单片机实现的电力系统零序电流保护

精选优质文档-倾情为你奉上单片机实现的电力系统零序电流保护摘 要电力系统继电保护是保证电力系统安全稳定运行、限制电力系统大面积停电事故最基本和最有效的技术手段。根据接地短路时零序电流大小变化作为故障特征量，变压器接地方式、非全相运行、单相自动重合闸等因素对零序电流保护的运行产生重要的影响，必要时需要采取相应闭锁装置。零序电流保护属于小接地电流系统的保护方式，它利用系统发生故障时零序电流比正常运行时大的特点，来实现有选择性地发出信号或瞬时切断主回路电源, 避免事故的发生。零序电流可以通过对称分量法求得，实际应用时可用电流互感器测得所需分量。本文结合零序电流和单片机的各自优点，阐述和论证电力系统零序电流保护原理以及基于单片机的实现。关键词：继电保护；零序电流；单片机；对称分量法AbstractPower system relay protection is to guarantee the safe and stable operation of power system and it is also the most basic and the most effective technological way to restrictions on a large scale power blackoutsAccording to ground short circuit，Transformer grounding method the size changed of the zero sequence current as fault characteristics, transformer grounding method. The open-phase operation and single-phase automatic reclosing such as zero-sequence current protection of the operation have a major impact. When its necessary, we need to adopt corresponding locking device.Zero-sequence current protection is the protection of the small ground current system. It uses the characteristic of zero sequence current of the failure system bigger than normal operation. To achieve selective transient signal or cut off the main circuit power supply, in order to avoid accidents. Zero sequence current can be obtained by symmetrical component method，it can be measured by the current transformer in practical applications.In this paper, combined with the advantages of the zero-sequence current and microcontroller ,this design focuses on explain and demonstrate the power system zero-sequence current protection principles and single chip microcomputer-based realization method.Keywords：Relay protection, zero-sequence current, single-chip microcomputer, Symmetrical components method.目 录 专心-专注-专业第1章 绪论1.1引言零序电流保护由于其自身固有的优点，受到很大的关注，在微机继电保护的时代趋势下，对于零序电流保护微机化的研究和论证已经显得十分必要。在中性点直接接地的电网中，接地故障占故障总次数的绝大多数，一般在60%以上。线路的电压等级愈高，所占的百分比愈大。母线故障、变压器差动保护范围内高压配电装置故障的情况也类似，一般也约占70%到80%。明显可见，接地保护是高压电网中最重要的一种保护。因此合理配置与正确使用零序保护装置，是保障电网安全运行地重要条件。1.2 课题的研究背景和意义继电保护指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试等技术，也包括由获取电量信息的电压、电流互感器二次回路，经过继电保护装置到断路器跳闸线圈的一整套具体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。电力系统运行中常会出现故障和一些异常运行状态，而这些现象会发展成事故，使整个系统或其中一部分不能正常工作，从而造成对用户少送电、停止送电或电能质量降到不能容许的地步，甚至造成设备损坏和人员伤亡。