辽宁工学院

辽 宁 工 业 大 学

微机继电保护课程设计（论文）

题目：110kV输电线路零序电流保护设计（2）

院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间：

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课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化 学 号 课程设计（论文）题目 系统接线图如图： 学生姓名 专业班级 110kV输电线路零序电流保护设计（2） A Z1.AB=25 B Z1.BC=20C Z1.CD=40D =40 3 Ω1 Z0.AB=40 2 Ω =80 Z0.BCZ0.CD ZG1=16 ZG2=16 Ω ZT1=10Ω ZT2=10 ZT3=50ZT4=50课程设计的内容及技术参数参见下表 设计技术参数 课程设计（论文）任务 E??115/3kV, I???Krel?1.2,Krel?Krel?1.1, 系统中各元件及线路的负序阻抗与正序阻抗相同,其他参数见图。 计算最大和最小零序电流，应根据当(1)(1.1)Z1∑＜Z0∑时，则有I0.k?I0.k；反之，(1)(1.1)当Z1∑＞Z0∑时，则有I0.k?I0.k。 工作量 一、整定计算 1.计算B母线、C母线、D母线处正序（负序）及零序综合阻抗Z1∑、Z0∑。 2.计算B母线、C母线、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流。 3.整定保护1、2、3零序电流I段的定值，并计算各自的最小保护范围。 4.当 B母线上负荷变压器始终保持两台中性点都接地运行时，整定保护1、2零序Ⅱ定值，并校验灵敏度。 5.整定保护1零序Ⅲ段定值，假定母线D零序过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3零序过电流保护的动作时限，校验保护1零序Ⅲ段的灵敏度。 二、硬件电路设计 包括CPU最小系统、电流电压数据采集、开关设备状态检测、控制输出、报警显示等部分。 三、软件设计 说明设计思想，给出参数有效值计算及故障判据方法，绘制流程图或逻辑图。 四、仿真验证 给出仿真电路及仿真结果，分析仿真结果同理论计算结果的异同及原因。 本科生课程设计（论文）

续表 第一天：收集资料，确定设计方案。 第二天：计算综合阻抗和零序电流，零序I段的整定计算。 第三天：零序II段、零序III段的整定计算。 第四天：硬件电路设计（最小系统、数据采集、状态检测部分）。 进度计划

第五天：硬件电路设计（控制输出、报警显示部分）。 第六天：软件设计（有效值计算、故障判据）。 第七天：软件设计（绘制流程图或逻辑图） 第八天：仿真验证及分析。 第九天：撰写说明书。 第十天：课设总结，迎接答辩。 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 指导教师评语及成绩 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

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摘 要

随着时代的进步，电力系统的规模在不断扩大，用户对电能质量的要求也在不断提高。因此，对继电保护装置本身的要求也越来越高，微机继电保护具备了传统保护所没有的优良特性。

本设计首先简要介绍了电力系统微机继电保护的发展、技术构成及其发展方向。其次对硬件、软件的结构做了分析，它的硬件结构核心由P89C51RD和DSP2181组成，CPU完成装置的总启动和人机界面及与外围设备的通信功能,CPU内设总启动元件，启动后开放出口继电器正电源,使得装置具有很高的固有可靠性及安全性。最后本文对装置进行了软件结构设计，对各个模块的功能作了具体介绍

本文研究的110kV输电线路微机零序电流保护原理分析与程序设计是由计算机实现的线路保护装置，用三相一次自动重合闸重合方式，采用后加速方式，适用于110kV的输电线路。

关键词：微型机保护;110kV输电线路;零序电流;重合闸

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目 录

第1章 绪论 ......................................................... 1 第2章 输电线路零序电流保护整定计算 .............................. ...2

2.1 零序电流Ι段整定计算 ............................................ 2

2.1.1 零序电流Ι段动作电流的整定 ................................. 6 2.1.2 灵敏度校验 ................................................. 7 2.1.3 动作时间的整定 ............................................. 9 2.2 零序电流Ⅱ段整定计算 ........................................... 10 2.3零序电流Ⅲ段整定计算 ............................................ 10 第3章 硬件电路设计 ................................................ 12

3.1 CPU最小系统图 .................................................. 12 3.2 110KV输电线路零序保护的硬件 .................................... 12 3.3 数据采集系统 ................................................... 13 3.3.1电压形成回路 .................................................. 14 3.3.2 采样保持和模拟低通滤波 ....................................... 14 3.3.3 多路转换开关和模数转换 ....................................... 15 3.4开关量输入输出系统 .............................................. 16

3.4.1开关量输入输出模块......................................... 16 3.4.2开关量输入部分............................................. 17 3.4.3开关量输出部分............................................. 18 3.5电源模块 ........................................................ 20 第4章 软件设计 .................................................... 20

4.1软件结构分析概述 ................................................ 20 4.2程序总框图 ...................................................... 21 4.3中断程序模块 .................................................... 23 4.4各程序的子模块介绍 .............................................. 23

