1、 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 1 页 装 订 线 摘 要 本文结合零序电流和单片机的各自优点，主在阐述和论证电力系统零序电流保护原理及基于单片机的实现。 由于微机具有优越存储能力，可以方便地得到保护需要的故障分量并准确地予以保持，这是模拟式保护装置难以达到的。同时微机的强大运算能力，可以实现一些以往模拟式保护装置无法实现的复杂保护动作特性、自适应性的定值或特性改变以及良好的自检功能。同常规继电保护相比，微机继电保护更加灵活和智能。微机继电保护已经成为继电保护发展的一支主流。 零序电流保护属于小接地 电流系统的保护方式 , 它利用系统发生故障时零序电流比正常运行时大的特
2、点 , 来实现有选择性地发出信号或瞬时切断主回路电源 , 避免事故的发生。零序电流可以通过对称分量法求得，实际应用时可用电流互感器测得所需分量。 关键词 ： 微机继电保护，零序电流，单片机 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 2 页 装 订 线 Abstract In this paper, combined with the advantages of the zero-sequence current and microcontroller ,this design focuses on explain and demonstrate the power system z
3、ero-sequence current protection principles and microcontroller-based realization method. With Superior storage capacity, the microprocessor can easily get the protection needs of the fault component and accurately be maintained. This is the analog protection devices difficult to achieve. And with po
4、werful computing capability of the microprocessor, you can achieve some complex protection action such as self-adaptive fixed value or features changed, as well as good self-check function which can not be achieved in the past, analog protection device .Compared with the conventional protection micr
5、oprocessor protection is more flexible and intelligent. Microcomputer relay protection has become a mainstream of the relay development. Zero-sequence current protection is the protection of the small ground current system. It uses the characteristic of zero sequence current of the failure system bi
6、gger than normal operation. To achieve that send signal or instantaneous cut off the main circuit power supply selectively in order to avoid accidents. Zero sequence current can be obtained by symmetrical component method, It can be measured by the current transformer in practical applications. Keyw
7、ords: microcomputer relay protection, zero-sequence current, microcontroller. 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 3 页 装 订 线 目 录 摘 要 . 1 Abstract. 2 1 继电保护简介 . 5 1.1 引 言 . 5 1.2 课题的研究背景和意义 . 5 1.4 微机继电保护的发展史 . 8 1.5 课题的研究现状 . 9 1.5.1 国内继电保护现状 . 9 1.5.2 国外继电保护现状 . 10 1.6 课题的发展前景 . 10 1.6.1 计算机化 . 11 1.6.2 网络化
8、. 11 1.6.3 智能化 . 11 1.6.4 保护、控制、测量、数据通信体化 . 12 1.7 零序电流继电保护 . 12 2 电力系统继电保护 . 13 2.1 电力系统及其基本组成 . 13 2.2 电力系统继电保护 . 14 2.2.1 电力系统继电保护概况 . 14 2.2.2 继电保护的基本原理 . 14 2.2.3 继电保护装置的构成 . 15 2.2.4 继电保护的保护回路 . 16 2.2.5 继电保护的基本要求 . 16 2.3 电 力系统的相序 . 18 2.3.1 电力系统的正序、负序和零序 . 18 2.3.2 电力系统中故障和相序之间的关系 . 18 2.3.3
9、 零序的向量求解方法 . 19 3 电力系统零序电流保护 . 20 3.1 零序电流简介 . 20 3.2 零序电流产生的原因 . 20 3.3 零序电流保护简介 . 20 3.4 零序电流保护的特点 . 21 3.5 零序电流保护的原则 . 21 3.6 零序电流保护的原理 . 22 3.7 零序电流的获得 . 22 3.7.1 对称分量法 . 22 3.7.2 对称分量法原理 . 23 3.7.3 零序电流的测量 . 24 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 4 页 装 订 线 3.7.4 电流互感器 . 24 4 单片机 . 26 4.1 单片机 STC12C5A60S
