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1、 发电机微机保护系统设计分析与设计 摘要：本篇是针对发电机微机保护进行分析和设计的。全文包括硬件和软件两个部分，共分为六个章节。研究了微机保护硬件系统中的输入信号的预处理系统和开关量输入/输出系统。针对微机保护硬件系统中的单片机系统进行分析与设计，其中设计的重点主要是芯片的选择和扩展。软件部分详细阐述了发电机微机保护的原理和算法，从而确定出最适合的保护算法。另外还给出了与发电机保护的原理及算法相配合的数字滤波措施。这些设计完全满足工程实践需求。关键词：发电机，保护，硬件，软件，算法。Abstract: This passage is analyzed and designed in accor
2、dance with the generator microcomputer protection. The full text includes two parts-hardware and software, and is divided into six chapters altogether. The general situation of Development and the characteristic of microcomputer protection were firstly introduced. Then it is introduced the pretreatm
3、ent system for input signals and the input/output system for the switch signals; The third chapter is about the analysis and the design of the computer system to the hardware system for the protection based on microcomputer ,and among them the chief part is the selection and expansion of chips. Thes
4、e are the hardware parts about the generator microcomputer protection. And the most fit protection algorithm is defined by way of analyzing and introducing the principle and the algorithm to the microcomputer protection for generators; The digital filtering measures, which cooperates with the princi
5、ple and the algorithm of generator microcomputer protection introduce with the electric generator protection ,is chiefly introduced; The master routine of generator microcomputer protection, the procedure for interrupt service and the block diagram for trouble processing are simply introduced in the
6、 6th chapter. These three chapters are divided as the software parts of electric generator microcomputer protection.Keywords: Generator, Protection, Hardware, Software, Algorithm.一、概述微机保护的硬件大体上可分为：电源、模拟量输入、数字量输入输出和计算机。电源的作用是将交流220伏或110伏直流电压变换成能满足微机系统各部分要求的弱电电压。电源部分可直接采用现成的电源插件：IM9041335。从电压电流互感器二次测出
7、来的模拟信号经过电压形成回路转变为微机保护所需要的信号。为防止采样失真，在采样前先经过二阶RC低通滤波器滤去高频信号。本篇论文采用80C196单片机和模数转换器来完成16路模拟数据采样和模数变换。本篇论文用并行口输出的数字量来实现对以下六个继电器：KCOA、KCOB、KCOC、KST、KCOR、AXJN的控制。这六个继电器分别为A相B相C相出口继电器和启动继电器、永跳继电器和报警继电器。当出口继电器发生故障时可以启动永跳继电器进行跳闸。这六个继电器的触点和纵差、横差保护硬压板作为内部开关量引入并行接口。直流励磁回路和交流三相四个断路器的触点作为外部开关量经光电隔离后引入并行接口。计算机部分采用
8、6264和2864A来扩展80C196KC单片机。采用8255来扩展并行口。软件部分选用全周波傅氏算法来提取所需要的谐波信号，在此基础上又选用了对称分量傅氏算法来求出序分量。但是全周波傅氏算法对衰减的非周期分量不起滤波作用，为了抑制这种非周期分量本次设计又采用了差分滤波。同时为降低保护定值和提高灵敏度，还采用了零点滤波器。二、发电机微机保护系统设计2.1电源模块的设计保护装置电源可选用逆变开关电源，它提供了三组稳压电源：5V供CPU等芯片电源。15V供运算放大器等需15V的芯片使用。24V用作启动、跳闸及信号、告警继电器电源。这三组稳压逆变电源均不接地，采用浮空方式，同外壳也不相连，而且输入2
