基于单片机的线路保护设计与实现.docx
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基于单片机的线路保护设计与实现
毕业设计（论文）
基于单片机的线路保护设计与实现
系 别：
机电信息学院
专业名称：
电气工程及其自动化
学生姓名：
学 号：
指导教师姓名、职称：
完成日期2012年12月14日
论文题目：
基于单片机的线路保护设计与实现（硬件）
专业：
电气工程及其自动化
本科生：
（签名）
指导教师：
（签名）
摘要
电力作为一种高级、清洁、方便的能源利用形式，正越来越广泛地应用于经济社会的各个方面。
电力系统运行的安全性是形成系统威胁的主要问题，然而电力系统中的故障却是不可避免的。
为确保系统安全稳定运行，增强供电的可靠性和连续性，就需要一个优质的故障诊断分析系统。
输电线路，它连接着电源和各种用电设备，实现电能的传输任务。
当输电线路发生短路故障时，短路电流比正常工作电流大许多倍，产生巨大的热效应和力效应。
这不仅危及线路的本身的运行，而且给整个电力系统的安全稳定运行带来了隐患。
本设计对采用单片机构成结构简单，成本低，使用方便的三段式电流保护装置的硬件结构、软件设计进行了研究，设计了一种基于AT89S52单片机的输电线路电流保护装置。
本论文重要包括二大部分的内容。
第一部分介绍了微机保护的相关知识；第二部分为单片机实现线路过流保护的硬件电路设计，包括模拟电流输入、单片机系统、继电器动作、以及按键和显示电路，并介绍了了LM324、AD0809、LF398等芯片。
关键词：
单片机；继电保护；电流保护；电流。
研究类型：
应用研究
Subject:
BasedonSCMlineprotection（hardware）
Specialty:
ElectricEngineeringandit’sAutomation
Name:
LiuYongJin（Signature）
Instructor:
FuZhouXing（Signature）
Abstract
Electricpowerasasenior，clean，convenientenergyuseform，iswidelyusedintheaspectsofeconomicsociety．Powersystemoperationsafetyofthemainthreatistoformasystemproblem，however，isthepowersystemfaultinevitable．Toensurethesafeandstableoperationofthesystem，strengthenthepowersupplyreliabilityandcontinuity，youneedahighqualityfaultdiagnosisanalysissystem．Powerlines，itconnectsthepowerandallkindsofelectricequipment，realizepowertransmissiontask．Whenthetransmissionlineshappenwhenthefaultthannormalworkingcurrentshortcircuitcurrentmanytimes,theenormousheatingandpowereffect．Thisnotonlyendangerlinesoftheoperationitself，andthewholepowersystemforthesafeandstableoperationofbroughthiddentrouble．Thisdesignbysinglechipmicrocomputerconstitutesofsimplestructure，lowcostandconvenience3-sectionalcurrentprotectiondeviceofthehardwarestructureandsoftwaredesignresearch，designakindof52singlechipmicrocomputerbasedonMCStransmissionlinecurrentprotectiondevice．Thispaperincludestwomostimportantcontent．Thefirstpartintroducesthemicrocomputerprotectionrelatedknowledge；Thesecondpartisthesinglechipmicrocomputertransmissionlinecurrentprotectionhardwarecircuitdesign，thedesignofthesimulation，theinputchannelandsingle-chipmicrocomputersystem，switchingoutputchannelandthekeyboardandshowcircuit，andintroduceLM324，itAD0809，LF398chip，etc.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer；Therelayprotection；Currentprotection；current.
