10KV線路微機保護裝置軟件的設(shè)計論文 (2)

1、. . . 畢業(yè)生畢業(yè)論文題目:10KV線路微機保護裝置軟件設(shè)計41 / 45摘 要在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，繼電保護裝置是保證電力系統(tǒng)安全運行和提高電能質(zhì)量的重要工具，而且，電力系統(tǒng)的規(guī)模在不斷擴大，用戶對電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。因此，對繼電保護裝置本身的要求也越來越高。本設(shè)計的主題是10kV線路微機保護裝置的軟件。本文首先簡要介紹了電力系統(tǒng)微機繼電保護的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、技術(shù)特點與其發(fā)展方向。接著介紹了線路保護的原理，然后詳細(xì)論述了線路保護裝置中采用的保護、測量算法進行了詳細(xì)論述。本設(shè)計針對10kV線路微機保護裝置的軟件，對微機保護裝置進行了軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計，對各個模塊的功能做了具體介紹。設(shè)計了主程

2、序、A/D采樣、鍵盤、液晶顯示、通信程序的流程圖，針對一些模塊運用C語言進行了編程。關(guān)鍵詞:繼電保護； 微機保護； 線路保護TitleSoftware Design For 10KV Line Microcomputer Protective Device AbstractProtection relay is the most important tool to make the power system work safely and improves the quality of power energy. With the expansion of the power system a

3、nd the consumer raising higher requirement for quality of power energy, the protection relay must be improved greatly and fulfill the high requirement.The design theme is 10kv microcomputer circuit protection device software. This article briefly introduces the development of power system relay prot

4、ection history, present situation, characteristics and development. Then introduced the principle of line protection and line protection devices are discussed in detail the use of protection, measurement algorithm in detail.10kv microcomputer circuit designed to protect the software, the microcomput

5、er protection device of software structure design, the function of each module of introduced concretely. Design the main program, A/D sampling, keyboard, LCD display, communication program flowcharts, in view of some modules using C language programming.Key Words： Protection relay; Computer-based pr

6、otection; Line protection目 次1 緒論11.1 論文選題的背景與意義11.2 繼電保護的國外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3 本設(shè)計的主要容22 線路繼電保護原理和算法42.1 繼電保護裝置的基本功能概述42.2 線路故障分類與其原因52.3 繼電保護的原理與算法63 線路保護裝置的算法分析與軟件設(shè)計133.1 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計133.2 保護裝置的采樣算法153.3 主程序設(shè)計173.4 故障處理與AD交流采樣程序設(shè)計183.5 液晶顯示程序設(shè)計193.6 鍵盤設(shè)計224 CDT規(guī)約與其設(shè)計254.1 電力系統(tǒng)通訊規(guī)約254.2 CDT規(guī)約與其設(shè)計25結(jié)論30參考文

7、獻32附錄A 濾波器算法程序代碼33附錄B 微機保護傅氏算法程序33附錄C 鍵盤掃描程序35附錄D 液晶顯示程序36附錄E RS232串口通信程序（接收和發(fā)送）421 緒論1.1 論文選題的背景與意義現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個巨大的統(tǒng)一的整體，系統(tǒng)中的裝置以與用電設(shè)備都是由線路連接且都是開放設(shè)備。繼電保護的基本任務(wù)是：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時，在可能實現(xiàn)的最短時間和最小區(qū)域，自動將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對相鄰地區(qū)供電的影響。近年來隨著微型計算機和微處理機的飛速發(fā)展，繼電保護裝置的計算速度不斷加快，可靠性也大為提高。微機繼電保護的對象一

8、般包括電動機、變壓器和線路。線路是電力系統(tǒng)重要的組成部分，但是由于線路容易受到周圍環(huán)境以與自然災(zāi)害的影響下，其發(fā)生故障的可能性很大。2008年冬季的凍災(zāi)當(dāng)中，由于輸電線路受損導(dǎo)致受災(zāi)省份供電一度中斷，很多企業(yè)蒙受了經(jīng)濟損失尤其是對電力依賴較大的企業(yè)如電解鋁廠，減產(chǎn)明顯。這次災(zāi)害體現(xiàn)了線路保護重要性。1.2 繼電保護的國外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢我國繼電保護技術(shù)進入微機保護時代以來，微機保護在電力系統(tǒng)的各個方面與各種電壓等級上均有較大的發(fā)展，如線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護、勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1988年我國開始研究基于DSP的保護、控制、測量一體化微機裝置。采用32位微機芯片除了考慮精度之外，關(guān)鍵是32