10、2 的简介 . 26 4.2 单片机的 A/D转换 . 28 4.2.1 AD 转换简介 . 28 4.2.2 AD 转换试验测试程序 . 29 4.3 单片机的时间中断 . 30 4.3.1 时间中断的工作模式 . 31 4.3.2 中断服务试验程序 . 32 4.4 单片机最小系统 . 32 5 基于单片机的零序电流保护的实现 . 35 5.1 基于单片机的零序电流保护构成通道 . 35 5.1.1 概述 . 35 5.1.2 单片机数据采集构成通道 . 35 5.1.3 开关量输出电路 . 36 5.1.4 系统显示构成通道 . 37 5.2 基于单片机的零序电流保护软 件部分 . 43
11、 5.3 基于单片机的零序保护的程序流程图 . 43 5.3.1 程序主程序流程图 . 43 5.3.2 中断子程序流程图 . 44 5.3.3 系统程序如下： . 44 总 结 . 51 参考文献 . 52 致 谢 . 53 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 5 页 装 订 线 1 继电保护简介 1.1 引 言 电力系统 的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入了新的活力。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。从 20世纪 90 年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的
12、时代。 零序电流保护由于其自身固有的优点，受到很大的关注，在微机继电保护的时代趋势下，对于零序电流保护微机化的研究和论证已经显得十分必要。在中性点直接接地的电网中，接地故障占故障总次数的绝大多数，一般在 90%以上。线路的电压等级愈高，所占的百分比愈大。母线 故障、变压器差动保护范围内高压配电装置故障的情况也类似，一般也约占 70%到 80%。明显可见，接地保护是高压电网中最重要的一种保护。 因此合理配置与正确使用零序保护装置，是保障电网安全运行地重要条件。 1.2 课题的研究背景和意义 继电保护一词泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调
13、试等技术，也包括由获取电量信息的电压、电流互感器二次回路，经过继电保护装置到断路器跳闸线圈的一整套具体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。 电力系 统运行中常会出现故障和一些异常运行状态，而这些现象会发展成事故，使整个系统或其中一部分不能正常工作，从而造成对用户少送电、停止送电或电能质量降到不能容许的地步，甚至造成设备损坏和人员伤亡。而电力系统各元件之间是通过电或磁建立的联系，任何一元件发生故障时，都可能立即在不同程度上影响到系统的正常运行。因此，切除故障元件的时间常常要求短到 1/10s甚至更短。而这个任务靠人完成是不可能的，所以要有一套自动装置来执行这一任务。继电保护的作用
14、不只限于切除故障元件和限制事故影响范围（这是首要任务），还要保证全系统的安全稳 定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，实现微机保护装置的网络化。这样，继电保护装置能够得到的系统故障信息愈多，对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确，大大得提高了继电保护的保护性能和可靠性。 随着自动化技术的发展，电力系统在正常运行、故障期间以及故障后的恢复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。这些控制操作的技术与装备大致可以分安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 6 页 装 订 线 为二大类： 其一是
15、为了保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术和装备，主要 进行电能生产过程的连续自动调节，动作速度相对迟缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中的一部分作为调节对象，这就是通常理解的“电力系统自动化（控制）”； 其二是当电网或电气设备发生故障，出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与装备，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理解的“电力系统继电保护与安全自动装置”。 在大电流接地系统（中性点直接接地）中，发生单相接地故障时，接地短路电流很大，就有零序电流、零序电压和零序功率出现，利用这些电量构成保护接地短路的继电保护 装置，统称为零序保护。三相
16、星形接线的过电流保护虽然也能保护接地短路，但其灵敏度较低，保护时限较长。采用时序保护就可以克服这些不足。 1.3 电力系统继电保护发展简史 继电保护是随着电力系统的发展而发展起来的。 20 世纪初随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统的保护，这时期是继电保护技术发展的开端。最早的继电保护装置是熔断器。从 20世纪 50 年代到 90 年代末，在 40 余年的时间里，继电保护完成了发展的 4个阶段，即从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置、到集成电路继电保护装置、再到微机继电保护装置。 电力系统发生短路时不可避免的，伴随着短路，则电流增大。为避免发电机被烧坏，最早采用熔断器串联于供电线