而电力系统各元件之间是通过电或磁建立的联系，任何一元件发生故障时，都可能立即在不同程度上影响到系统的正常运行。因此，切除故障元件的时间常常要求短到1/10s甚至更短。而这个任务靠人完成是不可能的，所以要有一套自动装置来执行这一任务。继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围（这是首要任务），还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，实现微机保护装置的网络化。这样，继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确，大大的提高了继电保护的保护性能和可靠性。随着自动化技术的发展，电力系统在正常运行、故障期间以及故障后的恢复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。这些控制操作的技术与装备大致可以分为二大类：其一是为了保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术和装备，主要进行电能生产过程的连续自动调节，动作速度相对迟缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中的一部分作为调节对象，这就是通常理解的“电力系统自动化（控制）”；其二是当电网或电气设备发生故障，出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与装备，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理解的“电力系统继电保护与安全自动装置”。在大电流接地系统（中性点直接接地）中，发生单相接地故障时，接地短路电流很大，就有零序电流、零序电压和零序功率出现，利用这些电量构成保护接地短路的继电保护装置，统称为零序保护。三相星形接线的过电流保护虽然也能保护接地短路，但其灵敏度较低，保护时限较长。采用时序保护就可以克服这些不足。第2章. 电力系统继电保护2.1电力系统2.1.1 电力系统简介由发电、变电、输电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置（主要包括锅炉、汽轮机、发电机及电厂辅助生产系统等）转化成电能，再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心，通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量，为地区经济和人民生活服务。由于电源点与负荷中心多数处于不同地区，也无法大量储存，故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成。并在同一地域内有机地组成一个整体，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就制约了电力系统的结构和运行。据此，电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，确保用户获得安全、经济、优质的电能。图2-1 电力系统的组成建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统建设往往是国家及地区国民经济发展规划的重要组成部分。电力系统的出现，使用高效、无污染、使用方便、易于调控的电能得到广泛应用，推动了社会生产各个领域的变化，开创了电力时代，发生了第二次技术革命。电力系统的规模和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。2.1.2 电力系统的组成电力系统的主体结构有电源、电力网络和负荷中心。电源指各类发电厂、站，它将一次能源转换成电能；电力网络由电源的升压变电所、输电线路、负荷中心变电所、配电线路等构成。它的功能是将电源发出的电能升压到一定等级后输送到负荷中心变电所，再降压至一定等级后，经配电线路与用户相联。电力系统中网络结点千百个交织密布，有功潮流、无功潮流、高次谐波、负序电流等以光速在全系统范围传播。它既能输送大量电能，创造巨大财富，也能在瞬间造成重大的灾难性事故。为保证系统安全、稳定、经济地运行，必须在不同层次上依不同要求配置各类自动控制装置与通信系统，组成信息与控制子系统。它成为实现电力系统信息传递的神经网络，使电力系统具有可观测性与可控性，从而保证电能生产与消费过程的正常进行以及事故状态下的紧急处理。系统的运行指组成系统的所有环节都处于执行其功能的状态。系统运行中，由于电力负荷的随机变化以及外界的各种干扰（如雷击等）会影响电力系统的稳定，导致系统电压与频率的波动，从而影响系统电能的质量，严重时会造成电压崩溃或频率崩溃。系统运行分为正常运行状态与异常运行状态。其中，正常状态又分为安全状态和警戒状态；异常状态又分为紧急状态和恢复状态。电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移。