4.4.1初始化..................................................... 23 4.4.2启动元件................................................... 24 4.4.3零序方向电流保护........................................... 25 4.4.4重合闸及后加速............................................. 25

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4.5微机保护的算法 .................................................. 26

4.5.1输入为正弦量的算法......................................... 26 4.5.2突变量电流算法............................................. 27 4.5.3选相方法................................................... 28 4.5.4傅里叶级数算法............................................. 30

第5章 实验验证及分析 .............................................. 34

5.2仿真结果及分析 .................................................. 34 第6章 课程设计总结 ................................................ 36 参考文献 ........................................................... 37

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第1章 绪论

结合设计概括发展技术 本设计的总体思路

1

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第2章 输电线路零序电流保护整定计算

2.1 零序电流Ι段整定计算

系统接线图如图2.1所示：

图2.1 系统接线图

一、计算各母线处正序（负序）和零序综合阻抗Z1?、Z0? （1）当G1、T1、G2、T2、T3、T4均投入运行时：

ZG1ZG2ZT1ZT2AZ1ABBZ1BCCZ1CDD

图2.2 G1、T1、G2、T2、T3、T4均投入运行时等值正序（负序）网络图

ZT1ZT2ZT3ZT4AZ0ABBZ0BCCZ0CDD 图2.3 G1、T1、G2、T2、T3、T4均投入运行时等值零序网络图

2

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B母线： Z1?B??ZG1?ZT1?//?ZG2?ZT2??Z1AB?(16?10)//(16?10)?20?33? Z0?B??ZT1//ZT2?Z0.AB?//?Z0T3//Z0T4??(10//10?40)//(60//60)?18? C母线： Z1?C?Z1?B?Z1BC?33??20??53?

Z0?C?Z0?B?Z0BC?18??40??58?

D母线： Z1?D?Z1?C?Z1CD?53??40??93?

Z0?D?Z0?C?Z0CD?58??80??138?

（2）当G1、T1、G2、T2、T3投入运行时:

B母线： Z1?B??ZG1?ZT1?//?ZG2?ZT2??Z1AB?(16?10)//(16?10)?20?33? Z0?B??ZT1//ZT2?Z0AB?//ZT3?(10//10?40)//60?25.71? C母线： Z1?C?Z1?B?Z1BC?33??20??53?

Z0?C?Z0?B?Z0BC?25.71??40??65.71?

D母线： Z1?D?Z1?C?Z1CD?53??40??93?

Z0?D?Z0?C?Z0CD?65.71??80??145.71?

ZG1ZG2ZT1ZT2AZ1ABBZ1BCCZ1CDD

图2.4 G1、T1、G2、T2、T3投入运行时等值正序（负序）网络图

ZT1ZT2AZ0ABBZ0BCCZ0CDDZT3

图2.5 G1、T1、G2、T2、T3投入运行时等值零序网络图

（3）当G1、T1、T3、T4投入运行时

3

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ZG1ZT1AZ1ABBZ1BCCZ1CDD

图2.6 G1、T1、T3、T4投入运行时等值正序（负序）网络图

ZT1AZ0ABBZ0BCCZ0CDDZT3ZT4

图2.7 G1、T1、T3、T4投入运行时等值零序网络图

B母线： Z1?B?ZG1?ZT1?Z1AB?16??10??20??46?

Z0?B??ZT1?Z0AB?//?Z0T3//Z0T4??(10?40)//(60//60)?18.75? C母线： Z1?C?Z1?B?Z1BC?46??20??66?

Z0?C?Z0?B?Z0BC?18.75??40??58.75?

D母线： Z1?D?Z1?C?Z1CD?66??40??106?

Z0?D?Z0?C?Z0CD?58.75??80??138.75?

（4）当G1、T1、T3投入运行时

ZG1

ZT1AZ1ABBZ1BCCZ1CDD 图2.8 G1、T1、T3投入运行时等值正序（负序）网络图

ZT1AZ0ABBZ0BCCZ0CDDZT3 图2.9 G1、T1、T3投入运行时等值零序网络图

4

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B母线： Z1?B?ZG1?ZT1?Z1AB?16??10??20??46? Z0?B??ZT1?Z0AB?//ZT3?(10?40)//60?27.27? C母线： Z1?C?Z1?B?Z1BC?46??20??66?

Z0?C?Z0?B?Z0BC?27.27??40??67.27?

D母线： Z1?D?Z1?C?Z1CD?66??40??106?

Z0?D?Z0?C?Z0CD?67.27??80??147.27?

