35kV輸電線路電流電壓保護(hù)設(shè)計(jì)(3)(總26頁)

1、1 / 28 1 遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué) 微機(jī)繼電保護(hù)微機(jī)繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文） 題目：題目：35kV35kV 輸電線路電流電壓保護(hù)設(shè)計(jì)（輸電線路電流電壓保護(hù)設(shè)計(jì)（3 3） 院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：專業(yè)班級(jí)： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時(shí)間：起止時(shí)間： 20142014 20142014 1 2 / 28 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評(píng)語 院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室：電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí) 課程設(shè) 計(jì)（論 文）題 目 35kV 輸電線路電流

2、電壓保護(hù)設(shè)計(jì)（3） 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 系統(tǒng)接線圖如圖： 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及技術(shù)參數(shù)參見下表 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)工作量 ,22,3/37 1 G XkVE ,10,10 32 GG XX L1=L2=70km,L3=40km, LB-C=30km,LC-D=30km, LD-E=20km,線路阻抗 0.4/km, ,2 . 1 I rel K rel K15 . 1 rel K 最大負(fù)荷電流 IB-C.Lmax=100A, IC-D.Lmax=67A, ID-E.Lmax=35A, 電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)系數(shù) Kss=1.5，電流繼電 器返回系數(shù) Kre=0.85。 最大運(yùn)行方式：三臺(tái)發(fā)電機(jī)及線路 L1、L2

3、、L3 同時(shí)投入運(yùn)行；最小運(yùn)行 方式：G2、L2 退出運(yùn)行。 一、整定計(jì)算 1.確定保護(hù) 3 在最大、最小運(yùn)行方式下的等值電 抗。 2.進(jìn)行 C 母線、D 母線、E 母線相間短路的最大、 最小短路電流的計(jì)算。 3.整定保護(hù) 1、2、3 的電流速斷保護(hù)定值，并計(jì) 算各自的最小保護(hù)范圍。 4.整定保護(hù) 2、3 的限時(shí)電流速斷保護(hù)定值，并 校驗(yàn)靈敏度。 5.整定保護(hù) 1、2、3 的過電流保護(hù)定值，假定母 線 E 過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為 0.5s，確定保護(hù) 1、2、3 過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限，校驗(yàn)保護(hù) 1 作 近后備，保護(hù) 2、3 作遠(yuǎn)后備的靈敏度。 二、硬件電路設(shè)計(jì) 包括 CPU 最小系統(tǒng)、電流電壓數(shù)據(jù)

4、采集、開 關(guān)設(shè)備狀態(tài)檢測、控制輸出、報(bào)警顯示等部分。 三、軟件設(shè)計(jì) 說明設(shè)計(jì)思想，給出參數(shù)有效值計(jì)算及故障 判據(jù)方法，繪制流程圖或邏輯圖。 四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 給出實(shí)驗(yàn)電路及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果同 理論計(jì)算結(jié)果的異同及原因。 B A G 1 1 23 L 3 L 2 L 1 ED C G 2 G 3 98 76 54 系統(tǒng)接線圖 1 / 28 續(xù)表 進(jìn)度計(jì)劃 第一天：收集資料，確定設(shè)計(jì)方案。 第二天：等值電抗和短路電流計(jì)算、電流 I 段整定計(jì)算及靈敏度校驗(yàn)。 第三天：電流 II 段、III 段整定計(jì)算及靈敏度校驗(yàn)。 第四天：硬件電路設(shè)計(jì)（最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)檢測部分） 。 第五天：硬件電路設(shè)計(jì)

5、（控制輸出、報(bào)警顯示部分） 。 第六天：軟件設(shè)計(jì)（有效值計(jì)算、故障判據(jù)） 。 第七天：軟件設(shè)計(jì)（繪制流程圖或邏輯圖） 第八天：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析。 第九天：撰寫說明書。 第十天：課設(shè)總結(jié)，迎接答辯。 指導(dǎo)教師評(píng)語及成績 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 2 / 28 注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 摘 要 電力系統(tǒng)的輸、配線路因各種原因可能會(huì)發(fā)生相間或相地短路故障，因此，必 須有相應(yīng)的保護(hù)裝置來反映這些故障，并控制故障線路的斷路器，使其跳閘以切除 故障。 針對(duì)電力系統(tǒng)輸電線路進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計(jì)，采用三段式電流電壓保護(hù)的方法， 確定出最大