Typeofresearch:
appliedresearch
1绪论
1.1选题的目的和意义
单片机是采用超大规模集成电路技术，在一个芯片上集成了CPU、储存器和IO接口三部分而形成的一个单片微计算机系统。
现在可以说单片机是百花齐放的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。
纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势。
单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。
它在应用方面，目前已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域，它改变了我们生活。
就从我们生活来看，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机，随着单片机性能的不断提高，它的应用将会更加广泛。
最早出现的继电保护装置是熔断器，后来发展为电磁型过流继电器，随着科技的发展，又出现了高频保护装置，从元件、材料等方面来说，它经历了从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置、到集成电路继电保护装置、再到微机继电保护装置。
当今，电力系统及广大用户对电网系统的继电保护技术提出了更高的要求，国内外继电保护技术正朝着网络化、计算机化、测量、控制、保护、数据通信一体化和人工智能化的方向发展，这对继电保护工作者提出了更加艰巨的任务，特别是对大型企业复杂厂区电网继电保护可靠性及智能化的研究尤为重要。
继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。
单片机实现的路保护装置护及成具有着常规保护所无法比拟的高可靠性。
例如,，采用了与高压线路保护类似的ＶＦＣ数据采集系统和高性能单片机构成的双ＣＰＵ系统，变压器主保护与变压器各侧的后备保护分别采用不同的ＣＰＵ完成保护功能。
在毕业设计的整个过程中，我们将会学习如何将单片机应用到线路保护中，这样做的好处以及它相对于其他同类产品的优点。
这也将对于我们所学习的理论知识有更加透彻的理解。
本课题以线路保护为研究对象，通过对三段式电流保护原理进行的研究，对线路保护进行理论分析，基于单片机进行硬件设计，实现线路的III段式电流保护的检测、快速处理和报警。
这样将会给我们的生活很多方面带来便捷。
1.2电力系统继电保护的任务
电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业。
它与国家的兴盛和人民的安康有着密切的关系，因此，电力产品应该是安全、可靠、经济、优质的能源产品。
随着国民经济的飞速发展，电力系统的规模越来越复杂。
在整个电力生产过程中，由于人为因素或大自然的原因，会发生这样那样的故障和出现不正常的运行状态。
一旦发生故障即会产生如下后果：
1.数值很大的短路电流通过短路点会燃起电弧使故障设备烧坏，烧毁。
2.短路电流通过故障设备和非故障设备时会发热并产生电动力作用，使设备受到机械损坏和绝缘损伤以至缩短设备使用寿命。
3.电力系统中电压下降，使大量用户的正常工作遭受破坏或产生废品。
4.破坏电力系统各发电厂之间并行运行的稳定性，导致事故扩大，甚至造成整个系统瓦解瘫痪。
对于电力系统运行中存在的这些故障隐患，要积极采取一些预防措施，如提高设备质量，增加可靠性和延长使用寿命。
而从运行管理角度出发，应提高从业人员的安全意识和增强责任心，提高科学管理水平，增强安全措施以减少事故的发生。
[1]
对于不可抗拒的事故发生应做到及时发现，并迅速有选择地切除故障组件，隔离故障范围，以保证系统非故障部分的安全稳定运行，尽可能减少停电范围，保护设备安全。
继电保护是一种能反应电力系统故障和不正常状态，并及时动作于断路器跳闸和发出信号的自动化设备。
继电保护一词是指继电保护技术或由各种继电保护装置单元组成的继电保护系统。
其任务是：
1.自动、迅速、有选择地切除故障组件，使无故障部分恢复正常运行，使故障部分设备免遭毁坏。
2.发现电器组件的不正常状态，根据运行维护条件动作于发信号，减负荷或跳闸。
1.3继电保护装置原理和装置的组成
1.3.1继电保护的原理
为了完成继电保护所担负的任务，要求它能正确区分电力系统正常运行状态和故障状态或不正常运行状态。
因为，可根据电力系统发生故障或不正常运行状态前后电气物理量变化特征为基础构成继电保护装置。
电力系统发生故障后，工频电气量变化如下：
1.电流增大。
短路时故障点和电源之间的电气组件上的电流，将由负荷电流值增大到大大超过额定负荷电流。
2.电压降低。
系统发生相间短路或接地短路故障时，系统各点的相间电压下降，且越靠近短路点，电压下降越多，短路点电压最低可降到零。
3.电压和电流之间的相位角发生变化。
4.测量阻抗发生变化。
测量组浪即为测量点电压与电流相量之比值。
5.出现负序和零序分量。
正常运行时只出现正序分量，当发生不对称短路时，将出现负序和零序分量
6.电气组件流入和流出电流的关系发生变化。
对任意正常运行的电气组件，流入电流等于流出电流，但组件内部发生故障时则不等。
利用故障时电气量的变化，可以构成各种作用原理的继电保护，除了反映各种工频电气量的保护原理外，还有反映非工频电气量的保护，对于反映电气组件不正常运行情况的继电保护，主要根据不正常运行情况时电压和电流变化的特征来构成。
[2]
1.3.2继电保护装置的构成
继电保护装置的发展经历了几个阶段，但无论那种阶段的保护装置，其构成结构均可由图1-1表示。
由图知道，一套继电保护装置由测量部分，逻辑部分和执行部分所组成。
图1-1继电保护装置组成结构框图
测量部分从被保护对象输入的有关电气量，并与预先给定的整定值进行比较，根据比较的结果，确定被保护对象有无故障和不正常运行情况发生，从而给出一组逻辑信号。
逻辑部分根据测量部分各输出逻辑信号的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸后发出信号，并将有关命令传送给执行部分。
执行部分根据逻辑部分输出的信号，送出跳闸信号或报警信号。
[3]
1.4继电保护的基本要求
1.4.1选择性
继电保护动作的选择性指保护装置动作时，仅将故障组件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小。