二、计算B、C、D母线处发生单相或两相接地短路时出现的最大、最小零序电流 （1）当G1、T1、G2、T2、T3、T4均投入运行时

(1.1)B母线：I0KB?Z1?BEsEs(1)?0.962KA I0??0.790KA KB?2Z0?B2Z1?B?Z0?BEsEs(1)?0.393KA I0??0.405KA KC?2Z0?C2Z1?C?Z0?CEsEs(1)?0.180KA I0??0.205KA KD?2Z0?D2Z1?D?Z0?D(1.1)C母线：I0KC?Z1?C(1.1)D母线：I0KD?Z1?D（2）当G1、T1、G2、T2、T3投入运行时

(1.1)B母线：I0KB?Z1?BEsEs(1)?0.786KA I0??0.724KA KB?2Z0?B2Z1?B?Z0?BEsEs(1)?0.360KA I0??0.387KA KC?2Z0?C2Z1?C?Z0?CEsEs(1)?0.173KA I0??0.200KA KD?2Z0?D2Z1?D?Z0?D(1.1)C母线：I0KC?Z1?C(1.1)D母线：I0KD?Z1?D（3）当G1、T1、T3、T4投入运行时

(1.1)B母线：I0KB?Z1?BEsEs(1)?0.795KA I0??0.599KA KB?2Z0?B2Z1?B?Z0?BEsEs(1)?0.362KA I0??0.348KA KC?2Z0?C2Z1?C?Z0?CEsEs(1)?0.173KA I0??0.189KA KD?2Z0?D2Z1?D?Z0?D(1.1)C母线：I0KC?Z1?C(1.1)D母线：I0KD?Z1?D（4）当G1、T1、T3投入运行时

5

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(1.1)B母线：I0KB?Z1?BEsEs(1)?0.660KA I0??0.557KA KB?2Z0?B2Z1?B?Z0?BEsEs(1)?0.331KA I0??0.333KA KC?2Z0?C2Z1?C?Z0?CEsEs(1)?0.166KA I0??0.185KA KD?2Z0?D2Z1?D?Z0?D(1.1)C母线：I0KC?Z1?C(1.1)D母线：I0KD?Z1?D

2.1.1 零序电流Ι段动作电流的整定

一、保护1零序电流I段

（1） G1、T1、G2、T2、T3、T4运行 ∵ I(1.1)0KB?I(1)0KB 取两相接地短路 I0B?I(1.1)0KB?ZT3ZT4ZT1ZT2?Z0AB?ZT3ZT4?0.385kA

（2） G1、T1、G2、T2、T3运行

(1.1)(1.1)(1)∵ I0KB?I0KB 取两相接地短路 I0B?I0KB?ZT1ZT2ZT3?0.449kA

?Z0AB?ZT3∴ 最大运行方式为：G1、T1、G2、T2、T3运行

??保护1的I段动作电流为：I0KA .op1?Krel?3I0B?1.2?3?0.449?1..6164

二、保护2零序电流I段

（1） G1、T1、G2、T2、T3、T4运行

(1)(1.1)(1)∵ I0kA KC?I0KC 取单相接地短路 I0C?I0KC?0.405 （2） G1、T1、G2、T2、T3运行

(1)(1.1)(1)∵ I0kA KC?I0KC 取单相接地短路 I0C?I0KC?0.387∴ 最大运行方式为：G1、T1、G2、T2、T3、T4运行

??保护2的I段动作电流为：I0KA .op2?Krel?3I0C?1.2?3?0.405?1.458

三、保护3零序电流I段

（1） G1、T1、G2、T2、T3、T4运行

(1)(1.1)(1)∵ I0kA KD?I0KD 取单相接地短路 I0D?I0KD?0.205 （2） G1、T1、G2、T2、T3运行

(1.1)(1)(1)∵ I0kA KD?I0KD 取单相接地短路 I0D?I0KD?0.200

6

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∴ 最大运行方式为：G1、T1、G2、T2、T3、T4运行

??保护3的I段动作电流为：I0KA .op3?Krel?3I0D?1.2?3?0.205?0.7382.1.2 灵敏度校验

一、保护1的最小保护范围计算 设k1?ZAK1ZAB （0?k1?1）， 则Z1AK1?20k1,Z0AK1?40k1,Z0K1B?40?40k1,

(1)G1、T1、T3、T4运行

Z1?K1?ZG1?ZT1?Z1AK1?30?20k1Z0?K1?(ZT1?Z0AK1)(Z0K1B?ZT3ZT4)?(1?4k1)(70?40k1)/8

(1.1)(1)?Z1?K1?Z0?K1?I0KB?I0KB 取单相接地短路

(1)I0KB?Es115/3?

2Z1?K1?Z0?K12?(30?20k1)?(1?4k1)(70?40k1)/8(1)0KBI0k1?I?Z0K1B?ZT3ZT4ZT1?Z0AB?ZT3ZT4?7?4k1115/3?8?20k1?70k1?68.75

??3I0K1?I0KA.OP1?1.5084得，k1?33.7%?15% 满足灵敏度要求

(2)G1、T1、T3运行

Z1?K1?ZG1?ZT1?Z1AK1?30?20k1 Z0?K1?(ZT1?Z0AK1)(Z0K1B?ZT3)?(1?4k1)(100?40k1)/11(1.1)(1)?Z1?K1?Z0?K1?I0KB?I0KB 取单相接地短路

(1)I0KB?Es115/3?