6、、最小運(yùn)行方式下的等值電抗。進(jìn)行了相間短路的最大、最小短路電流 的計(jì)算。進(jìn)行了保護(hù) 1、2、3 的電流速斷保護(hù)整定值計(jì)算，并計(jì)算了各自的最小保 護(hù)范圍。進(jìn)行了保護(hù) 2、3 的限時(shí)電流速斷保護(hù)定值計(jì)算，并校驗(yàn)了靈敏度。進(jìn)行了 保護(hù) 1、2、3 的過電流保護(hù)定值計(jì)算，確定保護(hù) 1、2、3 過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限， 校驗(yàn)保護(hù) 1 作近后備，保護(hù) 2、3 作遠(yuǎn)后備的靈敏度。繪制三段式電流保護(hù)原理接線 圖。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并分析了動(dòng)作過程。采用 MATLAB 建立系統(tǒng)模型進(jìn)行輸電線路電流 電壓保護(hù)仿真分析。 關(guān)鍵詞：三段式電流電壓保護(hù)；整定值計(jì)算；靈敏度；等值電抗 3 / 28 4 / 28 目 錄 第 1

7、章 緒論.1 第 2 章 輸電線路電流保護(hù)整定計(jì)算.3 2.1 電流 段整定計(jì)算 .3 2.1.1 保護(hù) 3 在最大、最小運(yùn)行方式下的等值電抗 .3 2.1.2 C、D、E 母線相間短路的最大、最小短路電流 .4 2.1.3 保護(hù) 1、2、3 的電流速斷整定值 .4 2.2 電流段整定計(jì)算 .5 2.3 電流段整定計(jì)算 .6 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì).7 3.1 單片機(jī)主系統(tǒng)設(shè)計(jì) .7 3.1.1 單片機(jī)主系統(tǒng)介紹 .7 3.3.2 可編程 I/O 口 8255A .9 第 4 章 軟件設(shè)計(jì).12 4. 保護(hù)算法 .12 4.1.1 概述.12 4.1.2全波傅立葉算法.12 4.2 保護(hù)軟件

8、流程 .12 4.2.1 主程序.13 4.2.2 采樣中斷服務(wù)程序 .14 4.2.3 事故處理程序.15 4.3 MATLAB 建模仿真分析 .15 第 5 章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析.17 第 6 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié).19 參考文獻(xiàn).20 1 / 28 第 1 章 緒論 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展起來的 為電力系統(tǒng)建立了一個(gè)安全保障體系。電力系統(tǒng)故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)是不可避免 的為了防止電力系統(tǒng)事故的擴(kuò)大保證非故障部分仍能可靠供電通過繼電保護(hù)裝置準(zhǔn) 確迅速地識(shí)別并切除故障同時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)視一旦發(fā)生不正常行狀態(tài) 時(shí)能通過繼電保護(hù)裝置及時(shí)警告或啟動(dòng)自動(dòng)控

9、制裝置。這樣就可以保持供電的連續(xù) 性、保障人身的安全、防止或減輕設(shè)備的損壞。 繼電保護(hù)裝置由測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分等組成。對(duì)于作用于斷路器跳 閘的繼電保護(hù)裝置有四點(diǎn)基本要求。 1.電流電壓保護(hù)的選擇性 電流電壓保護(hù)在單電源輻射網(wǎng)中一般有很好的選擇性。電流（電壓）保護(hù)第 段主要靠動(dòng)作電流值來區(qū)分被保護(hù)范圍內(nèi)部和外部短路而具有選擇性。而電流保護(hù) 第 段和第段則應(yīng)由動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間二者相結(jié)合才能保證其選擇性，缺一不 可。但在多電源或單電源環(huán)網(wǎng)等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中這種保護(hù)可能無法保證其選擇性。 2.電流電壓保護(hù)的動(dòng)作速度 電流電壓保護(hù)第段和第段共同作為線路的主保護(hù)，能滿足技術(shù)規(guī)程關(guān) 于 35kV 及以

10、下網(wǎng)絡(luò)主保護(hù)的速動(dòng)性要求。電流電壓保護(hù)第段因?yàn)樵浇咏娫矗?動(dòng)作時(shí)間越長，有時(shí)候動(dòng)作時(shí)間長達(dá)好幾秒，因而一般情況下只能作為線路的后備 保護(hù)。 3.電流電壓保護(hù)的靈敏度 電流電壓保護(hù)的靈敏度因系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而變化。一般情況下能滿足靈敏 度要求。但在系統(tǒng)運(yùn)行方式變化很大、線路很短和線路長而負(fù)荷重等情況下，其靈 敏度可能不容易滿足要求，甚至出現(xiàn)保護(hù)范圍為零的情況。這也是電流保護(hù)的主要 缺點(diǎn)。 4.電流電壓保護(hù)的可靠性 電流電壓保護(hù)的可靠性 電流電壓保護(hù)的電路構(gòu)成、整定計(jì)算及調(diào)試維護(hù)都較簡 單，因此，它是最可靠的一種保護(hù)。 線路發(fā)生短路故障時(shí)可以采用電流電壓保護(hù)、接地零序保護(hù)、距離保護(hù)和縱差 動(dòng)保

