1、繼電保護課程設計輸電線路微機繼電保護系統設計 學院：物理與電子電氣工程 專業：電氣工程及其自動化 姓名： 學號： 摘要輸電線路繼電保護是整個電力系統的重要組成部分，它的任務是快速準確地切除線路故障，保證電網安全運行。本文采用微機控制方法，對高壓輸電線路故障進行診斷和切除，取代傳統電磁型繼電保護裝置。線路保護裝置采用STC12C5A60S2芯片作為控制核心，硬件電路主要包括芯片外圍電路，模擬信號處理和采樣電路，開關量輸入輸出電路，電源電路等。本文首先對整個控制系統進行軟件仿真，然后再將設計應用到實際當中，闡述三段式電流保護的控制流程和軟件實現方法。關鍵詞 單片機；繼電保護；整流；電流互感器目 錄

2、1 緒論11.1 設計背景11.2 微機繼電保護的發展趨勢及特點11.3 本文主要工作22 系統硬件設計32.1 系統框架32.2 系統仿真32.2.1 仿真設計32.2.2 部分電路分析42.2.3 仿真結果62.3 系統硬件72.3.1 主要芯片和器件的選擇72.3.2 單片機最小系統設計102.4 三段式電流保護理論132.4.1 電流速斷保護（第I段）132.4.2 限時電流速斷保護（第II段）132.4.3 定時限過電流保護（第III段）142.4.4 三段式電流保護小結143 系統軟件設計143.1 系統軟件設計方案14總結14參考文獻151 緒論1.1 設計背景當今社會，電能已經

3、成為人類最重要的能源之一，它幾乎已經滲透到人類一切的活動當中。由于電能的生產是在相對集中的區域完成，所以電能的輸送成為電力系統中重要組成部分。隨著電網電壓等級的不斷升高和用電負荷的不斷增加，輸電安全也逐漸成為重要研究課題。傳統電力系統繼電保護經歷了機電型、整流型、晶體管型和集成電路型幾個階段。20世紀70年代以后，電力系統繼電保護進入微機時代。微機繼電保護降低了設備成本，提高了設備可靠性，同時具有控制靈活、準確，性能優良等特點，成為當今主流的繼保控制核心。本文采用51單片機為核心，通過低壓數字微機信號采集、數據分析、動作輸出，實現對高壓輸電線路的診斷、分析、故障切除，保護電力系統安全運行。1.

4、2 微機繼電保護的發展趨勢及特點繼電保護技術發展趨勢向計算機化、網絡化、智能化、保護、控制、測量和數據通 信一體化發展。隨著計算機技術的飛速發展及計算機在電力系統繼電保護領域中的普遍應用，新的控制原理和方法被不斷應用于計算機繼電保護中，以期取得更好的效果，從而使微機繼電保護的研究向更高的層次發展，出現了一些引人注目的新趨勢1。微機繼電保護主要有以下特點：1改善和提高繼電保護的動作特征和性能，動作正確率高。主要表現在能得到常規保護不易獲得的特性；其很強的記憶力能更好地實現故障分量保護；可引進自動控制、新的數學理論和技術如自適應、狀態預測、模糊控制及人工神經網絡等，其運行正確率很高也已在運行實踐中

5、得到證明。 2可以方便地擴充其他輔助功能。如故障錄波、波形分析等，可以方便地附加低頻減載、自動重合閘、故障錄波、故障測距等功能。 3工藝結構條件優越。體現在硬件比較通用，制造容易統一標準；裝置體積小，減少了盤位數量；功耗低。 4可靠性容易提高。體現在數字元件的特性不易受溫度變化、電源波動、使用年限的影響，不易受元件更換的影響；且自檢和巡檢能力強，可用軟件方法檢測主要元件、部件的工況以及功能軟件本身。 5使用靈活方便，人機界面越來越友好。其維護調試也更方便，從而縮短維修時間；同時依據運行經驗，在現場可通過軟件方法改變特性、結構。 6可以進行遠方監控。微機保護裝置具有串行通信功能，與變電所微機監控

6、系統的通信聯絡使微機保護具有遠方監控特性等等。1.3 本文主要工作本文在借鑒國內外微機繼電保護發展的成功經驗結合現有資源對輸電線路繼電保護系統進行了軟件仿真以及硬件實物的設計。其主要內容包括以下幾個方面: 1簡單概述了微機繼電保護技術2。主要介紹了國內國外微機繼電保護的發展史、繼電保護的幾大特點、主要的理論技術和成果以及今后總的發展要求和趨勢。 2三段式電流繼電保護的原理，及整定方法。3利用protues軟件進行系統的電路設計并仿真。 4與仿真軟件配合進行單片機軟件編程。 5系統硬件設計原理與過程。包括單片機最小系統電路設計、A/D模塊、AC/DC整流穩壓電路設計、三段式電流速斷保護電路連接。