2Z1?K1?Z0?K12?(30?20k1)?(1?4k1)(100?40k1)/11(1)0KBI0K1?I?Z0K1B?ZT3ZT1?Z0AB?ZT3?10?4k1115/3?112?(30?20k1)?(1?4k1)(100?40k1)/11

??3I0K1?I0KA.op1?1.5084得，k1?40.37%?15% 满足灵敏度要求

∴ 根据①、②，最小运行方式为：G1、T1、T3、T4运行 保护1的I段最小可以保护线路AB全长的33.7%

二、保护2的最小保护范围计算

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设k2?ZBK2ZBC （0?k2?1）， 则Z1BK2?20k2,Z0BK2?40k2

（1）G1、T1、T3、T4运行

Z1?K2?ZG1?ZT1?Z1AB?Z1BK2?50?20k2 Z0?K2?(ZT1?Z0AB)(ZT3ZT4)?Z0BK2?18.75?40k2(1.1)(1)?Z1?K2?Z0?K2?I0KC?I0KC 取单相接地短路

(1)I0K2?I0KC?Es115/3?

2Z1?K2?Z0?K22?(50?20k2)?18.75?40k2??3I0K2?I0KA 得，k2?26.66%?15% 满足灵敏度要求 .op2?1.422（2）G1、T1、T3运行

Z1?K2?ZG1?ZT1?Z1AK2?50?20k2

Z0?K2?(ZT1?Z0AB)ZT3?Z0BK2?27.27?40k2(1.1)(1)?Z1?K2?Z0?K2?I0KC?I0KC 取单相接地短路

(1)I0K2?I0KC?Es115/3?

2Z1?K2?Z0?K22?(50?20K2)?27.27?40K2??3I0K2?I0KA 得，k1?16%?15% 满足灵敏度要求 .op2?1.422∴ 根据①、②，最小运行方式为：G1、T1、T3运行 保护2的I段最小可以保护线路BC全长的16%

三、保护3的最小保护范围计算

设k3?ZCK3ZCD （0?k3?1）， 则Z1CK3?40k3,Z0CK3?80k3

（1）G1、T1、T3、T4运行

Z1?K3?ZG1?ZT1?Z1AB?Z1BC?Z1CK3?70?40k3

Z0?K3?(ZT1?Z0AB)(ZT3ZT4)?Z0BC?Z0CK3?58.75?80k3(1.1)(1)若Z1?K3?Z0?k3 ,则I0KD?I0KD取单相接地短路

(1)I0K3?I0KD?Es115/3?

2Z1?K3?Z0?K32?(70?40k3)?58.75?80k3??3I0K3?I0KA 得，k3?46.97%?15% 满足灵敏度要求 .op3?0.7272

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此时，Z1?K3?88.788?,Z0?K3?96.326?，与Z1?K3?Z0?K3矛盾

(1.1)(1)所以，Z1?K3?Z0?K3，I0KD?I0KD，取两相接地短路

(1.1)I0K3?I0KD?Z1?K3Es115/3?

?2Z0?K370?40k3?2?(58.75?80k3)??3I0K3?I0KA .op3?0.7272得，k3?43.20%?15% 满足灵敏度要求 （2）G1、T1、T3运行

Z1?K3?ZG1?ZT1?Z1AB?Z1BC?Z1CK3?70?40k3Z0?K3?(ZT1?Z0AB)ZT3?Z0BC?Z0CK3?67.27?80k3

(1.1)(1)若Z1?K3?Z0?k3 ,则I0KD?I0KD取单相接地短路

(1)I0K3?I0KD?Es115/3?

2Z1?K3?Z0?K32?(70?40k3)?67.27?80k3??3I0K3?I0KA 得，k3?41.65%?15% 满足灵敏度要求 .op3?0.7272此时，Z1?K3?86.66?,Z0?K3?100.59?，与Z1?K3?Z0?K3矛盾

(1.1)(1)所以，Z1?K3?Z0?K3，I0KD?I0KD，取两相接地短路

(1.1)I0K3?I0KD?Z1?K3Es115/3?

?2Z0?K370?40k3?2?(67.27?80k3)??3I0K3?I0KA 得，k3?34.68%?15% 满足灵敏度要求 .op3?0.7272∴ 根据（1）、（2），最小运行方式为：G1、T1、T3运行 保护3的I段最小可以保护线路CD全长的34.68%

2.1.3 动作时间的整定

因为零序电流I段是无时限零序电流保护，不必加延时元件， 所以其整定的动作延时为0

III即，保护1、2、3的动作时间：top1?top2?top3?0s

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2.2 零序电流Ⅱ段整定计算

保护1的Ⅱ段与保护2的I段配合

IIIIII0.op1?Krel?I0.op2/kbmin1，保护1的分支系数kbmin1?I0BC75??2.5 I0AB30II I0KA .op1?1.1?1.422/2.5?0.626灵敏度校验：最小运行方式为G1、T1、T3、T4运行 流过保护1的最小零序电流 I0min?IIIKsen1?(1)0KB?ZT3ZT4ZT1?Z0AB?ZT3ZT4?0.2096KA

