输电线路微机继电保护系统设计

电气工程及其自动化专业综合设计(论文)输电线路微机继电保护系统设计DESIGN OF MICROCOMPUTER RELAY PROTECTION SYSTEM FOR TANSMISSIONLINE学生姓名*学生学号*学院名称信电工程学院专业名称电气工程及其自动化指导教师*2012年12月25日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；电流互感器目录1绪论 (1)1.1设计背景 (1)1.2微机继电保护的发展趋势及特点 (1)1.3 本文主要工作 (1)2 系统硬件设计 (3)2.1系统框架 (3)2.2 系统仿真 (3)2.2.1 仿真设计 (3)2.2.2 部分电路分析 (4)2.2.3 仿真结果 (6)2.3系统硬件 (7)2.3.1 主要芯片和器件的选择 (7)2.3.2 单片机最小系统设计 (10)2.3.3 硬件实物与模块调试 (12)2.4 三段式电流保护理论 (13)2.4.1 电流速断保护（第I段） (13)2.4.2 限时电流速断保护（第II段） (13)2.4.3 定时限过电流保护（第III段） (14)2.4.4 三段式电流保护小结 (14)3 系统软件设计 (15)3.1 系统软件设计方案 (15)3.2 系统程序 (16)4系统调试 (20)4.1 硬件电路连接 (20)4.2 运行结果 (20)总结 (22)致谢 (22)参考文献 (23)1 绪论1.1 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。

1.2 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。

1.3 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2.1 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美国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。

2.2.1 仿真设计本系统采用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2.2.2 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2.2.3 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。

2.3系统硬件2.3.1 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。