山東科技大學本科畢業設計論文題目交流異步電動機微機保護設計學院名稱信息與電氣工程學院專業班級電氣工程及其自動化07-3學生姓名學號指導教師山東科技大學學士論文摘要摘要本文分析了國內外異步電動機各類保護裝置及保護算法的發展現狀，借助現代集成電路技術和微電子技術的迅速發展，一改傳統電機自動保護模式，以電動機安全可靠運行為中心，在電動機繼電保護系統中采用單片機(MCU)設計開發了一種電機繼電保護裝置。裝置可以實時采集電機中電壓、電流信號，對采樣數據進行保護算法計算，監視當前電動機的工作狀態，一旦有故障發生，則進行相應保護動作，并分析出保護原因。論文首先分析電動機主要故障特點并基于Matlab/simulink進行了仿真，然后論述了繼電保護裝置的軟件、硬件設計以及保護算法的選擇與實現。在保護算法的軟件設計中，選擇均方根采樣算法和數字濾波器來實現快速、準確獲取電動機的運行參量，選擇對稱分量法來實現故障的快速判斷。基于MCS-51系列單片機設計出了基本的硬件電路，并且繪制了基本的程序框圖。關鍵詞：電動機保護，simulink仿真，單片機AbstractThispaperanalyzesthedomesticandforeignvariousprotectiondeviceandasynchronousmotordevelopmentpresentsituation,theprotectionalgorithmbymeansofmodernintegratedcircuittechnologyandmicroelectronicstechnologyrapiddevelopment,changetraditionalmotorautomaticprotectionmodetomotorforthecenter,safeandreliableoperationoftherelayprotectionsysteminmotoradoptssingle-chipmicrocomputer(MCU)designdevelopedamotorrelayprotectiondevice.Devicecanreal-timedataacquisitionmachine,voltage,currentsignalofsampleddataprotectionalgorithm,monitoringthecurrentmotorworkingstate,onceafaultoccurs,thencorrespondingprotectionmovement,andanalyzetheprotectionreasons.Thesisfirstlyanalysisbasedonthemainmalfunctionscharacteristicsandmotorsimulink.thissimulation,thendiscussestherelayprotectiondeviceandthedesignofhardwareandsoftwareoftheselectionandrealizeprotectionalgorithm.Inthedesignofsoftwareprotectionalgorithm,chooseRMSsamplingalgorithmsanddigitalfilterstoachieverapid,accurateobtainmotorrunningparameter,thechoicemethodtorealizesymmetriccomponentfaultfastjudgment.BasedonMCS-51seriesmicrocontrolleroutthebasichardwarecircuitandmappedthebasicprogramdiagram.Keywords:motorprotection,simulink,microcontroller目錄TOC\o"1-2"\h\z1緒論 11.1異步電機保護的意義 11.2異步電動機保護的發展情況 12異步電機故障分析及仿真 52.1異步電動機的常見故障類型 52.2異步電動機的常見故障仿真 62.3本章小結 153異步電機保護判據和方法 163.1電流速斷保護 163.2過負荷保護 163.3啟動時間過長保護 193.4堵轉保護 193.5零序保護 203.6負序過流保護 213.7低壓保護 213.8本章小結 224異步電機微機保護算法 244.1計算方法的選擇 244.2數字濾波器的選擇 294.3負序及零序電流的計算 354.4本章小結 385異步電機微機保護硬件設計 405.1硬件總體設計思想 405.2微機電動機保護裝置整體介紹 405.3數據采集模塊 415.4CPU模塊 465.5人機接口電路及其他電路 515.7電源選取 596異步電機微機保護軟件設計 606.1主程序框圖 616.2中斷處理程序 626.3人機對話程序 64總結與展望 67參考文獻 69致謝 71附錄一中英文翻譯 72附錄二電動機微機保護系統硬件原理接線圖（另附） 82山東科技大學學士論文緒論PAGE391緒論1.1異步電機保護的意義異步電機因其結構簡單、成本低，運行維護方便和較好的機械特性而在工業控制與各種電氣傳動系統有著廣泛的應用，低壓電動機主要應用于工農業和其它國民經濟各部門，作為拖動機床、水泵、起重機、卷揚機、輕工業和農副業加工設備以及其它一般機械的動力；它是各種電動機中應用最廣，需求量最大的一種電機。高壓異步電動機廣泛地應用于發電廠和工礦企業。據統計，電網的總負載中動力拖動約占60%，動力負載的絕大部分是三相交流異步電動機，如何對異步電機，尤其是作用相對重大的大型異步電機實行有效保護是保證生產安全，保證生產能高效運行的一個至關重要的問題。從電動機制造和發展的過程來看，由于生產自動化及各種自動化控制、順序控制設備的出現，要求電動機經常運行在頻繁啟動、制動、正反轉、間歇以及變負荷等多種方式。在上述各種不同運行狀態下，電動機的發熱情況及其所受到的電動力和熱力的沖擊相差懸殊。而電動機的經濟使用周期（壽命），正與它所受到的啟動次數和持續時間密切相關。現代生產機械中，由于自動化的需要，對電動機的運行要求越來越高，同時，由于電動機與配套機械連接在一起，當電動機發生故障時，經常波及生產系統。因此，對電動機實行有效保護，是保證生產系統正常工作的一項重要任務。某種程度上講，電動機的保護與電動機的設計制造、控制使用同等重要。1.2異步電動機保護的發展情況電動機的故障形式一般分為對稱和不對稱故障，如過載、堵轉、短路、接地、斷相、不平衡等。直接檢測電動機繞組的溫度來保護過載引起的過熱是很有效的保護方式，但由于需直接埋入電動機繞組里，價格較貴、維修困難等原因，僅在部分頻繁操作場合使用；從經濟性考慮，采用電流檢測型更為有利，加熱繼電器仍是一種價廉、簡單、可靠的電動機保護形式(從實際使用情況看，目前使用量占大多數)；對動作性能要求較高及功能要求全或價格昂貴的大容量電動機保護，則可采用電子式或固態繼電器；對一般要求，則采用帶熱-磁脫扣的電動機保護用斷路器更為實用。