9、位微機芯片具有很高的集成度、工作頻率和計算速度，同時芯片部的尋址空間較大，外部的端口資源豐富，具有存儲器管理功能、保護功能等，能夠滿足繼電保護算法對芯片數(shù)據(jù)處理速度和精度的要求。我國線路保護主保護在1994年推出LFP-901、WXH-15高頻方向原理技術(shù)，線路保護主保護采用高頻方向、高頻距離原理。由于光纖通道抗干擾能力強，解決了高頻相差、高頻距離很難解決的系統(tǒng)振蕩、選相等問題，2000年以后，光纖電流差動保護成為我國線路主保護。隨著光互感器（光TA、光TV）的研究和推廣使用，保護裝置應(yīng)能夠適用于光互感器，國目前開展了適用于光互感器的繼電保護裝置的研究。自20世紀(jì)90年代中后期開始，國外著名繼

10、電保護制造商如GE、ABB等公司的產(chǎn)品就已經(jīng)向保護測控裝置網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，開始將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思想引入裝置部硬件設(shè)計中。ABB公司生產(chǎn)的數(shù)字式保護就是基于通用標(biāo)準(zhǔn)化硬件設(shè)計的理念，采用了B448C總線作為保護部各模塊之間通信的方式。并且ABB公司于1998年推出的RE系列數(shù)字式保護裝置就是具有代表性的網(wǎng)絡(luò)化新一代繼電保護裝置?，F(xiàn)代繼電保護裝置的發(fā)展趨勢是向微機化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和功能一體化。（1） 微機控制化電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了實現(xiàn)繼電保護的基本功能外，還需要保護裝置具有存放故障報告和各種電參量的存儲空間、高速和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理功能、可靠的通信能力以與與其它繼電保護裝置聯(lián)網(wǎng)共享數(shù)據(jù)

11、、信息的能力，能夠運行C/C+等高級語言的程序代碼。（2） 保護裝置網(wǎng)絡(luò)化繼電保護的作用是保護電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，能夠與時判斷電網(wǎng)出現(xiàn)的故障，啟動相應(yīng)的保護動作，這就要求每個保護單元都能共享運故障報告的數(shù)據(jù)，各個保護單元在分析這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上動作，避免出現(xiàn)誤動作或是拒動作。這就要求繼電保護裝置實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。繼電保護裝置能夠通過網(wǎng)絡(luò)得到的故障信息越多，根據(jù)軟件算法的分析，就能越準(zhǔn)確地判斷所發(fā)生故障的性質(zhì)、位置和距離并啟動保護動作。（3） 算法智能化人工智能技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等在電力系統(tǒng)各個領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性映射的方法，很多傳統(tǒng)方法難以求解的復(fù)雜的非線性問題，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方

12、法就能方便的解決。其它智能化算法例如遺傳算法、動態(tài)規(guī)劃等方法也都各有特點，將這些算法相結(jié)合，可使求解的速度和準(zhǔn)確度大幅提高。（4） 功能一體化繼電保護技術(shù)在實現(xiàn)了微機化、網(wǎng)絡(luò)化和算法智能化后，繼電保護裝置實際上就成為一臺高性能、多功能的計算機，可以從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，通過智能化的算法對這些數(shù)據(jù)進行快速準(zhǔn)確的分析并作出判斷，生成故障報告，發(fā)出相應(yīng)的保護動作指令，同時將存儲的被保護器件的運行和故障數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制中心或其它終端。1.3 本設(shè)計的主要容本設(shè)計主要是針對10kV微機線路保護裝置開發(fā)軟件，分析了該保護裝置的軟件程序和通信方式。本設(shè)計的主要容如下：1） 緒論

13、，主要介紹論文的背景和意義，國外繼電保護的研究現(xiàn)狀以與微機線路繼電保護的今后發(fā)展方向。2） 線路故障與微機保護原理分析，主要介紹線路保護的常見故障，對線路繼電保護原理和故障判據(jù)進行了分析。3） 10KV微機線路保護的軟件算法設(shè)計，主要分析了線路保護的常用算法并對保護裝置的主要程序，如交流采樣程序，顯示程序，鍵盤程序等以流程圖的形勢表示出來。4） 10KV微機線路保護裝置的通信設(shè)計，本設(shè)計采用的RS232通信接口，同時分析了CDT通信規(guī)約。2線路繼電保護原理和算法10 KV電網(wǎng)線路是重要的公用基礎(chǔ)設(shè)施。如何正確有效地判斷、查找、處理配電線路故障，與時恢復(fù)供電非常重要。2.1 繼電保護裝置的基本功