3I0min3?0.2096??1.005?1.3 不满足灵敏度要求

0.626I0II.op1所以，保护1的Ⅱ段与保护2的Ⅱ段配合

IIIIIII0?K?I.op1rel0.op2/kbmin1，保护2的分支系数kbmin2?1 IIIIII0.op2?Krel?I0.op3/kbmin2?1.1?0.7272/1?0.80KA

II I0KA .op1?1.1?0.80/2.5?0.352IIKsen1?3I0min3?0.2096??1.79?1.3 满足灵敏度要求

0.352I0II.op1II所以，保护1的Ⅱ段动作电流：I0KA .op1?0.352保护1的Ⅱ段动作时间与保护2的Ⅱ段动作时间配合：

IIIIItop?t??t?t1op2op3??t??t?0?0.5?0.5?1.0s

2.3零序电流Ⅲ段整定计算

保护1的Ⅲ段与保护2的Ⅱ段配合

IIIIIIIII0KA .op1?Krel?I0.op2/kbmin1?1.1?0.80/2.5?0.352灵敏度校验：最小运行方式为G1、T1、T3、T4运行

III 作为近后备：Ksen1?3I0Bmin3?0.2096??1.79?1.3 满足灵敏度要求 III0.352I0.op13I0Cmin3?0.320??2.73?1.2 满足灵敏度要求 III0.352I0.op110

III 作为远后备：Ksen1?

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已知母线D零序过电流保护动作时限为0.5s

所以保护1的Ⅲ段零序电流保护的动作时间与保护2的Ⅱ段动作时间配合：

IIIIIIItop1?top2??t?top3??t??t?0.5?0.5?0.5?1.5s

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第3章 硬件电路设计

3.1 CPU最小系统图

本设计中的89C51的最小系统包括89C51单片机，6264可编程I/O接口，晶振电路，按键复位电路。

CPU最小系统图如图3.1 VCCRD S1SW-PBNetLabel49NetLabel5 C1C3C510uFWRP2.7P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0171628252423222132333435363738391817141387431D7D6D5D4D3D2D1D0OEQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0G19161512965211222720223212425345678910OEWECE1A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0VCCCE2GND282614989C5174373D3 300PF 300PF

NetLabel48C2Y11819XTAL2XTAL13031VCC12MHz20ALEGNDEA18171615141312116264R410KP0.7RSTP0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0I/O7I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O0 图3.1 CPU最小系统图

NetLab3.2 110KV输电线路零序保护的硬件

保护的硬件构成由四部分组成：①数据采集系统（或称模拟量输入系统）：数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模拟转换，其功能为完成将模拟输入量准确转换为所需的数字量。②主系统：处理器（CPU）、只读存储器（ROM）或闪存内存单元（FLASH）、随机存取储存器（RAM）、定时器、并行以及串行接口等。

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其功能为执行编制好的程序，以完成各种继电保护测量、逻辑和控制功能。③开关量（数字量）输入/输出系统，并行接口（PIA或PIO）、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成，其功能为完成各种保护的出口跳闸、信号、外部接点输入及人机对话及通信等功能。④电源模块：其功能为保护装置提供工作电压。一般常采用开关稳压电源或DC/DC电源模块。其提供数字系统5、24、+15、-15V电源。其构成图3.2所示： 电压形成 LPF S/H 串行接口 光电隔离 通信 模拟量输入 电压形成 多路转换开关CPU A/D FLASH 人机对话 RAM 开关输入 LPF S/H 并行接口 定时器 光电隔离出口电路 数据采集系统 微机系统 输入\\输出系统 图3.2 硬件机构图

3.3 数据采集系统

数据采集系统（模拟量输入系统）主要包括电压形成、模拟滤波、采样保持（S/H）、多路转换（MPX）以及模数转换（A/D），其功能为完成将模拟输入量准确地转换为所需的数字量，如图3.3所示：

模拟信号输入 电压 形成 前置低通滤波 采样保持 多路转换器 A/D转换 图3.3数据采集系统

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3.3.1电压形成回路

本文研究的110KV输电线路零序电流保护装置将由二次电流互感器转换来的电流信号通过如图3.4所示的电路转换为mA级的电流信号；将由二次电压互感器转换来的电压信号（100V）通过如图3.5所示的电路也转换为可供模数转换部分时用的电压，这样做的优点是可以使得元件小型化。再讲mA级的电流信号经过如图3.3所示的电路，进行放大处理转换为电压信号，作为A/D转换的输入信号。

图3.4电压输入信号

变换电压的计算公式：

U2?RLH?I2?RLH?i1

n

图3.5电压信号输入

3.3.2 采样保持和模拟低通滤波

采样保持电路，又称S/H电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟一数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。利用采样保持电路后，可以方便地进行多个模拟量实现同时采样。