17、路中，当发生短路时，短路电流首先熔断熔断器，断开短路的设备，保护发电机。这种保护方式，由于简单，时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量增大，电网的接线日益复杂，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于 1890 年后出现了直接装于熔断器上反应一次电流的电磁型过电流继电器。 19世纪初，继电器才广泛应用于电力系统保护，被认为是继电保护技术发展的开端。 1901 年出现了感应型过电流继电器。 1908 年提出了比较被保护元件二端电流的电流差动保护原理。 1910 年方向性电流保护开始应用，并出现了将电流与电压相比较的保护原理，导致了 1920 年后
18、距离保护装置的出现。随着电力线载波技术的发展，在 1927 年前后，出现了利用高压输电线载波传送输电线路二端功率方向后电流相位的高频保护装置。在 1950 年前后诞生了行波保护装置。 1980 年左右反应工频故障分量（或称工频突变量）原理的保护被大量研究， 1990 年后该原理的保护装置被广泛应用。 与此同时，随着材料、器件、制造技术等相关 学科的发展，继电保护装置的结构、型式和制造工艺也发生着巨大的变化，经历了机电式保护装置、静态继电安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 7 页 装 订 线 保护装置和数字式继电保护装置三个发展阶段。 机电式保护装置由具有机械转动部件带动触点开
19、、合的机电式继电器如电磁型、感应型和电动型继电器所组成，由于其工作比较可靠不需要外加工作电源，抗干扰性能好，使用了相当长的时间，特别是单个继电器目前仍在电力系统中广泛使用。但这种保护装置体积大、动作速度慢、触点易磨损和粘连，难于满足超高压、大容量电力系统的需要。 20 世纪 50年代，随着晶体管的发展，出现了晶体管式 继电保护装置。这种保护装置体积小、动作速度快、无机械转动部分、无触点。经过 20 余年的研究和实践，晶体管式保护装置的抗干扰问题从理论和实践上得到满意的解决。 20世纪 70 年代，晶体管式保护装置在我国被大量采用。集成电路技术的发展，可以讲众多的晶体管集成在一块芯片上，从而出现
20、了体积更小、工作更可靠的集成电路保护。 20世纪 80年代后期，静态继电保护装置由晶体管向集成电路式过渡，成为静态继电器的主要形式。 20 世纪 60年代末，已有了用小型计算机实现继电保护的设想，但由于小型计算机当时价格昂贵，难于实际采用。由 此，开始了对继电保护计算机算法的大量研究，为后来的微型计算机式保护的发展奠定了理论基础。随着微处理器技术的快速发展和价格的急剧下降，在 20世纪 70年代后期，出现了性能比较完善的微机保护样机并投入系统试运行。 20世纪 80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟。进入 90 年代，微机保护已在我国大量应用，主运算器由 8位机、 16 位机，发展
21、到目前的 32位机；数据转换与处理器件由模数转换器（ A/D）、电压频率转换器（ VFC），发展到数字处理器（ DSP）。这种由计算机构成的继电保护称为数字式继电保护。这种保护可用相 同的硬件实现不同原理的保护，使制造大为简化，生产标准化、批量化，硬件可靠性高；具有强大的存储、记忆和运算能力，可以实现复杂原理的保护，为新原理保护的发展提供了实现条件； 随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，人工智能技术如人工神经网络、遗传算法、进化规模、模糊逻辑等相继在继电保护领域的研究应用，继电保护技术向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展。 19 世纪的最后 25年里，作为最早的继电保护装置熔断
22、器已开始应用。电力系统的发展，电网结构日趋复杂，短路容量不断增大，到 20 世纪初期产生 了作用于断路器的电磁型继电保护装置。虽然在 1928 年电子器件已开始被应用于保护装置，但电子型静态继电器的大量推广和生产，只是在 50 年代晶体管和其它固态元器件迅速发展之后才得以实现。静态继电器有较高的灵敏度和动作速度、维护简单、寿命长、体积小、消耗功率小等优点，但较易受环境温度和外界干扰的影响。 1965 年出现了应用计算机的数字式继电保护。大规模集成电路技术的飞速发展 ,微处理机和微型计算机的普遍应用 ,极大地推动了数字式继电保护技安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 共 53页 第 8 页 装
23、订 线 术的开发，目前微机数字保护正处于日新月异的研究试验阶段，并已有少量装置正式运行。 目 前随着电力系统容量日益增大，范围越来越广，仅设置系统各元件的继电保护装置，远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统全局出发，研究故障元件被相应继电保护装置的动作切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复其正常运行等。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减到最短。此外，机、炉、电任一部分的故障均影响电能的安全生产，特别是大机组和大电力系统的相互影响和协调正成为电能安全生产的重大课题。因此，系统的
24、继电保 护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉等设备的承变能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护，还应研究、推广故障预测技术。 1.4 微机继电保护的发展史 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
25、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，可靠性、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