各种运行状态之间的转移需通过不同控制手段来实现。电力系统在保证电能质量、实现安全可靠供电的前提下，还应实现经济运行，即努力调整负荷曲线，提高设备利用率，合理利用各种动力资源，降低燃料消耗、厂用电和电力网络的损耗，以取得最佳经济效益。电力系统的主体结构有电源（水电站、火电厂、核电站等发电厂），变电所（升压变电所、负荷中心变电所等），输电、配电线路和负荷中心。各电源点还互相联接以实现不同地区之间的电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成。电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。根据电力系统中装机容量与用电负荷的大小，以及电源点与负荷中心的相对位置，电力系统常采用不同电压等级输电（如高压输电或超高压输电），以求得最佳的技术经济效益。根据电流的特征，电力系统的输电方式还分为交流输电和直流输电。交流输电应用最广。直流输电是将交流发电机发出的电能经过整流后采用直流电传输。由于自然资源分布与经济发展水平等条件限制，电源点与负荷中心多处于不同地区。由于电能目前还无法大量储存，输电过程本质上又是以光速进行，电能生产必须时刻保持与消费平衡。因此，电能的集中开发与分散使用，以及电能的连续供应与负荷的随机变化，就成为制约电力系统结构和运行的根本特点。电力系统继电保护。2.2 继电保护2.2.1 电力系统发展简史继电保护是随着电力系统的发展而发展起来的。20世纪初随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统的保护，这时期是继电保护的开端。最早的是熔断器。从20世纪50年代到90年代末，在40余年的时间里，继电保护完成了发展的4个阶段，即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。随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，人工智能技术如人工神经网络、遗传算法、进化规模、模糊逻辑等相继在继电保护领域的研究应用，继电保护技术向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展。在19世纪里，作为最早的继电保护装置熔断器已开始应用。电力系统的发展，电网结构日趋复杂，短路容量不断增大，到20世纪初期产生了作用于断路器的电磁型继电保护装置。虽然在1928年电子器件已开始被应用于保护装置，但电子型静态继电器的大量推广和生产，只是在50年代晶体管和其他固态元器件迅速发展之后才得以实现。静态继电器有较高的灵敏度和动作速度、维护简单、寿命长、体积小、消耗功率小等优点，但较易受环境温度和外界干扰的影响。1965年出现了应用计算机的数字式继电保护。技术的飞速发展,微处理机和微型计算机的普遍应用,极大地推动了数字式继电保护技术的开发，目前微机数字保护正处于日新月异的研究试验阶段，并已有少量装置正式运行。2.2.2 研究现状随着电力系统容量日益增大，范围越来越广，仅设置系统各元件的继电保护装置，远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统全局出发，研究故障元件被相应继电保护装置的动作切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复其正常运行等。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减到最短。此外，机、炉、电任一部分的故障均影响电能的安全生产，特别是大机组和大电力系统的相互影响和协调正成为电能安全生产的重大课题。因此，系统的继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉等设备的承变能力，机炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护，还应研究、推广故障预测技术。2.2.3 继电保护的基本原理要完成电力系统继电保护的任务，首先必须“区分”电力系统的正常、不正常工作和故障三种运行状态，“甄别”出发生故障和出现异常的元件。而要进行“区分和甄别”，必须寻找电力元件在这三种运行状态下的可测参数（继电保护主要测电气量）的“差异”，提取和利用这些可测参数的“差异”，实现对正常、不正常工作和故障元件的快速“区分”。依据可测电气量的不同差异，可以构成不同原理的继电保护。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压和电流的比值即“测量阻抗”等。发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。对于我国常用的110kV及以下单侧电源供电网络（如图2.2和图2.3所示），在正常运行时，每条线路上都流过由它供电的负荷电流,越靠近电源端，负荷电流越大。如果在线路B-C上发生三相短路，从电源到短路点之间将流过很大的短路电流。利用流过被保护元件中电流幅值的增大，可以构成过电流保护。