微机继电保护系统设计（论文）

摘 要目前微机继电保护装置以其不可替代的优点基本上取代了传统的继电保护设备,正向着智能化的方向发展。它的应用为电力系统运行的可靠性提供了保障。本文是针对某25MW发电机进行微机保护设计，工作原理是数据采集系统将采集来的信号送到CPU主系统进行计算比较，如果电流大于整定值，CPU就会发出跳闸命令将故障断开，从而实现保护的作用。本设计由硬件和软件两大部分构成。硬件电路包括数据采集单元、CPU主系统、开关量输入输出回路、跳闸出口和信号电路。软件部分采用模块化设计方法,主要包括主程序设计、中断服务及故障处理程序、数据采集子程序、自检子程序,本次设计程序采用汇编语言编写。数据采集单元有电压形成TA、模拟滤波器(RLC)、采样保持器(LF398)、多路转换开关(AD7506)与模数转换器(AD574)几个环节。8031CPU主系统由6264、2817、27256、74LS373、74LS139、等芯片组成。为了更清楚的说明该装置的工作原理，文中给出了相应的电路图、芯片介绍，并附以部分软件程序。本设计主保护采用发电机的纵差动保护，后备保护采用发电机负序电流保护。关键词：发电机微机保护；纵差动保护；负序电流保护； AbstractComputer protection devices currently in its irreplaceable advantages basically replaced the traditional protection equipment, is toward intelligent direction. Its application for the operation of the reliability of the power system has provided a guarantee. This article is for a 25 MW generator for the protection of computer design, working principle is the data collection system will collect the signal sent to the CPU to the main system is calculated, if the whole is greater than the current value, CPU trip will be issued an order to disconnect the fault In order to achieve the protection of the role。 The hardware and software designed by a majority of two. Hardware, including data acquisition unit, CPU main system, switching of input and output circuit, tripping exports and signal circuit. Some software is modular in design methods, including the main program design, interrupted service and fault handling procedures, data acquisition routines, self-inspection routines, this design process to prepare a compilation of language. Data acquisition unit has a voltage TA, analog filters (RLC), sample holder (LF398), multi-channel switch (AD7506) and ADC (AD574) links. 8031CPU the main system by 6264,2817,27256,74 LS373, 74LS139, such as chip components. In order to more clearly that the device works, is given in the text of the corresponding circuit, chip, with a part of a software program. The design of the main generator used to protect the longitudinal differential protection, back-up generators to protect a negative sequence current protection.Key words：Generator microcomputer protection；Longitudinal differential protection；Negative sequence current protection；目 