套线路保护装置本科毕业论文

1、摘要 输电线路是电力系统中的组成部分，负责电力输送及联网的重要任务。 电力系统对供电质量提出了更高的要求，而快速准确地切除线路故障是保 证电网安全的关键。本文采用微机控制方法设计了 1 套线路保护装置，对 10kv 线路故障和非正常运行状态进行判断和保护。 这套线路保护装置采用 atmega128 芯片作为控制核心，硬件电路主要 包括芯片外围电路，模拟信号处理和采样电路，开关量输入输出电路，电 源电路和 rs-485 通信电路等。考虑到户外复杂的电磁环境，在硬件电路中 还进行了抗干扰设计，本文详细阐述各部分电路的组成和功能。在软件设 计方面，研究了输电线路发生的各种主要故障，采用 matlab

2、 仿真对故障进 行了模拟，程序用 c 语言编程方法，按照不同的功能采用模块化设计。 在通信设计方面，本文阐述了保护装置所采用的 rs-485 通信电路和 modbus 通信规约。 关键词：关键词：线路保护 线路故障 交流采集 abstract electrical transmission lines is the fundamental part of electrical system, undertakes the important task of power transmission and network. more requests have been raised in the

3、 dealing-with the quality of power supply. the paper designs a lines relay protection instrument based on micro processor and aims to detect various lines failure and abnormal operation state and supply protection accordingly. the lines relay protection instrument adopts atmega128 as micro processor

4、, the hardware circuit mainly consist of the chip peripheral circuit, analog signals procession and sampling circuit, switch value input-output circuit, source circuit and rs485 communicative physical interface circuit and soon. considering outdoor complex ferromagnetic condition, the hardware circu

5、it evaluates anti- interference design. the paper expounds composition and function of circuit in detail. on the part of soft ware design, the paper research various faults happened in transmission lines, adopts matlab to simulate inadequate influence that faults cause to. the soft ware program adop

6、ts c language programming method and modular design according to different functions, which facilitates modulation and evaluation. on the part of communicative design, the paper introduce rs-485 communicative interface circuit and modbus protocol. key words: lines protection failure; alternative sig

7、nals sampling; 目录 摘要.i 目录.iii 第一章 绪论.1 1.1 论文选题的背景及意义 .1 1.2 继电保护的国内研究现状.1 1.3 线路保护的国内外研究现状 .2 1.5 现代继电保护装置的发展趋势.3 1.6 本论文的主要内容和章节.4 第二章 线路保护的原理分析.5 2.1 10kv 线路故障分类及其原因分析 .5 2.1.1 10kv 线路常见故障分类.5 2.1.2 10kv 线路短路故障原因分析.5 2.1.3 10kv 线路接地故障原因分析.6 2.2 10kv 线路异常工作状态分析与仿真 .6 2.2.1 线路运行于过负荷工作状态分析与仿真.6 2.2.

8、2 线路运行于低电压工作状态.8 2.2.3 线路运行于低频减载工作状态.11 2.2.4 控制回路异常.11 2.2.5 断路器弹簧未储能.12 2.2.6 电压互感器 tv 断线.12 2.3 继电保护的原理与逻辑分析.12 2.3.1 两段式电流保护的原理与逻辑分析.13 2.3.2 过负荷保护的原理与逻辑分析.14 2.3.3 三相一次重合闸的原理与逻辑分析.15 2.3.4 后加速保护的原理与逻辑分析.16 2.3.5 低电压保护的原理与逻辑分析.17 2.3.6 零序电流保护的原理与逻辑分析.21 2.3.7 低频减载保护的原理与逻辑分析.22 2.3.8 控制回路异常告警.23

9、2.3.9 tv 断线告警.24 本章小结.24 第三章 10kv 线路微机继电保护装置的硬件设计.25 3.1 保护装置硬件设计.25 3.2 三相电压和电流的交流采样电路.26 3.2.1 三相交流信号低通滤波器 tcl04 的分析.26 3.2.2 三相交流信号的采样电路.27 3.3 角度测量电路.29 3.4 sd2200 时钟电路.31 3.5 8 路开关量输入输出电路.32 3.6 按键电路.33 3.7 6 路开关量输出电路.33 3.8 液晶显示电路.34 本章小结.35 第四章 线路保护装置的主程序.36 4.1 主程序设计分析.36 4.2 故障判断与处理程序.37 4.