14、能概述當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危與電力系統(tǒng)安全運行時，能夠向運行值班人員與時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展的一種自動化措施和設(shè)備，一般通稱為繼電保護裝置。2.1.1 繼電保護裝置的主要作用1） 當(dāng)被保護的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時，應(yīng)該由該元件的繼電保護裝置迅速準(zhǔn)確地給脫離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令，使故障元件與時從電力系統(tǒng)中斷開，以最大限度地減少對電力系統(tǒng)元件本身的損壞，降低對電力系統(tǒng)安全供電的影響，并滿足電力系統(tǒng)的某些特定要求（如保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等）。2） 反應(yīng)電氣設(shè)備的不正常工作情況，并根據(jù)不正常工

15、作情況和設(shè)備運行維護條件的不同（例如有無經(jīng)常值班人員）發(fā)出信號，以便值班人員進行處理，或由裝置自動地進行調(diào)整，或?qū)⒛切├^續(xù)運行會引起事故的電氣設(shè)備予以切除。反應(yīng)不正常工作情況的繼電保護裝置允許帶一定的延時動作。由此可見，繼電保護裝置直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行。不僅如此，設(shè)計、選用完善的繼電保護裝置，對于進一步提高供電質(zhì)量也有很大作用。例如，繼電保護裝置與自動重合閘、備用電源自投、故障點定位等裝置的配合使用，可以大大縮短故障停電時間等。但是，如果繼電保護裝置本身的質(zhì)量不高或使用維護不當(dāng)，不僅起不到積極作用，還會給電力系統(tǒng)的安全運行造成不利的影響。2.1.2 繼電保護的基本原理和構(gòu)成方式繼電保護

16、主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時的電氣量（電流、電壓、功率、頻率等）的變化，構(gòu)成繼電保護動作的原理，也有其他的物理量，如變壓器油箱故障時伴隨產(chǎn)生的大量瓦斯和油流速度的增大或油壓強度的增高。大多數(shù)情況下，不管反應(yīng)哪種物理量，繼電保護裝置都包括測量部分（和定值調(diào)整部分）、邏輯部分、執(zhí)行部分。2.1.3 電力系統(tǒng)對繼電保護的基本要求繼電保護裝置應(yīng)滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求：這四“性”之間緊密聯(lián)系，既矛盾又統(tǒng)一。1）可靠性是指保護裝置該動作時可靠動作，不該動作時應(yīng)可靠不動作。可靠性是對繼電保護裝置性能的最根本的要求。2）選擇性是指首先由故障設(shè)備或線路本身的保護切除故障，當(dāng)故障設(shè)

17、備或線路本身的保護或斷路器拒動時，才允許由相鄰設(shè)備保護、線路保護或斷路器失靈保護切除故障。為保證對相鄰設(shè)備和線路有配合要求的保護和同一保護有配合要求的兩元件（如啟動與跳閘元件或閉鎖與動作元件）的選擇性，其靈敏系數(shù)與動作時間，在一般情況下應(yīng)相互配合。3）靈敏性是指在設(shè)備或線路的被保護圍發(fā)生金屬性短路時，保護裝置應(yīng)具有必要的靈敏系數(shù)，各類保護的最小靈敏系數(shù)在規(guī)程中有具體規(guī)定。選擇性和靈敏性的要求，通過繼電保護的整定實現(xiàn)。4）速動性是指保護裝置應(yīng)盡快地切除短路故障，其目的是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，縮小故障波與圍，提高自動重合閘和備用電源或備用設(shè)備自動投入的效果等。一般從裝設(shè)速動

18、保護（如高頻保護、差動保護）、充分發(fā)揮零序接地瞬時段保護與相間速斷保護的作用、減少繼電器固有動作時間和斷路器跳閘時間等方面入手來提高速動性。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，系統(tǒng)的電氣參量將有顯著變化。例如：電流增大，電壓降低，以與電壓與電流之間的相位角改變等。繼電保護裝置就是通過測量這些參量的變化來反應(yīng)故障并構(gòu)成對電力系統(tǒng)的保護。例如，反應(yīng)電流增大的電流保護；反應(yīng)電壓降低的電壓保護；反應(yīng)電流增大與電壓降低的阻抗保護等。2.2 線路故障分類與其原因2.2.1 線路常見故障分類一般來說，l0kV線路常見故障包括：1） 短路故障：短路故障分為2類：第1類是線路瞬時性短路故障（斷路器重合閘成