图2.2 正常运行情况下的单侧电源供电网络接线图2.3 三相短路情况下的单侧电源供电网络接线正常运行时，各变电所母线上的电压一般都在额定电压的范围内变化，且靠近电源端母线上的电压略高。短路后，各变电所母线电压有不同程度的降低，离短路点越近，电压降得越低，短路点的相间或对地电压降低到零。利用短路时电压幅值的降低，可以构成低电压保护。同样，在正常运行时，线路始端的电压与电流之比反映的是该线路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角（功率因数角）其数值一般较大，阻抗角较小。短路后，线路始端的电压与电流之比反映的是该测量点到短路点之间线路段的阻抗，其值较小，如不考虑分布电容时一般正比于该线路段的距离（长度），阻抗角为线路阻抗角，较大。利用测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离（低阻抗）保护。 如果发生的不是三相对称短路，而是不对称短路，则在供电网络中会出现某些不对称分量，如负序或零序电压和电流等，并且其幅值较大。而在正常运行时系统对称，负序和零序分量不会出现。利用这些序分量构成的保护，一般都具有良好的选择性和灵敏性，获得了广泛的应用。2.2.4 继电保护的组成图2-4 继电保护装置的原理结构图1.测量部分测量部分是测量通过被保护的电气元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”“非”性质的一组逻辑信号，从而判断保护装置是否应该启动。2.逻辑部分逻辑部分使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是应该使断路器跳闸、发出信号或是否动作及是否延时等，并将对应的指令传给执行输出部分。3.执行部分执行部分根据逻辑传过来的指令，最后完成保护装置所承担的任务。如在故障时动作于跳闸，不正常运行时发出信号，而在正常运行时不动作等。2.2.5 对电力系统继电保护的基本要求继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。1）选择性选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。2）速动性速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。一般必须快速切除的故障有:(1) 使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值(一般为0.7倍额定电压)。(2) 大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。(3) 中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。(4) 可能危及人身安全、对通信系统或铁路信号造成强烈干扰的故障。故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为0.04（s）0.08s，最快的可达0.01s0.04s，一般断路器的跳闸时间为0.06s0.15s，最快的可达0.02s0.06s。对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。3）灵敏性灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。4）可靠性可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。2.2.6 发展趋势微机保护经过近20年的应用、研究和发展，已经在电力系统中取得了巨大的成功，并积累了丰富的运行经验，产生了显著的经济效益，大大提高了电力系统运行管理水平。近年来，随着计算机技术的飞速发展以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，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-体化发展。第3章 电力系统零序电流保护3.1 电力系统零序电流3.1.1 零序电流简介在电路中，的相量和等于零，即如果在三相四线中接入一个电流互感器，这时感应电流为零。当电路中发生触电或漏电故障时，回路中有漏电电流流过，这时穿过互感器的三相电流相量和不等零，其相量和为： 这样互感器二次线圈中就有一个感应电压，此电压加于检测部分的电子放大电路，与装置预定动作电流值相比较，如大于动作电流，即使灵敏继电器动作，作用于执行元件跳闸。这里所接的互感器称为，三相电流的相量和不等于零，所产生的电流即为零序电流。3.1.2 零序电流产生原因1、无论是纵向故障、还是横向故障、还是正常时和异常时的不对称，都有零序电压的产生；2、零序电流有通路。以上两个条件缺一不可。因为缺少第一个，就无来源。缺少第二个，就是我们通常讨论的“有电压是否一定有电流的问题”。零序电流公式: 正序、负序、零序的出现是为了分析在系统电压、电流出 现不对称现象时，把三相的不对称分量分解成对称分量（正、负序）及同向的零序分量。