11、護(hù)等。當(dāng)線路發(fā)生相間短路時(shí)可以采用電流電壓保護(hù)。電流電壓保護(hù)是根據(jù)輸、 配電線上相間短路時(shí)線路電流增加而母線電壓下降的特征而設(shè)計(jì)的一種保護(hù)。主要 用于 35KV 及以下的小接地電流系統(tǒng)中。電流電壓保護(hù)分為兩種一種是以反應(yīng)電流增 2 / 28 大而動(dòng)作的電流測量元件為基礎(chǔ)的構(gòu)成的電流保護(hù)元件另一種是以反應(yīng)電壓為基礎(chǔ) 構(gòu)成的電流保護(hù)。 根據(jù)線路故障對(duì)主、后備保護(hù)的要求線路相間的電流電壓保護(hù)有 三種第一無時(shí)限電流速斷保護(hù)或無時(shí)限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護(hù)第二帶時(shí)限電流速斷 保護(hù)或帶時(shí)限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護(hù)第三定時(shí)限過電流保護(hù)或低電壓啟動(dòng)過電流保 護(hù)。這三種相間電流電壓保護(hù)分別成為相間短路電流保護(hù)第段第段和

12、第段。 其中、段作為線路主保護(hù)第段作為本線路主保護(hù)的近后備保護(hù)和相鄰線路或 元件的遠(yuǎn)后備保護(hù)。這三段統(tǒng)稱為線路相間短路的。 本文設(shè)計(jì)研究中的繼電保護(hù)采用了三段式電流電壓保護(hù)通過動(dòng)作電流來進(jìn)行保 護(hù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)之間的配合和保護(hù)的選擇性在這些保護(hù)中增加延時(shí) 元件等邏輯元件形成一個(gè)完整的保護(hù)方案。 3 / 28 第 2 章 輸電線路電流保護(hù)整定計(jì)算 2.1 電流 段整定計(jì)算 2.1.1 保護(hù) 3 在最大、最小運(yùn)行方式下的等值電抗 （1）最大運(yùn)行方式：三臺(tái)發(fā)電機(jī)及線路 L1、L2、L3 同時(shí)投入運(yùn)行，等效電路 圖如圖 2.1。 圖 2.1 最大運(yùn)行方式等值阻抗圖 ； ； 20 1G X1

13、5 32GG XX ； 204 . 050 21LL XX124 . 030 3L X ； 164 . 040 BC X124 . 030 CD X84 . 020 DE X 11/ 332121min3LGLLGG XXXXXXX （2）最小運(yùn)行方式：在最大運(yùn)行方式基礎(chǔ)上 G2、L2 退出運(yùn)行，等效電路圖如 圖 2.2. 圖 2.2 最小運(yùn)行方式等值阻抗圖 4 / 28 1 . 161620/2815/ 3311max3LGLG XXXXX 2.1.2 C、D、E 母線相間短路的最大、最小短路電流 C 母線最大短路電流： A 46 . 2 1611 3/115 min3 3 max BC K

14、C XX E I C 母線最小短路電流： A 79 . 1 16 1 . 16 3/115 2 3 2 3 max3 2 min BC KC XX E I D 母線最大短路電流： A 7 . 1 121611 3/115 min3 3 max CDBC KD XXX E I D 母線最小短路電流： A 3 . 1 1216 1 . 16 3/115 2 3 2 3 max3 2 min CDBC KD XXX E I E 母線最大短路電： A 41 . 1 8121611 3/115 min3 3 max DECDBC KE XXXX E I E 母線最小短路電流: A 1 . 1 2 3 m

15、in3 2 min DECDBC KE XXXX E I 2.1.3 保護(hù) 1、2、3 的電流速斷整定值 無時(shí)限電流速斷保護(hù)依靠動(dòng)作電流值來保證其選擇性，被保護(hù)線路外部短路時(shí) 流過該保護(hù)的電流總小于其動(dòng)作值，不能動(dòng)作；而只有在內(nèi)部短路時(shí)流過該保護(hù)的 電流有可能大于其動(dòng)作值，使保護(hù)動(dòng)作。且無時(shí)限電流速斷保護(hù)的作用是保證在任 何情況下只切除本線路上的故障。 保護(hù) 1： A KIKI KErelop 69 . 1 41 . 1 2 . 1 3 max1 保護(hù) 2： A 04. 27 . 12 . 1 3 max2KDrelop IKI 保護(hù) 3： A 95 . 2 46 . 2 2 . 1 3 ma

16、x3KCrelop IKI 無時(shí)限電流保護(hù)不能保護(hù)線路全長，應(yīng)采用最不利情況下保護(hù)的保護(hù)范圍來校 5 / 28 驗(yàn)保護(hù)的靈敏度，一般要求保護(hù)的最小的線路長度不小于線路長度的 15%。 保護(hù) 1 保護(hù)的最小范圍： 1 . 10)1216 1 . 16( 69 . 1 3115 2 3 2 3 max3 1 min11CDBC op XXX I E lx 保護(hù) 2 保護(hù)的最小范圍： 91 . 3 )16 1 . 16( 04 . 2 3115 2 3 2 3 max3 2 min22BC op XX I E lx 保護(hù) 3 保護(hù)的最小范圍： 39 . 3 1 .16 95 . 2 3115 2 3

