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基于单片机的微机电流速断保护
摘要
本文针对输电线路的电流速断保护设计，进行了电流保护整定值的计算和灵敏度计算，完成了芯片选型及外围电路设计，给出了软件流程图。
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MCS-51单片机的输电线路电流速断保护装置。
本论文重要包括三大部分的内容。
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输电线路电流保护的硬件电路设计，设计了模拟量输入通道、单片机系统、开关量输出通道电路；第三部分为单片机实现输电线路电流保护的软件设计，包括软件流程、保护算法以及数字滤波部分。
关键词：
微机保护，电流速断保护，单片机。
引言
电流速断保护的特点：
接线简单，动作可靠，切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系统运行方式变化的影响较大。
速断保护是一种短路保护，为了使速断保护动作具有选择性，一般电力系统中速断保护其实都带有一定的时限，这就是限时速断，离负荷越近的开关保护时限设置得越短，末端的开关时限可以设置为零，这就成速断保护，这样就能保证在短路故障发生时近故障点的开关先跳闸，避免越级跳闸。
定时限过流保护的目的是保护回路不过载，与限时速断保护的区别在于整定的电流相对较小，而时限相对较长。
这三种保护因为用途的不同，不能说各有什么优缺点，并且往往限时速断和定时限过流保护是结合使用的。
对高压来讲，过流保护一般是对线路或设备进行过负荷及短路保护，而电流速断一般用于短路保护。
过流保护设定值往往较小（一般只需躲过正常工作引起的电流），动作带有一定延时;而电流速断保护一般设定值较大，多为瞬时动作。
三段式过流保护包括：
1、瞬时电流速断保护（简称电流速断保护或电流Ⅰ段）
2、限时电流速断保护（电流Ⅱ段）
3、过电流保护（电流Ⅲ段）
这三段保护构成一套完整的保护。
它们的不同是保护范围不同：
1、瞬时电流速断保护：
保护范围小于被保护线路的全长一般设定为被保护线路的全长的85%
2限时电流速断保护：
保护范围是被保护线路的全长或下一回线路的15%
3、过电流保护：
保护范围为被保护线路的全长至下一回线路的全长。
在这里我们主要研究电流速度保护。
1.1一次接线图
图1一次接线图
当线路A站发生短路时，短路电流电压大小可以通过电流互感器和电压互感器输入微机保护装置A，输入的是模拟量，经过AD转换器转换为数字量，再通过单片机输出，从而控制断路器开断，切断故障部分，保护线路
1.2电流速断保护
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短路电流的计算：
图2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。
（Zs.min）
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。
（Zs.max）
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：
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。
（IdZ）
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：
解析法：
可得
（2-4）
式中为被保护线路全长的阻抗值
2.微机保护硬件结构图
微机继电保护是以微型计算机为核心，配置相应的外围接口，执行元件的计算机控制系统。
根据保护装置微处理器的多少可分为单处理器系统和多处理器系统。
其硬件结构如图3所示：
ALF
ALF
S/H
S/H
多路转换开关
A/D
光电隔离
出口继电器
单片机保护主系统
人机对话接口
外部通信接口
开关量输入
开关量输出
通道n
通道1
电量变换器
电量变换器
图3微机保护简图
1）数字量输入
数字量输入通常为开关量的输入。
为了提高保护装置的抗干扰性能，需要整形延时和光电隔离等处理。
（2）模拟量输入
模拟量输入通常为电流、电压信号。
由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此，须将这种类型的模拟信号转变为数字信号。
完成模拟量到数字量的变换称为模数变换。
（3）数字量输出
微机继电保护装置是通过数字量输出实现对断路器等的控制。
该输出通道也需要光电隔离提高抗干扰能力。
（4）电源
电源的作用是将220V或110V直流电压换成能满足微机系统各部分要求的弱电电压，有±12V、+24V、+5V等。
2.1.1单片机选择
本次采用的是美国Intel公司生产的8051芯片，8051是高性能单片机，它以8031为基础，片内又集成4KB的程序存储器，是一个程序不超过4KB的小系统。
因此，在单片机实现输电线路电流保护的单片机系统中，要对芯片进行扩展，根据需要，扩展了一片32KB的片外程序存储器27256和一片32KB的片外数据存储器62256，以满足在对输电线路电流保护时单片机运行的需要。