录第1章 绪 论11.1 微机继电保护的发展概况11.2 微机保护的基本构成21.3 微机继电保护的特点2第2章 硬件电路设计52.1 数据采集单元方案论证52.1.1 电压形成回路72.1.2 模拟低通滤波器ALF72.1.3 采样保持电路(S/H)82.1.4 多路转换开关(MPX)102.1.5 模数转换器(A/D)112.2 CPU主系统的设计152.2.1 8031芯片162.2.2存储器及其扩展162.2.3 I/O口及其扩展182.2.3 8031内部定时/计数器202.3 开关量输入输出回路设计222.3.1 开关量输入回路设计222.3.2 开关量输出回路设计242.4 跳闸出口和信号电路设计25第3章 发电机保护设计263.1 同步发电机的故障、异常运行状态及其保护方式263.2 发电机主保护设计283.3 发电机后备保护设计293.4 傅立叶算法30第4章 软件设计324.1 软件设计方案论证324.2 主程序设计324.3 中断服务及故障处理程序344.4数据采集子程序374.5自检子程序38第5章 结论42参考文献43致 谢44附 录45附 录50IV第1章 绪 论1.1 微机继电保护的发展概况微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可行性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，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。80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。在各种计算机保护装置发展的同时，利用计算机的特有的优势，还发展了许多新的保护原理，特别是故障分量原理和自适应式保护原理,这些原理的引入，使继电保护的性能得到很大的完善和提高。由于继电保护研究人员、设计人员和运行维护人员的共同努力，我国的计算机保护技术得到了很大的发展和完善，在电力系统中起着重要的作用。据统计，2007年我国电力系统中的微机型继电保护的正确动作率达9986，与常规的继电保护的正确动作率相似，这象征着微机保护已达到正常使用和运行的阶段。第1章 TC01.2 微机保护的基本构成原有的保护装置是使输入的电流、电压信号直接在模拟旦之间进行比较和运算处理，使模拟量与装置中给定的机械量(如弹簧力矩)或电气量(如门棍电压)进行比较和运算处理。而计算机保护则由于计算机只能作数字运算或逻辑运算，因此，首先要求以模拟量输入的电流、电压的瞬时值变换为离散的数字量，然后才送人计算机的中央处理器。按规定的算法和程序进行运算，且将运算结果随时与给定的数字进行比较，最后做出是否跳闸的判断。微机保护的基本构成可看成由硬件和软件两部分构成。其整套硬件通常是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统、CPU主系统、开关量输出、输入系统及外围设备等。微机保护的软件由初始化模块、数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。硬件是实现继电保护功能的基础。而继电保护原理是直接由软件，即由计算程序来实现的，程序的不同可以实现不同的原理。程序的好坏、正确与错误都直接影响着保护性能的优劣、正确或错误。1.3 微机继电保护的特点1.性能优微机具有高速运算、逻辑判断和记忆能力,微机保护是通过软件程序实现的,因而微机保护可以实现很复杂的保护功能,也可以实现许多传统保护模式无法实现的新功能。许多传统保护模式存在的技术问题,在微机保护中找到了解决的方法。例如,距离保护中系统振荡和短路的区别,变压器差动保护中励磁涌流和内部故障的鉴别等问题,都有了新的解决方法。微机保护还具有故障参数追忆、故障测距等功能,可以自动打印故障前后各电气参数的数值、波形以及各种保护的动作情况等,供故障分析用。此外,微机保护的软件不受电源电压波动、周围环境温度变化及元件老化的影响,故微机保护的性能比较稳定。2.可靠性高微机保护具有自诊断能力,能不断地对装置各部位进行自动检测,可以准确地发现装置故障部位,及时报警,以利处理。在抗干扰方面,微机保护除在硬件上采取电磁屏蔽、光电隔离、加退耦电容等一系列抗干扰措施外,还采取数据有效性分析、多次重复计算、自动校核等软件措施,使微机保护能自动纠错,即能自动地识别干扰和排除干扰,防止干扰引起微机保护误动作。此外,装置还采用多重化措施,进一步提高保护的可靠性。可靠性是继电保护的生命，微机保护采用了许多传统保护无法实现的抗干扰措施,有效地防止了保护的误动和拒动。目前,微机保护的平均无故障时间长达十万小时以上,说明微机保护是十分可靠的。3.灵活性强各种类型的微机保护所使用的硬件和外围设备可通用,不同原理、特性和功能的微机保护主要取决于软件。微机保护功能通过软件来实现,使其具有极大的灵活性.通常,可以在一套软件程序中设置不同的保护方案,用户根据需要来选择,也可以根据系统实际运行条件或故障情况随机变化,使保护具有自适应能力。例如,当运行方式改变需要改变保护整定值时,只需在存储器中预置几套保护整定值,临时在装置面板上用小开关进行切换即可。