7、6系統聯合調試。2 系統硬件設計2.1 系統框架隨著電力系統的發展，電網結構的日益復雜，對其保護、控制、變量、通信等功能的要求越來越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出現，微機保護裝置將逐步實現高集成度、全功能化。本系統著重考慮了保護的特殊性和實驗的靈活性要求，采用了STC新型的高性能FLASH型MCU，從而使本裝置既滿足了繼電保護的“四性”要求，又能靈活的適應各種保護原理的需要。本系統硬件核心采用中國STC公司STC12C5A60S2芯片作為微制器，并配以適當的外圍電路來完成各項功能。本系統的硬件結構主要包括：中央處理單元、數據采集單元(模擬量和數字量)、人機接口(鍵盤與顯示)單元、開關量

8、輸出單元，各部分如圖所示。圖2-1系統總體結構圖2.2 系統仿真2.2.1 仿真設計本系統采用Proteus軟件仿真。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器。由于Protues不對stc12系列單片機提

9、供支持，我暫且用AT89系列代替。用外部AD轉換芯片進行模數轉換。并且用變壓器來代替電流互感器。根據系統設計要求作如下仿真：圖2-2系統仿真圖2.2.2 部分電路分析1、本系統采用橋式整流電路，整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉換成單向脈動性直流電，這就是交流電的整流過程，整流電路主要由整流二極管組成。經過整流電路之后的電壓已經不是交流電壓，而是一種含有直流電壓和交流電壓的混合電壓。此時需要在電路中加入濾波電容，讓電流波形更加趨于平滑。電路如下：圖2-3整流電路圖如下圖所示，在整流電路電壓輸入輸出端加入示波器來對比顯示整流效果a（整流前） b（整流后）圖2-4 整流前后對比

10、圖2、光電隔離。光電隔離的目的是使測控裝置與現場僅保持信號聯系，而不直接發生電的聯系。隔離的實質是把引進的干擾通道切斷，從而達到隔離現場干擾的目的。由于本系統現場信號是從高壓輸電線路中取得，而控制裝置是低壓的數字芯片，兩者必須隔離才能工作，否則低壓芯片很容易被燒毀。見圖2-5，光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦

11、合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力圖2-5光耦合器圖3、仿真中選用ADC0832芯片作為模數轉換模塊。ADC0832 為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0-5V之間。芯片轉換時間僅為32S，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。圖2-6 ADC0832圖4、本系統用5V直流繼電器作為開關量輸出單元，再接一個LED發光二極管

12、來直觀的顯示繼電器是否動作。由于一般單片機的I/O口并不具備直接帶負載能力，我們可以用三極管來驅動直流繼電器。此外，因繼電器的內部是一個線圈繞組，相當于一個大容量的電感。而電感具有緩存電流的作用，如果電流過大則可能擊穿三極管。因此，在繼電器回路中加入一個二極管來釋放電感中的大電流。圖2-7開關量輸出模塊圖2.2.3 仿真結果圖 2-8 系統仿真圖經過調試，當變壓器一次側電壓升高，二次側及整流電路輸出電壓也隨之升高，經模數轉換后如果AD值大于預先設定的值，則可認為線路發生短路故障。此時，繼電器動作，指示燈亮。2.3系統硬件2.3.1 主要芯片和器件的選擇1主控芯片本設計的主控芯片是STC12C5

13、A60S2。此芯片是STC生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路、1280字節RAM、2路PWM、8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。還具有EEPROM、看門狗、外部掉電檢測電路、4個16位定時器、3個時鐘輸出口、7路外部中斷I/O口、兩路通用全雙工異步串行口(UART)等等功能。該單片機自帶多路高速AD轉換功能，省去另行設計AD模塊的步驟。該單片機的ADC是逐次比較型ADC。主次比較型ADC由一個比較器和D/A轉換器構成，通過逐次比較邏輯，從最

