术要求在当时又没有办法来实现，尽管没有得到相应的应用，但是在此之后，计算机继保的算法和程序受到了人们的关注，也开始了大量的研究，这些理论研究成果，为之后的继电保护发展提供了有力的支持。10在1975年初就已经有公司在变电所的自动重合闸及其控制上运用了微机处理技术，这家公司就是英国gec公司。并在这之后的1979年一次全球性的微机保护研究会在ieee教育委员会的组织下

16、展开了，随即，世界上很多家继电器制造商都开始重视微机保护装置的创新与生产，并很快向市场推出多样化的产品。微机保护装置产品很快在市场上得到了响应。以意大利的一家v. calderaro公司为例，他们公司的电网故障因为自适应算法得到安全地、可靠地解决；同时归功于微机保护装置（即微机的温度、速度、光照关照、辐射），实现了反时限特性。11虽然继电保护在世界上发展的比较早，可是对于中国来说相对较落后。但是近几年的发展却值得关注，因为我国经济的发展，科学技术的发展，人们生活水平的发展等方方面面的因素都影响着继电保护行业的前进的步伐。自七十年代末开始，我国才逐渐开始继保方面的探索和研究，一九八四年，华北电力

17、大学杨奇逊教授研制的第一代微机型高压输电线路机电保护装置投入现场运行，在此之后，微机型继电保护在我国得到了飞速发展。直到20世纪90年代，微型机继电保护才正式踏上了历史的舞台。121.2.2微机保护国内外现状到目前为止，运用于微机保护的处理器有三种。一是，性价比相对较高的单片机：中央处理器（cpu）、只读存储器(rom)、随机存取存储器（ram），运用集成电路技术、简单的接口技术将以上单元包括相互间的连接线路封装于同一个芯片内，实现单片机的可靠性和低耗性。从最初的8位单片机到16位、32位单片机的保护设计；二是，dsp：利用其算法处理的优越性和独特性，在市场上开辟出属于自身的独特发展路线。三是

18、，嵌入式的处理器。起初运用在电力系统微机保护上的是单核心控制，到现如今使用的多核心处理控制，微机式保护装置在一步步升级。为了对在扰动情况下的电网信号的突变进行更好的估算，南非的abhisekukil等人引入了递归参数估算技术，并利用模型实现了对故障前和故障后的状态参数的估算。在计算机技术飞速发展的今天，一种特殊结构的高性能处理器随之而诞生，它便是dsp处理器，相比较单片机而言，dsp处理器无论是在计算能力黑石在总线速度上都领先单片机，加之又拥有比单片机先进的开发平台和丰富的硬件资源，dsp处理器在各个领域达到了广泛的运用。dsp处理器同样也被运用在微机保护领域，它拥有比单片机更短的数字滤波和计

19、算时间，同时还能完成所需的控制功能。目前在国内外，已经有很多学者将其运用于微机保护系统的研究和应用当中。1.3本文需展开的工作本文主要介绍了输电线路微机保护中的三段式电流保护和反时限电流保护的特点，原理以及实现方式，以及二者相结合的保护方式。并进行了相关电路的分析设计，完成了系统系统软件的流程图。并进行了分析总结。2 基本理论分析2.1线路保护基本原理在电力系统中发生的故障通常表现为电流的突变，正因为这样，电流保护和电压保护因其较高的可靠性和简单的实现原理，常被选用在中低压的输电线路保护中，三段式的电流保护的动作依据皆是电流的增大。三者相互配合可形成一套十分有效的保护系统，称为阶段式电流保护。

20、输电线路的电流保护一般性的选用电流的三段式保护，第段保护通常选用无时限的速断保护，即电流速断保护；带时限的电流速断保护一般被选择用来作第段的保护，通常一条输电线路上的相与相之间的主保护会选用以上的这两段保护，即段和段的电流保护；除了主保护外，线路上还有后备保护，后备保护包含两个方面，即本条线路上相与相之间的近距离后备保护和相邻线路的远距离的后备保护，即为第段电流保护，通常选用过电流保护作为本段的保护。三段保护中，段动作电流整定值最大，动作时间最短；段动作电流整定值最小，动作时间最长，三段电流保护的整定值呈阶梯特性，故称为阶段式电流保护。如果线路上流过的电流值比设定的电流值和整定的延时都要大，装