当系统发展需要改变保护原理或性能时,则只需将其程序加以修改,置换相应的预编程序的存储器芯片或改写EPROM中的程序即可。4.调试维护工作量小传统的继电保护装置,如发电型、整流型、晶体管型继电保护装置,调试工作量都很大,尤其是一些复杂保护,例如调试一套高压输电线路保护装置,常需要三周或更长时间。而微机保护几乎不用调试.微机保护装置是由硬件和软件程序两大部分组成,若硬件完好,对于以成熟的软件,只要程序和设计一样,就会达到设计要求.因此,微机保护用不着像传统保护那样,逐台做各种模拟试验来检验保护装置每一种功能的正确.再者,微机保护具有自诊断能力,能对硬件和软件进行自检,一旦发现异常就会发出报警。通常,只要加电后没有报警信号,就可确认装置完好,因而调试工作量小。5.经济性好经济性包括装置的投资费用和运行维护费用。随着大规模集成电路技术的发展和微机的广泛应用,微机硬件价格不断下降,而传统的继电器价格在同期内却一直上升。目前,我国的微机保护装置价格已和传统保护价格持平或更低,在性能价格比方面更具优势。此外,微机是一个可编程的只能装置,可实现多种功能,微机保护的多功能化也提高其经济性。至于运行维护费用,由于微机保护装置的功耗小,其运行费用较低。同时,微机保护具有自诊断功能,能及时发现装置故障,使维护工作量大为减少,改变保护整定值和调试的方便则可缩短停电时间和节省人力,其经济效益也是可观的。6.多功能化和综合应用微机保护很容易实现保护以外的其他功能。例如,微机保护可以对故障时发生的全部暂态现象进行故障录波和记录,借助几个微机保护装置之间故障后暂态数据的交换,可对事故进行周详分析。微机保护还可以根据需要,随机打印出当前各电气量数值,省去了人工记录。微机保护可以扩大数据应用范围,如利用变电所的远动装置,为中心调度所提供功率潮流等运行数据,也可以进一步将保护、控制和监视等功能统一设计、协调配合,实现电力系统监视、控制、保护的综合自动化,进一步实现电力系统计算机网络控制管理，微机保护已成为当代继电保护的更新换代产品,展示了其广阔的发展前景。第2章 硬件电路设计2.1 数据采集单元方案论证图2.1数据采集单元框图数据采集系统又称模拟量输入系统它由电压形成TA、模拟滤波器(RLC)、采样保持(LF398)、多路转换开关(AD7506)与模数转换器(AD574)几个环节组成，其作用是将电压互感器(YH)和电流互感器(LH)二次输出的电流模拟量经过上述环节转化成计算机能接受与识别的，而且大小与输入量成比例相位不失真的数字量，然后送入CPU主系统进行数据处理及运算。数据采集系统与微机接口图中CPU只有8根数据线，因而AD574的128端子固定接地，A0端子同CPL的地址总线相连.12位数据线的低4位与高4位并联后接至CPU的8位数据总线。三根基本控制线与CPU的控制线相连，只要CPU输出由CS及A0所决定的地址，且使RC端变成低电平就可以使AD574开始转换(启动转换)。对AD574执行一个读操作就可以读取转换结果其地址仍由CS及A0决定。AD574是否转换完毕，由状态线STS 并行口的PB0位提供信息，供CPU对PB0口查询STS是否变为低电平。图2.2数据采集系统与微机接口多路开关AD7506的4根路数选择线分别连至并行接口的输出端口PA口的PA0一PA3，CPU通过对PA0-PA3赋值，来切换多路开关选择通道.定时器发出定时脉冲，此脉冲一方面使各路采样保持芯片同时采样，另一方面向CPU发出中断信号，请求CPU立即对数据采集系统进行管理和控制(包括切换通道、启动转换及读取转换结果等) 该回路的工作过程如下:系统一切准备就绪(初始化完成)后处于正常工作状态，CPU在进行自检、打印等工作，同时准备随时接受定时器中断。定时器发出f采样脉冲，CPU响应中断，暂停自检、打印等工作，来控制数据采集系统的工作。首先使AD574的RC变成低电平，启动AD574转换，然后查询PB0是否为低电平，若为低电平便读取转换结果并存入RAM中，再通过向PAOPA3赋值切换通道，重复上述工作。这样把各通道的数据都读到RAM中。将这些数据作必要的预处理后从中断返回，再去执行自检、打印或其他程序。上述响应中断所执行的程序是中断服务程序。CPU响应中断前，必须使本系统初始化。2.1.1 电压形成回路电压形成回路除了起电量变换作用外，还起到隔离作用，它使计算机与强电系统隔离，从而在较大强度上减弱了来自高压系统的电磁干扰。微机保护要从被保护的电力设备和线路的电流互感器、电压互感器上取得电流和电压量，由于这些电流、电压的数值范围超过了微机系统所能承受的区域，因此，需要降低和转换为微机保护中通常需要的输入电压范围5v或10v。一般采用中间变流的方式将高电压和大电流转变为微机系统能够接受的信号，将交流电流信号变换为成比例的电压信号,采用电流变换器。 电流变换的作用是把输入的模拟量变换成装置所需要的电压信号。电流量是通过相同的电流变换器变换成装置所需要的电压信号，如图所示。 图2.3电压形成回路2.1.2 模拟低通滤波器ALF对微机保护系统来讲，在故障初瞬，电压、电流中可能台合很高的频率成分，为了防止频率混叠，采样频率fs必然选得很高，从而要求硬件速度快，使成本增高，有时甚至难以做到。