17、 2 3 max3 3 min33 X I E lx op 因?yàn)?%15 min33min22min11 BCCDDE sen X lx X lx X lx K %15%21 min33 BC sen X lx K 所以保護(hù) 1、保護(hù) 2 的 1 段靈敏度不合格，保護(hù) 3 合格。 2.2 電流段整定計(jì)算 由于無時(shí)限電流速斷保護(hù)只能保護(hù)線路的一部分，而該線路剩下的短路故障由 能保護(hù)本線路全長的帶時(shí)限電流速斷保護(hù)（電流保護(hù)第段）來可靠切除。帶時(shí)限 電流速斷保護(hù)與無時(shí)限電流速斷保護(hù)的配合能以盡可能快的速度，可靠并有選擇性 的切除本線路上任一處，包括被保護(hù)線路末端的相間短路故障。 保護(hù) 2 的段應(yīng)與相

18、鄰線路的段配合 即：A 943 . 1 1/69 . 1 15 . 1 / 2min12boprelop KIKI 靈敏度： 不合格 5 . 13 . 167 . 0 943 . 1 3 . 1 2 2 min op KD sen I I K 保護(hù) 3 的段與相鄰線路的段配合 即：A 346 . 2 1/04 . 2 15 . 1 / 3min23boprelop KIKI 靈敏度： 不合格 5 . 13 . 176 . 0 346 . 2 79 . 1 3 2 min op KC sen I I K 6 / 28 保護(hù) 3 的段與相鄰線路的段配合 即：A 23 . 2 1/943 . 1 1

19、5 . 1 / 3min23boprelop KIKI 靈敏度： 不合格 )5 . 13 . 1 (8 . 0 23 . 2 79 . 1 3 2 min op KC sen I I K 2.3 電流段整定計(jì)算 整定保護(hù) 1、2、3 的過電流保護(hù)定值，假定母線 E 過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為 0.5s，確定保護(hù) 1、2、3 過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限，校驗(yàn)保護(hù) 1 作近后備，保護(hù) 2、3 作遠(yuǎn)后備的靈敏度。 保護(hù) 1 的段： A 345170 85 . 0 5 . 115 . 1 max1LDE re ssrel op I K KK I 保護(hù) 2 的段： A 9 . 405200 85 . 0 5 . 1

20、15 . 1 max2LCD re ssrel op I K KK I 保護(hù) 3 的段： A 3 . 710350 85 . 0 5 . 115 . 1 max3LBC re ssrel op I K KK I 保護(hù) 1 作近后備的靈敏度： 合格 3 . 119 . 3 345 1100 1 2 min op KE sen I I K 保護(hù) 2 作遠(yuǎn)后備的靈敏度： 合格 2 . 171 . 2 9 . 405 1100 2 2 min op KE sen I I K 保護(hù) 3 作遠(yuǎn)后備的靈敏度： 合格 2 . 183 . 1 3 . 710 1300 3 2 min op KD sen I I

21、 K 假定母線 E 過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)限為 0.5s，即：stOPE5 . 0 保護(hù) 1 的動(dòng)作時(shí)間：sttt OPE 15 . 05 . 0 1 保護(hù) 2 的動(dòng)作時(shí)間：sttt5 . 15 . 01 12 保護(hù) 3 的動(dòng)作時(shí)間：sttt25 . 05 . 1 23 7 / 28 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)主系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1.1 單片機(jī)主系統(tǒng)介紹 8051 的內(nèi)部資源 （1）一個(gè) 8 位的微處理器（CPU） 。 （2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM（128B/256B） ，用于存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的 中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。 （3）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM/EPROM（

22、4KB/8KB） ，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表 格。 （4）四個(gè) 8 位并行 I/O 接口 P0P3，每個(gè)口既可以用做輸入，也可以用作為輸 出。 （5）兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用于對(duì)外 部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可設(shè)置為定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī) 控制。 （6）五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 （7）一個(gè)全雙工 UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行 I/O 口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī) 之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信。 （8）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振 蕩頻為 12MHZ。 以上各個(gè)部分通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線相連接。 8

23、/ 28 8051 單片機(jī)引腳圖及其功能 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 GND 20 8051

24、圖 3.1 8051 引腳圖 (3)控制引腳 RST，ALE，PESN 和 EA RST/VPD：RST 是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。RST 引腳的第二功能是，即備 用電源的輸入端。 ALE/（30 腳）：地址鎖存允許信號(hào)端。當(dāng) 8051 上電正常工作后，ALE 引PROG 腳不斷向外輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。CPU 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 輸出信號(hào)作為鎖存低 8 位地址的控制信號(hào)。此引腳的第二功能在對(duì)片內(nèi)PROG 帶有 4KB EPROM 的 8751 編程寫入時(shí)，作為編程脈沖輸入端。 （29 腳）：程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)端。在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端PESN 定時(shí)