采样频率是指采样周期的倒数，对保护系统而言，在故障刚发生时，电压、电流信号中可能含有较高的频率分量（如2KHz以上），为防止混淆，频率将不得不用的很高，

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进而对硬件速度提出过高的要求。实际上，目前大多数的保护反应的是工频量，在这种情况下，可以采用一个前置的低通滤波器将高频分量滤掉，这样就可以降低频率，从而降低对硬件提出的要求，对频率高于二分之一的可以用简单的低通滤波器（如图3.6所示）来滤除高频分量，而对于小于二分之一频率的分量可以用数字滤波器来滤除。

图3.6低通滤波器

3.3.3 多路转换开关和模数转换

对反应俩个电气量以上的继电保护装置，都要求对各个模拟量同时采样，以准确地获得各个量之间的相位关系，因而要对每个模拟输入量设置一套电压形成、抗混淆低通滤波器采样保持电路。所有采样保持器的逻辑输入端并联后，由定时器同时供给采样脉冲，但由于模数转换器价格相对较贵，通常不是每个模拟量输入通道设一个A/D转换成数字量输入给装置。而是公用一个，中间是通过转换开关MPX切换，轮流由公用的A/D转换成数字量后输入给装置。

模拟量1 电压形成 LPF S/H 多路转换开关 A/D CPU 模拟量n 电压形成 LPF S/H 采样脉冲

图3.7多路转换开关

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模数转换是微机保护的重要元器件，要理解它的工作原理需先了解数模转换器的原理。数字量是用代码按数位的组合起来表示的，每一位代码都有一定的权，即代表一个具体数值。因此，为了将数字量转换成模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，即可得到与被转换数字量相当的模拟量，完成了数模转换。如图3.8为一个4位数模转换器的原理图，更多位数的情况与此类似。

图3.8 4位数模转换器原理

?输出电压为：U0?UrRf

R?D可见，输出模拟电压正比于控制输入的数字量D。

对一般的A/D转换器来说，如果输入电压超过所允许的最大值，就会出现平顶波，这种现象叫溢出，出现小部分平顶波溢出的危害并不是特别严重，因为在装置得到采样值后，还可以经过数字滤波器来对平顶波进行修正，基波相位可以做到基本不受影响，对电流保护和阻抗保护的影响较小。但是，应当指出：不应出现输入量超出允许值时出现零值的现象，这种现象对保护的危害是致命的。如果电流信号出现这种溢出情况，则出口短路可能会被计算成区外短路，导致拒动。避免这种溢出现象的常用方法有：1，采用类似于逐次逼近方式的A/D转换器；2，在A/D转换器之前采用预先措施；3，调整模拟量回路的增益。

3.4开关量输入输出系统

3.4.1开关量输入输出模块

开关量输入输出模块包括开关量输入回路和开关量输出回路，是微型机保护装置的重要组成部分，是连接外部强电和内部弱电的主要通道，其核心是状态信号的隔离输入回路和动作信号的隔离输出回路，主要完成外部开关量引入装置进行处理和将装置内发出的开关信号引出到继电器插件，从而驱动相应的继电器跳闸或告警，达到保护的功能。下面分别介绍开关量输入回路和输出回路的设计。

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3.4.2开关量输入部分

在微型机线路保护装置中，通常需要采集断路器状态、隔离开关状态和外部分、合闸等状态信息，这些状态量的采集都是以光电隔离方式输入的，采用光电隔离的主要优点是：输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力很强；无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高；响应速度快，易与逻辑电平配合使用。

需要采集的输入开关量共8路，分为两组，一组为4路220V开关量输入，另一组为4路24V开关量输入。图3.9 所示开关量通过光电隔离输入电路图。其工作原理是：当外部接点接通时，光电隔离的二极管导通，光电隔离的三极管也导通，其集电极输出低电位；当外部接点断开时，光电隔离的二极管不导通，于是三极管截止，集电极输出高电位，软件读并行口该位的状态，即可知道外部接点的状态。图中二极管起保护作用，用于防止开关量输入回路电源极性接反时将光电耦合器中的发光二极管反向击穿，另一方面二极管还能够加速继电器的返回。电容为抗干扰电容。这样，开关量经过光电耦合器后直接与保护DSP相应的通用I／O口相连，光敏三极管的导通和截止完全反映外部接点的状态，带有电磁干扰的外部输入回路与微型机电路之间没有直接电的联系，各种干扰信号不能进入微型机电路部分，从而达到抗干扰的目的。

图3.9开关量经光耦输入电路

图3.10 是开关量输入电路的部分电路图(只画出220V的一路输入)。在整体电路中，上面4路为220V开关量输入电路，并配有两路220V开关量监视电路；下面4路为24V开关量输入电路，配有两路24V开关量监视电路。监视电路能够实现8路开关量输入信号的开启与停止，从而达到省电目的；同时，配备有自检回路，通过4路开关量监视回路，可以实现8路开关量输入通道的自检功能。

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图3.10开关量输入回路(以220V的一路输入量为例)