21、置便会通过跳闸来发出动作信号。2.1.1三段式电流保护1瞬时电流速度按保护（段）阶段式电流保护的i段保护采用无时限电流速断保护或无时限电流闭锁电压速断保护，如图2-1所示，以单侧电源网络配电线路上的电流保护为例分析电流速断保护的原理。为反映全线路上的故障电流，设线路ab上的电流保护安装与线路始端母线a上，即图中的电流保护1。保护1的电流保护的动作值一定要在保护范围以内有可能出现的短路电流的最小值以下才能保证其动作的可靠性。在图2-1（a）中，假设ab线路上d1点发生三相短路，则线路上流过的短路电流为: （2-1）图2-1无时限电流速断保护特性分析式中，e电源系统相电势； zs 电源系统阻抗；

22、zd 故障点与保护装置处之间的阻抗。由上式计算可知，当系统一定时，流过电流保护的短路电流与系统阻抗zs、短路点的位置zd及短路类型有关，而系统阻抗zs决定于系统的运行方式。保护的最大运行方式指的是，一般的系统在实际的运行当中，某一点在最大运行方式下发生三相短路时的电流最大；而线路中的某一点在系统运行于最小运行方式下时发生两相短路的短路电流最小，称之为保护的最小运行方式。 zs在系统在最大运行方式下运行时取最小值取最小值zs.min； zs系统在最小运行方式下运行时取最大值zs.max。将系统在最大运行方式和最小运行方式下线路ab和bc上的短路电流与故障点位置变化之间关系的曲线图表示在图2-1（

23、b）中，图中曲线1为 曲线；曲线2为曲线。由以上可以知道，系统在其他运行方式下运行时，不论发生什么类型的短路故障，其 曲线都应当位于曲线1和曲线2之间。ab线路上a母线处的电流保护应能快速切除ab全线故障，而由图可知，ab线路可能出现的最小短路电流是ab线路末端b母线处发生两相短路时的短路电流，其应大于或等于其动作值 ，即 其中，为母线b在最小运行方式下发生两相短路时的最小短路电流。由图2-1（b）中曲线可知，在系统最大运行方式下bc线路靠近b母线处发生短路时，由于短路电流大于，bc线路始端故障时，在ab线路上安装的电流保护1可能误动作，从而使得保护失去选择性。为了保证选择性，则ab线路上的电

24、流保护的动作值必须满足与此同时，为了区分电流保护所保护线路的故障点是本线路的末端，还是下一条相邻线路的始端，一般取动作电流考虑到微机保护信号预处理系统可能产生的误差，取 （2-2）式中， 可靠系数，1.3； b母线处在系统最大运行方式下发生三相短路时的短路电流。保护电流按照上式整定后，就可以保证在母线a处安装的电流保护1的选择性了。如果不计保护装置本身和断路器的动作时间，则保护可以无延时动作，故称此套电流保护为无时限电流速断保护，或称电流i段保护。电流段保护的整定值按躲过本线路末端发生短路时的最大短路电流来取值。为了与后面电流保护参数区别，保护1电流i段保护的动作值通常表示为 ，保护动作时限表

25、示为=0s。系统在大运行方式下运行时，被保护线路末端三相短路时的灵敏系数不小于1时便可投运。即1 （2-3）其中，为常见运行方式下，b母线发生三相短路时的短路电流。将动作值也画在图2-1（b）中，它是一条直线，且与曲线1和曲线2都交于一点，交点对应的线路长度分别为系统在最小运行方式下保护的最小保护范围lmin和系统在最大运行方式下保护的最大保护范围lmax。由此可见，系统运行方式的变化将直接影响到电流i段保护的保护范围，尤其是当系统最小运行方式下运行时，运行方式变化较大时，段保护将会出现无保护范围，正因如此，电流段保护无法保护线路的全长，这也是该保护的缺点。2. 电流限时限速断保护(ii段)：

