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：

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

第1章 绪论

结合设计概括发展技术 本设计的总体思路

1

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

(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

本科生课程设计（论文）

∴ 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

7

本科生课程设计（论文）

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

8

本科生课程设计（论文）

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

9

本科生课程设计（论文）

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

本科生课程设计（论文）

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

11

本科生课程设计（论文）

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。

12

本科生课程设计（论文）

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

13

本科生课程设计（论文）

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，

14

本科生课程设计（论文）

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

15

本科生课程设计（论文）

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。

16

本科生课程设计（论文）

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。

17

本科生课程设计（论文）

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。

18

本科生课程设计（论文）

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）

19

本科生课程设计（论文）

输出量光耦电路原理为：6JB24为输出总控制端口，只用当该端口输入为“0”，与非门， U1A输出“1”时，整个开关量输出电路才能正常工作，否则，当该端口输入为“1”时，各开关量输出端口经与非门后均为“1”，光电耦合器不导通，回路被闭锁。在6JB24为“O”的前提下，当跳闸输出端口6JBl4输出为“1”时，经与非门输出为“0”，光电耦合器中发光二极管导通，三极管导通，24V电源经二极管D1至3d26，3d28端口，驱动相应的继电器；同时24V电源经二极管D8至光电耦合器PT8，二级管导通，三级管导通，输出电路监视端口6JA25对电路进行监视。

3.5电源模块

保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆变电源，即将直流电逆变为交流电，再把交流电整流为微型机系统所需的直流电压。将变电所强电系统的直流电源与微型机的弱电系统电源完全隔离开，通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰能力，对来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。本设计采用的逆变稳压电源的输入电压为直流220V，其输出有5V，供微型机系统使用，±12V供数据采集系统使用，24V供继电器回路使用。电源模理图如图3.13所示。

图3.13 电源模块原理图

第4章 软件设计

4.1软件结构分析概述

110KV输电线路零序电流保护装置是由P89C51RD单片机实现的两CPU线路保护装置。装置包括三段零序电流保护及三相一次自动重合闸。装置采用了多单片机并行

20

本科生课程设计（论文）

工作的方式，配置了两个CPU插件，分别完成零序保护及重合闸，另外配置了一块接口板，完成对各保护CPU插件的巡检、人机对话和与系统微型机连机等功能。零序电流保护包括零序I段-III段和不灵敏I段，零序三段均可由控制字整定是否经零序功率方向闭锁。可由控制字控制是否加速II、III段。振荡闭锁采用启动元件动作后短时开放的原理，即启动元件动作后的0．15秒内开放保护，若在该时间内I、II段均不动作，则将保护闭锁。零序保护不经振荡闭锁，只受启动元件的控制。三相一次自动重合闸由保护启动或由开关位置不对应启动。

4.2程序总框图

如图4．1所示软件整体流程图。本设计中，采用模块化的设计思想，软件模块主要由主程序模块、中断服务程序模块和故障处理程序模块组成。

如图4.1 软件整体流程图

21

本科生课程设计（论文）

主程序模块

主程序模块包括初始化、全面自检、开放中断与等待中断、数据传输通信等 环节。

①初始化

初始化是指保护装置在上电或按下复位键时首先执行的程序，它主要是对DSP芯片的工作方式及参数进行设置，以便在后面的程序中按预定的方案工作。首先F2812对自身的工作环境进行设置，初始化各种寄存器，按照电路设计的输入输出要求，设置每一个端口用作输入还是输出，初始化保护输出的开关量，以保证出口继电器均不动作；初始化DSP采样定时器，控制采样间隔时间等。

②全面自检

对装置的软硬件进行一次全面的自检，包括RAM、FLASH或ROM、各开关量输出通道、程序和定值等，以保证装置在投入使用时处于完好的状态。

(1)RAM的读写检查

对RAM某一单元写入1个数，再从中读出，并比较两者是否相等。如发现写入与读出的数不一致，说明随机存储器RAM有问题，则转至告警模块。并将告警信息显示在液晶显示屏上。

(2)开出自检

开出自检主要是检测开出通道是否正常，它是通过硬件开出反馈来检查的依次开出每一路开出量，并从反馈回路检查开出量是否正确。由于受启动继电器的闭锁，所以在开出每一路开出量时，保护并不会误动。