25、輸出負(fù)脈沖作為片外存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 /VPP（31 腳）：外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當(dāng)EA EA 接高電平時(shí)，CPU 只訪問片內(nèi)的 EPROM/ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令，但當(dāng) PC（程序 計(jì)數(shù)器）的值超過 0FFFFH（對(duì) 8051 為 4KB）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的 程序。 當(dāng) EA 接低電平時(shí)，CPU 只訪問外部 EPROM/ROM 并執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的指令，而不 管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。 （4）輸入/輸出端口 P0，P1，P2 和 P3 P0 口：P0 口是一個(gè)漏極開路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口。作輸出端口時(shí)，每位可驅(qū) 8051 采用

26、 40 腳雙列直插封裝方式，其 引腳功能如下： (1) 電源引腳 Vcc 和 Vss Vcc（40 腳）：電源端，為+5V。 Vss（20 腳）：接地端。 (2) 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2 XTAL2（18 腳）：接外部晶體和微調(diào)電 容的一端； 在 8051 片內(nèi)它是振蕩電路 反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率 就是晶體固有頻率。若需要采用外部時(shí) 鐘電路時(shí)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖。 XTAL1（19 腳）：接外部晶體和微調(diào)電 容的另一端；在 8051 片內(nèi)它是振蕩電 路反相放大器的輸入端。在采用外部時(shí) 鐘信號(hào)時(shí)，該引腳必須接地。 9 / 28 動(dòng) 8 個(gè) LS 型的 TTL 負(fù)

27、載。作輸入時(shí)，應(yīng)先向口鎖存器（80H）寫入全 1。 P1 口、P2 口、P3 口均可作為輸出/輸入口，每位可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LS 型的 TTL 負(fù)載。 P3 口除此之外，每個(gè)引腳還具有第二功能。 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，大多數(shù)單片機(jī)運(yùn) 用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。 最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接晶體 （陶瓷諧振器的頻率穩(wěn)定性不高）和電容組 成的并聯(lián)諧振回路。連接方法如圖 4-9 所示 8051 單片機(jī)允許的諧振晶體可在 1.2MHZ 24MHZ 之間選擇，一般取 11.0592MHZ。電 容 C1、C2 可在 20PF100PF 之間選擇，一 般當(dāng)外接晶體時(shí)典

28、型取值為 30 PF，外接陶瓷 諧振器時(shí)典型取值為 47 PF，取 60 PF70 PF 時(shí)震蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 3.3.2 可編程 I/O 口 8255A 8255A 的基本特性 1）8255A 具有二個(gè) 8 位、二個(gè) 4 位的并行 I/O 端口的芯片； 2）8255A 能以多種形式，在 I/O 端口與 CPU 之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。如：程序直接傳 送、應(yīng)答方式傳送和中斷方式傳送等。 3）有 4 個(gè)端口地址：A、B、C 三個(gè)數(shù)據(jù)端口地址和控制口地址。一般情況下該芯 片的 A1、A0 腳接系統(tǒng)總線的 A1、A0，此時(shí)，A1A0=11 時(shí)選擇的是控制口；A1A0=00 時(shí)選擇的是 A 口；A1

29、A0=01 時(shí)選擇的是 B 口；A1A0=10 時(shí)選擇的是 C 口； 4）8255A 的工作方式選擇和 C 口按位操作控制字均利用控制口發(fā)布命令。傳送數(shù) 據(jù)時(shí)用各數(shù)據(jù)口的地址。 8255A 有三種工作方式： 1）0 方式：基本 I/O 方式。無須連接信號(hào)的直接 I/O，三個(gè) 8 位口均可作此類 I/O。無專用聯(lián)絡(luò)信號(hào)，不能采用中斷方式與 CPU 交換數(shù)據(jù)，輸出鎖存，輸入緩沖 （有三態(tài)門）而無鎖存。 2）1 方式：選通方式。只有 A 口、B 口可作此方式使用，C 口此時(shí)作為聯(lián)絡(luò)線或 0 方式使用； 3）2 方式：雙向 I/O。只有 A 口可以作為此方式使用，C 口在此方式下有 5 條線 C1 C

30、2 XTAL2 XTAL1 Vss 8051 圖 3.2 內(nèi)部時(shí)鐘方式的時(shí)鐘電路 10 / 28 作聯(lián)絡(luò)線，余下的做 B 口 1 方式的聯(lián)絡(luò)線。 8255A 芯片引腳 在與單片機(jī)接口的方向，8255A 提供如下信號(hào)，引腳如圖 3.3 D0 34 D1 33 D2 32 D3 31 D4 30 D5 29 D6 28 D7 27 PA0 4 PA1 3 PA2 2 PA3 1 PA4 40 PA5 39 PA6 38 PA7 37 PB0 18 PB1 19 PB2 20 PB3 21 PB4 22 PB5 23 PB6 24 PB7 25 PC0 14 PC1 15 PC2 16 PC3 17