图3.10 的原理为：6JA21为220V开关量控制1端口。当该端口输入为“1\时，光电隔离器PTl中发光二极管发光，三极管导通，表现为低电平，可正确对220V开关量输入信号进行采集；当6JA21控制端口输入为“O”时，光电隔离器PT3中发光二极管不导通，同时三极管截止，表现为高阻状态，此时无法采集相应的开关量。这样，就可以将装置的电源停掉，实现省电功能。自检测功能：220V开关量控制2端口6JB21输入为“1”时，光电隔离器PT2中的发光二极管导通发光，三极管导通，220V正电源经导通的三极管，二极管D3进入开关量采集电路中，通过查询开关量输入口6JBl8的状态，用以判断开关量采集电路是否工作正常。

3.4.3开关量输出部分

相对于开关量输入，开关量输出回路具有更加重要的地位。因为在微型机保护装置中，所有的保护功能最终是通过开关量输出部分来控制继电器动作，驱动断路器跳闸或发出告警信号。如下图为一简单的输出接线图。

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图3.11装置开关量输出回路接线图

但是，由于开关量输出信号的正确与否关系到整个继电保护装置的可靠性，因此，开关量输出回路必须加上监视回路来监视开关量的状态。开关量输出部分主要包括跳闸出口、重合闸出口以及各种信号出口等。开关量输出部分是对断路器实现控制的出口通道，DPS2812M的I／O口输出的是3．3V的低电压微电流信号，不足以直接驱动断路器实现各种操作。因此，开关量输出回路需要将CPU输出的小信号放大为大功率信号，从而驱动断路器。另外，为了防止断路器操作过程中产生的瞬时脉冲对微型机保护装置的反馈干扰，还必须对出口通道进行隔离。通过采用光电耦合器与继电器相结合的方法来实现出口信号的隔离与放大。为了提高开关量输出回路的可靠性，在数字输出和继电器之间选用了光电耦合器，提高了抗干扰能力。另外，任何一路的输出均由两个信号通过与非门产生的控制信号所控制，这样就可以有效地抑制干扰产生的误动，可也以在装置出现故障的时候有效地实现闭锁。输出量光耦电路如图3.12所示。

图3.12 输出量光耦电路(只画出一路）

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4.4.3零序方向电流保护

零序电流方向保护是反应线路发生接地故障时零序电流分量大小和方向的多段式电流方向保护装置，在我国大短路电流接地系统不同电压等级电力网的线路上，根据部颁规程规定，都装设了这种接地保护装置作为基本保护。 电力系统事故统计材料表明，大电流接地系统电力网中线路接地故障占线路全部故障的80％一90％，零序电流方向接地保护的正确动作率约97％，是高压线路保护中正确动作率最高的一种。零序电流方向保护具有原理简单、动作可靠、设备投资小、运行维护方便、正确动作率高等一系列优点。

当保护方向上有中性点接地变压器时，无论被保护线路对侧有无电源，保护反方向发生接地故障，就有零序电流通过本保护，因此，当零序电流I段不能躲过反向接地流过本保护的最大零序电流，或零序过电流保护时限不配合时，应配置零序方向元件以保证保的选择性。

零序方向元件十分灵敏，3U电压应躲过不平衡电压的影响，否则不能保证判别接地故障方向的正确性。为此，零序方向元件只有在3U值达一定值时才投入工作，一般取值为2-3V。

电压互感器二次回路断线时（零序方向元件取用自产零序电压），零序方向元件工作的正确性得不到保证，此时零序方向元件自动退出工作，零序方向电流保护变为零序电流保护。在电压互感器二次回路断线期间，可自动投入两段相电流元件。

由于零序电流保护反映的是接地故障，不反映相间短路故障，因此不论零序电压取用母线侧电压互感器还是线路侧电压互感器，当三相合闸（自动重合和手动合）于出口接地故障时，零序方向元件可灵敏动作而没有死区，所以零序电流加速段经零序方向元件控制。零序电流加速段独立设置，定值和延时可独立整定。当然，本线末端接地故障时，加速段的灵敏度应满足要求；与零序电流速断相同，为躲过断路器三相触头不同时接通产生的零序电流，加速段的时限取100ms或200ms。

此外，为防止合闸于空载变压器时励磁涌流引起零序后加速误动，零序加速段可以由控制字选择是否需要投入二次谐波闭锁，二次谐波的制动比选为18%。

接地时零序分量的特点：

①故障点的零序电压最高，离故障点越远处的零序电压越低，中性点接地变压器处零序电压为零。 ②零序电流的分布，主要决定于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。

③在电力系统运行方式变化时，如果输电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。但电力系统正序阻抗和负序阻抗要随着系统运行方式而变化，将间接影响零序分量的大小。

④对于发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。

4.4.4重合闸及后加速

自动重合闸装置是将因故跳开后的断路器按需要自动再投入的一种自动装置。电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是瞬时性的，而永久性故障一般不到10%。因此，在由继电保护动作切除短路故障之后，电弧将自动熄灭，绝大多数情