(3)整定值检查

每套定值在存入EEPROM时，都自动固化若干个校验码。若发现只读存储器EEPROM定值求和码与事先存入的定值和不一致，说明EEPROM有故障，转至告警模块，并将告警信息显示在显示器上。

③参数刷新

在经过全面自检后，应将所有的数据、标志字清零，因为每一个标志代表了一个“软件继电器”和逻辑状态，如果不清零，这些标志将控制程序流程的走向，以致无法达到预期的目的。

④开放中断与等待中断 经过初始化和全面自检后，表明装置的准备工作已经全部就绪，此时，开放中断，将数据采集系统投入工作。可编程的定时器将按照初始化程序规定的采样间隔Ts不断发出采样脉冲，控制各模拟量通道的采样和A／D转换，并在每次采样完成后向微型机请求中断，来实时监视和获取电力系统的采样信号。对保护计数器的值进行判断，该计数器用于保护起动元件动作后的6s延时计算。保护计数器不为零，说明在6s延时时间内，则进入等待中断流程；当保护计数器归零时，说明起动元件延时时间到，进入整组复归环节。

⑤数据传输通信

数据传输通信主要为串口收发数据。串口通信主要完成保护处理CPU TMS320F2812与管理CPU LPC2220处理器之间的数据通信，包括DSP到ARM的数据上传显示，ARM到DSP的数据下传整定，以及相关通信控制标志位的置位与清零等，从而实现保护动作定值的查询、修改和保存，以及动作信息报告和各种实时参数的显示等。

22

本科生课程设计（论文）

4.3中断程序模块

在保护装置开中断后，每隔一个Ts，定时器就会发出一个采样脉冲，随即产生中断请求。保护装置先暂停一下系统程序的流程，转而执行一次中断服务程序，以保证对输入模拟量的实时采集，同时，实时地运行一次继电保护的相关功能。

中断服务程序主要包括定时采样，电流求和自检，TV断线检查，以及启元件等功能。

①控制数据采集系统，将8个模拟量输入通道的模拟量输入信号转换成数字量的采样值，然后存入RAM区的相应的地址单元中。采用全波傅氏算法等微型机保护算法对各数字量采样值进行计算。

②将计算得到的各电力系统参数代入启动元件动作判据中，判断启动元件是否动作。若电力系统正常运行，保护启动元件不启动。系统进入自检程序。首先对每个采样点都检查三相电流之和是否与变压器中性点侧TA引入的零序电流3Io相等，如果不相等，则判定为采样回路出错，进行上传数据请求置位，将相应的报警信息上传给ARM。然后，系统进入TV断线检查模块，依据相应的判据对TV进行断线检查。TV断线判据如下：

[1]负序电压大于8V，负序电流小于0.1A；

[2]正序电压小于30V，相电流差突变量小于0.1A。

系统确定TV二次断线时，发出“TV断线”信号，待电压恢复正常后信号复归。在TV断线期间，相应的TV断线标志位置“1”，并通过程序安排闭锁自动重合闸。这时保护将根据整定的控制字决定是否退出与电压有关的保护。

③经过上述TV断线以及采样通道自检后，若互感器及数据采集系统均无异常，再次判断启动继电器是否动作。如果此时电力系统正常，则中断服务程序执行完毕后就回到主程序中被中断的地址处，继续循环自检。若启动继电器动作，则设置保护计数器的初始值，并通过保护计数器每次循环自减“l”来实现启动元件动作后自保持6s的时间。同时，系统修改中断返回地址和中断返回参数，使系统流程跳转至故障处理程序入口出。

④在进入中断服务程序后，若启动元件动作，则装置闭锁掉采样通道检查，TV断线检测环节，直接跳转至修改中断返回地址和修改中断返回参数环节，从而进入故障处理程序中。这样可以使CPU集中时间处理故障处理程序，以便加快保护动作。在执行故障处理程序时，定时器仍将每隔一个TS发出中断请求，以保证采样不中断。