31、 PC4 13 PC5 12 PC6 11 PC7 10 RD 5 WR 36 A0 9 A1 8 RESET 35 CS 6 VCC 26 GND 7 U34 8255A 圖 3.38255A 的引腳圖 AD7 AD0 三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線。 讀選通信號(hào)。RD 寫選通信號(hào)。WR 片選信號(hào)。CE RESET復(fù)位信號(hào)。復(fù)位后 A、B、C 口均置為輸入方式。 A1-A0地址線，用來選擇 8255A 內(nèi)部端口。 8255A 與 8051 單片機(jī)的連接 根據(jù)需要對(duì)單片機(jī) 8051 芯片擴(kuò)展了 I/O 口，擴(kuò)展了兩片 8255A 芯片，設(shè)計(jì)了 8255A 和 8051 的連接圖，如圖 3.4 11 / 28

32、圖 3.4 8051 和 8255A 的連接圖 8051 擴(kuò)展 8255A，兩片 8255A 都工作在 0 方式。將 A 片 PA 口設(shè)置為輸入口，PB 口設(shè)置為輸出口，CS 由譯碼電路的 Y6 控制；將 B 片 PA、PB 口都設(shè)置為輸出口，PC 口低 4 位設(shè)置為輸入口，CS 由譯碼電路的 Y7 控制。 12 / 28 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 4. 保護(hù)算法 4.1.1 概述 微機(jī)保護(hù)及其控制裝置根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、 運(yùn)行和判斷以實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)及其控制功能的方法稱為算法。目前，提出的算法 有很多種，其核心問題歸根結(jié)底不外乎是從已有的輸入電氣量的采樣值中算出可表

33、示被保護(hù)或控制對(duì)象運(yùn)行特點(diǎn)的物理量。如電壓、電流等。有了這些基本的電氣量 的計(jì)算值，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)各種不同原理的保護(hù)及控制方法 算法是研究微機(jī)保護(hù)及控制裝置的重點(diǎn)之一。分析和評(píng)價(jià)各種不同的算法優(yōu)劣 的標(biāo)準(zhǔn)是精度和速度。研究算法的實(shí)質(zhì)是如何在速度和精度兩方面進(jìn)行權(quán)衡。另外， 算法本身具有數(shù)字濾波功能，即是否能從帶有其他頻率成分的采樣值中比較精確地 將基波分量的幅值和相位估算出來，也是必須考慮的，特別是作為繼電保護(hù)算法時(shí)， 更需要考慮數(shù)字濾波功能好的算法。而在故障后的暫態(tài)過程中，保護(hù)安裝中的電流 和電壓除了含有基波分量外，還含有高次諧波和衰減非周期分量，保護(hù)要從這樣的 電流，電壓采樣值中比較精

34、確的估算出基波分量，必須選用數(shù)字濾波功能好的算法。 4.1.2全波傅立葉算法 假定被采樣的模擬信號(hào)是一個(gè)周期性時(shí)間函數(shù)，除基波外還含有不衰減的直流 分量和各次諧波，根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)的概念，可以將其展開成無數(shù)次諧波的和。全波 傅立葉算法，不僅能濾掉各種整次諧波和純直流分量，而且對(duì)整次高頻分量和按指 數(shù)衰減的非周期分量中的低頻分量有一定的抑制作用。正因?yàn)槿ǜ盗⑷~算法具有 良好的數(shù)字濾波特性，使得它成為應(yīng)用廣泛的繼電保護(hù)及控制算法。 4.2 保護(hù)軟件流程 保護(hù)的程序的主要包括三大模塊：主程序、采樣中斷服務(wù)程序和事故處理程序。 13 / 28 4.2.1 主程序 主程序包括初始化、全面自檢、開放和等待

35、中斷等功能。當(dāng)裝置上電或按復(fù)位 按扭后，進(jìn)入該程序模塊的入口。首先進(jìn)行必要的初始化（一） ，如堆棧寄存器賦值、 控制口初始化（置 ID、T0、T1 的工作方式） 、查詢面板上開關(guān)的位置等。當(dāng)面板上 開關(guān)在調(diào)試位置則進(jìn)入監(jiān)控程序，否則進(jìn)入運(yùn)行程序。進(jìn)入運(yùn)行程序后，單片機(jī)將 開始運(yùn)行狀態(tài)所需的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作即初始化（二） ，包括往 I/O 并行控制口寫數(shù)，讓 所有的開關(guān)量處于正常狀態(tài)；按照面板上的整定值或門檻值切換開關(guān)的位置，按套 號(hào)將所需要的那一套整定值或門檻值放在預(yù)先規(guī)定好的 RAM 區(qū)。之后單片機(jī)依據(jù)程 序?qū)ρb置硬件的各部分進(jìn)行全面自檢。 在確認(rèn)一切良好后才允許數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始工作，將采集指針