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况下短路处的绝缘可以自动恢复。因此，自动将断路器重合，不仅提高了供电的可靠性，减少停电损失，而且还提高了电力系统的暂态稳定水平，增大了高压线路的送电容量。

根据国标对于 110kV 线路，采用三相一次重合闸。重合闸可以通过整定灵活选择检无压、检同期、不检方式进行重合。不检方式在跳闸固定后，到达重合时间时直接重合；选择检无压方式时，如果满足无压条件到达重合时间则重合，若不满足无压条件则自动转为检同期。

装置设有两个启动重合闸回路：保护启动以及断路器位置不对应启动。保护启动是指根据三相跳闸启动重合闸；断路器位置不对应启动是指利用跳闸位置继电器启动重合闸，主要是为了防止开关偷跳。满足下列任一条件，按不对应启动重合闸处理：

①若有不对应启动重合闸信号输入。

②若保护原在合位，现变成跳位，又无闭锁重合闸信号，则按不对应启动重合闸进行重合。不对应启动重合闸与保护跳闸的配合：保护发跳令后，闭锁不对应启动重合闸。保护装置还具有后加速功能，保证手合或者重合于永久故障能够快速切除，加速跳闸一律实现三跳并闭锁重合闸。加速方式可灵活的选择，可以选择瞬时加速零序电流Ⅱ段、零序电流Ⅲ段以及是否经振荡闭锁，也可以选择零序过流加速、相过流加速。另外保护装置能自动识别线路由停运状态转为运行状态，不依靠手合开入自动开放手合加速。后加速保护重合闸或手合后投入100ms，满足加速条件时出口永跳，100ms 以后进入正常的保护。为了防止多次重合，重合闸只有在重合闸充电满的条件下才允许重合闸，重合闸的充电时间一般为15s；发出重合闸命令后重合闸放电。

4.5微机保护的算法

定义：微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法。

目前已经提出的算法有很多种。分析和设计各种不同的算法的优劣的标准是精度和速度。速度又包含两个方面：一是算法所要求的采样点数（或称数据窗长度）；而是算法的运算工作量。但是精度和速度又是矛盾的。若要计算精确，则往往要利用更多的采样点和进行更多的计算工作量。所以研究算法的是指是如何在速度和精度两个方面进行权衡。

4.5.1输入为正弦量的算法

即输入为：

i?nTs??两点乘积算法：

2Isin??nTs??0I?

两个采样值为： s 和 n 2 T s 。 i1 和 i2 ，采样时刻：n 1T???n2Ts?n1Ts??2

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式（4.1）

???i2?i?n2Ts??2Isin??n1Ts??0I??2??????2Isin??1I???2Icos?1I2??

式（4.2）

由公式4.1与4.2可

推导得：

2i12?i2 222I?2I?i1?i2 式（4.3） 2 i得：

1i1tg?1I? ??arctg 1Ii2i2 同理

2 2u12?u22U2?u12?u2U? 式（4.4） 2 得： u1??arctgu1u tg?1u?1u2u24.4）得 由（4.3）与（ 式（4.5） 22Uu1?u2Z?? 2Ii12?i2 式（4.6） ?1?u1??1?i1??z??1U??1I?tg??u???tg??i??

?????2??2?4.5.2突变量电流算法

基本原理：线性系统的叠加原理。对于系统结构不发生变化的线性系统，利用叠加定理可以进行分解原理如下图。

im(t)?故障后的测量电流im(t)RK 图4.3 故障系统测量电路

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图4.4 故障系统分解电路

故障分量电流： 式（4.7） ik(t)?im(t)?iL(t)正常运行的负荷电流是周期信号，有： iL(t)?iL(t?T)式（4.8） 式4.7代入4.8得： ik(t)?im(t)?iL(t?T) 又有： iL(t?T)?im(t?T)

可推出： 式（4.9） ik(t)?im(t)?im(t?T)

微机保护的采样值计算公式为： 式（4.10） ?i?i?ikkk?NRRiL(t)ik(t)Kuk(t)iL(t)?负荷电流(a)正常运行状态ik(t)＝故障电流分量(b)短路附加状态故障分量电流的特点：

（1）系统正常运行时，计算出来的值等于0；

（2）当系统刚发生故障的一周内，求出的是纯故障分量； （3）突变量电流算法受频率偏移的影响。

为减少频率浮动的影响，可得：

式（4.11） ?i?i?i?i?ikkk?Nk?Nk?2N4.5.3选相方法

突变量电流法选相：

依据：根据不同故障时，各相突变量电流特征的不同来判别故障相别。 （1）.单相接地故障（AN）：两个非故障相电流可能与故障相电流相位相差180?。

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图4.5 单相接地向量图

（2）.两相不接地短路（BC）：图如下图所示，非故障相电流为0，故障相电流之差最大。

图4.6 两相短路相量图

（3）两相接地短路：图如下所示，三种不同相电流之差中，两相电流之差最大。

图4.7 两相接地短路相量图

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