26、经过上述的分析可得知，想要达到保护线路全长的目的，在ab线路上仅安装一套电流i段保护是难以实现的。对图2-2中ab线路末端范围内的一部分bb段内的故障必须依靠其他保护来切除。想要达到保护线路ab全长的目的，必须要在在a母线处再安装一套电流保护装置，但这套电流保护有可能在下一条相邻线路bc始端d点发生故障时动作，跳开1dl，因为使得保护失去选择性。当d点发生故障时，在b母线处安装的电流速断保护2必须先动作，跳开2dl，因此，只要在ab线路上的这套电流保护启动以后经一个延时再作用于出口跳闸，防止其保护误动，即可满足条件，也就保证保护的选择性。称该电流保护为限时的电流速断保护，即电流ii段保护（如图

27、2-2所示）。同时为保证速冻性，不宜过长，一般选择为0.3-0.5s。 图2-2阶段式电流保护范围及时限配置示意图由图2-2可知，安装在1dl处的电流ii段的保护只要满足其保护范围在2dl处电流i段的保护范围之内即可保证选择性，并且 式中，在断路器1dl处安装的电流ii段保护的动作值；在断路器2dl处安装的电流i段保护的动作值。若取可靠系数为1.1，则 （2-4）即电流ii段保护的整定值按躲过下一条相邻线路电流i段的动作值整定，整定时限为 （2-5）式中，保护1的电流ii段动作时间； 保护2的电流i段的动作时间。保护1电流ii段保护的灵敏度系数为 （2-6）要求满足以下要求：（1）对50km以

28、上的线路， 不小于1.3；（2）对20km-50km的线路，不小于1.4；（3）对20km以下的线路，不小于1.5；ab线路上装设了电流i段和电流ii段保护后，全线故障在0.3s-0.5s便可得以切除，且对电流i段范围内的故障实现了保护的双重性。电流i段和电流ii段保护因其对低压网络中的线路能满足“四性”的要求，故称之为为线路的“主保护”。3. 定时限过电流保护（iii段）：在故障发生时线路的主保护或断路器有可能会拒动，此时，为了保证故障能被及时地切除，应当在线路上安装后备保护，这一保护即为电流的iii段保护，一般性的会选择定时限的过电流保护来作为电流的段保护。电流段保护既可以保护本段线路的全

29、长，用作近后备保护，又可以用来保护相邻线路的全长，作为远后备保护。图2-2中给出了保护1的电流iii段的保护范围，其动作值得整定按以下两种标准，保护1的电流iii段动作值取上两式中较大者。（1） 按线路正常运行时的最大负荷电流来整定。 （2-7）式中， 安装于1dl处的保护1的电流iii段动作值； 电流iii段可靠系数大于或等于1.2； 电动机负荷自启动系数大于或等于1； 返回系数，取0.85-0.95； 线路ab上可能流过的最大负荷电流。（2） 定时限过电流保护与相邻线路的过电流保护动作值配合。 （2-8）式中，配合系数，取大于或等于1.1； 最大分支系数； 安装于2dl出的保护2的电流ii

30、i段动作值。按上述方法整定电流iii段动作值，如图2-3所示d点故障时，短路电流id可能使保护1、2、3、4、5的电流iii段均启动。为了使各电流iii段保护之间保证选择性，其时限一般按阶梯形原则来整定，及每套电流iii段的时限都应比与它相邻的下一条线路的电流iii段的时限大一个时间 ，即 （2-9）图2-3过电流保护动作时限选择说明图2-3所示为按阶梯形原则整定时限的示意图，图中过电流保护1、2、3、4、5的时限分别为 （2-10） （2-11） （2-12） （2-13）可见，电流iii段安装位置越靠近电源端，则动作时限越长；越靠近电网末端动作时限则越短。这是过流保护的缺点，故只能作后备保