但不管采用何種保護裝置，必須考慮過載保護裝置與電動機、過載保護裝置與短路保護裝置的協調配合。下面簡述一下異步電動機保護的發展情況：(1)熱繼電器為主的組合保護方式中小型電動機保護采用熔斷器、接觸器和短路器及熱繼電器的組合。采用熔斷器及熱繼電器的電動機保護是較為經濟、簡單的一種方式。但當電動機發生故障或熔絲選擇不當等原因使熔斷器一相熔斷時，就會使電動機缺相運行而使事故進一步擴大，造成電動機燒毀。熱繼電器在保護電動機過載方面具有結構簡單、安裝方便等優點，但它也有保護時滯和對輕微過載與堵轉保護欠佳的缺點。長期輕微過載運行使電動機繞組產生熱積累，而使繞組絕緣老化造成電機損壞。(2)傳統的電磁型保護方式以反映故障前后電流量的變化為判據的電磁型保護曾得到廣泛應用。目前我國電網中，有一部分電動機保護仍采用電磁型繼電器為主的保護，如運行中的保護大多數為電流速斷或定時限過流，另有相當數量的電動機采用一次過流保護。根據異步電動機的啟動特性，為了使保護在電動機啟動時可靠不動作，這些保護的定值都要躲過電動機的啟動電流來整定，這樣定值要比其本身額定電流大許多倍，這對電動機匝間故障、堵轉、轉子鼠籠斷條等故障動作的靈敏度降低，而只能保護電源電纜和定子入口的一小部分，這就加重了電動機的損壞程度，有不少電動機在故障切除后，燒毀的部分無法修復。可見電磁型電動機速斷或定時限電流保護是犧牲保護的靈敏性來提高可靠性的。(3)溫度保護決定繞組絕緣壽命的基本因素是溫度。因此，任何過負荷的允許持續時間都應以絕緣發熱為依據。而熱保護（熱繼電器）和電流保護（電磁型、電子式）的本質都是按照電動機定子電流的大小規定允許過負荷時間的長短。溫度保護是利用安裝在電動機內部的溫度傳感器來實現的。當電動機達到一定溫度時，繼電器動作斷開電動機的供電電路。此類保護的關鍵是在制造電動機時，將傳感器直接放在電動機繞組里，但究竟將其預埋于電動機的哪一部位才能最全面有效地監測電動機繞組的溫升，從而靈敏地切除故障是不能確定的。(4)電子式保護隨著現代電子工業的發展，一批新型的電子模擬多功能保護應運而生。我國電子式保護是由晶體管型發展至集成電路型的。其原理一般包含兩個方面：一是通過檢測電流值來反映過載、短路及堵轉等以過流為特征的故障；二是通過檢測電動機的電流是否缺相來反映斷相故障。基于過流的保護從原理上分析有以下問題：(a)不對稱故障或不平衡運行狀態與對稱故障或過載就引起電動機損壞的原因是完全不同的。因不對稱故障或不平衡運行會出現負序電流分量，由此所引起的負序效應會導致電動機過熱、轉子震動等一系列問題。因此，若仍以過流為目標構成保護器，則難以實現對電動機的全面檢測和保護。(b)電動機內部繞組故障（如匝間短路、單相、兩相接地等）一般是由于環境較差，長期運行不當等原因引起的。起初這類故障往往是局部的并不出現過流，但若不及時處理會導致事故擴大，等到故障嚴重到導致過流保護動作時，電動機已損壞，保護失去意義。(5)微機保護微機保護是近二十余年發展起來的一種新型保護，深受廣大用戶的歡迎，發展速度亦越來越快。微機保護較傳統保護有著性能優良、可靠性高、靈活性強和易獲得附加保護功能等優點。但在以前由于其成本高、價格較貴，一般的電動機保護基本上不選用它。隨著科學技術的飛速發展，近年來單片計算機和各種電子元器件的價格逐漸下降，微機保護正在廣泛地應用于電動機保護，以物美價廉、多功能和高可靠性等優點逐步取代其它保護裝置。1.3本文的主要工作本文首先分析了異步電動機的常見故障，并對異步電動機的幾種故障情況進行了MATLAB仿真，然后又全面分析了異步電動機的故障原因和故障特點，在此基礎上設計出異步電動機的綜合保護方案,整定依據和保護算法；利用MATLAB編程對算法進行了驗證。然后介紹了基于51系列單片機的微機異步電動機保護硬件裝置。本裝置的硬件核心是51系列單片機，是整個硬件系統的計算核心和操作核心，還簡單介紹了包括電量采集部分，人機接口部分及操作回路的設計。最后本文對上述保護方案進行了軟件設計，繪制了異步電動機保護功能、數據采集功的程序軟件設計框圖。山東科技大學學士論文異步電機故障分析及仿真山東科技大學學士論文異步電機故障分析及仿真2異步電機故障分析及仿真2.1異步電動機的常見故障類型要做好異步電動機的保護，首先要分析保護對象會遇到的各種故障，分析其故障特征，才能提出切實可行的保護方案。對于異步電動機來說，其故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。造成繞組損壞的主要原因有：(1)由于電源電壓太低使得電動機不能順利啟動，或者短時間內重復啟動，使得電動機因長時間的大啟動電流而過熱。(2)長期受電、熱、機械或化學作用，使繞組絕緣老化和損壞，形成相間或對地短路。(3)因機械故障造成電動機轉子堵轉。(4)三相電源電壓不平衡或波動太大，或者電動機斷相運行。(5)冷卻系統故障或環境溫度過高。造成電動機軸承損壞的原因主要有：機械負荷太大、潤滑劑不合適，或者惡劣的工作環境，如多塵、腐蝕性氣體等給軸承帶來的損壞。由于電動機的微機保護主要是通過測量電量(電流、電壓以及開關狀態等)來監測電動機的運行狀況，因此面對的主要是繞組故障。引起電動機繞組損壞的常見故障可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障主要有：三相短路、堵轉和對稱過載等；不對稱故障主要有：斷相、三相不平衡、單相接地或相間短路。在本文下一節，將對其中幾種故障進行基于MATLABSIMULINK的仿真。2.2異步電動機的常見故障仿真2.2.1建立簡單的異步電機的工作模型電源異步電動機輸電線路變壓器電源異步電動機輸電線路變壓器圖圖2.1基于simulink繪制的仿真圖形本節繪制了一個簡單的高壓電機工作模型，由110kV電源經過降壓變壓器至6kV，經輸電線路至高壓電機。2.2.2各部分參數的設置無窮大功率電源參數此次設計仿真電路假設電源電壓幅值和頻率均為恒定值，這種電源稱為無窮大功電率源，實際上這種電源是不存在的，因而只能是一個相對的概念，往往是以供電電源的內阻抗與短路回路的總阻抗的相對大小來判斷能否看做無窮大功率電源。當供電電源的內阻抗小于短路回路總阻抗的10%時，則可以認為供電電源為無窮大功率電源。在這種情況下，外電源發生短路對電源影響小，可以近似認為電源電壓幅值和頻率都保持恒定。電源采用“Three-Phasesource”模型，各參數設定如下圖。【1】圖2.2電源模型的參數變壓器參數本次仿真設計采用110kV雙繞組變壓器SSPL-20000，根據給定的數據，計算參數如下：圖2.3變壓器模型的參數額定功率20MW，工頻50HZ，一次側星形接地連接，電壓110kV，二次側三角形連接，電壓6300V。