只要是三相系统，就能分解出上述三个分量（有点像，但很多情况下某个分量的数值为零）。对于理想的电力系统，由于三相对称，因此负序和零序分量的数值都为零（这就是我们常说正常状态下只有正序分量的原因）。当系统出现故障时，三相变得不对称了，这时就能分解出有幅值的负序和零序分量度了（有时只有其中的一种），因此通过检测这两个不应正常出现的分量，就可以知道系统出了毛病（特别是单相接地时的零序分量）。3.1.3 电力系统的正序、负序和零序当前世界上的交流电力系统一般都是ABC三相的，而电力系统的正序，负序，零序分量便是根据ABC三相的顺序来定的。正序：A相领先B相120度，B相领先C相120度，C相领先A相120度。负序：A相落后B相120度，B相落后C相120度，C相落后A相120度。零序：ABC三相相位相同，哪一相也不领先，也不落后。由线性数学计算可知:三个不对称的相量，可以唯一地分解为三组对称的相量 (分量)。因此，在线性电路中，系统发生不对称短路时，将网络中出现的三相不对称的电压和电流，分解为正、负、零序三组对称分量，分别按对称三相电路去解，然后将其结果叠加起来。这种分析不对称三相电路的方法叫对称分量法。 任意一组不对称的三相正弦电压或电流相量都可以分解成三相对称的分量，一组是正序分量，用下标“1”表示，相序与原不对称正弦量的相序一致，即A一B一C的次序，各相位互差120度。一组是负序分量，用下标 “2表示，相序与原正弦量相反，即A一C一B,相位间也差120度。另一组是零序分量，用下标 “0”，表示，三相的相位相同。3.2 对称分量法3.2.1 电力系统的对称分量方法介绍在进行电力系统的分析时。一般认为电力系统的电路是对称的，各相短路电流及系统同一地点各相电压可以认为是相等的，三相电路往往只需要取一相来分析。但是实际并不是如此，因为在电力系统在发生短路时，电路的对称性遭到破坏，电力系统中出现了不对称的电流与电压。图3-1 电力系统简化图如上面的电力系统简化图所示，电力系统的(a)相在a 点发生短路，在故障点a，出现了短路电流，即：，均不为零，。这样电力系统中出现了明显的不对称。对电力系统的分析不能在按照对称电路的方法来分析，求解变得非常复杂。能否把这种不对称电路通过一定的方法转换为对称电路来分析、计算呢？回答是肯定的。本世纪初，美国学者Fortescue 首次提出了对称坐标分量方法。即：对于三相不对称系统而言，就是一组三相不对称三相电气量看成三组不同的对称分量之和，应用迭加原理，将这三组对称分量分别施加到网络后即可以按三相对称电路求解，再将运算结果迭加在一起，就是不对称电路的综合解。这就是对称分量法。3.2.2 对称分量法原理电工中分析对称系统不对称运行状态的一种基本方法。电力系统中的发电机、变压器、电抗器、电动机等都是三相对称元件，经过充分换位的输电线基本上也是三相对称的。对于这种三相对称系统的分析计算可以方便地用单相电路的方法求解。 任何不对称的三相相量 A，B，C 可以分解为三组相序不同的对称分量：正序分量，负序分量，零序分量，。即存在如下关系： （3-1）由于各相的分量均为对称分量，如已知一相的正序，负序和零序分量，令该相为“基准相”（通常为a相），则可求出其它相的各序分量，关系为： （3-2）逆变换为： （3-3）不对称故障时，要特别关注电压和电流的零序分量。零序电流存在条件：三个向量之和不等于0，由于三相零序完全相等，必须以中性点为通路（和地）。如图3.1所示： 图3-2 零序电流向量图3.3电力系统零序电流保护3.3.1 零序电流保护的原则零序电流保护的优点具有简单、可靠、动作正确率高，受弧光及接地电阻影响小，不受负荷及振荡影响，有相继动作的性能，这些优点都只能在选择适当合理的运行方式并正确的整定才能得到发挥。为了用好零序电流保护，提出下列原则：1.系统变压器中性点接地运行方式应基本保持不变。(1)变电所只有一组变压器，如果是接地运行，则接地点不应断开。(2)变电所只有二组变压器，如果不都是自耦变压器，则应只将其中一组变压器中性点接地。(3)变电所有二组以上变压器，应经常保持中性点接地的变压器组数或容量不变。2.正常使用的整定值应按照经常出现的运行方式作为依据。每一个变电所一般只考虑一回线停检，不考虑同时两回线停检。对一年中仅短时出现的特殊运行方式，如由于变压器检修而不能满足接地点保持不变的要求时，则临时处理，如停有关的零序电流保护段或改变定值(有条件的可以多装一些零序电流保护段以备特殊运行方式时使用)也可使零序电流保护临时与高频保护配合等等措施。3.线路零序阻抗参数以及三相三柱变压器的零序阻抗应以实测值为依据。4.对零序方向元件的使用问题。为提高零序电流保护动作的可靠性，尽可能不用零序方向，只有在加零序方向后可以使保护范围或保护相互配合关系上带来显着效果时，才予以考虑。5.适当增加零序电流段数，便于运行中灵活使用(包括运行方式变更时，不必改定值而通过操作压板处理，作为旁路开关保护，在代替不同线路时使用比较灵活)，对短路线路配合需要增加段数。6.变压器220千伏侧的开关，应根据需要装设防止开关非全相运行的保护，以避免由于变压器出现非全相运行使系统零序电流保护误动作。保护可按开关三相位置不对应且有零序电流时，以较短的时限跳闸。零序电流动作值及时间的整定应保证较线路的零序电流保护灵敏。双母线的母联开关也应根据需要装设上述保护。