10、3 sd2200 时钟软件设计.38 4.4 液晶显示软件设计.38 4.5 主菜单的软件设计.39 4.6 实验结果分析.40 本章小结.43 第五章 总结与改进.45 参考文献.47 致谢 .49 第一章 绪论 1.1论文选题的背景及意义 现代电力系统是一个巨大的统一的整体,系统中的装置以及用电设备都 是由线路连接且都是开放设备。继电保护研究电力系统故障和危及安全运 行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。继电保护的基本任 务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最 小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除 异常工况根源，以减轻或避免设备的损

11、坏和对相邻地区供电的影响。近 年来随着微型计算机和微处理机的飞速发展，计算速度不断加快，可靠 性也大为提高，微机继电保护被广泛使用。微机继电保护的对象一般包 括发电机，电动机，变压器和线路。 线路是电力系统重要的组成部分，但是由于线路容易受到周围环境以 及自然灾害的影响下，其发生故障的可能性很大。2008 年冬季的冻灾当中， 由于输电线路受损导致受灾省份供电一度中断，很多企业蒙受了经济损失 尤其是对电力依赖较大的企业如电解铝厂，减产非常明显。这次灾害体现 了线路保护重要性。 本文针对输电线路设计开发出一套 10kv 线路微机继电保护装置，该继 电保护装置采用高性价比的 atmega128 作为

12、中央处理器，能够提供 2 段式 电流保护，过负荷保护，后加速保护等 11 项线路保护功能，能对 10 套保 护定值进行独立的整定，通信采用 rs-485/modbus 通信方式，具有很好的 兼容性和抗干扰能力。 1.2 继电保护的国内研究现状 我国电力系统继电保护技术经历了电磁型保护、晶体管保护、集成电 路保护、微机保护四个阶段。从上世纪90年代开始我国继电保护技术进入 微机保护时代。微机保护在电力系统的各个方面及各种电压等级上均有较 大的发展，如线路保护、发电机保护、变压器保护、励磁调节系统。 1988年我国开始研究以32位数字信号处理器dsp为基础的保护、控制、 测量体化微机装置，目前已研

13、制成一种功能齐全的32位大模块，个模 块就是个小型计算机。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度 受ad转换器分辨率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以 接受的；关键是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算 速度。很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。cpu的寄 存器、数据总线、地址总线都是32位的，具有存储器管理功能、存储器保 护功能和任务转换功能，并将高速缓存(cache)和浮点数部件都集成在cpu 内，完全满足继电保护算法对处理器的计算速度和精度更高的要求 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑 等在电力系统各个领域得到了

14、应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。 基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组 织、自学习等特点，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制和非 线性优化等问题。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程 式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则迎刃而解。 1.3 线路保护的国内外研究现状 我国线路保护主保护1994年前主要采用高频相差、高频距离，通道采 用电力载波高频通道。1994年推出lfp-901、wxh-15高频方向原理技术， 逐渐运行成熟，线路保护主保护采用高频方向、高频距离原理为主，高频 相差原理逐渐推出。随着电力系统逐步采用光纤通道(o

15、pgw)，2000年后光 纤差动逐步成为线路保护主保护。由于光纤通道抗干扰能力强，解决了高 频相差、高频距离、高频方向很难解决的系统振荡、高阻接地、选相、复 故障等问题，光纤电流差动保护成为主保护主流。随着光互感器(光ta、光 tv)的研究采用,保护装置应适用于光互感器，国内目前开展了适用于光互 感器的保护装置的研究。 自20世纪90年代中后期开始，国外著名继电保护制造商ge、abb等公 司的产品就已经在向保护测控装置网络化设计的方向发展，开始将网络设 计思想引入装置内部硬件设计中。abb公司早期的数字式保护如发电机保 护reg216，就是基于通用标准化硬件设计的理念，采用了b448c总线作为

16、 保护内部各模块问互连和数据传送的方式。并且abb公司于1998年前后推 出的rex5xx系列数字式保护装置就是具有代表性的全面实现网络硬件平台 设计的新一代继电保护装置。 1.5 现代继电保护装置的发展趋势 现代继电保护装置的发展趋势是向计算机化，网络化，智能化和保护、 控制、测量以及数据通信一体化。 1) 微机控制化 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了对保护的基本功能要求外， 还要求具有大容量故障信息和数据的长期存放空间、快速的数据处理功能、 强大的通信能力与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信 息和网络资源的能力，高级语言编程例如c语言编程等。 2) 保护装置网络化 继电

17、保护的作用是要保证全系统的安全稳定运行，这就要求每个保护 单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装 置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。 显然，实现这种系统保护的基本条件是微机保护装置的网络化。继电保护 装置能够得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故 障距离的检测愈准确。modbus总线具有通用和成熟的第三方标准测试软件 及较低的成本等优点。本保护装置采用rs-485串行通信方式和modbus通信 规约。 3) 算法智能化 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑 等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电

18、保护领域应用的研究也已开 始。神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解 的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两 侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距 离保护很难正确作出故障位置的判别，从而可能造成误动或拒动；如果用 神经网络方法，经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种 情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等 方法也都有其独特的求解复杂问题的能力，将这些人工智能方法适当结合 可使求解速度更快。 4) 功能一体化 继电保护技术在计算机化、网络化和智能化的条件下，继电保护装置 实际上就成为