輸電線路參數仿真模型的輸電線路采用的是“Three-phasePISectionLine”模型。圖2.3變壓器模型的參數異步電動機參數仿真所采用的高壓電動機的參數為：額定電壓=6kV，額定功率=250kW，極對數p=2，定子電阻，轉換后的轉子電阻定子漏阻抗和轉換后的轉子漏阻抗，勵磁阻抗，額定轉矩J=13.9kg·m2。定子和轉子的等值電感；額定轉速為1500r/min;勵磁等值電感；其他模塊的選擇（1）電壓-電流測量模塊三相電壓電流測量模塊“Three-PhaseV-IMeasurement”將在變壓器低壓測量到的電壓，電流信號轉變成Simulink信號，相當于電壓、電流互感器的作用。（2）階躍模塊接置于電動機TM端用于輸入負載轉矩。初始值設置為電機的額定轉矩。估算出電機的額定轉矩，=1591;（3）示波器測量異步電機的三相定子電流及其各序分量,定子三相電壓量。因為設計需求，本次仿真主要測量這幾組變量。（4）其他參數起始時間0S，終止時間2S，計算方法：ode23tb2.2.3仿真分析元件布置完成以后，完成電機的潮流計算，在電機正常運行后，開始仿真電機常見的故障。圖2.4潮流計算的初步結果過載故障將階躍函數的階躍值設為3000，階躍時間為0.3S，即在電機運行至0.3S時加上3000單位的負載。仿真運行后得定子三相電流波形圖，如圖2.5；圖2.5定子三相電流波形分析：在0.3S電機帶上過負載運行時，電機定子電流大幅度增加，這是因為當輸入轉矩（即負載）增大時，影響轉子轉速導致下降，從而轉差率S增大，于是引起轉子電壓平衡式的變化，使轉子電流增加，定子電流也隨之增加，同時，轉子電流的增加也會引起輸出轉矩的增大，從而與負載轉矩相平衡。這樣電機趨于新的穩定。斷相故障在定子C相接線端加入開關模塊，初始值設置為閉合，在0.2S時開關斷開；運行完畢后得定子三相電流如圖2.6；得負序電流如圖2.7。圖2.6定子三相電流圖2.7負序電流波形分析：斷相故障沒有特別大的過電流出現，三相出現不平衡電流，意味著有負序電流的產生。并且很清楚得看到IA=-IB,意味著沒有零序電流的出現。相間短路故障設置故障模塊，0.3S時A，B兩相發生相間短路故障，運行完畢后得定子三相電流如圖2.8；得負序電流如圖2.9,繞組三相電壓如圖2.10。.圖2.8定子三相電流圖2.9負序電流圖2.10繞組三相電壓波形分析：相間短路時，兩個故障相的電壓量相等，并出現強大的過電流及不平衡電流，即有負序電流產生；但沒有零序電流的存在。單相接地短路置故障模塊，0.3S時A相發生接地短路。圖2.11定子三相電流波形分析：在發生單相接地短路后，通過波形圖看出并無過電流出現，故障相和非故障相均流過正常負荷電流。這是因為中性點不接地系統中，發生單相接地故障是，沒有短路電流通路的形成，所以無過電流的出現。2.3本章小結電動機的故障形式一般可分為對稱故障和不對稱故障兩大類。對稱故障，包括過載、堵轉和三相短路等，這類故障對電動機的損壞主要是熱效應和機械應力，使繞阻發熱甚至損壞。該故障的主要特征是三相仍基本對稱，但同時伴有過電流，過電流的程度依據具體故障類型而定。不對稱故障又可進一步分為非接地性不對稱故障和接地性不對稱故障兩類。（1）非接地性不對稱故障，主要包括斷相、相間短路，匝間短路及不平衡運行等。這類故障會引起三相電流不對稱。由于我國電動機的中心點不接地，因此定子電流中可分解為正序和負序分量(零序分量為零)。有的不平衡故障無明顯過流，如斷相故障；有的不平衡故障伴有過流發生，還會使繞組發熱，如相間短路故障。（2）接地性不對稱故障，包括單相接地短路和兩相接地短路。由于我國電動機中性點不接地，因此在非接地系統中，沒有短路電流回路的形成，沒有過電流和零序電流的產生，依然正常運行。據調查發現，異步電機的故障中90%以上是定子繞組因過熱損壞，而其中近60%是因斷相故障引起不對稱故障。不對稱故障對電動機的損害不僅僅是引起發熱，更重要的是不對稱引起的負序效應造成電動機的嚴重損壞。山東科技大學學士論文異步電機保護判據和方法3異步電機保護判據和方法3.1電流速斷保護電動機的定子繞組或引線的相間短路會產生大的短路電流，可在短時間內燒毀電機，故短路保護裝置是瞬時動作，即瞬時斷開發生故障的電機動作。設置電流速斷保護，時限可整定為速斷或帶較短的時限。本裝置速斷保護分為兩段，其中啟動速斷為啟動中的短路電流保護，這段時間允許有較大的啟動電流(啟動電流可以整定)，啟動完成后自動退出。另一段速斷保護為運行中的短路電流保護，正常運行時任一相電流大于整定值電流，速斷保護經整定延時跳閘。3.2過負荷保護過負荷保護是電動機運行過程中電機發熱與散熱平衡測定，反映定子、轉子繞組的平均發熱狀況，防止電動機過熱。主要保護電動機的對稱過負荷及不對稱過負荷。根據電動機的發熱和散熱特性，在裝置中設置一個模擬電動機發熱的模型:因為正、負序電流的發熱效應不同，用等效電流對描述電機發熱，其中，I1為正序電流，I2為負序電流，k1為正序電流發熱系數，k2為負序電流發熱系數。為防止電動機在正常起動過程中誤動作，在起動過程中，為躲避電機啟動電流取k1=0.5，起動完成后，取k1=1.0。對于k2的值，為模擬負序電流的增強發熱效應，根據經驗取k2=1~8，一般取為6。過負荷反時限保護模擬電動機的發熱積累，當等效電流大于過負荷電流時,電動機開始熱量積累，當等效電流小于過負荷電流時，熱積累通過散熱逐漸減少。當熱量積累至告警或跳閘整定值時，保護裝置報警或跳閘。電動機的允許過負荷電流積累溫度與允許運行時間之間的關系如圖3.1所示，整定設計為電動機發熱量在時間軸上的積分。θθtt圖3.1電動機有一定的過負荷能力，過負荷電流數值愈大，允許運行時間愈短，反之，允許運行時間愈長，具有反時限特性。依照熱力學理論保護裝置動作時間特性方程為:（3.1）式（3.1）中:k為電動機發熱時間常數I1、I2:分別為正序電流和負序電流Ie為電機電機額定電流k1、k2分別為正序電流發熱系數和負序電流發熱系數1.05是修正系數。當過負荷保護動作，電動機跳閘保護后，電動機有一個散熱過程，需要等待熱量散發到一定程度時，清除過負荷保護標志位，才允許再次合閘。而電動機停轉后，電動機的散熱效果變差，此時散熱時間常數應相應延長。過負荷保護跳閘后，在需要緊急起動電動機的情況下，須按下裝置上的復位鍵，強制清除過負荷保護標志位，方可再次起動。過負荷熱保護發熱時間常數T的整定，按電動機過負荷能力并參照電動機發熱時間常數整定。發熱時間常數應由電機廠家提供，若廠家未提供，可考慮用下述方法估算:（1）如廠家提供了電動機的熱限曲線或一組過負荷能力的數字，則可根據式（3.2）（3.2）求出一組后取較小的值。（2）根據式（3.3）（3.3）來求出發熱時間常數。式中:為電動機的額定溫升，為電動機起動時的溫升，K為起動電流倍數;為電動機的起動時間。（3）由允許堵轉時間t估算（3.4）式為為堵轉電流倍數。（4）由電動機的溫升值和電流密度估算（3.5）式中:為電動機定子繞組額定溫升;電動機所采用絕緣材料的極限溫升;為電動機定子繞組額定電流密度。