8051本身具有很强的接口能力，对于8051组成的系统，P0-P3口均可作为I/O口用，共有32根I/O口线。
（1）一个8位的微处理器（CPU）。
（2）片内数据存储器RAM（128B/256B），用于存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。
（3）片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。
（4）四个8位并行I/O接口P0～P3，每个口既可以用做输入，也可以用作为输出。
（5）两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用于对外部事件进行计数，也可设置为定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。
（6）五个中断源的中断控制系统。
（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。
2.1.2AD转换器选择
这里采用了芯片AD7501。
AD7501是一种8路输入，一路输出的CMOS集成芯片，其引脚如图4-5所示。
当EN有效（高电平）时，A0A1A2三个输入端状态的组合决定接通八路输入模拟信号S1～S8的某一路Si，即将Si与OUT端接通，如表4-1所示。
AD7501的接通电阻为170～300，漏电流（开关断开时，通过开关的电流）为0．2～2nA，导通时间为0．8μs，截止时间为0．8μs。
在这里我用8051的P2.7控制EN，P2.4-P2.6分别控制A0-A2，从而控制哪一路模拟通道输入。
图4-1 AD7501引脚图
表4-2 AD7501真值表
A2
A1
A0
EN
接通S
0
0
0
1
S1
0
0
1
1
S2
0
1
0
1
S3
0
1
1
1
S4
1
0
0
1
S5
1
0
1
1
S6
1
1
0
1
S7
1
1
1
1
S8
х
х
х
0
无
2.2电路设计
其基本结构框图如5所示。
显示器
并行接口
键盘
电
压形成
低通滤波
采样保持
开关量输出
并行接口
多路模拟开关
模
开关量输入
定时器
A/
D转换
拟
量
电压形成
RAM
输
采样保持
低通滤波
入
EPROM
EEPROM
CPU
图5 单片机实现线路电流保护结构框图
3.1主流程图设计
Y
N
Y
不通过
N
通过
运行
初始化
（二）
全面自检
数据采样系统初始化
PB6=0PB7=1
开中断
PB6=1PB7=0
输入Iu,Iv,Iw
故障处理程序Ｉ
故障处理程序II
故障处理程序III
Y
图6程序流程图
工作方式？
初始化
（一）
调试
监控程序
告警
全小于Iopi?
全小于Iopii?
全小于Iopiii?
N
整组复归来
上电或复位
3.2采样中断服务流程图
包括对模拟量的采样、A/D转换、采样值存储、起动元件的计算和是否有故障发生的判断等功能。
图7给出了采样中断服务程序的框图。
进入该程序模块后，首先发出采样/保持命令以保证各模拟量输入通道的同时采样；再对各通道保持信号依次进行A/D转换并将转换结果存储到预先划分好的RAM区域；然后进行起动元件的计算和判断。
如果起动元件已经动作，说明这次中断服务程序的执行是由于事故处理程序被采样定时器中断时间到而打断引起的，则不用再进行起动元件的计算和判断，当判断出起动元件刚好动作时，则进行以下三项工作：
１）将起动元件动作标志置１；２）向并行控制口写数，驱动起动继电器动作；３）修改返回地址为事故处理程序的入口地址，这样在采样中断服务程序的出口处程序将返回到事故处理程序，而不是返回到主程序的断点处。
入口
N
Y
N
采样/保持、A/D转换及结果存储
PB6=0PB7=1？
起动元件计算
起动元件动作？
PB6=0，PB7=1，驱动起动继电器
修改返回地址为事故处理程序
入口地址
Y
图7采样中断服务程序框图
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4结束语
在本论文中，首先对电流速断保护做了简要介绍，然后进行了保护整定计算和灵敏度校验，同时设计了单片机实现线路电流保护的硬件部分，最后进行软件部分的设计，包括主程序流程图设计和中断服务流程图设计。
在这次设计和写论文的过程中，我充分运用了所学的专业知识，包括数字电子技术，单片机原理技术，继电保护技术等，把这些知识进行了整合应用到解决电力系统微机保护当中，提高了我应用所学知识解决实际问题和独立思考的能力。
在写论文的过程中，我也遇到了不少新问题，通过自主学习，和同学们交流等方式解决了这些新问题，开阔了我的视野。
在设计过程中，体会到科研需要严谨的态度和吃苦的精神，也让我意识到自己以前所学知识还不够扎实。
总的说来，这次设计让我受益非浅。
参考文献
[1]安徽工程大学电气工程学院.电力系统继电保护实验指导书[C].2014.
[2]杨奇逊,黄少锋,微机型继电保护基础（第四版）北京:
中国电力出版社,2013.
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