19、一台高性能、多功能的计算机，可以从网上获取电力系统运 行和故障的任何信息和数据，也可以将它所获得的被保护元件的任何信息 和数据传送给网络控制中心和任一终端。 1.6 本论文的主要内容和章节 本文主要是设计开发一种10kv微机线路保护装置，着重分析了该保护 装置的硬件电路，软件程序以及通信方式。本保护装置采用atmega128芯 片作为cpu，采用max125芯片负责交流采集，显示部分采用带字库的液晶 显示模块，通信物理接口是rs-485,采用modbus通信规约，组网方便，可直 接与微机监控或保护管理机联网通信。软件部分可准确计算各项电量参数， 实现10套定值的独立整定，包含11种线路保护算法

20、，并可将故障报告上传。 本论文的主要章节如下： 第一章：绪论。主要介绍论文的背景和意义，国内外继电保护的研究 现状以及微机继电保护的今后发展方向。 第二章：线路故障与微机保护原理分析。主要介绍线路保护的常见故 障并结合simulink对短路故障，低电压等故障进行了仿真，同时对相应的微 机继电保护原理和故障判据进行了详细分析。 第三章：10kv微机线路保护的硬件电路设计。主要分析了线路保护装 置的交流采样电路、选相电路、开关量输入输出电路、通信电路等主要的 硬件电路。 第四章：10kv微机线路保护保护装置的主要程序。如交流采样程序， 显示程序，主菜单程序以流程图的形势表示出来。 第五章：总结与改

21、进。对10kv微机线路保护装置的设计开发工作进行 了总结并提出了改进意见。 第二章 线路保护的原理分析 1 0 kv 电网线路涉及面广，是重要的公用基础设施。如何正确有效地 判断、查找、处理配电线路故障，缩短停电时间，及时恢复供电就尤为关 键。 2.1 10kv线路故障分类及其原因分析 2.1.1 10kv 线路常见故障分类 一般来说，10kv线路常见故障包括： 1短路故障：短路故障分为2类：第1类是线路瞬时性短路故障（断路 器 重合闸成功）； 第2类是线路永久性短路故障（断路器重合闸不成功）。 短路故障中常见故障包括线路金属性短路故障；线路引跳线断线弧光短路 故障；跌落式熔断器、隔离开关弧光

22、短路故障；雷电闪络短路故障等。图2- 1为三相电源a,c相对地短路： a b c three-phase source a b c a b c three-phase fault vabc iabc a b c a b c three-phase v-i measurement signal magnitude angle fourier1 signal magnitude angle fourier distributed parameters line -149.2 display3 4.127e-007 display2 116.6 display1 0.09474 display 图2

23、-1 a，c相对地短路图 2. 接地故障：第1类是线路瞬时性接地故障；第2类是线路永久性接地故障。 2.1.2 10kv 线路短路故障原因分析 造成线路短路故障原因包括：造成短路故障原因包括： 1.线路金属性短路故障：外力破坏造成故障，电缆上设备例如变压器、 开关等被外力刮碰短路; 2. 线路缺陷造成故障：弧垂过大引起碰线或短路产生电动力引起碰线。 3. 线路引跳线断线弧光短路故障：线路老化引起断线以及线路过载等。 4. 跌落式熔断器、隔离开关弧光短路故障：跌落式熔断器熔断件熔断 引起 熔管爆炸或拉弧引起相间弧光短路；线路老化或过载引起隔离开关线夹损 坏造成相间短路。 2.1.3 10kv 线

24、路接地故障原因分析 造成线路接地故障原因包括： 1.线路瞬时性接地故障：人为外抛物或树木碰触导线引起单相接地； 线路 绝缘子在阴雨天等湿度高的天气，出现对地闪络，一般雨过后即消失。 2.线路永久性接地故障：线路隔离开关、跌落式熔断器因绝缘老化 击穿 引起；线路避雷器爆炸引起；由于线路绝缘子老化或存在缺陷击穿引起 2.2 10kv线路异常工作状态分析 与仿真 2.2.1 线路运行于过负荷工作状态分析与仿真 非正弦电压、不对称电压、高频谐波等因素会使电能质量受到严重影 响，同时也是线路过负荷的原因。造成线路过负荷的原因具体包括： 1) 三相负载不平衡。三相负载采用y接法时，如果三相负载出现不平 衡

25、，各相的负荷电流不相等，就在相间产生了不平衡电流，使某一相的线 路工作在过负荷状态并增加线损。如果三相负荷平衡，则向量差为零。即： (2-1)0 cba iii 假设某三相四线制线路总负荷为，相线及中性线电阻皆为,则三相3ir 平衡时线路功率损耗为： (2-2) 2 3 b pi r 若三相负载不平衡，假设某相负荷为，另两相分别为，则中性2i0.5i 线电流为： (2-3)20.5 ( 0.5( 3/2) )0.5 ( 0.5( 3/2) )1.5 n iiijiji (2-4) 22222 27 (2 )(0.5 )(0.5 )(1.5 ) () 4 piiiiri r 与平衡时相比功率损耗

