微机保护设计

1基于单片机的B站微机电流速断保护设计摘要：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。继电保护（包括安全自动装置）是保障电力设备安全和防止及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。本文是针对BC段线路的电流保护设计，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保护装置，并且进行了电流保护整定值的计算和灵敏度教研，完成了芯片选型及外围电路设计，给出了软件流程图。关键词：微机保护；电流保护；继电保护；单片机；输电线路中图分类号：TM77ADeisignofMicrocomputerCurrentProtectionbasedonMCS-51Class2113,Instituteofelectricalandmechanical,AnhuiPolytechnicUniversityAbstract:Theelectricpowertookonekindofsenior,clean,convenientenergyuseform,ismoreandmorewidelyappliedineconomicsocietyinevryaspect.Thesecuritymovementofelectricalpowersystemisthemainquestionformthesystemthreat,howeverbreakdownintheelectricalpowersystemisinevitableactually.Forguaranteesthesystemsafestablemovement,theenhancementpowersupplyreliabilityandthecontinuity,needahighqualitybreakdowndiagnosticanalysissystem.Transmissionnetwork,itjoinspowersourceandthevarioustransmissiontasksthatrealizeelectricalenergywithelectricalequipment.Whentransmissionnetworkoccursthefaultofshortcircuitshort-circuitcurrentthannormalworkingcurrentalotoftimes,producehugefuelfactorandforceeffect.Thisnotonlydangerousoperationoftheoflinehasalsobroughthiddentroubletothesafelysteadyoperationofentirepowersystem.Relayprotection(includingsecurityautomaticdevice)istheguaranteeelectricpowerequipmentsafetyandtopreventandlimitofpowersystemblackoutsforalongtimethemostbasic,mostimportant,themosteffectivetechnologicalmeans.ThisarticleisaimedattheBCsectionoflinecurrentprotectiondesign,tousesinglechiphassimplestructure,lowcost,convenienttousethethree-stepcurrentprotectiondeviceofhardwarestructureandsoftwaredesignarestudied,designedaMCS-51singlechipmicrocomputerbasedtransmissionlinecurrentprotectiondevice,andthecurrentprotectionsettingvaluecalculationandsensitivityoftheresearch,completedthechipselectionandperipheralcircuitdesign,softwareflowchartaregiven.Keywords:Themicrocomputerprotection;Currentprotection;Relayprotection;Singlechipmicrocomputer;Transmissionline.1引言1.1一次接线图2QF1QF2ABCV2050KMABKMBCSB1a1b1c2a2b2cSBSBSBSBSB131619图1一次接线图微机线路保护实验装置的一次接线图如图所示，电源电压105V，最大运行方式下系统阻抗13Ω，最小运行方式下系统阻抗10Ω，正常运行方式下系统阻抗16Ω。A保护位于AB段始端，线路阻抗20Ω；B保护位于BC段始端，线路阻抗50Ω。AB段输电线路最大负荷电流0.3A，额定负荷电流0.28A。BC段输电线路最大负荷电流0.2A，额定负荷电流0.18A。1.2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。其优缺点是：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。基本原理：在电网的不同地点发生相间短路时，线路中通过电流的大小是不同的，短路点离电源愈远，短路电流就愈小。