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110kV输电线路微机保护的初步设计

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于方舟王自桥

摘要：本文利用STC12C5A60S2单片机为主机，初步设计出了一套微机继电保护系统。依据模块化的设计思路，将硬件区分成各个功能模块，包括数据采集模块、开关量输入输出模块、人机接口模块、电源模块和CPU主系统模块，各模块分别实现不同功能并互相配合。同时，选取适当的算法，对输入电气量的采样数据进行分析、运算和处理，从而实现了对于110kV输电线路的微机距离保护。

关键词：输电线路;微机保护;STC12C5A60S2;设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.150

0 引言

在当今世界，电能已发展为最主要的能源之一，几乎融入到人类一切的日常活动中。等级逐渐提高的电网电压，以及日益增加的负荷，都使得输电安全成为了一项重要的研究课题。

继电保护作为电力系统重要的一部分，担负着整个电网安全、平稳和可靠运行的责任。伴随着电力系统的高速发展和人们对电能质量的严格要求，为了实现输电线路的安全可靠运行，必须对其实施性能较高的微机保护[1]。因此，本文对于输电线路微机保护的设计和研究，具有十分重要的理论意义和现实意义。

1 系统总体概况

硬件电路作为整个微机保护系统的基础，其设计的好坏，直接影响到微机保护装置功能的实现与否，软件的设计同样起着决定性的作用。微机保护系统具体可分为数据采集模块、开关量输入输出模块、人机接口模块、电源模块以及CPU主系统模块等基本部分[2]，其结构框图如图1所示。

（1）数据采集模块：该模块输入端为各模拟电量，可利用该模块将其转化为待处理的数字量。

（2）开关量输入输出模块：主要进行系统外开关量输入和人机交互、闸间保护、显示信息及告警功能等。

（3）人机接口模块：微机继电保护的人机接口主要是键盘输入、显示模块与CPU接口电路。

（4）电源模块：微机保护系统的电源负责逆变功能，对交流电量进行整流，获得CPU系统要求输入的直流电压。

（5）CPU主系统：该系统对数据采集模块输出的电量进行判断和分析，从而实现继电保护功能和协调功能。

（6）算法：在输电线路微机保护中，需要在实时性的前提下，快速而精准地读取系统各部分的电压、电流、功率等信息，这就要通过算法把信号的有关特征电量计算出来。

2 系統的硬件设计

2.1 CPU主系统模块

CPU主系统是整个微机保护硬件系统的核心部分，负责保护数据的采集、计算、逻辑判断和保护动作[3]。在51系列中，国产STC公司生产的1T增强系列获得了广泛的应用。例如，STC12C5A60S2就属于宏晶公司自主研发的新一代1T单片机，其指令代码可兼容传统的8051，速度要快8-12倍，且涵盖了MAX810专业的复位电路，两个PWM电路，以及八路快速的十位A/D电路。

综上所述，本设计采用STC12C5A60S2作为保护控制芯片，其管脚及时钟电路、复位电路如图2所示。其中，时钟电路的提供方法采用无源晶振，即利用外部无源晶振和芯片内部的振荡电路组成并联谐振电路，从而产生时钟信号，电容一般选取10～30pF。

2.2 数据采集模块

微机保护中，一般需要输入信号为、或等范围内的各电压信号。本设计以110kV输电线路距离保护为例，模拟量一般设置为、、、、、、总共七个模拟量[4]。在采集电路前端采用LV-20P型电压互感器，可知其原边的电流电压数值，，且变比K为2500：1000。输入该电压互感器原边电压的最大有效值约为64V，故原边的串联电阻值。为形成0～3V范围内的电压，要在电压互感器副边并联一个电阻，，此处选择36。第一级运算放大器构成电压跟随器，第二级运算放大器构成一种同相加法器，将经电压跟随器传送来的电压信号整体向上平移，使其满足微机系统的信号输入要求，并在输出端接有过压保护二极管[5]。其输入输出电压的公式可表示出：

2.3 开关量输入输出模块

本次设计采用了4组24V的开关量输入电路，每组均装设光电耦合器。当系统外的接点处于连接状态，光电耦合的二极管相应导通，晶体管随之连通，集电极此时产生低电位;当外部触点断开，集电极将产生高电位。CPU通过并行口的状态，便可获得外部触点的状态。此外该电路中，二极管起保护作用，不但有效防止外部干扰高电压信号的串入而击穿光电耦合器，还可加速继电器的返回;电容为抗干扰电容，仅为几皮法可大大削弱输入回路的干扰信号;输入电阻、主要用于限制输入电流，其值可由下式确定：