26、增加了1.25倍，可见三相负载不平衡造成线损增大。 极端情况是全部负荷由一相供电，是三相平衡时的6倍，增大了5倍。功率 损耗为: (2-5) 2 2 3218iri r 2) 线路电压过高引起线路过负载。三相电压不平衡会使某一相的线路电压 过高，造成线路过负荷运行。三相电量的不平衡度通常以负序分量与正序 分量的百分比%表示。 2 1 a a 三相电压不平衡度的准确算式： (2-6) 2 1 136 % 136 a a 444 2222 () klm klm 3) 线路电流过高引起线路过负载。通常在在补偿电容器在合闸投入电 网瞬间，由于电容器两端电压不能跃变，相当于电源合闸到短路上去因 而产生频

27、率，幅值很大的过渡性电流，称为合闸涌流 一般情况下涌流为正 常电流幅值的68倍，造成了线路过负荷工作。 4) 电网高次谐波引起的过负荷。电网线路中由于大量非线性设备的投 运，或是电路中的非完全正弦电势的存在都会产生高次谐波。由于电网中 的多次谐波大多是周期性的，因而可使用离散傅立叶分析，如图2-3所示: 90 ph5 60 ph4 120 ph3 30 ph2 1.264e-014 ph1 5 mag5 1 mag4 0.5 mag3 0.1 mag2 10 mag1 harmonic wave4 1v200hz harmonic wave10 10v50hz1 harmonic wave 3

28、 0.1v150hz fundamental wave 10v50hz in mag phase discrete fourier4 in mag phase discrete fourier3 in mag phase discrete fourier2 in mag phase discrete fourier1 in mag phase discrete fourier 5 constant add 图2-3 离散fourier分析高次谐波信号 图2-3中用离散fourier模块分析了包含3次，4次，11次谐波在内的电压 信号，通过display模块显示出基波和3次谐波的电压有效值和初相

29、位角，误 差几乎为0。 负载在非正弦电压作用下电网中由于大量非线性设备的投运，或是电 路中的非完全正弦电势的存在都会产生高次谐波，使得总电流有效值比基 波电流值大得多，从而导致线路的过负荷运行。 2.2.2 线路运行于低电压工作状态 当三相电压不平衡，无功功率欠补，负载变化，或发生短路故障时， 都会出现某一相的线路工作在低电压状态。当电压下降到额定电压的 65%70%时，无功静态稳定破坏，将发生电压崩溃，造成大面积停电事故。 电网低电压的形成主要是由于发电厂向用户输送无功功率，而这些无功功 率是使用大量的无功负荷造成的。由于负载在昼夜之间的变化，当负荷高 峰时产生低电压运行情况；也有在同一时间

30、线路起点到中点电压是满足要 求的，但在线路的终端却出现了低电压运行，发电机由于接地短路引起低 电压运行仿真电路如图2-5所示: 10kw a b c a b c three-phase fault a b c a b c three-phase breaker terminator2 terminator1 terminator scope2 scope1 scope signal magnitude angle fourier2 signal magnitude angle fourier1 signal magnitude angle fourier 380.9 display2 380.

31、7 display1 381.6 display -11 constant v + - ca cb tmm a b c a b c asynchronous machine pu units v + - ab a 100km parameters line a b c v + - bc 图2-5 发电机短路故障仿真电路 图2-6 三相电源线路短路时定子与转子电流和电压 图2-7 正常状态下的定子与转子的电流和电压 电动机是电网中使用比较广泛的设备， 当线路出现低压运行状态时，电动 机不能正常工作，低压对异步电动机的影响如图2-8所示： wm* step (p.u.) vab (v) v + -

32、 vab -k- rpm -k- pu2radpersec -k- peak2rms ir,is (a) tm m a b c asynchronous machine s - + vbc s - + vab sin 11.9 a b c a b c three-phase fault a b c a b c three-phase breaker a b c a b c three-phase v-i measurement relayc relayb relaya 239.1 rms vab voltage n (rpm) rem math function look-up table s

33、ignal magnitude angle fourier demux demux 1/1980 2*pi/3* 0,-1,1 clock a b c 1okw 图2-8 异步电动机短路故障仿真电路 图2-9 正常状态的定子与转子电流 图2-10 短路故障下的定子与转子的电流 图2-11 正常状态下转子转速 图2-12 接地短路故障下的定子转速 在图2-8中，由对比发现，异步电动机在低压状态下，定子与转子的电 流减小，转子转速明显降低，此时由异步电动机驱动的设备如水泵等出力 随之下降。 2.2.3 线路运行于低频减载工作状态 在事故情况下，由于发电厂的退出，导致系统内有功功率供需不平衡， 这将