19、功）；第2類是線路永久性短路故障（斷路器重合閘不成功）。短路故障中常見故障包括線路金屬性短路故障；跌落式熔斷器、隔離開關(guān)弧光短路故障等。2） 接地故障：接地故障分為線路瞬時接地故障和線路永久性接地故障。2.2.2 線路短路故障原因分析造成線路短路故障原因包括：1） 線路金屬性短路故障：外力破壞造成故障，電纜上設(shè)備例如變壓器、開關(guān)等被外力刮碰短路。2） 線路缺陷造成故障：弧垂過大引起碰線或短路引起碰線。3） 線路引跳線斷線弧光短路故障：線路老化引起斷線等。4） 跌落式熔斷器、隔離開關(guān)弧光短路故障：跌落式熔斷器熔斷引起熔管爆炸或拉弧引起相間弧光短路。2.2.3 線路接地故障原因分析造成線路接地故障

20、原因包括：1） 線路瞬時性接地故障：外拋物或樹木碰觸導(dǎo)線引起單相接地；線路絕緣子濕度高的天氣出現(xiàn)對地閃絡(luò)。2） 線路永久性接地故障：線路隔離開關(guān)、跌落式熔斷器因絕緣老化擊穿引起；線路絕緣子老化或存在缺陷擊穿引起。2.3 繼電保護的原理與算法2.3.1 過電流保護的原理與算法當(dāng)流過被保護元件中的電流超過預(yù)先整定的某個數(shù)值時，保護裝置啟動，并用時限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報警信號，這種繼電保護稱為過電流保護。（1） 定時限過電流保護的原理定時限過電流保護是指過電流保護的動作時限是固定的，與通過其上電流的大小無關(guān)。1）當(dāng)被保護線路中電流增大且超過整定值時，電流繼電器啟動，同時啟動時間繼電

21、器，待時間繼電器延時到預(yù)先整定時間，保護裝置動作切除故障并報警。2）定時限過電流保護在供電系統(tǒng)中多采用兩相式。（2） 定時限過電流保護的原理接線圖2.1 定時限過流保護原理圖由電流繼電器1KA與2KA，時間繼電器KT和信號繼電器KS組成。其中，1KA、2KA是測量元件，用來判斷通過線路電流是否超過預(yù)設(shè)值；KT為延時元件，它以適當(dāng)?shù)难訒r來保證裝置動作有選擇性；KS用來發(fā)出保護動作的信號。正常情況下，斷路器QF閉合保護，保持正常供電，線路中流過正常電流，此時電流繼電器不會啟動。當(dāng)線路發(fā)生相間短路故障是，線路中流過的電流迅速增加，使電流繼電器KA瞬時動作，啟動時間繼電器KT，經(jīng)過延時，KT延時觸點閉

22、合，使串聯(lián)的信號繼電器（電流型）KS和中間繼電器KM動作，KS觸點閉合接通報警線路，KM觸點閉合，接通跳閘線圈YR回路，使斷路器QF跳閘，切除斷路故障。在斷路故障切除后，繼電保護裝置除KS外的其他所有繼電器都自動返回起始狀態(tài)，而KS需手動復(fù)位。圖2.2 定時限電流保護展開圖正常運行時，1KA、2KA、KT、KS的觸點都是斷開的，當(dāng)被保護區(qū)故障或電流過大時，1KA和2KA動作，通過其觸點啟動時間繼電器KT，經(jīng)過預(yù)定的延時后，KT的觸點閉合，將斷路器QF的跳閘線圈YR接通，QF跳閘，同時起動了信號繼電器KS，信號牌掉下，并接通燈光或音響信號。這樣不正常狀態(tài)或故障被切除。（3） 定時限過電流保護動作

23、電流整定（2.1）返回電流： （2.2） （2.3）可靠系數(shù)，一般取1.05-1.25。自動啟動系數(shù)，一般取1.5-3。 （2.4） （2.5）返回系數(shù)，DL型取0.85，用GL型0.801） 為保證在正常情況下過電流保護絕對不動作，顯然保護裝置的起動電流必須整定得大于該線路上出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流；同時還必須考慮在外部故障切除后電壓恢復(fù)，負(fù)荷自起動電流作用下保護裝置必須能夠返回，其返回電流應(yīng)大于負(fù)荷自起動電流。2） 一般情況下，負(fù)荷自起動電流大于最大負(fù)荷電流，因此往往以負(fù)荷自起動電流決定過電流保護的啟動電流。2.3.2 零序電流保護的原理與算法（1） 零序電流保護的原理當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱運行時