实际上目前大多数保护原理都是基于工频分量的,故可以在采样之前使输入信号限制在一定的频带之内，即降低输入信号的最高频率，从而就可以降低fs，这样一方面可以降低对硬件的速度要求，另一方面也不至于产生频率混叠现象.要限制输入信号的最高频率，只需在采样前用一个模拟低通滤波器(ALF)，滤出fs/2以上的频率分量即可。模拟低通滤波器通常可以做成无源的和有源的。无源滤波器通常是由LRC等元件组成，由于电感元件饱和程度随温度的变化，使滤波特性发生漂移，而且大电感会给保护带来延时等原因，在微机保护装置中很少应用。图2.10是常用的无源低通滤波器及其特性.它是RC型滤波网络，借以滤去fs/2以上的频率成分。这种滤波器接线简单，但要想获得较好的滤波特性电容就要选得较大，这会带来延时，对快速保护不利。但微机保护对前置低通滤波器提出的要求不高，只要求滤去fs/2以上的频率成分，而低于fs/2的频率分量，可以通过数字滤波来滤除。因此这种无源滤波方案在很多微机保护装置中得到了应用。本设计采用由RLC元件构成的无源滤波器： 图2.4常用无源滤波器及其特性2.1.3 采样保持电路(S/H)在微机保护中被保护元件的电气量(如电流、电压等)都是模拟量，而微机保护小的计算机只能对数字量进行运算和判断，所以必须对来自被保护元件的模拟量进行模数(AD)变换、在进行AD变换之前，首先要将连续的模拟量变为“离散量”，这就是采样保持电路(SH)的首要任务。1.采样保持器的作用输入到微机保护系统的电压、电流等模拟量信号经过电压形成环节变换成所要求的电压值后，再经模拟低通滤波器（ALF）进入采样保持器（S/H）。所谓采样，就是CPU每隔一个固定的时间间隔TS读一次数据，TS称为采样周期，采样周期TS的倒数称为采样频率。微机保护系统通常要同时检测几个模拟量，为了使各路信号能固定于同一时刻的值，使各信号间的相位关系保持不变，必须在同一瞬间检测各模拟量。微机保护系统通常公用一个模数转换器（A/D），因此需在每一通道上装一采样保持器，在同一瞬间对各模拟量采样并予以保持，以供模数转换器相继进行变换。所以采样保持器（S/H）的作用是，在一个极短的时间内，测量模拟输入量在该时瞬时值，并在A/D转换期间内保持其输出不变。2.采样保持电路结构：目前SH电路实际上是用集成块做成的，常用的有LH198、LF298、LF398等。它采用新工艺实现了超高直流精度、快速捕捉信号以及较低的下降速率。(具体技术指标从略) 本系统中的采样保持器是由LF398采样保持芯片构成的，其原理图如图所示： 图2.5LF-398保持采样芯片下图是LF398的芯片的原理图与实用接线图：图2.6LF398的芯片的原理图与实用接线图电路主要由二个高性能的运算放大器。A1，A2构成的跟随器组成，A2是典型的跟随器接法.其反相端直接与输出端连接，由于运放的开环放大倍数极高，两个输入端之间的电位差实际上为零，所以输出端对地电压能追踪上输入端对地电压、也就保持电容C两端的电压.A1接法与A2实质上相同；当As接通时(采样状态)，其反相输入端从输出端经R获得负反馈，使U3c跟踪Usr，As断开时(保持阶段)输入的变化将不影响输出，第一、二级被隔离(相当于二个反向接法二极管与R构成)；跟踪器的输人阻抗很高(达l0M)，输出阻抗很低(最大6)，因此Al对Usr来说是高阻，而在采样时，对电容Ch为低阻是放电，故可高速采样.As为场效晶体管模拟开关，A3驱动，A3则由CTC定时控制端子2用于调零(通常是开路状态)。2.1.4 多路转换开关(MPX)为了解决多个模拟输人量同时输人而只闲一个AD转换器时的采样问题，通常采用多路转换开关，它是由一个模拟量开关阵列与一些数字控制逻辑电路组成，每个选通的典型导通电阻值为数百欧，MPX的后面必须接高输入阻抗。常用的多路转换开关是由集成电路；芯片构成，下面以AD7506为例作一简单介绍图是多路转换开关芯片的内部电路框图；从图上可以看出：因为要求选择16路输入量，所以它没有A0A3四个路数选择线以便由CPU通过并行接口芯片或其它硬件电路给A0A3赋以不同的二进制码来选通As1As16中相应的一路电子开关，将被选中的某一路接通至公共输出端供给AD转换器。只有EN端为高电位时MPX才工作，设置EN端是为了可以用二片或更多的AD7506芯片，以增加多路转换开关的路数。图2.7AD7506芯片2.1.5 模数转换器(A/D)计算机只能对数字量进行运算，而电力系统中的电流、电压信号均为模拟量。因此，必须用模数转换器将采样保持回路输出的模拟信号变为离散的数字量。A/D转换选用AD574A芯片，它是一个用逐次逼近法原理实现的A/D转换器。芯片中包括一个12位D/A转换器、一个比较器、一个逐次逼近寄存器等。AD574A的转换时间是25S，AD574A采用双极性电源供电(如图)，则其模拟量信号输入为-10V+10V，数字量输出为12位，12位输出线直接接到CPU的数据总线，无输出时12根输出线呈高阻态。图2.8AD574A双极性电源供电图目前微机保护常用的A/D转换器芯片AD574，是快速12位逐次比较型A/D转换器，由美国模拟器件公司生产，28脚双列直插式标准封装，其内部包括快速12位DA转换器、高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路及三态输出数据锁存器等。