過負荷報警發熱時間常數可整定為過負荷跳閘發熱時間常數的70一80%，對于負荷變化比較頻繁的電動機，為避免常發報警，可將過負荷報警發熱時間常數整定得高一些。過負荷散熱時間常數的整定根據電動機的散熱條件整定，可按發熱時間常數的倍數整定。3.3啟動時間過長保護在電動機運行過程中，啟動過程電流速斷保護是電動機啟動過程相間短路的保護，任一相電流大于速斷整定值，速斷保護切斷電機電源。啟動時間過長保護為避免電機因長時間過電流啟動造成過熱損壞。正常啟動時，電機在一段時間內，流過電機的電流由啟動電流逐漸回落正常運行的額定電流，啟動過長保護自動退出。如果超過了電動機啟動整定時間，電機電流仍保持著較大的啟動電流，啟動時間過長保護跳閘。為避免電機頻繁啟動，一旦發生了啟動時間過長保護，電機不能又立即執行啟動操作，而是在經過一段散熱延時后，才允許重啟電機。3.4堵轉保護堵轉保護在電動機運行過程中對電動機提供保護，運行過程中出現堵轉，會引起電流急劇增加，定子、轉子繞組迅速升溫，電動機處于堵轉狀態下允許的時間很短，堵轉保護采用短時限保護。當電動機出現堵轉故障時，其電流接近電動機的起動電流，堵轉有別于電動機的起動狀況。在起動狀況下，電動機的起動電流一般隨起動時間逐漸減少，而發生堵轉時，電動機的電流一般是呈上升趨勢。堵轉保護電流的整定可按電動機銘牌堵轉電流的一半整定，一般取2.5Ie，堵轉保護時間的整定可參考電動機的允許堵轉時間整定，一般整定為允許堵轉時間的0.9倍。3.5零序保護零序保護為電動機接地故障提供保護，保護用零序取自零序電流專用零序CT。我國3KV、6KV、10KV電網大多數中性點一般不接地或經消弧線圈接地的系統，其定子單相接地主要由絕緣損壞引起，其零序電流主要為電容電流，接地點的電流小，不是短路電流，因此這種系統中電動機零序電流保護通常只需發出接地信號，不跳閘。變壓器中性點不接地系統中電動機零序電流保護的動作電流I0的整定原則是:當本電動機外部(指電機端電流互感器以外)電網中任一地點發生單相接地時，本電動機的零序電流保護不動作。本電動機定子繞組單相接地故障時，本電動機零序電流保護發出接地信號并報警。我國380V低壓電網為變壓器中性點直接接地的電網，少數3KV、6KV、10KV電網是變壓器中性點經高電阻接地的電網。在這些電網中的電動機定子繞組或引出線單相接地故障時，有短路電流，要求電動機的零序電流保護動作于跳閘，其動作電流I0的整定計算原則為:躲開電動機在起動過程中由于三相電流不完全對稱而出現的三倍不平衡零序電流。按此原則整定的I0值較小，大約不超過2—2.5A，很難躲開電動機繞組或引出線相間短路時所出現的三倍不平衡零序電流，則可考慮將零序電流保護的延時整定為0.5S，以此延時來躲開相間短路對零序電流保護的影響。整定值應躲過外部發生接地故障時流過保護安裝點的電容電流。當I0大于保護的動作電流時，經短延時t。，依據用戶要求發出接地信號或跳閘。3.6負序過流保護負序過流保護主要是針對電動機的各類非接地性不對稱故障(如電動機斷相、定子繞組或引出線不對稱相間短路、定子繞組匝間短路)提供的保護。防止電動機電流不對稱，出現較大的負序電流;而負序電流在轉子中產生2倍工頻的電流，使轉子發熱大大增加，危及電動機的安全運行。在正常運行時，負序電流很小或基本為零。一旦出現較大幅值的負序電流，一定是發生了不對稱性故障。在實際運行中，供電電源總存在著某種程度的不對稱。由供電電壓不對稱引起的負序電流值取決于電動機的負序阻抗的比值。此比值大致是額定電流與起動電流之比。負序過流保護為兩段式負序過流保護:第一段負序過流保護用來保護電動機的斷相、反相、閘間短路等故障。第二段作為靈敏的不平衡電流保護。當負序電流大于整定值，負序保護經整定延時動作，其中第一段動作于跳閘，第二段可選擇動作于信號或跳閘。3.7低壓保護當電源電壓降低或短時中斷，低電壓保護對不能自啟動的電動機，或不允許自啟動的電動機，在電源電壓消失后，動作于跳閘，將電動機從電網中斷開。電動機低電壓運行時轉矩急劇下降，造成電動機嚴重過載。而當電動機電壓下降到60%，電動機的自啟動將發生困難，必須對電動機提供低電壓保護。當電源電壓降低或短時中斷，為了保證重要電機自啟動及根據生產過程和技術保安要求，電機需配置低電壓保護;三個線電壓均小于低電壓保護定值，并且斷路器處于合位時，低電壓保護動作。3.8本章小結由第二章和第三章的分析和有關實驗資料表明，過流、負序和零序三個量的不同排序組合，再加上某些故障特征，與各類故障類型之間具有很好的對應關系，便于實現故障診斷及其相應保護。綜合歸納可得表3.1。表3.1電動機常見故障診斷表故障類型零序分量負序分量過電流其他故障特征保護特性對稱故障過載無無有三相過電流對稱反時限堵轉無無短時限短路無無速斷非對稱故障非接地故障斷相無有有故障相電流為零速斷相間短路無有有故障相間電壓相等速斷不平衡無有無三相電流不對稱短時限接地故障單相接地無無無與正常運行狀態一致不動作兩相接地無有有故障相間電壓相等速斷表3.1山東科技大學學士論文異步電機微機保護算法4異步電機微機保護算法基于微處理器為核心的電機保護裝置是通過A/D轉換把實時采樣得到的交模擬量轉換成數字量，得到一系列離散的、量化了的數字序列，利用各種算法計出相關的電壓、電流的有效值和相位等電參量。交流采樣有多種算法，每種算法精度和速度不盡相同，尋找一種快速而又不失精確的算法，才能使得電機保護裝準確地判斷電機故障和迅速地采取保護措施。交流采樣算法依據信號的數學模型主要有兩類:基于正弦函數模型的算法，如最大值算法、兩點采樣算法、三點采算法、半周期積分算法等:基于周期函數模型算法，如均方根算法、傅立葉采樣法、最小二乘濾波算法等。下面就部分采樣算法作簡要介紹。【8】4.1計算方法的選擇4.1.1兩點采樣算法基于正弦函數模型，瞬時電壓、電流為(4.1)(4.2)我們對電壓進行分析，采樣相差為90。的兩組值(4.3)(4.4)計算兩采樣值的平方和如式（4.5）(4.5)這樣求得正弦信號電壓的最大值平方即能得到它的有效值如式（4.6）：（4.6）同理可得電流的有效值如式（4.7）：（4.7）下面討論有功功率P、無功功率Q、功率因數的算法(4.8)(4.9)由式（4.8），（4.9）可得：兩點采樣算法具有簡單快速的優點，能在半周期內完成數據采樣速率要求不高，但是，兩點采樣算法只適用于純正弦的次諧波的非正弦信號進行采樣計算，會產生較大的誤差。4.1.2均方根算法電壓與電流的有效值即均方根值:（4.10）（4.11）將式(4.10)，(4.11)離散化得：:其中N為每周期等間隔采樣次數，為第k次電壓采樣值，為第k次電流采樣值。同樣有功功率（4.12）將式(4.12)離散化得：視在功率S=U·I功率因素值這種算法不僅適用于純正弦的交流量計算，也適用于疊加了其它頻率分量的周期信號。該算法沒有濾波功能，受高頻諧波的影響，計算時會產生誤差，實際應用中應采取必要的軟、硬件濾波。