34、引起系统频率下降，如果调频装置不能快速释放备用容量，使系统频 率尽快恢复，那么自动减负荷装置作为最后的补救措施而动作，将阻止系 统频率的继续下降，从而避免系统出现“频率崩溃”、“电压崩溃”的结果。电 力线路运行在低频状态下产生的影响包括： 1)频率下降时，汽轮机叶片的振动会变大,对于额定频率为50hz的电力 系统，当频率降低到45hz附近时，某些汽轮机的叶片可能因产生共振而断 裂，造成重大事故。 2)频率下降到4748hz时，这种趋势如果不能及时制止，就会在短时间 内使电力系统频率下降到不允许的程度，这种现象称为频率雪崩。 3)电力系统频率下降使异步电动机和变压器的励磁电流增加，使异步电 动机

35、和变压器的无功消耗增加，从而使系统电压下降。频率下降还会造成 发电机的电动势下降，导致全系统电压水平降低，引发电压雪崩现象。 4)电力系统频率波动会影响某些测量和控制用的电子设备的准确性和性 能，频率过低时有些设备甚至无法工作。 5)电力系统频率降低将使电动机的转速和输出功率降低，导致所带动机 械的转速和出力降低，影响用户设备的正常运行。 2.2.4 控制回路异常 一个正常的控制回路操作部分应包括能满足双重化跳闸；跳合闸命令 应保持足够长的时间；有防止多次跳跃动作的闭锁措施；井对跳合闸回路 的完好性应能随时监视；能实现液压气压低的闭锁。在现场的调试过程中 发现，控制回路常发生不能正常操作的问题

36、：如开关弹跳，指示灯状态全 无等。这些异常情况主要由以下三方面引起： 1) 控制回路中元件的质量问题。 控制回路中主要包括跳闸位置继电器、合闸位置继电器、防跳继电器 及压力闭锁继电器等。这些机械触点式电磁继电器经检验调整后几乎不会 出现故障，但这些电磁继电器线圈上都并联有消除线圈反电势的灭磁二极 管。当twj上并联的灭磁二极管被软击穿后，相当于合闸信号一直加在合闸 回路上，开关跳开后又通过此回路使断路器自动合上。同理若hwj上的灭磁 二板管软击穿就会发生断路器合上后自动跳开的现象。由此可见，控制回 路中电子元件的选用很重要。 2)设计回路原理上不合理。 一个逻辑回路设计不合理，不仅无法正确控制

37、某设备或某一系统的工 作状态，而且将影响到被控系统的工作可靠性和安全性。例如回路不合理 引起控制回路间产生迂回寄生回路，致使跳闸位置继电器或合闸位置继电 器误动。 3)断路器二次附加回路引起。 2.2.5 断路器弹簧未储能 弹簧在任意伸长为时的弹性势能为： x (2-7) 2 1 2 p ekx 在断路器合闸之前，首先通过储能电机将电能转化为动能，再将动能 通过压缩弹簧的形式储存在弹簧里，当合闸命令到达时，通过一系列的机 构释放弹簧里的能量使断路器合闸。可见当弹簧未储能时，断路器无法及 时合闸。 2.2.6 电压互感器 tv 断线 当配电网的母线电压超过3 kv时，必须使用电压互感器(tv)和

38、电流互 感器(ta)实现对电能参数的检测 。tv和ta在运行时会出现两类故障：短 路和断线。tv的短路和ta的断线都是非常严重的事故，会严重影响电网的 正常运行，这种故障一般不允许发生，也不便检测。而tv的断线和ta的短 路则可能发生，它们的出现不会影响电网的正常运行，但会使电能计量装 置出现严重误差。 2.3 继电保护的原理与逻辑分析 根据上文分析的线路故障与异常工作状态，线路继电保护装置需要设 置如下保护功能。 2.3.1 两段式电流保护的原理与逻辑分析 1 1 两段式电流保护的原理两段式电流保护的原理 两段式电流保护是对两段的电流变化做出反应。在主线上由于变压器 将主线分为了a，b，c，

39、三段。对a段的电流保护要考虑其本身出问题的时 候带来的影响，这个称为1段保护，要考虑b段对a的影响，就要设置2段保 护。第1段为主保护段，第2段为后备保护段。在实际应用中，为简化保护 配置及整定计算，把瞬时电流速断保护和定时限过电流保护相配合构成两 段式电流保护。 瞬时电流速断保护和定时限过电流保护由电磁式中间继电器(作为出口 元件)、电磁式电流继电器(作为起动元件)、电磁式信号继电器(作为信号元 件)组成。 在本装置中,电流的1段和2段保护均采用了定时限过电流保护。瞬时电 流速断保护最大的优点是动作迅速，但只能保护线路的首端。而定时限过 电流保护虽能保护线路的全长,但动作时限太长。因此,它的