一次转换时间为25us，工作电源为正负15v和正 5V。其外形管脚见图，各管脚功能介绍如图2.9：图2.9 AD574管脚功能图 (1)参考电压。芯片内部DA转换用的10v参考电压，由芯片内部15v经过降压电阻和一个带温度补偿的齐纳二极管产生。为了对参考电压进行微调，以调整DA转换器的比例常数，此10V参考电压并不是在内部直接引向DA转换器，而是先从UROUT端(引脚8)引出，以便在外部经一个100的微调电位计再从URIN端(引脚10)接入。(2)偏置电压。在用于双极性模拟量时可将10v的参考电压经一个100电位计后接至U端，以便对偏置电压微调，实现零点调整。用于单极性模拟量时可将U端经电阻接地。(3)模拟量输入UIN。由于芯片内部比较器的输人回路，接有可改变量程的电阻和双极性输入偏置电阻，因此其输入模拟量量程范围有010v、020V、-5+5V以及-10+10v四种，而两种对应单极性输入的情况，后两种对应于双极性输入的情况。(4)模拟地和数字地(9和15引脚)。AD574内部模拟地和数字地处是分开的，分别经引脚9和引脚15引出，在外部应把模拟地直接引至输入模拟量的零线。(5)数字量输出：AD574有12位数字输出。分别是1627引脚由于内部有寄存器和三态门，故允许将此12位输位输出线接接至CPU的数据总线.平时AD574的12根输出线均呈现高阻状态，在需要读数时由相应的控制端控制才有输出供CPU读取。(6)控制线和状态线。AD574的逻辑控制输入信号有CE,CS,R/C,12/8,A0,用于对AD574控制启动、输出。(7)STS。状态线，AD574在转换过程中STS呈高电平，转换完成后，STS由高电平变成低电平以通知CPU来读取转换结果。AD574A系列的所有型号的引脚功能和排列都相同，因而它们与单片机的接口电路也相同。只需注意一点，就是AD1674内部有取样保持器，不需外接。而其他型号芯片，对于快速变化的输入模拟信号还应外接取样保持器。本次设计中AD574的12位数据分高8位和低4位两次输出。8031执行外部数据写指令时，使得CE=1、=0、R/=0、A0=0，启动12位转换有效。然后8031通过P1.0线查询STATUS端口状态，当STATUS为0时，表明转换结束。由于AD574的12位转换速度很快，适用于查询方式，之后8031执行两条读外部数据存储器指令，分别读取转换结果的高8位和低4位数据，此时CE=1、=0、A0=0（或A0=1）如图所示：图2.10 AD574A与80C31单片机的接口电路根据STS信号线的三种不同接法，转换结果的读取有三种方式：（1）如果STS空着不接，单片机就只能在启动AD574A转换后延时25 秒以上再读取转换结果，即延时方式。（2）如果STS接到80C31的一条端口线上，单片机就可以采用查询方式。当查得STS为低电平时，表示转换结束。（3）如果STS接到80C31的INT1端，则可以采用中断方式读取转换结果。图中AD574A的STS与80C31的P1.0线相连，故采用查询方式读取转换结果。当80C31单片机执行对外部数据存储器写指令，使CE = 1， CS = 0，R/ C = 0，A0 = 0时，便启动转换。当80C31单片机查得STS为低电平时，转换结束，80C31单片机使CE = 1，CS = 0，R/ C = 1，A0 = 0，读取高8位；CE = 1， CS = 0，R/ C = 1，A0 = 1，读取低4位。AD574A的转换程序段如下：AD574A： MOV DPTR，#0FFF8H ；送端口地址入DPTR MOVX DPTR，A ；启动AD574A SETB P1.0 ；置P1.0为输入方式 LOOP： JB P1.0，LOOP ；检测P1.0接口 INC DPTR ；使R/ C 为1 MOVX A，DPTR ；读取高8位数据 MOV 41H，A ；高8位内容存入41H单元 INC DPTR ；使R/ C 、A0均为1 INC DPTR ； MOVX A，DPTR ；读取低4位 MOV 40H，A ；将低4位内容存入40H单元2.2 CPU主系统的设计图2.11 CPU主系统原理图主系统由8031、6264、2817、27256、74LS373、74LS139、等芯片组成。主系统是微机保护的核心，数据采集系统采集来的信号送给CPU进行计算比较，将结果与保护定值相比较从而判断线路是否出现故障。如果出现故障，CPU则发出跳闸命令，使出口电路跳闸，从而实现保护。P00P07是8位数据线，IA0IA15为16位地址线，139译码器的输出端Y1、Y2、Y3分别接8255，6264,2817的片选线上，低电平有效。 1脚为使能端，低电平时译码器工作。2脚和3脚决定译码器输出的状态。例如：A=0、B=0时，Y0口输出低电平，A=0、B=1时，Y1口输出低电平。CPU执行完初始化程序之后，般接着执行主程序(主要功能是自检)，但在定时器发出采样脉冲请求中断后，CPU应响应中断，执行中断服务程序，若数据预处理后未发现电力系统故障，则从中断返回，继续执行中断前的程序，同时准备再次响应中断。