本次設計裝置采用這種均方根算法，一個周期采樣12次，采樣頻率600HZ。下面在MATLAB環境中用程序模擬下該種算法：以A相電流計算為例，在模擬相間短路的情況下，用該計算方法算出的A相電流值；>>N=12;//確定采樣點數t1=(0:0.02/N:0.2);//設置模擬時間，10個工頻周期。num=zeros(1,10);zz=1;Ia=ScopeDataIA.signals.values(:,1);//把模擬時SCOPE中的離散數據提取出來，作為電流采樣值。forii=1:10forjj=zz:zz+11i(jj)=Ia(jj)*Ia(jj);num(ii)=num(ii)+i(jj);endI(ii)=sqrt(num(ii)/12);zz=zz+12;end運行完程序后，得到I的10個周期的有效值如下：序號12345數值28.608028.317228.102427.985727.9403序號678910數值27.934227.943427.9539160.6193103.7416表4.1圖4.1通過圖4.1和表4.1中的數據可以看到在故障發生之前，電流的有效值在額定范圍內，在故障發生后，算出過電流值。4.2數字濾波器的選擇繼電保護裝置的主要任務是在被保護設備發生故障時，以盡可能短的時限，在盡可能小的區間內，自動把故障設備從電網中切除。系統在發生故障的最初階段，由于電流和電壓信號中含有衰減的直流和各次諧波，使故障暫態信號的頻譜十分復雜。任何保護裝置，若其動作原理是基于信號的某部分或單一頻率分量（例如工頻分量、二次諧波等），又由于動作快速性的要求，必須在故障的暫態過程中動作，因此都不可避免地要對輸入信號作濾波處理。微機繼電保護裝置，處理的是離散采樣信號，為了滿足采樣定理的要求，都要使用前置低通濾波器，以濾除輸入信號中的那些高于的頻率成分。但是這僅僅是為了防止頻率混疊，前置低通濾波器的截止頻率一般是很高的，難以接近工頻，因此，直流分量及部分諧波需由數字濾波器來濾除。同時，采用數字濾波器還可以抑制數據采集系統引入的各種電子噪聲，例如：采樣保持回路中的電子開關泄露，模數轉換時的量化誤差等原因帶來的噪聲。廣義而言，數字濾波器是一個裝置或系統，用于對輸入信號進行某種加工處理（運算），以達到取得信號中有用的頻率成分而去掉無用信息的目的。我們所熟悉的模擬濾波器是包含無源元件R、L、C或有源元件（如運算放大器等）的一個物理裝置或系統，而數字濾波器實際上是一段程序，微機通過執行這一程序，對數字信號進行某種數學運算，去掉信號中的無用成分，從而達到濾波的目的。要實現某一數學式描述的特性，對模擬濾波器，要設計一個物理電路，調試該電路，選擇電路中的各元件參數，使其輸入輸出滿足預定的濾波要求。而實現同一特性的數字濾波器，只需按所設計的數學模型編制程序即可。與模擬濾波器相比，數字濾波器主要有以下優點：1．精度高在模擬濾波器中所用的元件的精度要達到已很不易了，而在數字濾波器中增加字長很容易提高精度。2．可靠性高模擬濾波器中各元件的參數受環境溫度變化的影響較大，元件老化等因素也會影響濾波特性，而數字式濾波器受環境溫度的影響要小得多，且不存在元件老化、元件特性差異等導致濾波特性不一致等問題。一旦程序設計完成，每臺裝置的特性可以做到完全一致，而不用逐臺調試。3．靈活性好數字濾波器的性能主要由存放在存儲器中的一些數據決定，改變這些數據就可以得到不同特性的數字濾波器，這一點要比模擬濾波器方便靈活得多。數字濾波器的靈活性還體現在可以按分時制的方法利用一套硬件處理多路信號。濾波器可以有多種分類的方法，就頻率特性而言，通常可劃分為高通、低通、帶阻和帶通濾波器。【8】4.2.1減法濾波器設Ts為采樣周期，x(nTs)為t＝nTs時的輸入數據（采樣值），x(nTs－KTs)為前K個Ts時刻（即t＝nTs－KTs時）的輸入數據，y(nTs)為t＝nTs時的濾波器輸出，則差分濾波器的差分方程為y(nTs)＝x(nTs)－x(nTs－KTs)由于保護中采樣間隔是均勻,所以可以將x(nTS)、y(nTS)直接寫成x(n)、y(n)，上式可寫成y(n)＝x(n)－x(n－K)上式就是差分濾波器的數學模型，其數據窗長度為KTs（或K）。假設模擬量基頻為f，當KTs剛好等于諧波的周期Tm＝1/mf時，則在t＝nTs及t＝nTs－KTs兩點的采樣值中所含該次諧波成分相等，故兩點采樣值相減后，恰好將該次諧波濾去，剩下基波分量。此時有KTs＝1/mf，故濾去的諧波次數為m＝1/KTsf。由此可見，當f和Ts已確定時，需要濾掉的諧波次數可通過差分步長的選擇來實現。差分濾波器有如下特點：（1）因任兩點采樣值中所含的直流成分相同（不考慮衰減），故差分濾波器能消除直流分量。這一特點使它在數字濾波中占有重要地位。（2）由式可知，當選擇K值后，差分濾波器能濾除m次及m的整倍數次諧波。若輸入信號中含有直流、基波及基波的整倍數次諧波，則在輸入為穩態時，濾波器的輸出為0。這一特點在保護中常被用作突變量元件。在電力系統正常時或故障進入穩態后，濾波器的輸出為0，在故障后的KTs時間內，濾波器有輸出，此時輸出的是故障后的參數與故障前的負荷參數之差，這就是故障分量。因此差分濾波器常用來作為增量元件，其輸出持續20ms（工頻一周）。（3）當采用差分濾波器濾除短路電流中的諧波分量時，必須在短路發生后，經過KTs的時間才開始正確反映短路后的電流，在此之前，x(nTs－KTs)反映的是短路前的狀態，這一點圖4—4表示得很明顯。因此，該濾波器有KTs的延時，K值越大（Ts已定），延時越長，即數據窗越長延時越長。故在選擇濾波器時，在保證濾波效果的同時，應盡量減小數據窗長度。（4）差分濾波只需要做減法，因此算法簡單，運算工作量較小。4.2.2加法濾波器加法濾波器的數學模型就是減法濾波器中的減運算變為加運算，其表達為：y(nTs)＝x(nTs)＋x(nTs－KTS)顯然，這種濾波器也是非遞歸型數字濾波器。加法濾波器的結構與減法濾波器結構相似，只是減法器改成加法器即可。加法濾波器的物理意義也是很明顯的。設其頻率為f，在t＝nTs和t＝（nTs－KTs）兩點采樣，若此兩點相距為該正弦波的1/2周期，則此兩點采樣值正好大小相等，符號相反，相加后輸出為0，正好消除該次諧波。此時有KTs＝1/2mf。加法濾波器有如下特點：（1）與差分濾波器比較，數據窗短，為工頻周期的一半。（2）因是前后兩個采樣值相加，故一般不能消除直流分量，這是它的一大缺點。（3）加法濾波器只進行加法運算，故簡單，工作量小。4.2.3濾波器的選擇在電機運行中，最可能出現的是3次諧波，所以本次設計數字濾波器選用減法數字濾波器。