9、20V采用双LC滤波措施，以增加其抗干扰性能。各输出电源设有5V、+15V、15V、24V的发光二极管作正常运行指示信号，面板上还设有各路电源测试的连接插孔及电源控制开关。2.2 模拟量输入从电流互感器、电压互感器二次测所取得电流和电压量与微机保护所需的不相符合，需要输入电压形成回路进行变换。交流电压信号可采用电压变换器，交流电流可采用电流变换器。电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的频率成分，如果要对所有的高次谐波成分均不失真的采样，那么其采样频率就要取得很高，这就对硬件速度提出很高的要求，使成本增高，这是不现实的。实际上，目前大多数微机保护原理都是反映工频分量的，或者是反映某种高次
10、谐波，故可以在采样之前将最高频率分量限制在一定频带之内，即限制输入信号最高频率，以降低，一方面降低了对硬件的速度要求，另一方面对所需的最高频率信号的采样不至于发生失真。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），将以上的频率分量滤去即可。设计中可采用二级RC滤波器，当RC时间常数选择较大时，在整流滤波中可滤除全部交流成分，而只剩下直流成分。因此，只要恰当调整RC时间常数，二级RC滤波器就可成为低通滤波器。此时截止频率可设计为，以限制输入信号的最高频率，而较低的频率信号就能顺利地通过。从低通滤波器出来的信号再被输入采样保持电路。 采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测
11、量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并将其记忆下来供模数变换用。但模数转换器价格昂贵，功耗也大，经济性差。对于反映两个量以上的继电保护（如方向、阻抗等），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。为此，把所有采样保持器的逻辑输入端并联后由一个定时器同时供给采样脉冲，从而保证了同时采样和依次模数变换的要求。由于保护装置所需同时采样的电流和电压模拟量不会很多，只要模数变换器的转换速度足够高，在一个采样周期的保持周期的保持时间内上述各种模拟量依次模数变换的要求是能够满足的。本次硬件部分采用MCS-96系列的80C196KC单片机和ADC0809模数转换器。80C196KC单片机是Inte
12、l公司推出的高性能、低功耗的CHMOS 16位单片机中的增强型。它和ADC0809芯片一样，都有8路转换开关和逐次采样模数变换器构成。这样可引入16路的模拟信号，已完全能满足微机保护的数据采集和模数转换的任务。2.3 开关量输入与输出电路本次保护装置采用6个继电器，而发电机纵差和横差保护都设有硬压板，其触点也应作为内部开关量引入。故需接入的内部开关量有8个。在初始化时设定可编程并行口的工作方式，则微机保护可通过软件查询或中断方式，获取外部接点状态。 外部开关量是从微机继电保护的外部，通过接线端子排引入装置的接点的。本次所做的发电机保护直流励磁电路有一个断路器，交流有三相需三个断路器，这些断路器
13、的辅助触点都应该作为外部开关量接入电路。这将给微机引入干扰，因此应将开关量回路与微机并行接口回路相隔离，这就需要光电隔离。在微机继电保护中，由微机发出的开关量形式的数字信号主要用于保护跳闸及其它控制。开关量输出回路一般采用并行输出端口来控制有接点的继电器进行跳闸。为了提高干扰能力，都要进行光电隔离。本篇论文采用了六个继电器：KCOA、KCOB、KCOC、KST、KCOR、AXJN。这六个继电器分别为A相B相C相出口继电器和启动继电器、永跳继电器和报警继电器。当出口继电器发生故障时可以启动永跳继电器进行跳闸。为完成微机保护的任务，还需将发电机各保护的整定值输入微机。可用键盘输入，然后将其固化在E
14、EPROM中。本次设计采用2864A，因此在改写过程中，可用查询方式来判断改写是否完成，以免造成数据改写出错。整定值在2864A中。为了确保继电保护定值写入2864A中应存入的内存单元，在微机继电保护装置面板上设置了定值区码轮拨开关，从0到9分别对应10个不同的定值区，定值区的编码由拨轮开关输出四根引线形成BCD送至8255并行扩展口。保护CPU通过8255并行口查询拨轮开关的四位BCD码，从而确定定值区号。在整定值输入前，由接至8255的C口的数据线PC4PC7先指示出输入的继电保护整定值在2864A中应该存储的存储区，然后再通过键盘输入整定值。2.4 人机接口与通讯电路在本次设计中的CPU
15、需兼任接口与保护两项任务。为了减轻保护CPU的负担，由可编程键盘、显示器专用接口芯片8279来完成键盘、显示器与保护CPU的接口任务。Intel 8279能同时完成键盘和显示器两种控制功能。可对键盘进行自动扫描，并识别出闭合键的键值；能自动向LED显示器输出显示字符的段选码和位选码，实现动态扫描，可代替CPU来完成键盘和显示器的控制，减轻了CPU的负担，而且显示稳定，不会出现按键误动。采用28键盘，数字键为09，命令键为A、B、C、D、E、F。8279的引脚经3-8译码输出，再经BIC8708驱动器输出作为LED的位选码，同时其输出作为键盘行扫描输出线。计算机要与外部交换信息就要具有通讯功能。