6264的寻址范围是：4000H5FFFH2817的寻址范围是：6000H67FFH8255的寻址范围是：2000H3FFFH27256的寻址范围是：8000HFFFFH2.2.1 8031芯片8031单片机是MCS-51系列产品的一种。它有8根数据线，16根地址线，对外可寻址64K空间。内部包括微处理器、256字节的内部RAM(其内含4个工作寄存器组、21个特殊功能寄存器SFR)、2个定时器计数器、4个并行I/O口和一个串行口等，各部分通过内部总线相连。8031片内有256个字节数据存储器RAM,虽字节数不多，但起着十分重要的作用256个单元的地址编号采用8位二进制代码，从8位“0”到全“1”共有256个状态，因此可给256个单元编号,用16进制表示地址码为00HFFH . 256个字节被分为两个区域前128个单元(00H一7FH)是真正的RAM区，可以读写各种数据。后128个单元(80HFFH)是专门用作特殊功能寄存器的区域。因为8031只有21个特殊功能寄存器，实际上，128个单元没有全部利用。2.2.2存储器及其扩展由于8031给用户的存储单元不多，使用时必须向外扩展存储器，8031可以向外扩展64K字节的RAM和64K字节的ROM，也就是最多可以在片外扩展2*64K字节的存储器。外部RAM和ROM的地址是重叠的均为(0000H-FFFFH)，可以通过选通信号及读写信号加以区别。RAM：常用于存放采样数据和计算的中间结果、标志字等信息，一般也同时存放微机保护的动作报告信息等内容。读写操作方便，执行速度快，缺点是+5V工作电源消失，其后有数据、报告等内容也消失。数据存储器扩展电路：用6264扩展8 KB的RAM如图2.12所示。芯片允许用P2.7进行控制，当P2.7为低电平时，6264被选中，因此片外RAM的地址为6264的寻址范围是：4000H5FFFH。片选线CS接高电平，保持有效状态，并可以进行断电保护。图2.12数据存储器扩展电路EEPROM：用来保存在使用中需要经常改写的那些控制参数，如微机型保护的整定值等。EEPROM中保存的数据允许高速读取，且在失电后不会丢失，同时，无需专用设备就可以在使用中在线改写，对于修改整定值比较方便。2817的寻址范围是：6000H67FFH。图2.13 数据存储器扩展电路2.2.3 I/O口及其扩展输入/输出接口的功能 CPU与I/O设备间的数据传送，实际上是CPU与I/O接口间的数据传送。单片机与I/O设备间的关系如图所示：图2.14 单片机与I/O设备间的关系 单片机与I/O设备的数据传送方式：不同的I/O设备，需用不同的传送方式。CPU可以采用无条件传送、查询传送、中断传送和DMA传送与I/O设备进行数据交换。采用无条件传送：数据输入时，所选数据端口的数据必须已经准备好，即输入设备的数据已送到I/O接口的数据端口，单片机直接执行输入指令。数据输出时，所选数据端口必须为空（数据已被输出设备取走），即数据端口处于准备接收数据状态，单片机直接执行输出指令。在8031系列单片机扩展方式的应用系统中，单片机提供给用户的I/O接口线并不多因此需要进行I/O口的扩展。并行接口8255：8255接口芯片内部由以下4个部分组成：数据总线缓冲器、读写控制逻辑、A组和B组控制电路和端口 A、B、C三个端口。1.数据总线缓冲器数据总线缓冲器是一个双向三态8位缓冲器，是8255芯片与CPU数据总线的接口。CPU与8255芯片之间所有的数据发送与接收，以及CPU向8255芯片发送的控制字和8255芯片向CPU回送的状态信息都是通过它传送的。2读写控制逻辑读写控制逻辑接收来自CPU的地址和控制信号，并发出命令到两个控制组(A和B组控制)。由它控制把CPU发出的控制命令字或输出的数据送到相应的端口，或者把外设的状态信息或输入的数据从相应端口达到CPU。3A组和B组控制电路A组控制A口和C口的高四位(PC7-PC4)，B组控制B口和C口的低四位(PC3-PC0)。A、B、C这3个端口的工作方式是由CPU送往A组和B组控制寄存器的方式控制字设定的。A组和B组控制寄存器，还可以接收CPU送来的置位复位控制字，以实现对C口的按位操作。4端口A、B、C 8255芯片包括3个8位输入输出端口，每个端口都有一个数据输入寄存器和一个数据输出寄存器。在作为输入时，具有三态缓冲器功能。在作为输出端口时，都具有数据锁存功能。8255的寻址范围是：2000H3FFFH图2.15并行接口82552.2.3 8031内部定时/计数器18031内部定时计数器的基本工作原理8031内部带有两个结构完全相同的16位定时计数器T0和T1每个定时计数器占用两个特殊功能寄存器T0由TL0(低8位)和TH0(高8位)组成；T1由TL1和TH1组成。当它们工作在定时状态时,用于实现定时或延时,工作在计数状态时，可以对外部脉冲进行计数。这可以根据需要编程控制,它的定时作用也是由计数来完成的，因为对内部精确标准脉冲计数,就可以达到定时的目的,下图是定时计数器的控制逻辑图： 图2.16 定时计数器的控制逻辑图由图可见，定时方式与计数方式的不同。当CT0时“转换开关打向上方，此时处于定时状态，计数器的时钟来自单片机内部振荡脉冲的12分频，若单片机的时钟频率为12MHz，则定时器的时钟频率为1MHz ,即每1us来一个脉冲,这是十分精确的脉冲，显然可以起到定时的作用。