基于单片机的微机电流速断保护论文

1、摘要本文针对输电线路的电流速断保护设计，进行了电流保护整定值的计算和灵 敏度计算，完成了芯片选型及外围电路设计，给出了软件流程图。电力作为一种 高级、清洁、方便的能源利用形式，正越来越广泛地应用于经济社会的各个方面。 电力系统运行的安全性是形成系统威胁的主要问题，然而电力系统中的故障却是 不可避免的。为确保系统安全稳定运行，增强供电的可靠性和连续性，就需要一 个优质的故障诊断分析系统。输电线路，它连接着电源和各种用电设备，实现电 能的传输任务。当输电线路发生短路故障时，短路电流比正常工作电流大许多倍， 产生巨大的热效应和力效应。这不仅危及线路的本身的运行，而且给整个电力系 统的安全稳定运行带来

2、了隐患。本设计对采用单片机构成结构简单，成本低，使 用方便的三段式电流保护装置的硬件结构、软件设计进行了研究，设计了一种基 于 mcs-51 单片机的输电线路电流速断保护装置。本论文重要包括三大部分的内 容。第一部分介绍了微机保护的相关知识；第二部分为单片机实现输电线路电流 保护的硬件电路设计，设计了模拟量输入通道、单片机系统、开关量输出通道电 路；第三部分为单片机实现输电线路电流保护的软件设计，包括软件流程、保护 算法以及数字滤波部分。关键词：微机保护，电流速断保护，单片机。引言电流速断保护的特点：接线简单，动作可靠，切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系 统运行方式变化的影响较大。

3、速断保护是一种短路保护，为了使速断保护动作具 有选择性，一般电力系统中速断保护其实都带有一定的时限，这就是限时速断， 离负荷越近的开关保护时限设置得越短，末端的开关时限可以设置为零，这就成 速断保护，这样就能保证在短路故障发生时近故障点的开关先跳闸，避免越级跳 闸。定时限过流保护的目的是保护回路不过载，与限时速断保护的区别在于整定 的电流相对较小，而时限相对较长。这三种保护因为用途的不同，不能说各有什 么优缺点，并且往往限时速断和定时限过流保护是结合使用的。对高压来讲，过流保护一般是对线路或设备进行过负荷及短路保护，而电流 速断一般用于短路保护。过流保护设定值往往较小（一般只需躲过正常工作引起

4、 的电流），动作带有一定延时;而电流速断保护一般设定值较大，多为瞬时动作。三段式过流保护包括：1、 瞬时电流速断保护（简称电流速断保护或电流段）2、 限时电流速断保护（电流段）3、 过电流保护（电流段）这三段保护构成一套完整的保护。它们的不同是保护范围不同：1、瞬时电流速断保护：保护范围小于被保护线路的全长一般设定为被保护 线路的全长的 85%2 限时电流速断保护：保护范围是被保护线路的全长或下一回线路的 15% 3、过电流保护：保护范围为被保护线路的全长至下一回线路的全长。在这里我们主要研究电流速度保护。abbc 1b1.1一次接线图13 16 19aqf1b vqf2csb1a20sbkm

5、sb1c50kmsb2a sb2b sb2c图1 一次接线图当线路 a 站发生短路时，短路电流电压大小可以通过电流互感器和电压互感器输入微机保护装置 a，输入的是模拟量，经过 ad 转换器转换为数字量，再通过单片机输出，从而控制断路器开断，切断故 障部分，保护线路fd1.2电流速断保护对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。 1 短路电流的计算：efadbczs1zd(z i )l d23id12b aildzl3iminidbmaximaxld图 2 电流速断保护图中1 最大运行方式下 d (3 ) 2 最小运行方式下 d (2 ) 3 保护 1 第一段动作电流i(3)d=

6、efz +zsd=efz +z ls 1 d（ 2-1 ）i(2)d=3 3 ei (3) =2 2 z +z ls 1 d（2-2 ）可见，id 的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大 的方式。（zs.min）最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小 的方式。（zs.max）2 整定值计算及灵敏性校验为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路电流整定iidz .1=kikid . b . maxf（2-3 ）kik= 1.2 1.3保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值

7、，用电力系统一次 测参数表示。（idz）iidz .1在图中为直线 3，与曲线 1、2 分别交于 a、b 点可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。灵敏性：用保护范围的大小来衡量lmax 、lmin一般用 lmin 来校验、 要求：（15 20）lminl100%希望值 50 方法： 解析法：iidz .1=32 zs maxef+z l1 d . min可得l1 3 emin 100% = ( l z 2 i il dz .1-z )s max（2-4 ）式中 z 为被保护线路全长的阻抗值 l2.微机保护硬件结构图微机继电保护是以微型计算机为核心，配置相应的外围接口，执行元件的计

8、算机控制系统。根据保护装置微处理器的多少可分为单处理器系统和多处理器系 统。其硬件结构如图 3 所示：通道 1通道 n电量变换器电量变换器alf s/half s/h多路转换开关a/d单片机保护主人 机 对话接口系统开关量输入开关量输出光电隔外 部 通信接口出口继电器离图 3微机保护简图1）数字量输入数字量输入通常为开关量的输入。为了提高保护装置的抗干扰性能，需要整 形延时和光电隔离等处理。（2）模拟量输入模拟量输入通常为电流、电压信号。由于电流、电压为随时间变化的连续信 号，而计算机只接收数字信号，因此，须将这种类型的模拟信号转变为数字信号。 完成模拟量到数字量的变换称为模数变换。（3）数字