40、保护范围就必然 会延伸到下一段线路的始端去。这样，当下一段线路始端发生短路时，保 护也会起动。为了保证选择性的要求，须使其动作时限比下一段线路的瞬 时电流速断保护大1个时限级差，其动作电流也要比下一段线路瞬时电流速 断保护的动作电流大一些。 2两段式电流保护的定值与逻辑分析两段式电流保护的定值与逻辑分析 两段式电流保护的定值和整定范围如表 1 所示： 表 1 两段式电流保护的整定 电流段定值0.2in20in 0.01a 电流段时限0s100s 0.01s 1电流段保护 电流段压板投入或退出 电流段定值0.2in20in 0.01a 电流段时限0s100s 0.01s 2电流段保护 电流段压板

41、投入或退出 表 1 中电流 1 段和 2 段保护的定值范围从 0.2in20in,in 为额定电流 整定 步长为 0.01a。电流段保护时限范围从 0s100s，整定步长为 0.01s。两 段式电流保护的逻辑框图如图 2-13 所示： 1 当inh管脚接低电平时，允许74vhc4052按照真值表进行选相。 所以在硬件电路中，将inh接地。根据74vhc4052芯片真值表，可以得到 其输出与输入之间的逻辑关系即： (3-1) 0123 0123 xab xab xabxabx yabyabyabyaby 在本装置中，计算和，和的相位角差，所以只用到,和, ab u a i ca u c i 0

42、x 0 y 1 x 2组输出即，。为计算出交流信号的相位 1 y 0,0aba ux iy 11 , cac ux iy 角差和频率，需要将74vhc4052选通的2路交流信号转换为方波信号，并使 用atmega128的外部中断端口和定时器测量。将交流信号转换为方波信号 的电路如图3-6所示： rdn1 10k rdn2 51k rdn3 10k rdn4 10k 1 3 2 84 udn1a lf353 7 5 6 udn1b lf353 cdn1 0.01uf d1 1n4148 d2 1n4148 vcc -5 cdn3 0.1uf led1 rld1 10k uab int_uab 图

43、3-6方波信号产生电路图 交流信号经过比较器和rc滤波得到方波信号，设置cpu的外部中断 ab u int6和int7为上升沿触发，进入int6管脚，进入int7管脚，计算 ab u a i int6的2次中断的时间间隔即的2次上升沿的时间间隔就得到周期， ab ut 根据公式 可算出的频率。 同理使用定时器记录int6和int7各 1 f t ab u 自的中断时间，将2次中断时间相减得到和的相位角差，这里得到的 ab u a i 相位角差是int6和int7的中断时间差，在计算有功和无功功率的时候需要 转换为角度。角度测量的硬件电路如图3-7所示： y0 1 y2 2 y 3 y3 4 y

44、1 5 inh 6 vee 7 gnd 8 b 9 a 10 x3 11 x0 12 x 13 x1 14 x2 15 vcc 16 u3 74vhc4052 rdn1 10k rdn2 51k rdn3 10k rdn4 10k rdn6 10k rdn7 51k rdn8 10k rdn9 10k 1 3 2 84 udn1a lf353 7 5 6 udn1b lf353 1 3 2 84 udn2a lf353 7 5 6 udn2b lf353 cdn1 0.01uf d1 1n4148 d2 1n4148 d3 1n4148 d4 1n4148 vcc -5 cdn2 0.01uf

45、 vcc -5 cdn3 0.1uf cdn4 0.1uf le d1 le d2 rld1 10k rld2 10k 4052-a 4052-b vcc -5 uab ubc uca ia ic i_a i_c in_uab in_iab 入入入入 atmega128 图3-7角度测量电路图 3.4 sd2200时钟电路 线路保护装置设有专门的时钟电路，时钟芯片选用sd2200实时时钟芯 片，该芯片可保证钟精度为5ppm(在-1050下)，即年误差小于2.5分c c 钟；该芯片内置时钟精度调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差 (分辨力3.052ppm或1.017ppm)，通过外置的温度

46、传感器可设定适应温度变化 的调整值，实现在宽温范围内高精度的计时功能，工业中的工作温度可在 4085。sd2200芯片的工作电压范围是3.05.5v（其中nvsram在c c 4.55.5v工作），时钟电路计时电压为1.15.5v，可实现年、月、日、星期、 时、分、秒显示。内置4kbit256kbit的非易失性sram,其擦写次数100亿次， 且没有内部写延时。 sd2200芯片通过数据线sda和时钟线scl与cpu进行数据传输，在外 部掉电的情况下，内置一次性电池可保证时钟连续工作5年，其硬件电路如 图3-8所示： rt1 10k rt2 10k vcc t_scl t_sda vbat 2