7.如果经过制造研究部门及生产使用等部门的共同努力，采取有效措施，使保护的级差时间由原有的0.5秒缩短为0.20.3秒，各保护段时间得以相应缩短，这样即使没有装设高频保护，相当一部份线路故障时，也能保证系统稳定。此外，对一些不易整定的短线群，可用适当增加保护段数的方法来解决。3.3.2 零序电流保护原理当中性点直接接地的电力系统发生接地短路时，根据对称分量法的计算，将出现很大的零序电流，而在正常运行时，这种电流是不会出现的。根据这个特点，可以利用零序电流来构成接地短路的保护，就有比较好的结果。图3-3 零序保护的系统接线及零序电压的分布零序电流可以看为在短路点出现一个短路电压而产生的，但是它必须经过变压器的接地中性点而形成回路。对于零序电流，认定母线流向故障点为正。零序电压的正方向为：线路高于大地的电压为正。图3-4 零序网络接线图 图3-5 忽略电阻与考虑电阻时的向量图从相关的分析可以发现，零序分量具有以下的特点：故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低，零序电压的分布如上图所示，在变电所A母线上零序电压为，变电所B 母线上零序电压为。由于零序电流是有零序电压产生的，在忽略线路的电阻时，它应该引前短路电压90；当计及线路电阻时电流引前的角度更加大。从任一保护（如保护1）安装处的零序电压与电流间的关系看，由于A母线上的零序电压实际上是从该点到零序网络中性点之间零序阻抗上的电压降，可以表示为：,为变压器的零序阻抗。该处的零序电流与电压间的相位差也由决定。而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。在电力系统运行方式变化时，如果送电线路及中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗与零序等效网络就不会发生变化。但是，系统的正序阻抗与负序阻抗要随着运行方式的变化而变化，正、负序电压的变化引起、之间电压分配的变化，间接地影响零序分量的变化，但是影响较小。3.3.3 零序电流保护的特点优点：(1)零序过电流保护的灵敏度高，零序过电流保护的动作时限也较相间保护为短；(2) 零序电流保护受系统运行方式变化的影响要小得多，零序I段的保护范围较大，也较稳定，零序段的灵敏系数也易于满足要求；(3)当系统中发生某些不正常运行状态时，例如系统振荡，短时过负荷等、三相是对称的，相间短路的电流保护均将受它们的影响而可能误动作，因而需要采取必要的措施予以防止，而零序保护则不受它们的影响；(4)零序功率方向元件无死区。在中性点直接接地的电网中，由于零序电流保护简单、经济、可靠，因而获得了广泛的应用。零序电流保护的缺点是：(1)对于短路线路或运行方式变化很大的情况，保护往往不能满足系统运行所提出的要求；(2)随着单相重合闸的广泛应用，在重合闸动作的过程中将出现非全相运行状态、再考虑系统两侧的电机发生摇摆，则可能出现较大的零序电流，因而影响零序电流保护的正确工作，此时应从整定计算上予以考虑，或在单相重合闸动作过程中使之短时退出运行；(3)当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时(例如110kV和220kV电网)、则任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，这将使零序保护的整定配合复杂化，并将增大第段保护的动作时限。第4章.单片机的A/D扩展4.1 STC89C52单片机4.1.1 STC89C52RC单片机介绍STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz用户应用程序空间为8K字节片上集成512字节RAM通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片具有EEPROM功能具有看门狗功能共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）PDIP封装4.1.2 STC89C52RC单片机的工作模式掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序空闲模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4mA7mA掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备4.1.3 STC89C52RC引脚功能说明VCC（40引脚）：电源电压VSS（20引脚）：接地P0端口（P0.0P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体参见下表：在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。表4.1 P1口功能特性引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。4.2 A/D转换接口4.2.1 A/D转换器概述1.A/D转换方式A/D转换方式的方法很多，包括计数式、逐次逼近式、双积分式、并行式、串并式以及非线性式等。