36、和軟件定時(shí)器初 始化，準(zhǔn)備好定時(shí)對(duì)各模擬輸入量進(jìn)行采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換。這一工作完成后，先將保 護(hù)的啟動(dòng)元件動(dòng)作標(biāo)志置 1，即 PB6=0，PB7=1，閉鎖采樣中斷服務(wù)程序中起動(dòng)元件 的計(jì)算。然后開放采樣定時(shí)器中斷并等待。 開放采樣定時(shí)器中斷后，若中斷時(shí)刻到，則轉(zhuǎn)入采樣中斷服務(wù)程序，執(zhí)行完后 返回至主程序的斷點(diǎn)處，繼續(xù)執(zhí)行主程序。若中斷時(shí)刻未到，主程序會(huì)繼續(xù)往下執(zhí) 行而不斷的進(jìn)行專用自檢項(xiàng)目。專用自檢項(xiàng)目是依據(jù)不同的被保護(hù)元件或不同的保 護(hù)原理自行設(shè)置。 該裝置軟件中含有三個(gè)故障處理程序。故障處理程序 II 的功能與故障處理程序 III 的功能類似，只是延時(shí)動(dòng)作時(shí)間不同。 并且，由于各段動(dòng)作后

37、均具有記憶功能。因此，在斷路器跳閘后，重新合閘前 應(yīng)先使單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)位。 14 / 28 4.2.2 采樣中斷服務(wù)程序 包括對(duì)模擬量的采樣、A/D 轉(zhuǎn)換、采樣值存儲(chǔ)、起動(dòng)元件的計(jì)算和是否有故障 發(fā)生的判斷等功能。圖 5-2 給出了采樣中斷服務(wù)程序的框圖。進(jìn)入該程序模塊后， 首先發(fā)出采樣/保持命令以保證各模擬量輸入通道的同時(shí)采樣；再對(duì)各通道保持信號(hào) 依次進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)到預(yù)先劃分好的 RAM 區(qū)域；然后進(jìn)行起動(dòng)元件 的計(jì)算和判斷。如果起動(dòng)元件已經(jīng)動(dòng)作，說明這次中斷服務(wù)程序的執(zhí)行是由于事故 處理程序被采樣定時(shí)器中斷時(shí)間到而打斷引起的，則不用再進(jìn)行起動(dòng)元件的計(jì)算和 判斷，當(dāng)判斷出起

38、動(dòng)元件剛好動(dòng)作時(shí)，則進(jìn)行以下三項(xiàng)工作：）將起動(dòng)元件動(dòng)作 標(biāo)志置；）向并行控制口寫數(shù)，驅(qū)動(dòng)起動(dòng)繼電器動(dòng)作；）修改返回地址為事 故處理程序的入口地址，這樣在采樣中斷服務(wù)程序的出口處程序?qū)⒎祷氐绞鹿侍幚?程序，而不是返回到主程序的斷點(diǎn)處。 入口 N Y N 采樣/保持、A/D 轉(zhuǎn)換及結(jié)果存儲(chǔ) PB6=0 PB7=1 ？ 起動(dòng)元件計(jì)算 起動(dòng)元件動(dòng)作？ PB6=0，PB7=1，驅(qū)動(dòng)起動(dòng)繼電器 修改返回地址為事故處理程序 入口地址 Y 圖 4.2 采樣中斷服務(wù)程序框圖 返回 15 / 28 4.2.3 事故處理程序 此程序模塊在起動(dòng)元件動(dòng)作后才投入，包括保護(hù)特性的計(jì)算、故障性質(zhì)的判斷 等功能，其框圖如圖

39、5-3 所示。進(jìn)入該模塊后，首先檢查故障后的采樣數(shù)據(jù)是否夠 一個(gè)數(shù)據(jù)窗長。所謂數(shù)據(jù)窗長是指能估算出電氣量中所含某一頻率分量的幅值和相 位所需要的采樣數(shù)據(jù)的長度。若數(shù)據(jù)窗長已經(jīng)達(dá)到了，則開始進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作方程的 計(jì)算和判定。如果判定故障發(fā)生在區(qū)外，則進(jìn)入整組復(fù)歸模塊，使所有的動(dòng)作標(biāo)志 和繼電器重新恢復(fù)到初式正常運(yùn)行的狀態(tài)；如果判定故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)，則發(fā)出跳閘 命令等，即往并行控制口寫數(shù)，置 PB0、PB2、PB4 為 0，置 PB1、PB3、PB5 為 1，從 而控制跳閘、報(bào)警、發(fā)出故障信號(hào)。在故障切除后，經(jīng)整組復(fù)歸后進(jìn)入主程序，準(zhǔn) 備下次故障時(shí)再動(dòng)作。若發(fā)出跳閘令 5s 后，故障仍未切除，就收回跳