31、护使用。当电流iii段作为本线路的近后备保护时，要求本线路末端发生短路时的最小电流灵敏系数不小于1.5，作相邻线路的远后备保护时灵敏系数不小于1.2，即1.5 （2-14）1.2 （2-15）其中，为系统最小运行方式下，c母线发生两相短路时流过保护的最小短路电流。2.1.2反时限过电流保护由于定时限过电流保护（段保护）越靠近电源，保护的动作时间越长，因此对切除故障十分不利，而反时限的特性是故障点越靠近电源时，流过保护的电流越大，动作时间越短，恰好弥补了定时限过电流保护的不足。反时限保护有三种特性：标准反时限： （2-16）非常反时限： （2-17）极端反时限： （2-18）式中，反时限特性动作

32、时间；时间常数，通常取段的时间整定值0.05s1s电流基准值，通常取段的电流整定值保护的短路电流反时限电流保护的整定值按躲过本线路最大负载电流来取值。灵敏度要求，本线路末端故障时大于或等于1.5，相邻线路末端故障时大于或等于1.2。反时限过电流保护与上下级保护间的配合：图2-4相邻反时限电流保护的配合（1）反时限电流保护与相邻级的反时限保护的配合如图2-4，保护1与保护2反时限过电流保护间的配合。保护1的反时限过电流保护特性（曲线1）应高于保护2的反时限过电流保护特性（曲线2），即保护的电流整定值应满足保护2的出口（）发生三相短路故障，即保护1与保护2的反时限过电流保护流过相同的最大短路电流时

33、，所对应的动作时间应满足配合级差0.5s0.7s。当保护2的电流速断保护长期投入时，保护2与保护1的反时限过电流保护配合点可选在保护2速断保护区末端（）。当点发生故障，保护1保护2通过最大电流时，应满足0.5s0.7s。同时，常见的运行方式下点发生短路时t2应不小于一定的时间级差。（2）反时限电流保护与上一级定时限过电流保护（段保护）的配合图2-5中，保护1的段与保护2的反时限过电流的动作时间值的配合应符合保护1的整定值大于保护2的整定值一定的可靠倍数。同时，动作时限的配合如图梯形曲线1，为保护1的时限特性曲线。保护1第段电流保护的保护范围末端（）发生短路时，流过保护2的反时限过电流保护的电流

34、对应的动作时间应小于保护1的动作时间，即配合级差0.5s0.7s。图2-5反时限电流保护与定时限过电流保护的配合（3）反时限电流保护与下一级定时限过电流保护（段保护）的配合图2-5中保护2的反时限过电流保护与保护3的定时限过电流保护配合，应满足保护2的整定值大于保护3的整定值一定的可靠倍数。动作时限配合如图中曲线2，为保护2的反时限过电流保护特性曲线。当保护2出口（）发生短路故障，保护2与保护3通过相同的最大电流时，保护2与保护3第段时间配合级差应满足0.5s0.7s。保护3的电流速断保护长期投入时，保护2与保护3配合点可选在保护3速断保护区的末端（点）。点短路，保护3与保护2通过相同最大电流

35、时，应满足0.5s0.7s。同时，常见的运行方式下k2点发生短路时t2应不小于一定的时间级差。22微机保护基本算法傅立叶算法（傅氏算法）：傅氏算法的基本思路来自于傅立叶级数。它把采样的模拟信号看作是一个周期性的时间函数，该算法本身具有滤波作用，可表示为： (2-19)式中，n=o、l、2，、分别为各次谐波正弦和余弦的振幅，为基波的角频率，根据傅立叶级数的原理，可求出 （2-20） （2-21）进一步推倒可得： （2-22） （2-23）式中，n为一个周期的采样点数，当n取不同值时，根据公式（2-24）和（2-25）可以求出各次谐波的幅值和相角： （2-24） （2-25）当n=l时的分量即为基