47、 te st 3 gnd 10 gnd 11 gnd 12 scl 13 sda 15 int1 19 sdae 20 scl e 21 wp 22 int2 23 vcc 24 ut1 sd2200b/c/d/e-z 入入 vcc rt5 20 rt4 20 t_int 1 ct1 220uf ct2 104 dt1 ll sd103a dt2 ll sd103a rt3 10k atmega128 图3-8 sd2200时钟电路 3.5 8路开关量输入输出电路 线路保护装置中设有8路外部开关量输入电路。这些开关量包括操作继 电器的触点以及保护动作所需要的各种压板等。由于外部开关量输入信号

48、与cpu所使用的电源不同，为了避免电气特性及恶劣工作环境带来的干扰， 在8路输入电路中采用光电耦合器件，对输入信号实现1次电-光-电的转换。 在通过光电耦合之后输入信号又通过电解电容滤除部分尖峰脉冲，同时电 解电容又与分压电阻形成放电回路，这些措施有效地屏蔽了信号传输过程 中所受到的干扰。这些开关量输入cpu之后，cpu将读取各开关量的状态， 并存放在数组中。在自检中不断地读入当时的输入开关量状态，并与原来 开关量状态进行比较。如发现输入开关量发生变化，则发出信号，并记录 输入开关量变化前后各输入开关量的状态。8路外部开关量输入电路如图3-9 所示： 1 27 8 3 45 6 ui1 kp1

49、020 1 27 8 3 45 6 ui2 kp1020 1 27 8 3 45 6 ui3 kp1020 ri110k ci1100uf rin1 110k s1s_1 din1 1n4007in1 ri210k ci2100uf rin2 110k s2s_2 din2 1n4007in2 ri310k ci3100uf rin3 110k s3s_3 din3 1n4007in3 ri410k ci4100uf rin4 110k s4s_4 din4 1n4007in4 ri510k ci5100uf rin5 110k s5s_5 din5 1n4007in5 ri610k ci61

50、00uf rin6 110k s6s_6 din6 1n4007in6 vcc incom 8入入入 1 27 8 3 45 6 ui4 kp1020 ri710k ci7100uf rin7 110k s7 s_7 din7 1n4007in7 ri810k ci8100uf rin8 110k s8 s_8 din8 1n4007in8 +km in1 in2 in3 in4 in5 in6 in7 in8 atmega128 图3-9 8路开关量输入电路 3.6 按键电路 线路保护装置设有 6 个按键，主要用于主程序中的菜单操作，例如翻 页，设置密码，定值整定等。按键电路如图 3-10

51、所示： rk1 10k rk2 10k rk3 10k rk4 10k rk5 10k rk6 10k ck1 0.1uf ck2 0.1uf ck3 0.1uf ck4 0.1uf ck5 0.1uf ck6 0.1uf vcc 1 2 3 4 5 6 7 key key3 key4 key6 sck_key5 miso_ke y2 mosi_ke y1 图 3-10 按键接口电路 3.7 6路开关量输出电路 线路保护装置设有6路开关量输出电路，在输电线路发生故障时，cpu 会根据采集得到的交流电压电流数据分析当前运行情况、与设置好的定值 进行比较，根据各种保护判据来判断故障类型，并通过开关

52、量输出电路实 现保护动作。6路开关量输出电路如图3-13所示： co1 0.1uf ro1 1k 12 uo1a cd40106 1312 uo1f cd40106 1 2 4 3 uo5 kpc452 ldo1 1 2 3 4 5 6 7 rp1 1k ldo1 ldo2 ldo3 ldo4 ldo5 ldo6 vcc oj1 co2 0.1uf ro2 1k 34 uo1b cd40106 1110 uo1e cd40106 1 2 4 3 uo6 kpc452 ldo2 oj2 co3 0.1uf ro3 1k 56 uo1c cd40106 98 uo1d cd40106 1 2 4

53、3 uo7 kpc452 ldo3 oj3 co4 0.1uf ro4 1k 12 uo2a cd40106 1312 uo2f cd40106 1 2 4 3 uo8 kpc452 ldo4 oj4 co5 0.1uf ro5 1k 34 uo2b cd40106 1110 uo2e cd40106 1 2 4 3 uo9 kpc452 ldo5 oj5 co6 0.1uf ro6 1k 56 uo2c cd40106 98 uo2d cd40106 1 2 4 3 uo10 kpc452 ldo6 oj6 j1 hg4183 dj1 rs1m +12v rj1 100 com1 out1

