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继电保护课程设计
输电线路微机继电保护系统设计
学院：物理与电子电气工程 专业：电气工程及其自动化 姓名： 学号：
摘要
输电线路继电保护是整个电力系统的重要组成部分，它的任务是快速准确地切除线路故障，保证电网安全运行。本文采用微机控制方法，对高压输电线路故障进行诊断和切除，取代传统电磁型继电保护装置。
线路保护装置采用STC12C5A60S2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，电源电路等。本文首先对整个控制系统进行软件仿真，然后再将设计应用到实际当中，阐述三段式电流保护的控制流程和软件实现方法。
关键词 单片机；继电保护；整流；电流互感器
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目 录
1 绪论 ...................................................... 错误!未定义书签。 设计背景 ................................................. 错误!未定义书签。 微机继电保护的发展趋势及特点 ............................. 错误!未定义书签。 本文主要工作 ............................................................. 2 2 系统硬件设计 .............................................. 错误!未定义书签。 系统框架 ................................................. 错误!未定义书签。 系统仿真 ................................................. 错误!未定义书签。 仿真设计 ............................................... 错误!未定义书签。 部分电路分析 ........................................... 错误!未定义书签。 仿真结果 ............................................... 错误!未定义书签。 系统硬件 ................................................................. 7 主要芯片和器件的选择 ................................... 错误!未定义书签。 单片机最小系统设计 ..................................... 错误!未定义书签。 三段式电流保护理论 ....................................... 错误!未定义书签。 电流速断保护（第I段） ................................. 错误!未定义书签。 限时电流速断保护（第II段） ............................ 错误!未定义书签。 定时限过电流保护（第III段） ........................... 错误!未定义书签。 三段式电流保护小结 ..................................... 错误!未定义书签。 3 系统软件设计 .............................................. 错误!未定义书签。 系统软件设计方案 ......................................... 错误!未定义书签。 总结 ....................................................................... 14 参考文献 ................................................................... 15
1 绪论
设计背景
当今社会，电能已经成为人类最重要的能源之一，它几乎已经渗透到人类一切的活动当中。由于电能的生产是在相对集中的区域完成，所以电能的输送成为电力系统中重要组成部分。随着电网电压等级的不断升高和用电负荷的不断增加，输电安全也逐渐成为重要研究课题。
传统电力系统继电保护经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段。20世纪70年代以后，电力系统继电保护进入微机时代。微机继电保护降低了设备成本，提高了设备可靠性，同时具有控制灵活、准确，性能优良等特点，成为当今主流的继保控制核心。本文采用51单片机为核心，通过低压数字微机信号采集、数据分析、动作输出，实现对高压输电线路的诊断、分析、故障切除，保护电力系统安全运行。
微机继电保护的发展趋势及特点
继电保护技术发展趋势向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通 信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势[1]。
微机继电保护主要有以下特点：
1．改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。
2．可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。
3．工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。
4．可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。
5．使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。
6．可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性等等。
本文主要工作
本文在借鉴国内外微机继电保护发展的成功经验结合现有资源对输电线路继电保护系统进行了软件仿真以及硬件实物的设计。其主要内容包括以下几个方面:
1．简单概述了微机继电保护技术[2]。主要介绍了国内国外微机继电保护的发展史、继电保护的几大特点、主要的理论技术和成果以及今后总的发展要求和趋势。
2．三段式电流继电保护的原理，及整定方法。 3．利用protues软件进行系统的电路设计并仿真。 4．与仿真软件配合进行单片机软件编程。
5．系统硬件设计原理与过程。包括单片机最小系统电路设计、A/D模块、AC/DC整流稳压电路设计、三段式电流速断保护电路连接。
6．系统联合调试。
2 系统硬件设计
系统框架
随着电力系统的发展，电网结构的日益复杂，对其保护、控制、变量、通信等功能的要求越来越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出现，微机保护装置将逐步实现高集成度、全功能化。本系统着重考虑了保护的特殊性和实验的灵活性要求，采用了STC新型的高性能FLASH型MCU，从而使本装置既满足了继电保护的“四性”要求，又能灵活的适应各种保护原理的需要。