36、波分量，在线路微机保护系统的算法设计中需要的正是这一分量，如果每个周期的采样点数为十二个，那么以上两式（2-22）和（2-23）便可改写为公式（2-26）和（2-27）： （2-26） （2-27）由式(2-24)、(2-25)、(2-26)、(2-27)可以方便的计算基波的幅值和相角，这种计算方法的数据窗为一个周期，因此它的反映速度比较慢，数据窗为一个周期的傅氏算法称为全波傅氏算法，我们利用正弦函数和余弦函数的性质，可以只取半个采样周期来计算，这样可以提高响应速度，数据窗为半个周期的傅氏算法为半波傅氏算法。半波傅氏算法和全波傅氏算法类似，其计算公式如式(2-28)和(2-29)： （2-28

37、） （2-29）在衰减的非周期分量的影响下，傅氏算法的计算误差比较大。另外，由于半波傅氏算法的数据窗只有半周，所以它的精度比全波傅氏算法精度低，但是半波傅氏算法是以提高运算速度为前提的，因此，当线路故障发生在保护范围的o-90%以内时，用半波算法计算很快就趋于真值，虽然精度不高，但是足以正确判断是范围内故障，当故障在保护范围的90%以外时，为了保证计算精度，要以全波傅氏算法的计算结果为准。由以上分析可以得到总结：1.任何一种算法的精度和速度都是与采样点数（也就是采样频率）直接相关的，采样频率越高，精度越高，响应速度越慢，采样频率越低，精度越低，响应速度越快。2.傅氏算法具有滤波作用，可以消除恒

38、定的直流分量和整次谐波分量，但是不能消除衰减的直流分量，在最严重的情况下，由衰减直流分量造成的傅氏算法的计算误差达到10%以上，因此，必须采取措施给予补救。3.全波傅氏算法的数据窗为一个周期，响应速度比较慢，但运算精度相对较高，半波傅氏算法的数据窗缩短为半个周期，响应速度相对较快，但运算精度有所下降。在装置的主保护板的算法设计中，我们选择全波傅氏算法作为线路保护的算法，故障模拟量经过电压互感器和电流互感器进入ad转换器，采样频率选择为600hz，即一路信号一个周期有12个采样点，然后得到的12个采样值通过式(2-26)和式(2-27)计算得到输入模拟量的实部和虚部，根据式(2-24)和式(2-

39、25)就可以计算模拟量的幅值和相角。装置要实现的功能是把计算得到的模拟量有效值与系统的整定值相比较，如果模拟量有效值超过系统整定值，就迸一步通过驱动出口继电器和断路器跳闸，从式(2-20)和式(2-21)可知，基波电流可以表示为： （2-30）或 （2-31）基波电流的有效值及相角为： （2-32） （2-33）同理可以推出n次谐波分量的有效值和相角为： （2-34） （2-35）在算法的判据设计中，主要是把采集的一路信号的12个离散值根据式(2-26)和式(2-27)计算出模拟量基波分量的实部和虚部，然后再根据式(2-32)和式(2-33)就可以计算出基波分量的有效值和相角，最后通过与保护整

40、定值进行比较而判断装置是否动作。3 硬件电路设计3.1功能介绍保护装置包括三段式电流保护和一个反时限电流保护本课题采用atmel公司生产的at89s52系列的单片机作为主控制器，它支持isp在线可编程写入技术！串行写入、其频率高达33mhz,故其速度更快、内部集成看门狗计时器，不再需要像89c51那样外接看门狗计时器单元电路。稳定性更好。at89s52 高性能8位单片机是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，可以适应不同产品的需求。通过数模转换可将模拟信号转换为单片机可识别的数字信号。a