由算式KTs＝1/mf算出在采樣頻率為600HZ的條件下，要濾掉m=3的高次諧波，K=4；即y(n)＝x(n)－x(n－6)；用Matlab輔助設計的文件如下：a1=1;b1=[1000-1];f=0:1:600;h1=abs(freqz(b1,a1,f,600));H1=h1/max(h1);plot(f,H1)//繪制出該濾波器的幅頻特性曲線如圖4.2圖4.2下面一段程序模擬本設計數字濾波器的濾波效果：N=12;t1=(0:0.02/N:0.08);m=size(t1);Ia=40*sin(2*pi*50*t1);//設置基波電流值IA=40*sin(2*pi*50*t1)+20*sin(3*pi*100*t1)+10;//疊加高頻分量和直流分量；Y=zeros(1,6);forjj=5:m(2)Y(jj)=(IA(jj)-IA(jj-4))/1.75;Endplot(t1,Ia,'-o',t1,IA)//繪制出基頻信號曲線和帶高頻分量的信號曲線，如圖4.3；圖4.3plot(t1,Ia,'-o',t1,Y,'-*')//繪制出經過數字濾波的信號曲線，與基頻信號對比圖4.5濾波效果的仿真波形如圖所示，帶圓圈標記的是基波電流，帶星號標記的是濾波后的電流。顯然輸出電流已經完全濾除了直流分量和3次諧波分量。4.3負序及零序電流的計算為了分析在系統電壓、電流出現不對稱情形，常把三相分解成對稱分量(正、負序)及同向的零序分量。對于理想的電力系統，由于三相對稱，因此負序和零序分量的數值都為零。當電機發生不對稱故障時，負序和零序不再為零，我們可以通過計算負序和零序電流來判斷電機的故障。現以電流為例，均以A相為參考，分別寫出B、C相的正序、負序、零序電流的表達式(4.12)(4.13)。(4.12)(4.13)令，，則同理負序為：零序為：將三組對稱分量相加，便得三相不對稱的量，即:(4.14)(4.15)(4.16)由式(4.14)(4.15)(4.16)聯立解得：對負序分量進行離散化描述后有：如在此使用12點的均方根采樣計算方法，設△t為采樣間隔，則120°對應4△t，240°對應8△t，故有上式說明在數字分析某相電流負序分量時，可將不同時刻采集到的三相電流值相加。對于三相電壓的序分量，與以上內容是相同的分析方法。同樣的，下面在MATLAB環境中用程序模擬序分量的算法：以計算電流的負序分量為例，在模擬斷相的情況下，用該計算方法算出的A相電流值：i=zeros(110,1)Ia=ScopeDataIA.signals.values(:,1);Ib=ScopeDataIB.signals.values(:,1);Ic=ScopeDataIC.signals.values(:,1);forjj=1:110i(jj)=abs(Ia(jj)+Ib(jj+8)+Ic(jj+4))/3;endt=(0:1:109);plot(t,i)；//繪制負序電流計算值的圖形；圖4.6由圖4.6可知，在未發生故障前，計算出來的數值為零，因為系統中沒有不對稱電流的出現，在發生斷相故障之后，出現了一定量的數值。這些數值就是負序分量，說明這種算法是可行的。零序電流分量同樣可以采用計算的方法求得，在本設計中，為了簡化計算和提高速度，采用了專用的零序互感器進行采樣。4.4本章小結這一章中，介紹了常見的電氣參數采樣算法，根據采樣信號的不同，可分為直流采樣和交流采樣2大類。直流采樣是把交流電壓、電流信號轉化為0～5V的直流電壓，這種方法的主要優點是算法簡單，便于濾波，但投資較大，維護復雜，無法實現實時信號采集，因而在電力系統中的應用受到限制。交流采樣是把交流量轉化為士5v(或O～5v)的交流電壓進行采集，主要優點是實時性好，相位失真小，投資少、便于維護;其缺點是算法復雜，精度難以提高，對A/D轉換速度要求較高。本此設計采用的是交流采樣。山東科技大學學士學位論文異步電機微機保護硬件設計PAGE835異步電機微機保護硬件設計隨著微機保護的不斷發展，對保護裝置的硬件也提出了新的要求。新原理新算法的出現，要求處理的數據和采用的算法越來越多，而傳統的微控制器由于其不具有強大的數據處理能力而逐漸淘汰。大多數裝置的CPU都采用MCS51和8096系列等微控制器，因其具有較強的控制性能，對于大多數數據處理要求不多，時間要求不嚴的系統中，采用它們已能滿足要求。5.1硬件總體設計思想本裝置的硬件核心是采用美國ATMEL公司的AT89S51作為微控制器。考慮到單片機具有較好的控制性能，并配以適當的外圍電路來完成各項功能。由51單片機負責保護功能，完成多通道A/D轉換、各種保護算法的運算以及用于控制操作繼電器的開關量輸出等功能；而且51單片機作為整個裝置的管理單元，主要負責實時時鐘控制、各類參數及定值的管理、人機接口以及串并行通訊接口的控制。考慮到51單片機的I/0口資源有限，而它擴展的外圍芯片又較多，所以采用了I2C總線，選用了較多的I2C器件，從而在不影響整個裝置實時性的情況下很好地解決了I/0口資源有限的問題。5.2微機電動機保護裝置整體介紹本裝置采用插件式結構，活動面板設計。各插件之間通過底板走線實現電氣聯系，只有顯示板與CPU插件之間是通過扁平電纜連接，這在考慮了現場使用的便利性基礎上提高了裝置的可靠性。根據實現功能的不同，本裝置共包括了交流量輸入及濾波模塊、電源及開關量輸入模塊、操作回路以及CPU機器人機接口部分，它們之間的相互關系如圖5.1所示。由圖可見，各部分功能劃分明確，接口設計合理，構成了一個完整的數據采集、數據處理及實時控制系統。電源及開關量輸入模塊CPU控制與計算電源及開關量輸入模塊CPU控制與計算模塊數據采集模塊操作回路人機接口電路及其他電路圖5.15.3數據采集模塊根據前述所用故障判據，涉及的異步電機定子三相電壓，定子三相電流及零序電流狀況，因此宜采用多通道準同步數據采集系統結構。如圖5.2所示；數據采集模塊額定輸入交流數據如下：(1)相電壓：；(2)相電流：5A；(3)頻率：50Hz；定子三相電流定子三相電流互感器定子三相電壓互感器定子零序電流互感器低通濾波器低通濾波器低通濾波器采樣保持器采樣保持器采樣保持器多路選擇開關數模轉換單片機圖電壓形成回路及前置濾波器電壓形成回路主要包括電流，電壓變換器，如圖5.3所示，圖中變換器一次側所接的內容主要是為了吸收耦合到導線上的干擾信號。電流變換器二次側所并電阻實現了電流到電壓變換的目的。本次設計所選的變換器來自保定電力電子有限公司，具體型號如表5.1：互感器類型型號電流互感器WLH5A/2.5mA電壓互感器WYB100V/3.53V零序電流互感器SH-LJB80表5.1在電力系統發生故障時，故障初瞬電壓、電流中往往含有頻率很高的分量，其頻率往往達到2000HZ以上，為了防止頻率混疊，選擇的采樣頻率必須是4000HZ以上，這就對硬件提出相當高的要求，而目前絕大多數微機繼電保護的原理都是反映工頻信號的，因此為了降低采樣頻率，在采樣之前選用了RC低通濾波器，將頻率高于采樣頻率一半的信號濾掉。本設計選用R2=3kΩ，C2=0.47uF，則低通頻率，即100Hz以下的信號全部通過濾波器，頻率大于100Hz的信號逐漸衰減。