输电线路微机继电保护系统设计

继电保护课程设计

输电线路微机继电保护系统设计学院：物理及电子电气工程专业：电气工程及其自动化姓名：

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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0

1.1 设计背景0

1.2 微机继电保护的发展趋势及特点0

1.3 本文主要工作2

2 系统硬件设计2

2.1 系统框架2

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

2.4 三段式电流保护理论12

2.4.1 电流速断保护（第I段）12

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14

3.1 系统软件设计方案14

总结14

参考文献15

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，及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．及仿真软件配合进行单片机软件编程。

5．系统硬件设计原理及过程。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(键盘及显示)单元、开关量输出单元，各部分如图所示。

图2-1系统总体结构图

2.2 系统仿真

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、代码调试到单片机及外围电路协同仿真，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