当CT1时 ，“切换开关”打向下方，计数器的时钟来自引脚T0(P34)，这时，对外部脉冲进行计数，处于计数器状态.无论是用作定时器还是计数器，它的工作受控于“开关”AS，当AS“闭合”时方可计数或计时，否则，停止工作。当AS闭合时，计数器计数。来个脉冲寄存器的内容加1，TL0计满后再向高8位TH0进位。当TH0和TH1都按一定方式计满(全为1)。再来个脉冲，则产生溢出，此时TF01，同时TH0和TL0复位(全0) TF0是T0的中断标志、计数器计满后TF01。向CPU请求中断。2. 8031内部定时计数器的工作方式通过编程可以将8031内部定时计数器设置成不同的工作方式，其计数长度(最大值)和计数方式都可变化。一共有4种工作方式。8031内部定时/计数器工作方式工作方式功能方式013位计数器方式116位计数器方式2可自动装入计数器的8位重装计数器方式3T0分为两个8位计数器,T1停止计算38031内部定时计数器的控制定时计数器的工作方式、计数(定时)位、中断控制等都是由程序来设定的。在803l中，是通过特殊功能寄存器TMOD(定时器方式控制寄存器)和TCON(定时器控制寄存器)来完成的。在开始定时或计数之前，有个定时器操作的初始化过程，即将控制命令(控制字)写入TMOD和TCON两个特殊功能寄存器。4. 8031内部定时计数器的初始化8031的定时计数器是可编程的,在进行定时或计数之前有些要用程序进行初始化，一船应包括以下几个步骤：(1)确定工作方式，即对TMOD寄存器赋值；(2)置定时计数器初值，直接将初值写入寄存器TH1、TL1、TH0、TL0；(3)根据需要，开放定时器中断，即对寄存器IE置初值； (4)启动定时计数器，即使TCONN寄存器中的TRl或TR0置位,置位后，计数器即按规定的工作方式和初值进行计数或开始定时。在初始化过程中，置定时或计数的切值，要作一点计算。由于计数器是加法计数，并在溢出时申请中断，因此初始化时应输入一个适当的初值，计数开始后来一个脉冲就在初值基础上加1,直到加满溢出，正好是所需要的时间(定时)。2.3 开关量输入输出回路设计2.3.1 开关量输入回路设计对微机保护装置的开关量输入，即接点状态(接通或断开)的输入可以分成以下两大类：(1) 安装在装置面板上的接点这类接点包括在装置调试时用的或运行中定期检查装置用的键盘接点，以及切换装置工作方式用的转换开关等。(2)从装置外部经过端子排引入装置的接点需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板、转换开关以及其他保护装置和操作继电器的接点等。对于装在装置面板上的接点，可直接接至微机的并行接口，如图2.17所示。只要在初始化时规定因中可编程的并行口的PA0为输人口，则CPU就可以通过软件查询，随时知道外部接点K1的状态。 图2.17 装置面板上的接点与微机接口连接图图2.18 装置外部接点与微机的连接接线图对于从装置外部引入的接点，如果也按图2.17接线，将给微机引入干扰，故应经光电隔离，如图2.18所示。图中虚线框内是一个光电耦合器件，集成在一个芯片内。当外部接点K1接通时，有电流通过光电器件的发光二极管回路，使光敏三极管导通。Kl打开时，则光敏三极管截止。因此，三极管的导通和截止完全反映了外部接点的状态，如同将K1接到三极管的位置一样。不同点是图2.18中可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机的电路部分之间无电的联系，而光电耦合芯片的两个互相隔离部分间的分布电容仅仅是几皮法，因此可大大削弱干扰。对于某些必须立即得到处理的外部接点的动作，如果CPU用软件查询方式会带来延时，也可以将光敏三极管的集电极直接接CPU的中断请求端子。2.3.2 开关量输出回路设计开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等。一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器(干簧或密封小中间继电器)的方法，但为提高抗干扰能力,最好也经过一级光电隔离如图所示：图2.19 装置开关输出回路接线图只要由软件使并行口的PB0输出“0”，PB1输出“l”，便可命名与非门H1输出低电平，光敏三极管导通，继电器J被吸合。在初始化和需要继电器J返还时，应使PB0输出“l”，PB1输出“0”。设置反相器B1及与非门H1，而不是将发光二极管直接同并行口相连。一方面是因为并行门带负载能力有限，不足以驱动发光二极管；另方面因为采用与非门后，要满足两个条件才能使J动作，增加了抗干扰能力。最后应当注意：图中的PB0经一反相器，顺PB1却不经反相器，这样接可防止拉合直流电源的过程中继电器J的短时误动。因为在拉合直流电源过程中，当5v电源处在中间某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5v电源还是驱动继电器J用的电源E。都可能相当缓慢地上升或下降，从而完全可能来得及使继电器J的接点短时闭合。采用图中的接法后，由于两项相反的条件的互相制约，可以可靠地防止误动作。