常用的有双积分式和逐次逼近式。（1）逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器是采用最广泛的一种A/D转换方法，如下图。逐次逼近式A/D转换器由逐次逼近寄存器、D/A转换器、比较器、控制逻辑等组成。逐次逼近式A/D转换器的特点是转换速度快、精度高，一般转换时间是微秒级。（2）双积分A/D转换双积分式A/D转换器的工作原理如上图所示，它包括基准电压、积分器、检零比较器、电子开关、计数器以及控制逻辑，其原理波形如上图所示。双积分式A/D转换器的特点是转换精度高，抗干扰能力强，适合于速度不高的场合，如数字式温度测量等方面。2.主要技术指标（1）分辨率分辨率指A/D转换器能够分辨模拟量最小变化量的能力，一般用数字量最低有效位所对应的模拟电压值来表示，n位A/D转换器的分辨率是。若n=12，则分辨率为12位，或分辨率为满量程电压的1/4096。若满量程电压为10V，则分辨率为2.44mV。（2）量化误差量化误差是由于ADC的有限分辨率引起的误差，这是连续的模拟信号在整数量化后的固有误差。对于四舍五入的量化差，量化误差在1/2LSB之间。（3）转换精度转换精度反映A/D转换器的实际输出接近理想输出的精度程度，通常采用数字量的最低有效位LSB来表示。（4）转换时间转换时间指A/D转换器完成一次转换所需的时间。4.2.2 ADC0809概述ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，目前已经淘汰。主要特性1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为(时钟为640kHz时)，（时钟为500kHz时）4）单个+5V电源供电5）模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85摄氏度7）低功耗，约15mV。内部结构ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式，如上图所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START： A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求不高于640kHz。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。4.2.3 ADC0809工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入中。此地址经选通8路模拟输入之一到。START上升沿将逐次逼近复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给进行处理。的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1） 定时传送方式对于一种A/D来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个。可据此设计一个延时，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行。（2） 查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行。（3） 中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上，供单片机接受。4.2.4 A/D转换器与单片机接口要考虑的问题1. 数字量输出首先要考虑A/D转换器芯片内部是否有三态输出缓冲器，如果有，则可以将A/D的数字量输出线直接与单片机的数据线项链，否则A/D的数字量输出线必须通过输入接口电路与单片机的数据线相连。2. 启动转换信号启动转换信号用于启动A/D开始转换的控制信号，一般用单片机的写指令与地址译码信号想结合产生启动信号。要注意启动信号的极性是脉动启动还是电平启动以及对脉冲宽度的要求等。3. 转换结束信号A/D转换器提供的A/D转换结束信号，表示A/D转换是否完成，并用该信号通知CPU读取转换数据。转换结束信号一般可以采用以下3中方式：（1） 程序查询方式。A/D启动转换后，CPU通过程序不断地读取转换结束信号，当发现转换结束信号有效时即表示一次转换结束，CPU可以用输入指令读取A/D转换结果。（2）中断方式。用转换结束信号作为CPU的总段请求信号，一旦转换结束CPU申请中断，CPU在中断服务程序中可用输入指令读取A/D转换结果。（3）固定延时方式。已知完成一次A/D转换所需时间，在启动A/D转换后，可用定时器定时或执行一个固定延时程序，固定时间到后CPU读取A/D转换结果。4.输出允许信号有的A/D转换器内部具有三态数据缓冲器，输出允许信号控制该三态缓冲器是否将数据输出。CPU执行读指令和地址译码相结合输出允许信号，读取A/D转换结果数据。4.2.5 ADC0809与STC89C52单片机的接口在讨论单片机与0809的接口设计之前，先讨论单片机如何来控制ADC的问题。