圖采樣保持電路及信號選擇電路輸入到微機繼電保護系統的電流、電壓等模擬量經過電壓形成回路變換所要求的電壓值后，再經過模擬低通濾波器進入采樣保持電路。就是將一個時間上連續變化的模擬量轉換為在時間上離散的模擬量。本系統的采樣保持器結構如圖5.4所示，本次采用LF398集成采樣保持器，其捕捉時間為6ps+0.1。采樣保持器由輸入輸出緩沖放大器、記憶電容器和模擬開關及邏輯控制電路組成。在采樣期間，控制信號使開關閉合，輸入信號通過高增益放大器Al對記憶電容快速充電，接著控制信號使開關斷開，進入保持狀態，電容上保持著開關斷開瞬間的輸入電壓值，一直保持到下一次采樣狀態開始時為止。本次采用的集成采樣保持器LF398，需外接電容。采樣頻率越高，要求的電容越小，但其下降速率相對也快。典型值為0.01uF。邏輯控制引腳與單片機的P1.4相連接。圖5.4繼電保護通常基于多個輸入信號，如本系統是7路信號。本次設計采用的方案是用一個數模轉換器，同時采樣，利用多路轉換器，依次模數轉換。本微機保護系統采用CD4051集成模擬開關芯片。此芯片性能參數為:16腳，電源電壓+5~15V，導通電阻最大值為280Ω，具有8個通道。其中蝴動H端為禁止端，當INH=1時，8路模擬量全不通，本系統H端接地，即INH=0，始終處于允許狀態。其中的C、B、A端接控制信號，以此決定輸出端與哪一個輸入端接通。圖模數轉換電路本次設計微機保護系統采用AD574數模轉換芯片，它是美國模擬數字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器，其主要功能特性如下：

轉換速率：25us

模擬電壓輸入范圍：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V兩檔四種,本設計電路采用0—±5V檔位。

電源電壓：±15V和5V；

數據輸出格式：12位/8位；

芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式；【7】如圖5.6，在本設計電路中，微控制器采用查詢方式，將轉換結果狀態與微控制器的P1.0線相連接。當單片機執行對外部數據存儲器的寫指令，使CE=1，=0，=0，A0=0時，便啟動轉換。然后通過P1.0線不斷查詢STS狀態，當STS=0時，表示轉換結束，單片機通過兩次讀外部數據存儲器操作，讀取12位轉換結果數據。這時，當CE=1，=0，=1，A0=0,讀取高8位；CE=1，=0，=1，A0=1時，讀取低四位。圖5.65.4CPU模塊本次設計采用的CPU單元是Atmel公司生產的AT89系列單片機中的AT89S51。相對于89C51新增的功能包括：（1）ISP在線編程功能，這個功能優勢在于改寫單片機儲存器內的程序時不需要吧芯片從工作環境中剝離，便可直接改寫。（2）最高工作頻率為33MHz,89C51的極限工作頻率是24MHz，89S51具有更高的工作頻率，從而具有更快的計算速度。（3）內部集成看門狗計時器，不需像89C51那樣外接看門狗電路。（4）雙XRAM數據指針寄存器。（5）全新的加密算法，程序的保密性大大加強。AT89S51提供以下標準功能：4K字節閃速存儲器，128字節內部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數據指針，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0HZ的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中到內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一個硬件復位。下面對AT89S51在設計中的引腳功能做簡單介紹。【5】Vcc:電源電壓，GND:地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口時，每位能驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流；這次設計中P1口各個引腳功能如表5.2所示：引腳功能P1.0外接AD芯片STS引腳，查詢AD芯片的轉換狀態。P1.1外接CD4051選擇引腳A。P1.2外接CD4051選擇引腳B。P1.3外接CD4051選擇引腳C。P1.4外接LF398邏輯控制位INHP1.5輸出命令控制線P1.6輸出命令控制線P1.7RS485控制位表5.2P2口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。這次設計中P2口各引腳功能如表5.3所示：引腳功能P2.0地址位第9位P2.1地址位第10位P2.2地址位第11位P2.3LCD顯示BUSY引腳P2.4LCD顯示REQ引腳P2.5鍵盤輸入片選信號P2.6AD芯片片選信號P2.7XRAM芯片片選信號表5.3P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸出端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表5.4所示：引腳功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)。P3.2（外部中斷0輸入口）P3.3（外部中斷1輸入口）P3.4IIC總線中的SCL線P3.5IIC總線中的SDA線P3.6（寫選通輸出口）P3.7（讀選通輸出口）表5.4RST:復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打開或關閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開狀態。ALE/:當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址所存允許）輸出脈沖用于所存地址的低8位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的選通信號，當AT89S51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數據存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執行內部程序存儲器中的指令。XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。本設計單片機各接口引腳如圖5.7：圖5.75.5人機接口電路及其他電路微機繼電保護的人機接口是指鍵盤、顯示器與CPU接口電路。人機接口電路的主要作用是通過鍵盤和顯示器完成人機對話任務、及與各保護CPU插件通信和巡檢任務。