微机保护设计

1、基于单片机的B站微机电流速断保护设计摘 要：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了隐患。继电保护（包括安全自动装置）是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、

2、最重要、最有效的技术手段。本文是针对BC段线路的电流保护设计，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保护装置，并且进行了电流保护整定值的计算和灵敏度教研，完成了芯片选型及外围电路设计，给出了软件流程图。关键词：微机保护；电流保护；继电保护；单片机；输电线路中图分类号：TM77A Deisign of Microcomputer Current Protection based on MCS-51Class2113,Institute of electrical and mechanical ,

3、 Anhui Polytechnic UniversityAbstract:Theelectricpowertookonekindofsenior,clean,convenientenergyuseform,ismoreandmorewidelyappliedineconomicsocietyinevryaspect.Thesecuritymovementofelectricalpowersystemisthemainquestionformthesystemthreat,howeverbreakdownintheelectricalpowersystemisinevitableactuall

4、y.Forguaranteesthesystemsafestablemovement,theenhancementpowersupplyreliabilityandthecontinuity,needahighqualitybreakdowndiagnosticanalysissystem.Transmissionnetwork,itjoinspowersourceandthevarioustransmissiontasksthatrealizeelectricalenergywithelectricalequipment.Whentransmissionnetworkoccursthefau

5、ltofshortcircuitshort-circuitcurrentthannormalworkingcurrentalotoftimes,producehugefuelfactorandforceeffect.Thisnotonlydangerousoperationoftheoflinehasalsobroughthiddentroubletothesafelysteadyoperationofentirepowersystem. Relay protection (including security automatic device) is the guarantee electr

6、ic power equipment safety and to prevent and limit of power system blackouts for a long time the most basic, most important, the most effective technological means.This article is aimed at the BC section of line current protection design, to use single chip has simple structure, low cost, convenient

7、 to use the three-step current protection device of hardware structure and software design are studied, designed a MCS - 51 single chip microcomputer based transmission line current protection device, and the current protection setting value calculation and sensitivity of the research, completed the

8、 chip selection and peripheral circuit design, software flow chart are given.Key words: The microcomputer protection; Current protection; Relay protection; Single chip microcomputer; Transmission line.1 引言1.1 一次接线图 图1 一次接线图 微机线路保护实验装置的一次接线图如图所示，电源电压105V，最大运行方式下系统阻抗13，最小运行方式下系统阻抗10，正常运行方式下系统阻抗16。A保护位

9、于AB段始端，线路阻抗20；B保护位于BC段始端，线路阻抗50。AB段输电线路最大负荷电流0.3A，额定负荷电流0.28A。BC段输电线路最大负荷电流0.2A，额定负荷电流0.18A。1.2 电流速断保护（第段）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。其优缺点是：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。基本原理：在电网的不同地点发生相间短路时，线路中通过电流的大小是不同的，短路点离电源愈远，短路电流就愈小。此外，短路电流的大小与系统的运行方式和短路种类也有关。图2 电流速断保护范围的确定在图2中：表示在最大运行方式下，不同地

10、点发生三相短路时的短路电流变化曲线；表示在最小运行方式下，不同地点发生两相短路时的短路电流变化曲线。如果将保护装置中电流起动元件的动作电流Idz整定为：在最大运行方式下，离线路首端Lbmax3处发生三相短路时通过保护装置的电流，那么在该处以前发生短路，短路电流会大于该动作电流，保护装置就能起动。对在该处以后发生的短路，因短路电流小于装置的动作电流，故它不起动。因此，Lbmax3就是在最大运行方式下发生三相短路时，电流速断的保护范围。从图2可见，在最小运行方式下发生两相短路时，保护范围为Lbmin2，它比Lbmax3来得小。如果将保护装置的动作电流减小，整定为Idz，从图2可见，电流速断的保护范

11、围增大了。在最大运行方式下发生三相短路时，保护范围为Lbmax3；在最小运行方式下发生两相短路时，保护范围为Lbmin2。由以上分析可知，电流速断保护是根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的，以动作电流的大小来控制保护装置的保护范围。假如电力线路如图3所示： 图3 BC段线路的无时限电流速断保护 在如图3所示的线路上，若故障发生在线路BC之间即K3点短路时，希望（要求）本段线路上装设的电流速断保护装置，能够根据选择性的要求使断路器3迅速动作，切除故障。1.3 保护整定及灵敏度校验1无时限电流速段保护整定计算在图2所示的电网中，如果在线路上装设了无时限电流速断保护，由于它的动作时间很小（小

12、于0.1s），为了保证选择性，当在相邻元件上发生短路时，则不允许电流起动元件动作的。因此，不论在哪种运行方式下发生哪种短路，保护范围不应超过被保护线路的末端。也就是说，无时限电流速断保护的起动电流 或 =Kk （2-1）在式（2-1）中，Kk为可靠系数，考虑到计算采用的是次暂态电流而没有计及短路电流中的非周期性分量的影响、电流继电器误差和计算误差等因素，因此它的数值取1.21.3。选择可靠系数取1.25。由于系统设计一次电流等于二次电流，接线系数为1。所以BC段电流速断保护电流整定值：(A)=I1 2、无时限电流速段保护的灵敏度校验灵敏性指的是继电保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状

13、态的反应能力，通常用灵敏系数来衡量。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点是否存在过度电阻，都能敏锐感觉，正确反应。无时限电流速断保护的灵敏度是用保护范围的大小来衡量的。对于保护相间短路的无时限电流速断保护来说，在最大运行方式下发生三相短路时，它的保护范围Lbmax3最大；在最小运行方式下发生两相短路时，它的保护范围Lbmin2最小。从图2可见，根据动作电流和在不同地点发生短路时的短路电流变化曲线，可以求得Lbmax3和Lbmin2的大小。一般要求Lbmax3不小于被保护线路全长的50%，Lbmin2不小15%20%。 无时限