14、高位(MSB)開始，順序地對每一輸入電壓與內置D/A轉換器輸出進行比較，經過多次比較，使轉換所得的數字量逐次逼近輸入模擬量對應值。逐次比較型A/D轉換器具有速度高，功耗低等優點。需作為AD使用的口先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應位置為1，將相應的口設置為模擬功能。圖2-9 STC12C5A60引腳圖2光耦合器本設計的光耦合器采用TLP521-2。TLP521是可控制的光電藕合器件，光電耦合器廣泛作用在電腦終端機，可控硅系統設備，測量儀器，影印機，自動售票，家用電器，如風扇，加熱器等。電路之間的信號傳輸，使之前端與負載完全隔離，目的在于增加安全性，減小電路干擾，減化電路設計等。下面給出了TL

15、P521光電藕合器的相關重要參數，以及如何應用到實際電路當中去。表2-1 TLP521參數表重要參數符號最小典型最大單位電源電壓VCC-524V正向電流IF-1625mA集電極電流IC-110mA工作溫度Tepr-25-85圖2-10光耦合器典型電路圖3開關量輸出元件在線路發生故障時，微機繼電保護主要是通過各種開關量輸出來完成對線路中各個繼電器和斷路器的控制，從而使發生事故的線路被隔離，其它線路能夠最大程度上得到保護。在開關量輸出通道中，為防止現場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統，一般采用通道隔離技術。本裝置以繼電器控制中間繼電器，實現隔離的效果。選用額定驅動電壓5v、驅動電流3

16、0mA以下的小型繼電器作為開關量輸出控制元件，具有可直接用TTL電平驅動，不用附加電路、體積較小，節省印刷電路板空間等優點。4人機接口人機接口單元即實驗裝置的輸入與輸出設備部分。在微機繼電保護系統的控制過程中，微機的輸入與顯示部分是十分重要，缺一不可的。輸入設備可以將指令通過信號傳遞給主機，繼而控制繼保系統動作與否，以達到本設計的最終目的；顯示設備可以將系統的動作情況及時的反饋出來，以達到實時監督繼保系統動作正常與否的過程。鍵盤電路是最重要的輸入單元，是單片機應用系統中是一個很關鍵的部件，它能向計算機輸入數據、傳送命令等功能，是人工干預計算機的主要手段。 鍵盤接口主要分矩陣式和獨立式兩種。矩陣

17、式鍵盤適用于按鍵數量較多的場合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交點上，占用較多的地址空間或I/O口線。獨立式按鍵就是個按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態不影響其他輸入線上的工作狀態。 獨立式按鍵適用于按鍵較少或速度要求較高的場合。獨立式按鍵相比矩陣式結構，具有配置靈活的明顯特點。 在保證能完成各種功能的情況下，為了使操作簡單，選用了盡量少的按鍵數(本裝置中僅選用了8個)，并且采用了獨立式按鍵結構，實行功能復用，此方法雖然在判斷哪一個按鍵按下的程序上顯得復雜了一些，但它可以節省很多的數據地址空間或IO口線，配置靈活，硬件結構簡單。 本裝置的按鍵部分直接采用MCU的

18、IO口作為輸入。按鍵的掃描方式有兩種：查詢方式和中斷方式。由于中斷方式不但占用CPU的外部中斷資源，而且還可能干擾其它重要中斷程序的正常運行，因此在本裝置中采用查詢方式，即在程序中對相應IO口的狀態進行查詢，確認是否有鍵按下，然后調用相應的按鍵處理程序。5顯示器在各類儀表中，常用的顯示器有：發光二極管顯示器(LED)、液品顯示器(LCD)、熒光管顯示器、簡易的CRT接口等。本裝置從電路設計簡單、減小功耗、能顯示多種字符的想法出發，選用點陣式液晶顯示模塊LCM，它是將LCD控制器、RAM、ROM和LCD顯示器集成在一起，使用時只要向LCM模塊送入相應的命令和數據便可實現所需要的顯示。 本裝置采用

19、了12864A-1圖形點陣液晶顯示模塊，它主要由行驅動器、列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示12×4個(16X16點陣)漢字。主要技術參數和性能： (1)電源(VDD)：+5V。 (2)工作電流：約13mA(無背光，無負壓)。 (3)顯示內容：128(列)X64(行)點。(4)全屏幕點陣。 (5)七種指令。 (6)與CPU接口采用8位數據總線并行輸入輸出和6條控制線。 (7)占空比：11：64。 (8)工作溫度：2070，存儲溫度：3080。2.3.2 單片機最小系統設計單片機最小系統主要由電源、復位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。圖2