54、out2 out3 out4 out5 out6 oj1 j2 hg4183 dj2 rs1m +12v rj2 100 j3 hg4183 dj3 rs1m +12v rj3 100 j4 hg4183 dj4 rs1m +12v rj4 100 j5 hg4183 dj5 rs1m +12v rj5 100 j6 hg4183 dj6 rs1m +12v rj6 100 oj2 oj3 oj4 oj5 oj6 out_j1 out_j2 out_j3 out_j4 out_j5 out_j6 6入入入 com2 ldo1 ldo2 ldo3 ldo4 ldo5 ldo6 12vg out1

55、 out2 out3 out4 out5 out6 atmega128 图3-11 6路开关量输出电路 6路开关量输出电路也采用了光电耦合器件提高信号的抗干扰能力， com1端子经过通用型继电器hg4183与outj1，outj2端子连接，com2 端子经过通用型继电器hg4183与outj3,outj4,outj5,outj6 连接。当 cpu发出相应的动作信号时，hg4183闭合开关，使信号能够传输到外部。 3.8 液晶显示电路 线路保护装置采用带字库的lcm12864zk液晶显示器，用于显示采样 得到的各种参数以及菜单等。 lcm12864zk工作电压为3 5v，液晶屏幕为12864，可

56、显示4行，每行 可显示8个汉字，具有4种工作模式即并行8位、并行4位、串行3线和串行2 线，本装置中采用串行3线方式。lcm12864的 cs为片选管脚，sda为数 据输入管脚，sck脉冲输入管脚。显示电路如图3-12所示： lcd-k 1 lcd-a 2 gnd 3 vcc 4 rs(cs) 6 rw(sid) 7 e(sclk) 8 d0 9 d1 10 d2 11 d3 12 d4 13 d5 14 d6 15 d7 16 psb 17 rst 18 vr 19 vo 20 lcm1 lcm12864zk vcc rm2 10 rm1 10k lcm_cs lcm_sid lcm_scl

57、k lcm_cs lcm_sid lcm_sclk atmega128 入入入入 图3-12 液晶显示电路 本章小结 本章主要介绍了线路保护装置的硬件电路，包括交流信号采集电路， 角度测量（选相）电路，时钟电路，开关量输入输出电路和液晶显示电路。 着重分析了三相交流采样电路和角度测量电路，因为采样信号的处理和计 算对于判断故障类型，启动相应的保护动作是非常重要的。同时使用 simulink建立了交流信号滤波的电路模型，通过波形图比较了butterworth和 chebyshev1型4阶低通滤波器滤波效果并分析这2种滤波器幅频相应特性。 第四章 线路保护装置的主程序 4.1 主程序设计分析 微机

58、线路保护装置的主程序如图 4-1 所示： 系统初始化自检 y 选择整定区号 定值固化 开启定时器 保护算法分析 返回 是否有上升沿触发 符合故障判断条件？ y 延时 保存故障记录 启动相应保护动作 显示异常信号 启动外部中断 启动a/d数据采样 计算电压,电流,频 率等电参数 是否到采样间隔时间？ 显示各项参数 是否进行定值整定？ 整定定值,时限,压 板 继续整定？ y y 图 4-1 保护装置主程序流程图 线路保护装置的程序使用 c 语言编写，按照不同的功能如显示， a/d，外部中断等，对程序进行了模块化设计，方便了调试和修改。软件设 计分为整定测试部分和故障判断处理 2 个部分。整定部分是

59、对各种保护定 值和时限按照规定的步长和范围进行整定。本保护装置可以独立整定 10 套 保护定值并存储，定值区号为 0-9。测试部分是对时间日期，电压，电流， 频率，相位角等关键参数进行测试计算。8 路交流信号通过低通滤波器，进 入 max125 采样，运用傅立叶算法或最小二乘法对电压，电流的幅值和初 相位进行计算。使用 cpu 的外部中断测量频率和相位角差。故障判断处理 程序是根据测试部分得到的电压、频率等参数，与存储的整定数值进行比 较，按照各种故障的判据，进行分析，如果符合某种故障的条件则马上启 动对应的保护动作如报警或跳闸等，并生成故障报告。本保护装置可以按 照时间顺序存储最近发生的 2

60、0 个故障报告。 整定测试部分和故障判断处理部分在程序中采用菜单化设计，通过按键 程序实现翻页，整定，算法选择等，操作和调试都十分方便。 4.2 故障判断与处理程序 故障判断与处理程序是本保护装置软件程序的核心部分，故障判断程 序对进过算法处理的采样数据，经过保护算法判断，当符合故障判据，则 故障处理程序将启动相应的保护动作。故障判断流程图如图 4-2 所示： a/d数据采样 傅立叶算法滤波 频率、相位角等 参数计算 故障判据判断 满足故障条件？ y 保护时限延时 满足故障条件？ y 存储故障时间和 故障参数 启动保护动作或 报警 返回 生成故障报告 图 4-2 故障判断处理流程图 本保护装置