14、电流速断保护的保护范围也可以用解析法进行计算。在最大运行方式下保护范围Lbmax3末端发生三相短路时，短路电流与动作电流相等。即=或 从上式可以求得 Lbmax3= (2-2)在最小运行方式下保护范围末端Lbmax2末端发生两相短路时，短路电流与动作电流相等，即=或 从上式可以求得 Lbmin2 = (2-3)系统的次暂态电势(相)； 最大运行方式下的系统电抗； 最小运行方式下的系统电抗； 被保护线路每公里的电抗； 被保护线路的全长(Km)。从式(2-2)可见：线路长度一定，系统容量愈大(即一定，愈小)，保护范围愈大；反之，系统容量一定，线路愈长(即一定，愈长)，保护范围愈大。从式(2-3)可

15、见：最大、最小运行方式相差愈小(即与的差值愈小)，保护范围愈大。因此，电流速断保护适用于系统容量较大，或被保护线路较长或系统运行方式变化较小的场合。BC段电流速断保护灵敏度校验：最大运行方式下三相短路66.6最小运行方式下两相短路=371.4继电保护装置的组成 根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但他们都有三个基本部分组成，即测量部分、逻辑部分和执行部分。1、测量部分 测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等于“0”或“1”的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。通常这一部分的硬件电路主要有模数

16、转换芯片（A/D）或电压频率变换芯片（VFC）与数据信号处理器(DSP)或控制处理器单元(CPU)组成。2、逻辑部分 逻辑部分是根据各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，是保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。继电保护中常用的逻辑回路有或与否延时启动延时返回以及记忆等回路。3、执行部分 执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所负担的任务。如故障时动作于跳闸；不正常运行时发出信号，正常运行时，不动作等。这一部分的硬件电路主要由控制器和继电器组成的开关部分组成。其原理框图4如下： 图4 继电保护装置的原理

17、结构图 2 微机保护硬件结构图 单片机实现的输电线路电流保护装置要求把输电线路上的电流经过A/D转换变成数字量，利用单片机系统进行处理，判断是否发生故障或不正常状态，从而控制跳闸电路，达到保护输电线路的作用。按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由模拟量输入通道，单片机系统，开关量输入输出通道以及键盘和显示四个部分组成。其基本结构框图如5所示。在系统的硬件设计中，单片机系统主芯片使用的是AT89S51芯片，AT89S51是高性能单片机，其可以完全兼容AT89C51单片机。AT89S51单片机是一种有一个8位的CPU，片内集成4KB的Flash存储器带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPE

18、ROM）的低电压、高性能CMOS微处理器，最高工作频率24MHZ，具有32位可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，低功耗的闲置和掉电模式，五个中断源，2级中断优先权等，因而本身具有很强的接口能力。对于AT89S51组成的系统，P0-P3口均可作为I/O口用，共有32根I/O口线。但在应用系统中往往是不够的，需要对I/O接口电路进行扩展。在模拟输入通道设计中，由于需要同时输入多路电流，所以常常采用模拟多路开关，利用它将各路模拟量轮流与AD转换器接通。这样使用一片AD转换器就可完成多个模拟输入信号的依次转换，从而节省了硬件电路。在AD接口中，模拟多路开关用于切换模拟信号，通常是多路输入，一路输

19、出。目前已有多种型号的模拟多路开关集成芯片，它们的功能基本相同，仅在某些参数和性能指标上有所差异。这里采用了芯片ADC0809，其为逐次比较型AD，由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值，其电路规模属于中等，优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（=I1）？ N Y PB6=0，PB7=1，驱动起动继电器 修改返回地址为事故处理程序 入口地址 图 10 中断服务程序框图3.3 跳闸子程序流程图 此程序模块在起动元件动作后才投入，包括保护特性的计算、故障性质的判断等功能，其框图如11图所示。进入该模块后

20、，首先检查故障后的采样数据是否够一个数据窗长。所谓数据窗长是指能估算出电气量中所含某一频率分量的幅值和相位所需要的采样数据的长度。若数据窗长已经达到了，则开始进行保护动作方程的计算和判定。如果判定故障发生在区外，则进入整组复归模块，使所有的动作标志和继电器重新恢复到初式正常运行的状态；如果判定故障发生在区内，则发出跳闸命令等，即往并行控制口写数，置PB0、PB2、PB4为0，置PB1、PB3、PB5为1，从而控制跳闸、报警、发出故障信号。在故障切除后，经整组复归后进入主程序，准备下次故障时再动作。若发出跳闸令5s后，故障仍未切除，就收回跳闸命令，以防止被保护元件又发生故障时保护拒动作。 入口 故障后采样数据够一个数据窗长 N 保护动作方程计算 Y 保护区内故障？ N Y 发跳闸命令等 故障已切除？ Y N 发跳闸命令够5秒？ N Y 收回跳闸令 整组复归 返回主程序 图 11 跳闸子程序流程图4 结束语 继电保护是切除电力系统的故障，防止事故扩大的最为有效的技术手段，必须保证其动作的正确性、灵敏性。当今时代，电网内存在越级跳闸、误动等情况，因此，为了保证电网安全、稳定运行，确保工农业连续生产，极需进一步提高继电保护的灵敏性、正确性。本次设计过程培养了我的综合运用电力系统继电保护及其他课程理论知识和利用生产时间知识来解决实际问题的