式中，为光电耦合器输入二极管的正向压降，一般为0.9～1.1V，此处选用1V;输入电流I可取5mA，代入式（3）算得，如图4所示。

要想增加开关量输出电路的可靠度，提高抗干扰性能，也应在数据输出端和继电器间采用光电耦合器。此外，任何一路的输出均使用了两条并行输出线和与非门，用来控制开关量输出电路，可加强驱动力，抑制了干扰产生的误动。图中两路输出P2.4和P2.5中，一路经反相器，一路不经反相器，使得两个相反的条件互相制衡，能预防拉合直流电源时继电器产生的误动[6]。电阻可由外接电源值除以输入电流值来确定，如图5所示。

2.4 人机接口模块

为了简化操作，保护系统的键盘数量应当尽量少。本设计采用4个独立式按键，通过按键对液晶显示器进行菜单操作，如对装置进行定值、保护方式设置等，也可通过按键直接进行合分闸操作。由于只需要少量按键，因此可用最简单的独立式键盘电路，每个按键经上拉电阻连接+5V电源，简化了电路，使得键盘程序更简便易行，如图6所示。

显示器选用了OCMJ型中文液晶模块，驱动电压+5V。该系列的液晶显示器具有位点阵和字节点阵两种图形显示功能，标准用户硬件接口采用REQ/BUSY握手通讯协议，简单可靠。如图7所示。

2.5 电源模块

采用了逆变稳压电源，总共三组稳压电源：+5V供给CPU系统使用，12V供给数据采集模块使用，+24V则供给起动、跳闸、信号及报警继电器[7]。各输出电源设有发光二极管作正常运行指示信号，输入正、负220V各采取双LC滤波措施，以增加其抗干扰能力，如图8所示。

3 算法选择

分析评估不同的算法优缺点，主要考虑精度和速度。实际情况下，输电线路产生故障时电路电压和电流会发生变化，不是纯正弦量。本身具有数字滤波作用的交流采样算法基于周期函数模型，可准确求出基波谐波分量，包括傅立叶算法和沃尔什函数。其中，全波傅立叶算法原理简易，计算精度高，在滤波、稳定度和精度上都有很强优势，因此在微机保护中得到广泛使用[8]。本设计结合距离保护的原理，经过综合考量，采用了全波傅立叶算法。

傅立叶算法假定待处理的各信号为周期性，即为恒稳直流、基波以及各谐波量，如下式：

式中，表示n次输入谐波量振幅的实部;表示n次输入谐波量振幅的虚部;表示n次输入谐波量振幅的有效值;表示n次输入谐波量振幅的相角。

为了缩小衰减直流分量对于傅立叶算法的影响，可以在算法前增加一次差分滤波环节。不但可削弱直流分量，并在可控范围内上减轻衰弱的非周期分量，并且当基波信号频率相对额定值偏离时，单独的一次差分对清除衰减非周期分量具有较好的效果，得到的基波的幅值与实际值最为接近。

4 结语

微机继电保护是当今电继电保护领域的前进方向，具备传统保护方式无法替代的优势。本文以110kV输电线路的距离保护为例，完成了微机继电保护的初步设计，还存在诸多待改进的地方，如在硬件设计中，还可附加以太网通信和报警电路等。

参考文献：

[1]张敏.浅谈微机继电保护的优点及抗干扰措施[J].中国设备工程，2018（16）：177-178.

[2]于群，曹娜.电力系统微机继电保护[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]周伟锋.35kV变电站及输电线路运行维护及微机保护探讨[J].低碳世界，2017（22）：74-75.

[4]曲骅.智能电网中继电保护技术的应用[J].电工技术，2016（12）：12-13.

[5]周陽.微机继电保护测试系统[J].科学技术创新，2017（21）：13-14.

[6]李惜玉，梁嘉明，梁尚达等.基于220kV变电站的线路微机继电保护特性研究[J].计量与测试技术，2015（12）：7-9.

[7]仁奎，闫冉.110kV变电站继电保护故障及应对措施[J].电子技术与软件工程，2018（21）：206.

[8]刘军，慕晓静，谭港.基于误差补偿傅里叶算法的微机继电保护[J].青岛科技大学学报，2013（04）：431-435.

作者简介：于方舟（1996-），男，山东泰安人，硕士研究生在读，研究方向：电气工程。

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