16、本次微机保护设计保护CPU与接口CPU为同一个CPU，因此就不用接口CPU与保护CPU之间进行通讯，而只设计出了人机接口与系统机PC机和CPU接口的通讯。选用RS-232C作为数据通讯标准。本次设计采用集成芯片MAX232来完成TTL电平与RS-232C电平之间的相互转换。MAX232是一种新型的芯片，可以实现TTL电平与RS-232C电平的相互转换，且其内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V电源便可工作，使用十分方便。若需要进行远程通讯可借用现成的公用电话网，可通过调制解调器MODEM。在发送端把数字信号转换为模拟信号，在接收端再把数字信号恢复出来。2.5微机保护主系统设计因为单片机80C
17、196KC的内部EPROM/ROM为16K字节 ，内部RAM为488个字节，在这篇设计中只扩展数据存储器RAM、电可擦除可编程只读存储器EEPROM和并行接口。6264RAM和2864AEEPROM容量均为8K8位可同时进行扩展，采用片选法加入反向器74LS04，用A14控制片选信号。为完成一些较复杂的输入输出，本次设计采用可编程并行接口芯片8255A来扩展并行口。2.6微机保护的算法针对发电机可能发生的故障类型及不正常运行状态进行分析，应设置以下保护：纵联差动保护、横联差动保护、基波零序电压和三次谐波电压共同构成100%定子接地保护、发电机过负荷及过流保护、发电机励磁回路一点接地和二点接地保
18、护和发电机的失磁保护。保护的原理决定了采用的算法。在这篇论文中，我们采用了基波零序电压和三次谐波电压共同构成100%定子接地故障的保护，这就需要将三次谐波电压提取出来。而采用傅氏算法，便可以很容易导出的三次谐波分量的实部和虚部及三次谐波正余弦项幅值。而且傅氏算法本身具有滤波作用，能完全滤掉各种整数次谐波和纯直流分量，对非整数次高频分量和按指数衰减的非周期分量包含的低频分量也有一定的抑制能力。在采用横联差动保护作为发电机内部匝间短路的主保护时需检测发电机定子多分支绕组的零序不平衡电流中的基波成分。负序过流保护按发电机长期允许的负序电流下能可靠返回的条件进行整定，而负序过负荷由发电机转子表面所允许
19、的负序过流能力确定。定子接地故障是利用基波零序电压和三次谐波电压共同构成的。为了采用这些序分量做判据来检测电力系统故障，就需要求出零序和负序分量。因此本篇论文在全周波傅氏算法基础上选用了对称分量傅氏算法。2.7数字滤波器在微机继电保护的算法中所用数据均是将输入模拟量进行数字化处理后的采样值。对于满足采样定理的诸多低频信号，经采样转换后其成分很复杂。它们对继电保护的有用特征量构成极大的干扰，必须设计相应的数字滤波器从中滤出不需要的各种分量，而提取有用频率成分的采样信号。为了使保护保护能够快速对被保护对象的故障做出反应，采用用非递归型数字滤波器。本篇论文我们选用全周波傅氏算法，虽然傅氏算法本身具有
20、滤波作用，但它对衰减的非周期分量不起滤波作用，还应考虑采取措施对中的衰减非周期分量进行抑制。本次采用差分滤波器来抑制非周期分量，而且差分滤波器还可以消除直流分量。发电机正常运行时，接于两中性点之间的横联差动保护，不平衡电流主要是基波。在外部短路时，不平衡电流主要是三次谐波成分，为降低保护定值和提高灵敏度，保护中还应增加三次谐波阻波功能。本次采用零点滤波器来滤除三次谐波来防止保护误动。三、结束语本篇论文是从选课题的要求出发，从发电机微机保护的硬件和软件两个方面着手进行分析和设计。（1）首先是硬件部分。微机保护的硬件大体上可分为：电源、模拟量输入、数字量输入输出和计算机。从电流互感器和电压互感器二
21、次回路出来的信号首先经过电压形成回路变换为符合要求的电压信号，再通过模拟的通滤波器和采样保持电路进行滤波和采样，之后经过多路转换开关和模数转换才可以变成计算机所需的数字信号。为了对发电机最基本的故障进行保护，需采集16路模拟量。而80C196KC片内集成了模拟采集模块，该模块包括一个八通道的模拟多路开关，采样电路以及模数转换器。因此本次设计采用了80C196KC和一块八通道的模数转换器ADC0809，并对80C196KC进行必要的扩展。而开关量的输入和输出只需再采取一定的措施后输入或引出并行口即可。（2）在软件部分，本篇论文选用全周波傅氏算法来提取所需要的谐波信号，在此基础上选用了对称分量傅氏
22、算法来求出序分量。但是全周波傅氏算法对衰减的非周期分量不起滤波作用，为了抑制这种非周期分量本次设计又采用了差分滤波。同时为降低保护定值和提高灵敏度，还采用了零点滤波器。保护的原理决定了采用的算法，而数字滤波器和微机保护的算法是配合使用的，这就是本篇文章软件部分分析与设计的依据。参考资料1郑贵林，王贵娟.现代继电保护概论.武汉大学出版社,2003.2陈生贵，卢继平，王维庆，施怀瑾.电力系统机电保护.重庆大学出版社，2003.3杨新民, 杨隽琳. 电力系统微机保护培训教材. 中国电力出版社,2000.4李佑光, 林东. 电力系统继电保护原理及新技术. 科学出版社,2003. 5杨奇逊，黄少锋.微型机继电保护基础.中国电力出版社.2005.6罗钰玲，吕铁民，陈家瑂，陈霖.电力系统微机继电保护.人民邮电出版社，2005.7孙和平，杨宁，白晶.单片微机原理与接口技术.冶金工业出版社，2003.8康华光，邹寿彬.电子技术基础.高等技术出版社，2003.9杨凌霄，李玉玲.微型计算机原理及应用.中国矿业大学出版社，2004.10余发山.单片机原理及应用技术.中国矿业大学出版社,2003.