20、-11 單片機最小系統電路圖1電源模塊對于一個完整的電子設計來講，首要問題就是為整個系統提供電源供電模塊，電源模塊的穩定可靠是系統平穩運行的前提和基礎。51單片機雖然使用時間最早、應用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機，51單片機更容易受到干擾而出現程序跑飛的現象，克服這種現象出現的一個重要手段就是為單片機系統配置一個穩定可靠的電源供電模塊。2復位電路單片機的置位和復位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態，一般來說，單片機復位電路作用是把一個例如狀態機初始化到空狀態，而在單片機內部，復位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設備裝入廠商預設的一個值。單片機復

21、位電路原理是在單片機的復位引腳RST上外接電阻和電容，實現上電復位。當復位電平持續兩個機器周期以上時復位有效。復位電平的持續時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數值可以由RC電路計算出時間常數。復位電路由按鍵復位和上電復位兩部分組成。1.上電復位：STC89系列單片及為高電平復位，通常在復位引腳RST上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進行復位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態，這個電阻和電容的典型值為10K和10uF。2.按鍵復位：按鍵復位就是在復位電容上并聯一個開關，當開關按下時電容被放電、RST也被拉到

22、高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位。圖2-12 復位電路圖3震蕩電路單片機系統里都有晶振，在單片機系統里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內調整頻率，稱為壓控振蕩器(VCO)。晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態下工作，以提供穩定，精確的單頻振蕩。單片機晶振的作用是為系統提供基本的時鐘

23、信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環電路配合使用，以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供。STC12C5A60S2使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間圖2-13 震蕩電路圖2.4 三段式電流保護理論2.4.1 電流速斷保護（第I段）圖2-15電流保護示意圖對于僅反應于電流增大而瞬時動作的電流保護，稱為電流速斷保

24、護。為優先保證繼電保護動作的選擇性，就要在保護裝置起動參數的整定上保證下一條線路出口處短路時不起動，這在繼電保護技術中，又稱為按躲過下一條線路出口處短路的條件整定。以上圖所示的網絡接線為例，假定每條線路上均裝有電流速斷保護，對于安裝在A母線處的保護1來講，其起動電流必須整定得大于d2點處短路時，可能出現的最大短電流，即在最大運行方式下B母線上三相短路時的電流，即： 式(1.1)引入可靠系數，則式(1.1)即可寫為： 式(1.2)當被保護線路的一次側電流達到起動電流這個數值時，安裝在A母線處的保護1就能起動，最后動作于跳斷路器1。電流速斷保護的主要優點是：簡單可靠，動作迅速，因而獲得了廣泛的應用

25、。但由于引入的可靠系數，所以不難看出，電流速斷保護的缺點是：不能保護本線路的全長，且保護范圍直接受系統運行方式變化的影響。運行實踐證明，電流速斷保護的保護范圍大概是本線路的85%90%。2.4.2 限時電流速斷保護（第II段）由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長，因此我們考慮增加一段新的保護，用來切除速斷范圍以外的故障，保護本線路的全長，同時也能作為電流速斷保護的后備保護。由于要求它必須保護本線路的全長，因此它的保護范圍必然要延伸到下一條線路中去，這樣當下一條線路出口處發生短路時，它就要起動，在這種情況下，為了保證動作的選擇性，就必須使保護的動作帶有一定的時限，但又為了使這一時限盡量

26、縮短，我們就考慮使它的保護范圍不超過下一條線路速斷保護的保護范圍，而動作時限則比下一條線路速斷保護高出一個時間階段，即 式(1.4)由于它能以較小的時限快速切除全線路范圍以內的故障，所以我們稱它為限時電流速斷保護。當線路裝設了電流速斷保護和限時電流速斷保護以后，它們的聯合工作就可以保證全線路范圍以內的故障能夠在0.5s的時間內予以切除，在一般情況下都能夠滿足速動性的要求。因此具有這種性能的保護可以作為線路的“主保護”。2.4.3 定時限過電流保護（第III段）過電流保護通常是指其起動電流按躲過最大負荷電流來整定的一種保護。它在正常運行時不起動，而在電網發生故障時，則能反應于電流增大而動作，它不僅能保護線路的全長，也能保護相鄰線路的全長，以起到后備保護的作用。2.4.4 三段式電流保護小結由于電流速斷保護不能保護線路的全長，而限時電流速斷保護又不能完全作為相鄰線路的后備保護，因此，為了保證迅速而又選擇性地切出故障，常常將電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護組