41、/d转换模块则选用成本较低的逐次逼近型a/d转换器（adc0809），市场上很容易购买的到。段电流速断保护，当短路电流大于保护器动作电流时，保护动作。当单片机接收到输入电流数字信号大于设定值时，程序控制保护器动作。由于段保护不能保护线路全长，故需要加上段保护，段保护原则是与下一线路段保护配合，不能影响下一线路段保护的动作，故需要在本段线路段保护动作前加上一段延时，可由单片机的延时程序模拟时间继电器实现，若单片机未收到下一段线路保护器动作信号，则控制本段保护器动作。 段保护为后备保护，其启动电流应大于最大负荷电流，其返回电流应大于外部断路故障切除后流过保护的最大自启动电流，均可由单片机程序设定，

42、满足条件即执行。段保护实际上是实现指定的跳闸顺序，距离故障点最近的保护先跳闸，阶梯起点为电网的末端，每级间隔时间相同。单片机程序判断短路电流大于设定的整定时，段保护启动，程序控制保护器动作，切断线路。反时限电流保护的特性与很多负载的故障特性相似川，因此在许多场合下比定时限保护的性能更为优越，并且反时限过流继电器具有自适应功能二故障点越靠近电源，故障电流越大，动作时间越短;在远端短路时，动作时间越长。在一般情况下，反时限过电流保护可以用比较合适的动作时间切除故障;而定时限过流继电器由于受到系统运行方式的影响，往往不能同时满足灵敏度和动作范围的要求。因此，反时限过流继电器主要应用在对近处和远处故障

43、时，故障电流差别很大(例如，当线路阻抗和电源阻抗相比较大时)时或者恢复供电产生很大的涌流时。反时限电流保护在配电网络末端和大容量电机上得到广泛应用。运用单片机程序设定反时限电路保护的启动定值，单片机程序判断若电流小于启动定值且持续一个周期以上，则保护返回，不启动保护装置。cpu电流电压互感调理电路a/d转换键盘电路lcd显示继电器开关量声光报警3.2程序框图图3-1总体框图（1）互感器模块该模块由电流电压互感器组成，通过互感线圈，将电压电流分别调校成低电压和小电流，方便后续的转换和测量。（2）调理电路模块该模块由三组电压调理电路和三组电流调理电路组成，完成三相电路的电压电流采样的处理，以达到a

44、/d转换器的量程要求。 （3）a/d转换模块a/d转换模块由一个双极性a/d转换器组成电压经调理电路调理后，被送入a/d转换器，由a/d转换器将模拟信号转换成单片机可识别的数字信号输入单片机，从而完成电流电压的采集。（4）主控制器模块主控制模块有一片at89s52单片机以及单片机外部时钟电路和复位电路组成。负责处理a/d转换器送入的数字量信号，处理后在外接显示器上显示电流电压的数值，同时通过链接键盘得以实现键盘来控制系统功能，同时外接报警电路和继电器开关输出，从而达到报警和切断故障的功能。（5）声光报警模块声光报警模块由一个发光二极管电路和一个蜂鸣器电路组成，实现报警功能。（6）键盘和显示模块

45、该模块由一个128x64的lcd显示屏和六个键盘按键组成实现数值的显示和功能的控制。3.2硬件电路设计3.2.1互感器（1）电流互感器图3-2电流互感器电流互感器是依据电磁感应的原理设计的将达电流转换成小电流的互感器。由绕组和闭合铁心组成，一次绕组匝数很少，串联在被测线路中，二次绕组匝数较多，串接在保护回路和测量仪表上，工作时，二次回路时始终闭合，二次侧阻抗很小工作状态接近短路。电流互感器的作用就是按一定比例将较大的一次电流转换成较小的二次电流，以便于用来测量和保护等用途。本设计中采用星格公司生产的sct220b精密电流互感器，具有小体积，高隔离度和耐冲击性。额定的输入电流为20a，额定的输出