要满足选择性，必须从两方面出发进行考虑。
一方面考虑哪个组件发生故障应由该组件上的保护装置动作切除故障。
另一方面，考虑到继电保护或断路器有拒绝动作的可能性，需要考虑后备保护问题。
1.4.2速动性
当电力系统发生故障时，继电保护装置应该能迅速动作切除故障。
快速切除故障可以提高电力系统运行稳定性，减少用户在电压降低情况下的工作时间，缩小故障组件的损坏程度，还有利于电弧闪络处的绝缘程度恢复，从而提高再送电的成功率。
切除故障的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。
一般的快速保护动作时间为0.06～0.12s，最快的可达到0.02～0.04s；一般的断路器的动作时间为0.06～0.15s，最快的可达0.02～0.06s。
1.4.3灵敏性
灵敏性指的是继电保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力，通常用灵敏系数来衡量。
满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点是否存在过度电阻，都能敏锐感觉，正确反应。
1.4.4可靠性
可靠性指就保护装置本身的质量和运行维护水平而言，要求在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不拒绝动作；而在任何其他不应该动作的情况下，则不误动作。
提高继电保护装置不误动可靠性和不拒动可靠性的措施常是矛盾的，在选用和设计继电保护装置时，需要依据保护对象的具体情况，对两方面的性能要求适当的予以协调。
例如，对于传送大功率的输电线路保护，一般强调不误动作的可靠性；对于其它线路保护，则往往强调不拒动的可靠性。
除了上述四个基本要求以外，选用保护装置时还应该考虑经济性。
在保证电力系统安全运行的前提下，尽可能地采用投资少，维护费用低的保护装置。
1.5微机保护系统的简介
1.5.1继电保护的发展过程
继电保护的发展与世界工业技术的发展息息相关。
19世纪末出现了直接作用于断路器的电磁型电流继电器，这可认为是保护技术的开端。
20世纪50年代，电子工业方面出现了半导体晶体管，随后人们又将多个晶体管集成在一个半导体芯片上，就出现了集成电路。
20世纪70年代后期，由于微机处理器技术的发展，计算机价格下降，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。
20世纪80年代微机保护被一些国家广泛应用，这就是第三代的静态继电保护装置，也叫数字型保护装置。
到了20世纪90年代，微机保护在我国开始大量应用。
进入21世纪，微机保护已经成为继电保护的主要形式。
[4]
1.5.2微机保护的特点
微机保护主要由硬件和软件两大部分组成。
硬件主要包括输入信号的预处理系统，一台计算机系统向计算机输入信号和计算机向外输出信息的输入和输出端口，打印机，键盘及调试整定设备等。
软件主要指用汇编语言编写的计算机初始化程序，针对保护原理而设计的测量和判断故障的程序，数字滤波程序，计算机硬件和软件的自检程序等。
微机保护具有以下优点：
一台微机保护除了有保护功能外，同时还可以兼有故障滤波，故障测距或重合闸等功能。
微机保护可以通过软件设计而改变保护定值和特性以适应电力系统运行方式变化要求。
微机保护由于有自动检测和自诊断能力，能自动检测出硬件的故障和对输入数据进行校错，使检测监视变得容易，从而使保护可靠性大大提高。
同时，由于它的硬件和软件的测试是自动进行的，所以不存在大量的调试工作。
由于一套微机保护同时能具有保护，测距和滤波等多种功能，且它的体积小，耗电量少，维护工作量小，而微处理器价格也逐渐下降，这使用户的投资成本降低。
[5]
2输电线路电流保护的原理
2.1三段式保护的基本概述
电流保护装置是反映相间短路基本特征，并接于全电流的相间短路保护装置。
整套电流保护装置一般由瞬时段、限时段、定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。
三段式电流保护一般用于110KV及以下电压极的单电源出线上，对于双电源辐射线可以加方向元件组成带方向的各段保护。
三段保护的I和II为主保护段，III为后备保护段。
第一段一般不带时限，称瞬时电流速断，其动作时间是保护装置固有动作时间；II带较小的延时，一般称电流速断；III称定时限过电流保护，带较长时限，对于6V～10V配电线路，一般采用两段式保护，有时采用有限反时限过电流保护，该保护装置有速断部分和反时限部分，兼主保护和后备保护功能。
在中性点非直接接地系统中，电流保护为两相式，电流常取A，C相，因此，当两点接地不在同一地点时，保护装置有2/3机会断开一个接地点，仅A，C相接地时，才有可能断开两个接地点。
当A或C相两点接地，相接地在辐射串联线路相邻线上时，相邻线保护可能越级动作。
在中性点直接接地系统中，电流保护装置为三相式，以检测各种相间短路故障。
[6]
对于各级电压线路，当采用带方向的保护时，为消灭死区或某种特殊需要，例如加速切除线路近端故障时，可装设辅助性质的瞬时电流速断，通称辅助保护。
辅助电流速断不带方向。
电流保护简单可靠，有一定反应弧光电阻的能力，因此，当保护性能满足基本要求时，应优先采用。
2.2三段式电流保护的整定方式
输电线路上发生各种相间短路时，总伴随着故障相电流的增大。
当故障线路上的电流大于某一个规定值，保护将跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电。
这就是电流保护原理。
规定值就是电流保护的动作值，它是能使电流保护动作的最小电流，通常用Idz表示。
为了及时可靠的切除输电线路上的故障，输电线路常配置三段式电流保护。
三段式电流保护包括：
1.电流速断保护；
2.限时电流保护；
3.过电流保护。
以上1、2属于主保护，3属于后备保护。
2.2.1电流速断保护（第Ⅰ段）
对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。
1．要求：
接线简单，动作可靠，切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系统
行方式变化的影响较大。
图2-1电流速断保护
图中 1――最大运行方式下d（3）
2――最小运行方式下d
（2）
3――保护1第一段动作电流
（2-1）
（2-2）