5.5.1鍵盤輸入電路為了繼電保護裝置的操作簡便，保護裝置鍵盤不必像PC那么繁雜，鍵盤鍵的數量應該盡可能少。通常，保護裝置面板上的鍵盤只要7個鍵位：“↑”、“↓”、“←”、“→”、返回鍵、復位鍵和確認鍵。這使得電路十分簡單，操作也很方便。鍵盤輸入電路有兩種，獨立式按鍵電路和行列式按鍵電路。本次設計裝置因為鍵位不多，采取獨立式按鍵電路。如圖5.8所示。圖5.8在保護系統剛開始工作時，由P2.1口與RD“讀”口送出鍵盤輸入允許信號，接口CPU對74HC244的輸出不停檢測，輸出的數據送入單片機的數據總線上，然后進入相應的軟件處理。5.5.2LCD液晶顯示液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件。本次設計采用OCMJ4X8B作為顯示裝置。如圖5.9所示。OCMJ4X8B內含GB231215*15點陣國際一、二級簡體漢子和8*8點陣及8*16點陣ASCII字符，用戶輸入GB2312區位碼或ASCII碼即可實現文本顯示。同時也可以實現一般的點陣圖形液晶顯示模塊功能，提供位點陣和字節點陣兩種圖形顯示方式，用戶可在指定屏幕上以點為單位或者以字節為單位橫向進行圖形顯示操作，完全兼容一般的點陣圖形液晶顯示模塊的功能。圖外部數據存儲器的擴展本設計所采用的算法一個周期要采樣12次，每一次7個電量，每個電量占用2個字節的存儲單位。在數字濾波時，又需要調用前4個周期的數據量，所以單片機內部的數據存儲單元是不夠的。于是本次設計擴展了靜態的RAM芯片6116，容量大小為2KB，足夠本次設計數據量的存儲。圖通信單元為了實現調度的自動化，微機繼電保護裝置需要與系統管理機通信，實現調度對微機繼電保護裝置的監控和微機繼電保護故障信息的上傳，為此，微機繼電保護一般裝有RS-232和RS-485標準串行接口。本次設計就選用RS-485標準的SN75176芯片。SN75176485芯片DE控制端的設計由于應用系統中，主機與分機相隔較遠，通信線路的總長度往往超過400米，而分機系統上電或復位又常常不在同一個時刻完成。如果在此時某個75176的DE端電位為“１”，那么它的485總線輸出將會處于發送狀態，也就是占用了通信總線，這樣其它的分機就無法與主機進行通信。這種情況尤其表現在某個分機出現異常情況下（死機），會使整個系統通信崩潰。因此在電路設計時，應保證系統上電復位時75176的DE端電位為“0”。由于8031在復位期間，I/O口輸出高電平，故圖2電路的接法有效地解決復位期間分機“咬”總線的問題。隔離光耦電路的參數選取在應用系統中，由于要對現場情況進行實時監控及響應，通信數據的波特率往往做得較高（通常都在4800波特以上）。限制通信波特率提高的“瓶頸”，并不是現場的導線（現場施工一般使用5類非屏蔽的雙絞線），而是在與單片機系統進行信號隔離的光耦電路上。此處采用TIL117。(3)485總線輸出電路部分的設計輸出電路的設計要充分考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環境比較復雜，現場常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護措施。在電路設計中采用穩壓管D1、D2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態雜波抑制器件，考慮到線路的特殊情況（如某一臺分機的485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機的通信受到影響，在75176的485信號輸出端串聯了兩個20Ω的電阻R10、R11。這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在應用系統工程的現場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω左右，所以線路設計時，在RS-485網絡傳輸線的始端和末端各應接1只120Ω的匹配電阻，以減少線路上傳輸信號的反射。RS-485接口采用的是一種差分傳輸方式，各節點之間的通信都是通過一對（半雙工）或兩對（全雙工）雙絞線作為傳輸介質。根據RS-485的標準規定，接收器的接收靈敏度為±200mV，即接收端的差分電壓大于、等于+200mV時，接收器輸出為高電平；小于、等于-200mV時，接收器輸出為低電平；介于±200mV之間時，接收器輸出為不確定狀態。如果在總線上所有發送器被禁止時，接收器輸出邏輯0，這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的辦法是人為地使A端電位高于B兩端電位，通過在485電路的A、B輸出端加接上拉、下拉電阻R7、R9，即可很好地解決這個問題。最后的設計如圖5.10。圖I2C總線的擴展51單片機外圍擴展電路較多，而51本身的I/O口資源又有限，所以采用I2C總線電路。I2C總線是一種兩線制的串行總線，它通過一根時鐘線SCL和一根數據線SDA實現總線上掛接器件之間的兩兩通訊。因此，在設計中，只要占用51單片機的兩個I/O口用于模擬I2C總線操作，即可實現對總線上所有符合I2C總線協議的器件進行控制，而且在本設計中，51單片機作為總線上唯一的主器件（MasterDevice）控制總線操作，因此不存在總線沖突的問題，數據傳輸的可靠性較高。由此可見，這種方案不但節省了51單片機的I/O口資源，也簡化了電路，這在外圍電路擴展較多而數據傳輸速率又不要求太高的場合十分適合。在本設計中，如圖5.11，共采用了兩種I2C器件，分別是串行E2PROM，時鐘日歷芯片以及并行I/O擴展芯片。其中，串行E2PROM用于存放整定值，選用ATMEL公司的AT24C16芯片，是采用CMOS工藝制成的數據容量為2KB串行E2PROM。時鐘日歷芯片用于給整臺裝置提供時間信息。選用的是PHILIP公司生產的PCF8563。SCLSCLSDA SDA時鐘日歷芯片E2PROM 時鐘日歷芯片E2PROM圖5.115.6開關量輸出電路在微機繼電保護裝置中設有開關量輸出電路，用于驅動各種繼電器，如跳閘出口繼電器、裝置故障告警繼電器等，本設計試驗裝置針對單個的電機保護，設置了兩路開出量，分別送出跳閘命令和告警命令。如圖所示，當命令輸出口P1.X口輸出0的時候，光耦導通，從而接通繼電器，發出跳閘或告警命令。電壓繼電器選用的是華偉科技有限公司生產的HCP1-DC24V繼電器，時間繼電器是上海聚任電力科技生產的HS23-22-01繼電器，延時時間為1S。當電壓繼電器導通時實現速斷跳閘保護，當時間繼電器導通時開始計時，當到達額定時間時間繼電器仍然導通時跳閘，實現延時限保護。圖5.125.7電源選取本次設計主要用到三個檔位的電源，分別是5V，12V，15V。其中5V電源主要用于鎖存芯片和單片機芯片，以及光耦電路；12V電源用于驅動繼電器；15V電源主要用于AD轉換芯片