此外，短路电流的大小与系统的运行方式和短路种类也有关。在图2中：①表示在最大运行方式下，不同地点发生三相短路时的短路电流变化曲线；②表示在最小运行方式下，不同地点发生两相短路时的短路电流变化曲线。如果将保护装置中电流起动元件的动作电流Idz整定为：在最大运行方式下，离线路首端Lb·max·3处发生三相短路时通过保护装置的电流，那么在该处以前发生短路，短路电流会大于该动作电流，保护装置就能起动。对在该处以后发生的短路，因短路电流小于装置的动作电流，故它不起动。因此，Lb·max·3就是在最大运行方式下发生三相短路时，电流速断的保护范围。从图2可见，在最小运行方式下发生两相短路时，保护范围为Lb·min·2，它比Lb·max·3来得小。如果将保护装置的动作电流减小，整定为I｀dz，从图2可见，电流速断的保护范围增大了。在最大运行方式下发生三相短路时，保护范围为L｀b·max·3；在最小运行方式下发生两相短路时，保护范围为L｀b·min·2。由以上分析可知，电流速断保护是根据短路时通过保护装置的电流来选择动作电流的，以动作电流的大小来控制保护装置的保护范围。图2电流速断保护范围的确定3假如电力线路如图3所示：图3BC段线路的无时限电流速断保护在如图3所示的线路上，若故障发生在线路BC之间即K3点短路时，希望（要求）本段线路上装设的电流速断保护装置，能够根据选择性的要求使断路器3迅速动作，切除故障。1.3保护整定及灵敏度校验1﹑无时限电流速段保护整定计算在图2所示的电网中，如果在线路上装设了无时限电流速断保护，由于它的动作时间很小（小于0.1s），为了保证选择性，当在相邻元件上发生短路时，则不允许电流起动元件动作的。因此，不论在哪种运行方式下发生哪种短路，保护范围不应超过被保护线路的末端。也就是说，无时限电流速断保护的起动电流1dzI＞)3(maxdI或1dzI=Kk)3(maxdI（2-1）在式（2-1）中，Kk为可靠系数，考虑到计算)3(maxdI采用的是次暂态电流而没有计及短路电流中的非周期性分量的影响、电流继电器误差和计算误差等因素，因此它的数值取1.2～1.3。选择可靠系数kk取1.25。由于系统设计一次电流等于二次电流，接线系数为1。所以BC段电流速断保护电流整定值：87.0502013310025.13(maxdKdzJIKI(A)=I12、无时限电流速段保护的灵敏度校验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。无时限电流速断保护的灵敏度是用保护范围的大小来衡量的。对于保护相间短路的无时限电流速断保护来说，在最大运行方式下发生三相短路时，它的保护范围Lb·max·3最大；在最小运行方式下发生两相短路时，它的保护范围Lb·min·2最小。从图2可见，根据动作电流1dzI和在不同地点发生短路时的短路电流变化曲线，可以求得Lb·max·3和Lb·min·2的大小。一般要求Lb·max·3不小于被保护线路全长的50%，Lb·min·2不小15%～20%。无时限电流速断保护的保护范围也可以用解析法进行计算。在最大运行方式下保护范围Lb·max·3末端发生三相短路时，短路电流)3(maxdI与动作电流1dzI相等。即)3(maxdI=1dzI4或lxXEKlxXEXkbX1min3max1min从上式可以求得Lb·max·3=1min11xXKlKxkK(2-2)在最小运行方式下保护范围末端Lb·max·2末端发生两相短路时，短路电流)2(mindI与动作电流1dzI相等，即)2(mindI=1dzI或lxXEKlxXExkbx1min2min1max23从上式可以求得Lb·min·2=1minmax23231xXXKlKxxKK(2-3)E—系统的次暂态电势(相)；minxX—最大运行方式下的系统电抗；maxxX—最小运行方式下的系统电抗；1x—被保护线路每公里的电抗；l—被保护线路的全长(Km)。从式(2-2)可见：线路长度一定，系统容量愈大(即l一定，minxX愈小)，保护范围愈大；反之，系统容量一定，线路愈长(即minxX一定，l愈长)，保护范围愈大。从式(2-3)可见：最大、最小运行方式相差愈小(即minxX与maxxX的差值愈小)，保护范围愈大。因此，电流速断保护适用于系统容量较大，或被保护线路较长或系统运行方式变化较小的场合。BC段电流速断保护灵敏度校验：最大运行方式下三相短路3.33201387.03100R503.3366.6％最小运行方式下两相短路5.18201987.0310023R505.18=37％1.4继电保护装置的组成根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但他们都有三个基本部分组成，即测量部分、逻辑部分和执行部分。51、测量部分测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等于“0”或“1”的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。通常这一部分的硬件电路主要有模数转换芯片（A/D）或电压频率变换芯片（VFC）与数据信号处理器(DSP)或控制处理器单元(CPU)组成。2、逻辑部分逻辑部分是根据各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，是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或发出信号，并将有关命令传给执行部分。继电保护中常用的逻辑回路有或与否延时启动延时返回以及记忆等回路。3、执