4.4各程序的子模块介绍

4.4.1初始化

23

本科生课程设计（论文）

图4.2 初始化流程图

在初始化模块中执行的程序内容见图4.2.首先是对所有的可编程序的并行 接口的初始化，规定每一个端口用作输入还是输出，用于输出的则要赋值等。这 一步必须首先执行，否则无法通过并行口读取各开关量输入的状态。第二步是读取所有开关量输入的状态，并将其保存在RAM区规定的地址内，以备以后在自检循环时不断监视开关量输入是否有变化。接着是对装置的硬件进行一次全面的自检，包括RAM，EPROM、各开关量输出通道等。这一次全面自检不包括对数据采集系统的自检，因为它尚未工作。对数据采集系统的检测安排在中断服务程序中。在经过全面自检后应将所有标志字清零，接着进行数据采集系统的初始化，包括对定时器以及采样数据寄存区地址指针的初始化等。完成数据采集系统的初始化后，即可开放中断，程序转入振荡闭锁模块。

4.4.2启动元件

启动元件的主体由反应相间工频变化量的过流继电器实现，同时又配以反应 全电流的零序过流继电器和负序过流继电器互相补充；低周起动元件可经控制字选择投退。反应工频变化量的起动元件采用浮动门坎，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门坎，浮动门坎始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，而装置有很高的灵敏度。当外接和自产零序电流均大于整定值，且无交流电流断线时，零序起动元件动作并展宽7秒，去开放出口继电器正电源。

24

本科生课程设计（论文）

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

25

本科生课程设计（论文）

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

26

本科生课程设计（论文）

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

27

本科生课程设计（论文）

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。

28

本科生课程设计（论文）

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

29

本科生课程设计（论文）

（4）三相短路: 三个相电流差的有效值相等。

图4.8 三相短路

（5）突变量电流选相的程序流程图

故障相判别程序入口计算和比较三种相电流差的突变量|IAIB|最小|IBIC|最小|ICIA|最小|IBIC||ICIA|?N|IAIB|最小Y比较三种相电流差，找出最大者|IBIC||IAIB|?N|IAIB|最大|IBIC|最大|ICIA|最大YA相接地AB相特征最明显BC相特征最明显CA相特征最明显 图4.9 故障相判别程序流程图

4.5.4傅里叶级数算法

傅里叶算法的基本思想是来自于傅里叶级数，本身具有滤波作用。它假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外还含有不衰减的直流分量和各次谐波，

30

本科生课程设计（论文）

可表示为：

x(t)(bncos nω1tansin nω1t)

n0∞由傅氏级数原理，可以求出a1、b1分别为： a12TTx(t)sinωtdt

10 b12T于是基波分量为：

Tx(t)cos ωtdt

10x1(t)a1sinω1tb1cosω1t2Xsin(ω1tφ1)

由数学知识不难得到，对于每周期采样N次的离散采样系统，其基波电压(或电流)的有效值X为：

X22(a1b1)/22π)Nk0

N22πb1xcos(k)kNk0Nbφ1tg11a12a1NxNksin(k傅氏算法是在电力系统中应用很广的一种较好的算法，尤其是在提取基波分量时，傅氏滤波占有重要的地位。全波傅氏算法不仅能滤除所有整次谐波分量(奇次谐波不能完全滤除)和恒定的直流分量，对于非整次谐波分量和按指数衰减的非周期分量所包含的低频分量也由一定的抑制能力。由于它要求输入信号为周期函数，所以非周期函数的输入将会产生一定的误差。另外提高采样频率可以明显提高傅氏算法计算结果的精度。

基本原理：

x(t)Xsin(n1tn)(Xnsinn)cosn1t(Xncosn)sinn1t nn0n0

n0 式（4.12）

ansinn1tbncosn1t

2T2b1Ta1

T0Txtsin1tdtxtcos1tdt 式（4.13）

031

本科生课程设计（论文）

x1ta1sin1tb1cos1t2X1sin1t1 a1

对于一个任意波形的电流采样值： inTs和相位；

122X1cos1221X（ab） 111X1(a1jb1) 则： 2b12X1sin1 2tg1b1a1利用傅里叶级数算法可以计算得出该电流中基波分量的有效值

1N12a1I2ikTssink 式（4.14） Nk1NN112 b1Ii02ikTscoskiNTsNNk1

基波分量的有效值：

基波分量的相位：

I22a1Ib1I21Itg1b1Ia1I 积分可以从任意t1时刻开始，改变t1不会改变基波分量的有效值，但基波分量的初相角却会改变

2T2b1t1Ta1t1T0Txtt1sin1tdtxtt1cos1tdt0也可以把基波电流表示为实部和虚部的形式： 1(ajb)I11I1I2 式（4.15） 计算求得一个基波相量的实部和虚部参数后，可实现任意角度的移相。