2.4 跳闸出口和信号电路设计微机保护装置通过数据采集系统获得电力系统的电压、电流信号，通过开关量输入电路获得外部的开关量信息。经过保护微机系统的计算判断，最终作出区内外故障的判断，当区内故障时，应通过开关量输出驱动电路使相应的继电器动作，并发出相关的动作信号。所以，微机保护装置应设有跳闸出口和信号电路图2.20跳闸出口和信号电路第3章 发电机保护设计3.1 同步发电机的故障、异常运行状态及其保护方式同步发电机是电力系统中重要的设备，它的安全运行保证电力系统的正常工作对电能质量起着决定性的作用。因此，应该对各种不同的故障和异常运行状态，装设性能完善的保护装置。发电机的故障类型主要有：(1)定子绕组相间短路：定于绕组的相间短路对发电机的危害很大。产生很大的短路电流使绕组过热，故障点的电弧将破坏绝缘，挠坏铁心和绕组、甚至导致发电机着火。(2)定子绕组匝间短路：定子绕组匝间短路时，被短路的部分绕组内将产生大的环流而引起故障处温度升高，绝缘破坏，并可能转变成单相接地和相间短路故障。(3)定子绕组单相接地：发生这种故障时，发电机电压网络的电容电流将超过故障点此电流较大时，会使铁心局部熔化，给修理工作带来很大的困难。(4)励磁回路一点或两点接地 当励磁回路一点接地时，由于没有构成接地电流通路，对发电机无直接危害。如果再发生另一点接地，就会造成励磁回路两点接地短路，可能烧坏励磁绕组和铁心。此外，由于转子磁通的对称性破坏，还会引起机组强烈振动。发电机的异常运行状态主要有：(1)励磁电流急剧下降或消失发电机自动励磁开关误跳间，引起磁电流急剧下降或消失。在此情况下，发电机由同步转入异步运行状态，并从系统吸收无功功率。当系统无功不足时，将引起电压下降，甚至使系统崩溃。同时，引起定子电流增加和转子过热，威胁发电机安全。(2)外部短路引起定子绕组过电流。(3)负荷超过发电机额定容量而引起过负荷。以上两种情况都将引起发电机定子绕组温度升高发展成内部故障。(4)转子表层过热 电力系统发生不对称短路或发电机三相负荷不对称时，特有负序电流流过定子绕组，在发电机中产生对转子的两倍同步转速旋转的磁场，从而在转子中感应倍频电流。此电流可能造成转子局部灼伤，严重时会使护环受热松脱。特别是大型机组这种威胁更加突出。(5)定于绕组过电压调速系统惯性较大的发电机(例如水轮发电机)，因突然甩负荷、转速急剧上升，发电机电压迅速升高，造成定子绕组绝缘击穿。除此，发电机异常运行状态还有发电机失步、逆功率、非全相运行及转子绕组过负荷等。针对上述故障类型和异常运行状态，发电机应装设以下保护装置：(1)纵差动保护1Mw以上的发电机应装设纵差动保护，它反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路。(2)匝间短路保护定子绕组为双星形接线且中性点引出六个端子的发电机,通常装设单元式横差保护，作为匝间短路保护；对于中性点只有三个引出端子的大容量发电机的匝间短路保护、一般采用零序电压式或转子二次谐波电流式保护装置。(3)定于绕组接地保护与母线直接联接的发电机，当单相接地电流大于或等于允许值(不考虑消弧线圈的补偿作用)时，装设动作于跳闸的零序电流保护100Mw以下的发电机应装设保护区不小于90的定子接地保护，100Mw及以上发电机应装设保护区为100的定子接地保护。(4)发电机外部相间短路保护为了防御外部短路引起的过电流,并且作为发电机主保护的后备，根据发电机容量的大小，可采用下列保护力式：1)过电流保护，用于1MW以下的小型发电机；2)复合电压起动的过电流保护；用于IMW以上的发电机；3)负序电流及单相式低电压起动的过电流保护，用于50Mw及以上的发电机。(5)励磁回路一点及两点接地保护：1)水轮发电机一般只装设励磁回路一点接地保护、小容量机组可采用定期检测装置。2)1Mw以下的汽轮发电机，一点接地故障、可采用定期检测装置：对两点接地故障、应装设两点接地保护装置，对于转子水内冷发电机和100Mw及以上的汽轮发电机，应装设励磁回路一点接地和两点接地保护装置。(6)失磁保护对于100Mw以下不允许失磁运行的发电机，当采用直流励磁机时，在自动灭磁开关断开后应联动断开发电机断路器；当采用半导体励磁系统时，则应装设专用的失磁保护，100Mw以下但对电力系统有重大影响的发电机，也应装设专用的失磁保护。除此之外，有的发电机还设有转子过负荷、逆功率、非全相运行等保护装置。3.2 发电机主保护设计本设计主保护采用发电机的纵差动保护。发电机纵差动保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的保护，在保护范围内发生相间短路时,应瞬间断开发电机断路器和自动灭磁开关。一般中、小型机组采用纵差动保护，带速饱和变器的电磁型差动继电器构成，大容量发电机采用带比率制动特性的差动继电器。发电机纵差动保护的动作电流应按下列两个条件确定(1) 躲过外部故障时的最大不平衡电流，继电器的动作电流为： （3-1）式中：Kk可靠系数，取1.3； Kfzq非周期分量影响系数，取1； K1x同型系数，取0.5； Id.max最大外部短路电流的周期分量。(2)在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动，当发电机在额定容量