9、量输出微机继电保护装置是通过数字量输出实现对断路器等的控制。该输出通道也 需要光电隔离提高抗干扰能力。（4）电源电源的作用是将 220v 或 110v 直流电压换成能满足微机系统各部分要求的 弱电电压，有12v 、+24v、+5v 等。2.1.1 单片机选择本次采用的是美国 intel 公司生产的 8051 芯片，8051 是高性能单片机，它 以 8031 为基础，片内又集成 4kb 的程序存储器，是一个程序不超过 4kb 的小系 统。因此，在单片机实现输电线路电流保护的单片机系统中，要对芯片进行扩展， 根据需要，扩展了一片 32kb 的片外程序存储器 27256 和一片 32kb 的片外数据

10、 存储器 62256，以满足在对输电线路电流保护时单片机运行的需要。8051 本身具 有很强的接口能力，对于 8051 组成的系统，p0-p3 口均可作为 i/o 口用，共有 32 根 i/o 口线。（1） 一个 8 位的微处理器（cpu）。（2） 片内数据存储器 ram（128b/256b），用于存放可以读/写的数据，如运算 的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。（3） 片内程序存储器 rom/eprom（4kb/8kb），用以存放程序、一些原始数 据和表格。（4） 四个 8 位并行 i/o 接口 p0p3，每个口既可以用做输入，也可以用作为 输出。（5） 两个定时器 / 计数器，每个定时

11、器 / 计数器都可以设置成计数方式，用于 对外部事件进行计数，也可设置为定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现 计算机控制。（6） 五个中断源的中断控制系统。（7） 一个全双工 uart（通用异步接收发送器）的串行 i/o 口，用于实现单片 机之间或单片机与微机之间的串行通信。2.1.2 ad 转换器选择这里采用了芯片 ad7501。ad7501 是一种 8 路输入，一路输出的 cmos 集成芯片，其引脚如图 4-5 所 示。 当 en 有效（高电平）时，a0a1a2 三个输入端状态的组合决定接通八路输 入模拟信号 s1s8 的某一路 si，即将 si 与 out 端接通，如表 4-1 所示

12、。ad7501 的接通电阻为 170300，漏电流（开关断开时，通过开关的电流）为 022na，导通时间为 08s，截止时间为 08s。在这里我用 8051 的 p2.7 控制 en，p2.4-p2.6 分别控制 a0-a2，从而控制哪一 路模拟通道输入。87654321s5s6s7s8a2engnda1a0vssvdds1outs2s3s41615141312119图 4-1 ad7501 引脚图表 4-2 ad7501 真值表a200001111a100110011a001010101en111111110接通 ss1s2s3s4s5s6s7s8无2.2 电路设计其基本结构框图如 5 所示

13、。并行接口显示器键盘电压低通采样并行接口开关量输出模拟形成滤波保持多路a/定时器开关量输入量模d输入电压形成低通滤波采样保持拟开关转换ramepromeepromcpu图 5 单片机实现线路电流保护结构框图3.1 主流程图设计上电或复位初始化（一）调试工作方式？监控程序运行初始化（二）全面自检不通过告警通过数据采样系统初始化pb6=0 pb7=1开中断pb6=1 pb7=0输入 iu, iv ,iw全小于iopi?y整组复归来n故障处理程序全小于 iopii?yn故障处理程序 ii全小于 iopiii?yn故障处理程序 iii图 6程序流程图3.2 采样中断服务流程图包括对模拟量的采样、a/d

14、 转换、采样值存储、起动元件的计算和是否有故 障发生的判断等功能。图 7 给出了采样中断服务程序的框图。进入该程序模块后， 首先发出采样 / 保持命令以保证各模拟量输入通道的同时采样；再对各通道保持 信号依次进行 a/d 转换并将转换结果存储到预先划分好的 ram 区域；然后进行 起动元件的计算和判断。如果起动元件已经动作，说明这次中断服务程序的执行 是由于事故处理程序被采样定时器中断时间到而打断引起的，则不用再进行起动 元件的计算和判断，当判断出起动元件刚好动作时，则进行以下三项工作：） 将起动元件动作标志置；）向并行控制口写数，驱动起动继电器动作；） 修改返回地址为事故处理程序的入口地址，

15、这样在采样中断服务程序的出口处程 序将返回到事故处理程序，而不是返回到主程序的断点处。入口采样/保持、a/d 转换及结果存储ypb6=0 pb7=1 ？n 起动元件计算返回起动元件动作？ ypb6=0，pb7=1，驱动起动继电器n修改返回地址为事故处理程序 入口地址图 7采样中断服务程序框图书c. 2014.4 结束语在本论文中，首先对电流速断保护做了简要介绍，然后 进行了保护整定计算和灵敏度校验，同时设计了单片机实现 线路电流保护的硬件部分，最后进行软件部分的设计 ， 包括 主程序流程图设计和中断服务流程图设计。在这次设计和写论文的过程中，我充分运用了所学的专 业知识，包括数字电子技术，单片机原理技术，继电保护技 术等，把这些知识进行了整合应用到解决