首先用指令控制ADC0809工作过程如下。首先用指令选择0809的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR,A是，单片机的信号有效，从而产生一个启动信号给0809的START引脚送入脉冲，开始对选中通道转换。当转换结束后，0809发出转换结束EOC（高电平）信号，该辛亥可供单片机查询，反相后可作为想单片机发出的中断请求信号，当执行MOVX A,DPTR时，单片机发出读控制信号，OE端有高电平，且把经过0809转换完毕的数字量读到A累加器中。由上述可见，用单片机控制ADC时，可采用查询和中断控制两种方式。查询方式是在单片机把启动的信号送到ADC之后，执行别的程序，同时对0809的EOC脚的状态进行查询，以检查AC变换是否已经结束，如查询到变换已经结束，则读入转换完毕的数据。中断控制方式是在启动信号送到ADC之后，单片机执行别的程序，0809转换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断服务程序，读入转换数据。中断控制方式效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC。查询方式ADC0809与89C52单片机的接口如下由于ADC0809片内无时钟，可利用89C52提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE脚的频率是89C52单片机时钟的频率1/6（但是注意的是，每当访问外部数据存储器时，将少一个ALE脉冲）。如果单片机时钟频率采用6MHz，则ALE脚的输出平率为1MHz，再二分频后为500kHz，恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器，其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码器引脚C、B、A分别于地址总线的第三位A2、A1、A0相连，以宣统IN0IN7中的一个通路。将P2.7（地址总线A15）作为片选信号，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。下面的程序是采用软件延时的方式，分别对8路模拟信号轮流采样一次，并依此把结果转储存到数据存储区的转换程序。MAIN: MOV R1 ,#data ；置数据区首地址 MOV DPTR,#7FF8H ；端口地址送DPTR，P2.7=0，且指向通道INO MOV R7，#08H ；置通道个数LOOP: MOVX DPTR,A ；启动A/D转换 MOV R6，#0AH ；软件延时，等待转换结束 DELAY：NOP NOP NOP DJNZ R6，DELAY MOVX A,DPTR ；读取转换结果 MOV R1，A ；存取转换结果 INC DPTR ；指向下一个通道 INC R1 ；修改数据区指针 DJNC R7，LOOP ；8个通道全采样完否?未完则继续中断方式ADC0809与89C52的中断方式接口电路只需要将图中的EOC脚经过一个非门连接到89C52的脚即可。采用中断方式可大大节省CPU的时间，当转换结束时，EOC发出一个脉冲向单片机提出中断申请，单片机响应中断请求，由外部中断1的中断服务程序读A/D结果，并启动0809的下一次转换，外部中断1采用跳沿触发方式。程序如下：INT1：SETB IT1 ；外部中断1初始化编程 SETB EA ；CPU开中断 SETB EX1 ；选择外中断为跳沿触发方式 MOV DPTR，#7FF8H ；端口地址送DPTR MOV A，#00H MOV DPTR，A ；启动0809对IN0通道转换 中断服务程序：PINT：MOV DPTR，#7FF8H ；读取A/D结果送内部RAM单元30H MOVX A，DPTR MOV 30H，A MOV A， 00H ；启动0809对IN0的转换 MOVX DPTR,A RET14.3 单片机的时间中断STC89C52单片机有4个定时器，其中定时器0和定时器1有两个16位定时器，与传统8051的定时器完全兼容，也可以设置为1T模式，当在定时器1做波特率发生器时，定时器0可以当两个8位定时器用(另外2路PCA/PWM可以再实现2个16位定时器)。STC89C52单片机内部设置的两个16位定时器/计数器和都具有计数方式和定时方式两种工作方式。对每个定时器/计数器(和)，在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位() 来选择T0或T1为定时器还是计数器。定时器/计数器的核心部件是一个加法 (也有减法)的计数器，其本质是对脉冲进行计数。只是计数脉冲来源不同：如果计数脉冲来自系统时钟，则为定时方式，此时定时器/计数器每12个时钟或者每1个时钟得到一个计数脉冲，计数值加1；如果计数脉冲来自单片机外部引脚(为P3.4,为P3.5)，则为计数方式，每来一个脉冲加1。当定时器/计数器工作在定时模式时，特殊功能寄存器AUXR中的x12和x12分别决定是系统时钟/12还是系统时钟/1(不分频)后让和进行计数。当定时器/计数器工