26、，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，为微机保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、发电机保护安徽工业大学 毕业设计
27、（论文）说明书 共 53页 第 9 页 装 订 线 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。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面
28、也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中。 1.5 课题的研究现状 中国的电力系统的发展是随着电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展而不断发生形式和内容上的变革，在过去的 50余年的时间里完成了机电式继电保护、晶体管继电保护、集成电路保护和微机继电保护四个历史阶段，微机继电保护技术的 成熟与发展是近三十年来继电保护领域最显著的进展。微机保护具有自检功能，强大的综合逻辑处理能力、数值计算能力和记忆能力，并目具备很强的数字通信能力，这一切都是电磁继电器、晶体管继电器所难以匹敌的。日前，高压线路、低压网络、各种主电气设备都有相应的微机保护装置在系统中运行，并得到广泛应用。到 2003 年底， 22
29、0kV 以上电力系统的微机保护己占到百分之70.29，线路的微机化率达到百分之 97.6。实际运行中，微机保护的正确动作率要明显高于其它保护，一般比平均正常动作率高 0.2 到 0.3 个百分点。国产微机保护经过多年 的实际运行，依靠先进的原理和技术及良好的工艺己全面超越进口保护。经过长期的研究和实践，现在人们己普遍认可了微机保护在电网中无可替代的优势。 1.5.1 国内继电保护现状 电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入新的活力，因此，继电保护技术得天独厚，在 40 余年的时间里完成了发展的 4 个历史阶段。建国
30、后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约 10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过 的道路。 20 世纪 50 年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起到了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。因而在 20世纪 60年代中期我国己建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发安徽工业大学 毕
31、业设计（论文）说明书 共 53页 第 10 页 装 订 线 展奠定了坚实基础。 20世纪 50年代末，晶体管继电保护己开始研究。 20世纪60 年代中期到 20世纪 80年代中期是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代，其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的 500 kV 晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝500kV 线路上，结束了 500 kV 线路保护完全依弃从国外进口的时代。在此期间，20 世纪 70 年代中期，基于集成运算放大器的集成电路保护己开始研究，到 20世纪 70 年代末集成电路保护己形成完整系列，逐渐取代晶体管保护，到 2
32、0 世纪90 年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。在这方面南京电力自动化研究院研制的集成电路工频变化量方向高频保护起了重要作用，天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条 220 kV 和 500 kV 线路上运行。我国 20世纪 70年代末己开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了小同原理、小同刑式的微机保护装置。 1984 年原东北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定
33、，并在 系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，关于发电机失磁保护、发电机保护和发电机 变压器组保护、微机线路保护装置、微机相电压补偿方式高频保护、正序故障分量方向高频保护等也相继通过鉴定，至此，不同原理，不同机型的微机线路保护装置为电力系统提供了新一代性能忧良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。 到 90年代，随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方而也取得了很多理论成果，此时，我国继电保护技术进入了微机保护的时代 。 1.5.2 国外继电保护 现状 国外的继电保护已经走过了一个多世纪的历程。上世纪 90年代，随着微机保护的发展，不断有新的改善继电保护性能的原理和方案出现，这些原理和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求由于集成电路和计算机技术的飞速发展，微机保护装置硬件的发展也十分迅速，结构更加合理，性能更加完善。近年来，与微机保护领域密切相关的其它领域的飞速发展给微机保护带来了全新的革命。国外微机保护发展了近 15 年，经历了三代保护设计上的更新换代，并以微处理器技术与多种已被提出并被可靠证明和广泛应用的算法相结合为基础，不断为新型微机 保护的开发和完善创造着良好的实现条件。 1.6 课题的发展前景 继电保护技术末来将向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数