本系统硬件核心采用中国STC公司STC12C5A60S2芯片作为微制器，并配以适当的外围电路来完成各项功能。本系统的硬件结构主要包括：中央处理单元、数据采集单元(模拟量和数字量)、人机接口(键盘与显示)单元、开关量输出单元，各部分如图所示。
整流 光电隔 离 系统仿真 仿真设计
电流互感器高压输电线路断路器中间继电器开关量输出（直流继电器）信号采集模数转换MCU人机接口（键盘，显示器）图2-1系统总体结构图 本系统采用Proteus软件仿真。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MATLAB等多种编译器。由于
Protues不对stc12系列单片机提供支持，我暂且用AT89系列代替。用外部AD转换芯片进行模数转换。并且用变压器来代替电流互感器。
根据系统设计要求作如下仿真：
图2-2系统仿真图
部分电路分析
1、本系统采用桥式整流电路，整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。此时需要在电路中加入滤波电容，让电流波形更加趋于平滑。电路如下：
图2-3整流电路图
如下图所示，在整流电路电压输入输出端加入示波器来对比显示整流效果
a（整流前） b（整流后）
图2-4 整流前后对比图
2、光电隔离。光电隔离的目的是使测控装置与现场仅保持信号联系，而不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。由于本系统现场信号是从高压输电线路中取得，而控制装置是低压的数字芯片，两者必须隔离才能工作，否则低压芯片很容易被烧毁。
见图2-5，光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力
图2-5光耦合器图
3、仿真中选用ADC0832芯片作为模数转换模块。ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0-5V之间。芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
图2-6 ADC0832图
4、本系统用5V直流继电器作为开关量输出单元，再接一个LED发光二极管来直观的显示继电器是否动作。由于一般单片机的I/O口并不具备直接带负载能力，我们可以用三极管来驱动直流继电器。此外，因继电器的内部是一个线圈绕组，相当于一个大容量的电感。而电感具有缓存电流的作用，如果电流过大则可能击穿三极管。因此，在继电器回路中加入一个二极管来释放电感中的大电流。
图2-7开关量输出模块图
仿真结果
图 2-8 系统仿真图
经过调试，当变压器一次侧电压升高，二次侧及整流电路输出电压也随之升高，经模数转换后如果AD值大于预先设定的值，则可认为线路发生短路故障。此时，继电器动作，指示灯亮。
系统硬件
主要芯片和器件的选择
1．主控芯片
本设计的主控芯片是STC12C5A60S2。此芯片是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路、1280字节RAM、2路PWM、8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。还具有EEPROM、看门狗、外部掉电检测电
路、4个16位定时器、3个时钟输出口、7路外部中断I/O口、两路通用全双工异步串行口(UART)等等功能。
该单片机自带多路高速AD转换功能，省去另行设计AD模块的步骤。该单片机的ADC是逐次比较型ADC。主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位(MSB)开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。
图2-9 STC12C5A60引脚图
2．光耦合器
本设计的光耦合器采用TLP521-2。TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等。电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计等。下面给出了TLP521光电藕合器的相关重要参数，以及如何应用到实际电路当中去。
表2-1 TLP521参数表
重要参数 电源电压 正向电流 集电极电流 工作温度
符号 VCC IF IC Tepr
最小 - - - -25
典型 5 16 1 -
最大 24 25 10 85
单位 V mA mA ℃
图2-10光耦合器典型电路图
3．开关量输出元件
在线路发生故障时，微机继电保护主要是通过各种开关量输出来完成对线路中各个继电器和断路器的控制，从而使发生事故的线路被隔离，其它线路能够最大程度上得到保护。在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统，一般采用通道隔离技术。本装置以继电器控制中间继电器，实现隔离的效果。选用额定驱动电压5v、驱动电流30mA以下的小型继电器作为开关量输出控制元件，具有可直接用TTL电平驱动，不用附加电路、体积较小，节省印刷电路板空间等优点。
4．人机接口
人机接口单元即实验装置的输入与输出设备部分。在微机继电保护系统的控制过程中，微机的输入与显示部分是十分重要，缺一不可的。输入设备可以将指令通过信号传递给主机，继而控制继保系统动作与否，以达到本设计的最终目的；显示设备可以将系统的动作情况及时的反馈出来，以达到实时监督继保系统动作正常与否的过程。
键盘电路是最重要的输入单元，是单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能向计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。
键盘接口主要分矩阵式和独立式两种。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交点上，占用较多的地址空间或I/O口线。独立式按键就是个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不影响其他输入线上的工作状态。
独立式按键适用于按键较少或速度要求较高的场合。独立式按键相比矩阵式结构，具有配置灵活的明显特点。
在保证能完成各种功能的情况下，为了使操作简单，选用了尽量少的按键数(本装置中仅选用了8个)，并且采用了独立式按键结构，实行功能复用，此方法虽然在判断哪一个按键按下的程序上显得复杂了一些，但它可以节省很多的数据地址空间或I／O口线，配置灵活，硬件结构简单。
本装置的按键部分直接采用MCU的I／O口作为输入。按键的扫描方式有两种：查询方式和中断方式。由于中断方式不但占用CPU的外部中断资源，而且还可能干扰其它重要中断程序的正常运行，因此在本装置中采用查询方式，即在程序中对相应I／O口的状态进行查询，确认是否有键按下，然后调用相应的按键处理程序。