可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关。
最大运行方式：
对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。
最小运行方式：
对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。
2．整定值计算及灵敏性校验：
为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路电流整定。
（2-3）
1.2～1.3
保护装置的动作电流（IdZ）：
能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。
在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a、b点。
可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。
灵敏性：
用保护范围的大小来衡量lmax、lmin
一般用lmin来校验，
要求：
≥（15～20）％希望值50％
方法：
1.图解法
2.解析法：
可得
（2-4）
式中
为被保护线路全长的阻抗值
2.2.2限时电流速断保护（第Ⅱ段）
1.要求：
任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性
在满足要求1的前提下，力求动作时限最小。
因动作带有延时，故称限时电流速断保护。
图2-2电流限时保护
2.整定值的计算和灵敏性校验：
为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第Ⅰ段的保护范围。
即整定值与相邻线路第Ⅰ段配合。
动作电流：
（2-5）
动作时间：
（2-6）
灵敏性：
要求：
（2-7）
若灵敏性不满足要求，与相邻线路第2段配合。
此时：
动作电流：
（2-8）
动作时间：
（2-9）
2.2.3定时限过电流保护（第Ⅲ段）
1.要求：
作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。
其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。
动作电流：
1.躲最大负荷电流
（2-10）
2.在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。
电动机自起动电流要大于正常工作电流，因此引入自起动系数
（2-11）
式中，
显然，应按（2-11）式计算动作电流，且由（2-11）式可见，
越大，
越小，
越大。
因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。
（过电流继电器的返回系数为0.85～0.9）
2.整定值的计算和灵敏性的校验：
在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第Ⅲ段的测量元件均可能动作。
例如：
如图2-3中d1短路时，保护1～4都可能起动。
为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。
图2-3三段式保护阶梯性
即
、
、
、
注：
当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的配合。
近后备：
Id1.min―――本线路末端短路时的短路电流
远后备：
Id2min―――相邻线路末端短路时的短路电流
第Ⅲ段的IdZ比第Ⅰ、Ⅱ段的IdZ小得多，其灵敏度比第Ⅰ、Ⅱ段更高；在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；保护范围是本线路和相邻下一线路全长；
电网末端第Ⅲ段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（Ⅰ＋Ⅲ或Ⅲ），越接近电源，tⅢ越长，应设三段式保护。
[8]
3单片机实现输电线路电流保护的硬件总体设计
3.1系统的基本结构
单片机实现的输电线路电流保护装置要求把输电线路上的电流经过A/D转换变成数字量，利用单片机系统进行处理，判断是否发生故障或不正常状态，从而控制跳闸电路，达到保护输电线路的作用。
按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由信号调理电路，采样保持，模数转换，单片机系统及其数码显示五大部分组成。
基本结构框图如3-1所示：
图3-1基于单片机的线路保护结构框图
3.2硬件设计中器件的选择
在本次毕业设计中，经过与指导老师的多次商议，本着价格低廉，实用性高，便于认识和操作的四项基本原则选取了以下主要的几种电子器件：
1.LM324运算放大器
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器，与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点，该放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一（对每一个放大器而言）。
共模输入范围包括负电源，因而消除了许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
2.LF398采样保持芯片
LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前比较流行的通用型采样/保持放大器。
与LF398结构相同的还有LF198F、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。
4.ADC0809模数转换器
逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。
其电路规模属于中等。
其优点是速度较高、功耗低，在低分辨率（<12位）时价格便宜，但高精度（>12位）时价格很高。
5.AT89S52单片机
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
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