40、閘命令，以防 止被保護(hù)元件又發(fā)生故障時(shí)保護(hù)拒動(dòng)作。 4.34.3 MATLABMATLAB 建模仿真分析建模仿真分析 根據(jù)線路三段式保護(hù)的原理以及各段保護(hù)之間的配合模擬各段保護(hù)的動(dòng)作情況。 （1）模擬電流段保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行仿真后，仿真結(jié)果如下圖 4.3 所示： 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，之后經(jīng)過 一個(gè)很小的延時(shí) 0.001s，斷路器 1 跳閘。電流段成功按時(shí)動(dòng)作。 圖 4.3 電流段仿真波形圖 （2）模擬電流段保護(hù)動(dòng)作，在電流段的范圍內(nèi)設(shè)置故障，由于本設(shè)計(jì)是模 16 / 28 擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路 1 的值來模擬線路不同段的故障。

41、將線路 1 的值設(shè)置為 10，線路 0、2 分別為 0.3、3.5。仿真參數(shù)同（1） ，執(zhí)行仿 真后，仿真結(jié)果如下圖 4.4 所示: 圖 4.4 電流段仿真波形圖 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，之后經(jīng)過 預(yù)先設(shè)置的延時(shí) 0.5s，斷路器 1 在 0.55s 跳閘。電流段成功按時(shí)動(dòng)作。 （3）模擬電流段保護(hù)動(dòng)作，在電流段的范圍內(nèi)設(shè)置故障，由于本設(shè)計(jì)是模 擬線路不同段發(fā)生故障，所以就可以直接改變線路 1 的值來模擬線路不同段的故障。 將線路 1 的值設(shè)置為 15.5，線路 0、2 分別為 0.3、3.5。仿真參數(shù)同 1） ，執(zhí)行仿 真后，仿真結(jié)果如下圖 4.5

42、 所示: 圖 4.5 電流段仿真波形圖 由圖可以看出線路在 0.05s 發(fā)生了故障，產(chǎn)生一個(gè)較大的短路電流，之后經(jīng)過 預(yù)先設(shè)置的延時(shí) 1.0s，斷路器 1 在 1.05s 跳閘。電流段成功按時(shí)動(dòng)作。 17 / 28 第 5 章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析 在系統(tǒng)運(yùn)行方式為最小時(shí)，做三段式常規(guī)電流保護(hù)實(shí)驗(yàn)，找出 I 段電流保 護(hù)的最小保護(hù)范圍，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下： (l)按前述完全星型實(shí)驗(yàn)接線，將變壓器原方 CT 的二次側(cè)短接。調(diào)整 I 段三個(gè)電流繼電器的整定值為 5.16A，II 段三個(gè)電流繼電器的整定值為 2.78A 或者I 段整定值為 1.62A。 (2)系統(tǒng)運(yùn)行方式選擇置于“最小” 。 (3)把“區(qū)內(nèi)

43、” 、 “線路”和“區(qū)外”轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇在“線路”檔。 (4)合三相電源開關(guān)，三相電源指示燈亮（如果不亮，則停止下面的實(shí)驗(yàn)） 。 (5)合上直流電源開關(guān)，直流電源指示燈亮（如果不亮，則停止下面的實(shí) 驗(yàn)） 。 (6)合上變壓器兩側(cè)的模擬斷路器 1KM，2KM。 (7)緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出，使并入線路中的電壓表顯示讀數(shù)從 OV 上升到 IOOV 為止，此時(shí)負(fù)載燈全亮。 (8)將常規(guī)出口連接片 LP2 投入，微機(jī)出口連接片退出（斷開 LPI） 。 (9)合上短路選擇開關(guān) SA、SB、SC 按鈕中任意二相，如 AB 相。 (10)模擬線路段不同處做短路實(shí)驗(yàn)，先將短路電阻置于位置，合 上故障模擬斷路器，檢查 I 段保護(hù)是否動(dòng)作，如果沒有動(dòng)作，則斷開故障模擬 斷路器，再將短路點(diǎn)調(diào)至 90%處，合上故障模擬斷路器，檢查 I 段是否動(dòng)作， 沒有動(dòng)作再繼續(xù)本步驟前述方法改變短路電阻大小的位置直至 I 段保護(hù)動(dòng)作， 再慢慢調(diào)大一點(diǎn)短路電阻值，直至 I 段保護(hù)不動(dòng)作， (11)分別將系統(tǒng)運(yùn)行方式置于“最大”和“正?！狈绞?，重復(fù)步驟（4） 至(10)的過程，將能夠使 I 段保護(hù)動(dòng)作的最大短路電阻值記錄。 (12)實(shí)驗(yàn)完成以后，將調(diào)壓器輸出調(diào)為 OV，斷開所有電源。 (13)分別將短路選擇開芙設(shè)為 AC 或 BC 相，重復(fù)步驟(2)至(12)。 (14)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出無時(shí)限電