5．显示器
在各类仪表中，常用的显示器有：发光二极管显示器(LED)、液品显示器(LCD)、荧光管显示器、简易的CRT接口等。本装置从电路设计简单、减小功耗、能显示多种字符的想法出发，选用点阵式液晶显示模块LCM，它是将LCD控制器、RAM、ROM和LCD显示器集成在一起，使用时只要向LCM模块送入相应的命令和数据便可实现所需要的显示。
本装置采用了12864A-1图形点阵液晶显示模块，它主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示12×4个(16X16点阵)汉字。
主要技术参数和性能： (1)电源(VDD)：+5V。
(2)工作电流：约1．3mA(无背光，无负压)。 (3)显示内容：128(列)X64(行)点。 (4)全屏幕点阵。 (5)七种指令。
(6)与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和6条控制线。 (7)占空比：11：64。
(8)工作温度：20℃～70℃，存储温度：30℃～80℃。
单片机最小系统设计
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
图2-11 单片机最小系统电路图
1．电源模块
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。
2．复位电路
单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。
单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。
复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。
1.上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。
2.按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。
图2-12 复位电路图
3．震荡电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
STC12C5A60S2使用的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间
图2-13 震荡电路图
三段式电流保护理论
电流速断保护（第I段）
图2-15电流保护示意图
对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护。为优先保证继电保护动作的选择性，就要在保护装置起动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不起动，这在继电保护技术中，又称为按躲过下一条线路出口处短路的条件整定。
以上图所示的网络接线为例，假定每条线路上均装有电流速断保护，对于安装在A母
'线处的保护1来讲，其起动电流Idz.1必须整定得大于d2点处短路时，可能出现的最大短电流，即在最大运行方式下B母线上三相短路时的电流Id.B.max，即：
I'dz.1引入可靠系数Kk'Id.B.max' 式
1.2~1.3，则式即可写为：
Idz.1Kk?Id.B.max 式
当被保护线路的一次侧电流达到起动电流这个数值时，安装在A母线处的保护1就能起动，最后动作于跳断路器1。
电流速断保护的主要优点是：简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的应用。但由于引入的可靠系数Kk'1.2~1.31，所以不难看出，电流速断保护的缺点是：不能保护本线
'路的全长，且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。运行实践证明，电流速断保护的保护范围大概是本线路的85%～90%。
限时电流速断保护（第II段）
由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此我们考虑增加一段新的保护，用来切除速断范围以外的故障，保护本线路的全长，同时也能作为电流速断保护的后备保护。由于要求它必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时，它就要起动，在这种情况下，为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，但又为了使这一时限尽量缩短，我们就
考虑使它的保护范围不超过下一条线路速断保护的保护范围，而动作时限则比下一条线路速断保护高出一个时间阶段，即
t''1t'2t 式
由于它能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障，所以我们称它为限时电流速断保护。
当线路装设了电流速断保护和限时电流速断保护以后，它们的联合工作就可以保证全线路范围以内的故障能够在的时间内予以切除，在一般情况下都能够满足速动性的要求。因此具有这种性能的保护可以作为线路的“主保护”。
定时限过电流保护（第III段）
过电流保护通常是指其起动电流按躲过最大负荷电流来整定的一种保护。它在正常运行时不起动，而在电网发生故障时，则能反应于电流增大而动作，它不仅能保护线路的全长，也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。
三段式电流保护小结
由于电流速断保护不能保护线路的全长，而限时电流速断保护又不能完全作为相邻线路的后备保护，因此，为了保证迅速而又选择性地切出故障，常常将电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护组合在一起，构成阶段式电流保护。具体应用时，可以只采用电流速断保护加定时限过电流保护，或者限时电流速断保护加定时限过电流保护，也可以三者同时采用。
根据三段保护的不同特点，我们就可以将其应用到微机继电保护当中去。我们可以将微机监测到的电压值看作相应线路段的短路电压值。然后作相应的继电保护动作。详细控制过程在软件算法中。
3 系统软件设计
系统软件设计方案
单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同，既有各种计算程序设计，还要结合具体的硬件电路进行各种输入输出程序设计。软件设计必须在硬件、软件功能划分基础上进行。系统软件由一个无限循环的主程序、几个中断服务程序和可供调用的功能模块组成。整个系统软件采用模块化结构设计，将各功能按模块化结构设计为可独立进行编程调试的程序块，这样不仅有利于调试和连接，更有利于移植和修改。
本系统中测试部分软件程序主要包括：主程序、数据的采集、计算，按键管理、数据显示等。数据采集单元是利用STC12C5A60S2单片机自带的10位高速AD转换模块将输电线路中的模拟电压值转换为数字信号；再进一步通过算法滤波，排除干扰影响，降低误动
率，然后显示所得参数。同时，检测用户是否按按键改变电流保护相关参数和整定值。工作流程如下：