＝XF11(a1jb1)(cosjsin)21（a1cosb1sin）j(a1sinb1cos)2计算求得三相基波的实部和虚部参数后，可实现对称分量滤过器的功能。

32

本科生课程设计（论文）

1a2X)F(X1AaXA11B1C 312 式（4.16） FA2(X1AaX1BaX1C)31 FA03(X1AX1BX1C) 利用傅里叶级数算法计算任意n次谐波分量电流的有效值和相位：

a1N12nIN2ikTk1ssinknN b1N1N02ikTcoskn2inIiksNNTs

1谐波分量的有效值：

a22nI

IbnIn2相位：

tg1bnInI anI

33

式（4.17） 式（4.18） 本科生课程设计（论文）

第5章 实验验证及分析

用MATLAB仿真分析系统的电流电压变化过程：采用MATLAB软件中的Simulink工具箱，先进行图形模块的建立和联接，连入测量元件示波器测量电流电压，再运行程序进行波形仿真。模块联接及仿真波形如图5.1所示：

图5.1 MATLAB仿真模块联接

5.1仿真结果及分析

图5.2 系统仿真波形

34

本科生课程设计（论文）

图5.3 系统仿真波形

系统采用中性点不接地方式时，发生单相接地故障三相间线电压仍然对称，不必马上切除故障部分，提高了供电的可靠性。但是接地电流在故障处可能产生稳定或间歇性的电弧，将危害整个电网的安全运行。

若系统改为直接接地，中性点会与故障点成短路回路，线路上将流过很大的短路电流，此时系统不能继续运行，需要迅速切除故障线路。若系统采用中性点经电阻接地，故障点电压、电流波形均得到改善。

系统采用中性点经消弧线圈接地时，由于线圈可产生感性电流，与容性电流相互补偿，减少故障的故障电流，可以提高供电的可靠性。

35

本科生课程设计（论文）

第6章 课程设计总结

本次设计的课题是110kV输电线路零序保护原理分析与程序设计，主要包括硬件结构分析；保护的软件结构分析；零序保护及自动重合闸的基本原理与整定计算；零序保护及自动重合闸的流程图和程序设计等

由于设计时间的不足和自身能力的有待提高，没能在整个系统的仿真方面有所突破。若是能利用Matlab的S-function函数和Simlink相结合的方法给整个系统进行仿真，会使设计有更好的效果。因此，以后还得继续努力学习仿真方面的知识争取有所突破。

通过这次设计，在获得知识之余，还加强了个人的独立提出问题、思考问题、解决问题能力，从中得到了不少的收获和心得。在思想方面上更加成熟，个人能力有进一步发展，本次课程设计使本人对自己所学专业知识有了新了、更深层次的认识。在这次设计中，我深深体会到理论知识的重要性，只有牢固掌握所学的知识，才能更好的应用到实践中去。这次设计提高了我们思考问题、解决问题的能力，它使我们的思维更加缜密，这将对我们今后的学习、工作大有裨益。

36

本科生课程设计（论文）

参考文献

[1]于永源，电力系统分析（第二版），北京：中国电力出版社，2004 [2]何仰赞 电力系统分析（第三版）。武汉，华中科技大学出版社，2001 [3]陈强，MATLAB 全攻略宝典，北京：中国水利水电出版社，2000 [4]祝淑萍，电力系统分析课程设计，北京，中国电雷出版社，2007 [5]梅丽凤等编著《单片机原理及接口技术》清华大学出版社2009.7 [6]许建安 编著 《电力系统微机继电保护》中国水利水电出版社2003.6 [7]陈堂等编著 《配电系统及其自动化技术》 中国电力出版社2004.8 [8]赵晶 主编《Prote199高级应用》．人民邮电出版社，2000：18-25 [9]何仰赞等 编著 《电力系统分析》 武汉：华中理科技学出版社，2002.3 [10]于海生 编著 《微型计算机控制技术》 清华大学出版社2003.4

[11]王士政主编 《电网调度自动化与配网自动化技术》中国水利水电出版社2007.3

37