46、电流为20ma。（2）电压互感器图3-3电压互感器电压互感器是由两组绕组、铁心和绝缘组成的。在一次侧加上u1电压时，根据电磁感应定律，二次侧就会产生一个电压u2，通过改变一、二次侧的绕组匝数，就可以产生不同的电压比。电压互感器就是利用这一点，将输电线路上较高的电压转换成绞死的电压，二次侧主要连接在继保或者测量仪表上。电压互感器的作用就是将高电压变成低电压供测量或保护等用途。本设计选用的是武汉精量电子有限公司生产的jlpt12型电压互感器，输出电压为5v。该互感器价位低，精度高，体积小，重量轻，安装简便，适合密集安装，电压直接输入无须串接电阻，广泛用于测量交流电压的场所。3.2.2采样电路（1）

47、电流采样电路如上图3-4所示，在电流互感器两个输出端之间加上一个电阻，便可将电流量转化为电压量，便于a/d转换器读取信息。经过一个放大电路将电压放大，再经过限幅电路将输出电压控制在a/d转换器量程之内，通过电容滤波后经电阻连接一个电压跟随器（用做缓冲器），经电阻输出至a/d转换器的输入端，完成电流的采样。图3-4电流采样电路其中，rf为反馈电阻，r2为平衡电阻，其作用是用来保证运算放大器差动输入级输入端静态电路的平衡。为保证运算放大器输入对称的结构，r2的值应为r1/rf的等效电阻的值，即r2=r1/rf，其中r1=100，rf=400，放大倍数a=rf/r1=4，d1，d2为稳压二极管。（2

48、）电压采样电路图3-5电压采样电路如图3-5所示电压互感器一端接地，另一端接放大器输入端，和电流采样一样，电压信号经过放大器放大后，接电压限幅电路，经电阻接缓冲器（即电压跟随器）接电阻输出至a/d转换器输入端。3.2.3a/d转换电路图3-6a/d转换电路数据采样系统由采样保持器，a/d转换器以及多路开关组成，本次设计选取的是tlc2543型a/d转换器来对采集到的数据进行转换，并计算有效值。tlc2543是ti公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成a/d转换过程。由于是串行输入结构，能够节省单片机i/o资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。ain0

49、ain10为tlc2543的十一路输入通道，11路输入信号由内部多路器选通。对于4.1mhz的i/oclock，驱动源阻抗必须小于或等于50，而且用60pf电容来限制模拟输入电压的斜率。cs为片选端。在端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定时间内禁止datainput和i/o clock，datainput为串行数据输入端，由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道。data out为a/d转换结果的三态串行输出端。cs为高时处于高阻抗状态，cs为低时处于激活状态。eoc为转换结束端，在最后的i/oclock下降沿之后，eoc从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止。i/o

50、 clock为输入/输出时钟端。i/oclock接收串行输入信号，并完成以下四个功能：（1）在i/o clock的前8个上升沿，8位输入数据存入输入数据寄存器。（2）在i/o clock的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到i/o clock的最后一个下降沿为止。（3）将前一次转换数据的其余11位输出到dataout端，在i/oclock的下降沿时数据开始变化。（4）i/oclock的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位。ref+为正基准电压端。基准电压的正端（通常为vcc）被加到ref+，最大的输入电压范围由加于本端与ref-端的电压差决定。ref-为负基

51、准电压端。基准电压的低端（通常为地）被加到ref-。tlc2543内部集成多路开关，采样保持，内部时钟电路，12为a/d转换，基准电源，大大提高了集成性和可靠性，同时也简化了硬件电路，该部分将采集到的电流电压的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号，提供给单片机进行处理。3.2.4主控制电路如图3-7所示，本设计的主控制电路选用的是atmel公司的at89s52单片机作为核心控制单元。at89s52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系统可编程flash存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系

52、统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash，使得at89s52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。at89s52具有以下标准功能：8k字节flash，256字节ram，32位i/o口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52可降至0hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。图3-7主控制电路at89s52单片机引脚及其功能：p0口：p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，p0具有内部上拉电阻。在flash编程时，p0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。p1口：p1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p1端口写“1”时，内