24、，就要出現(xiàn)零序電流?？梢灾苯訙y到零序電流互感器輸出的零序電流。造成零序電流的故障包括接地故障，單相重合閘過程中的兩相運行等。零序分量具有以下特點：1）故障點的零序電壓最高為，距故障點越遠(yuǎn)處的零序電壓越低，如圖2.3所示。圖2.3零序電壓分布圖2） 由于零序電流是由零序電壓產(chǎn)生的，因此零序電流的大小和相位由零序電壓和中性點至故障點的零序阻抗決定即： （2.6）式（2.6）說明零序電流的分布主要決定于線路的零序阻抗和中性點接地變壓器的零序阻抗。零序III段保護的整定為：1） 零序過電流保護的動作電流應(yīng)躲過本線路三相短路時的最大不平衡電流即： （2.7）是零序III段可靠系數(shù)，取1.21.3，為三相

25、短路時最大不平衡電流。2） 與相鄰線路零序111段保護進行配合，本段的靈敏度系數(shù)要小于下一段的靈敏度系數(shù)，如圖2.4所示。圖2.4 零序三段保護示意圖在圖16中，零序電流的動作電流為： （2.8）為配合系數(shù)取1.1-1.2，為保護2零序III動作電流。3） 如果線路允許非全相運行，則動作電流應(yīng)大丁非全相運行叫出現(xiàn)的零序電流。 （2.9）為可靠系數(shù)，為非全相遠(yuǎn)行時的最大零序電流。零序電流經(jīng)過零序互感器可以直接取樣獲得，當(dāng)3倍零序電流大于零序電流保護定值時，通過算法判斷是否啟動告警或是跳閘。（2）零序電流保護的整定與算法表2.1 零序電流保護的整定零序電流定值零序電流時限零序電流壓板零序電流跳閘0

26、.01 0s100s投入或退出投入（跳閘）或退出（告警）表2.1中零序電流保護時限整定圍0sl00s，整定步長為0.01s，零序電流定值整定圍，整定步長為0.01。零序電流保護邏輯框圖如圖2.5所示。圖2.5零序電流保護邏輯圖2.3.3 瞬時電流速斷保護（1）工作原理為了獲得動作的快速性與保護的選擇性，保護區(qū)圍不能超出全線圍。 如圖所示，線路L1最大短路電流曲線用1表示，最小短路電流曲線用2表示，短路電流曲線與線路L1末端的交點用虛線表示?？紤]電流互感器的誤差因素，為避免保護1在線路L2首端故障時誤動作，保護1的動作電流應(yīng)比最大短路電流曲線與線路L1交點對應(yīng)的數(shù)值還要大一點，其動作值用Iop表

27、示，Iop與最大短路電流曲線的交點為M，與最小短路電流曲線的交點用N表示。故保護1的最大保護圍為AM，最小保護圍為AN。 瞬時電流速斷保護，是反映電流升高而動作，是不帶時限動作的一種保護，也稱段保護。 圖2.6 瞬時電流速斷保護原理圖圖2.7 單相原理接線圖（2） 瞬時電流速斷保護的構(gòu)成 任何一套保護都是由測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分構(gòu)成，瞬時電流速斷保護反應(yīng)的物理量是電流，所以其測量部分是電流繼電器；依靠電流繼電器的動作值來滿足保護之間的配合要求，因此它的邏輯部分也是電流繼電器，保護的任務(wù)是在被保護對象發(fā)生短路故障時起切出故障作用，因此它的執(zhí)行部分包括信號繼電器和中間繼電器，信號繼電器通過相

28、應(yīng)的信號回路發(fā)出音響和燈光信號，中間繼電器則去驅(qū)動斷路器操作機構(gòu)完成跳閘動作。（3） 保護動作過程被保護對象上發(fā)生短路故障，流入電流繼電器的電流大于預(yù)先設(shè)定的數(shù)值（整定值），電流 繼電器動作，其接點立即閉合，從而接通中間繼電器KM線圈的電壓回路，中間繼電器動作，KM的接點經(jīng)過信號繼電器線圈接通跳閘線圈YT的電壓回路，QF實現(xiàn)跳閘，同時信號繼電器KS的接點也動作，接通信號回路，發(fā)出相應(yīng)的燈光、音響信號。（4） 瞬時速斷保護的優(yōu)缺點瞬時速斷保護動作速度快是其主要特點，有利于切除故障，保護設(shè)備安全。但其保護圍要隨運行方式的變化而變化，特別是在運行方式變化比較劇烈的情況下（引水式中小型水電站），甚至可

29、能在最小運行方式下沒有保護圍。一般只能作為輔助保護使用。3 線路保護裝置的算法分析與軟件設(shè)計3.1 FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計3.1.1 數(shù)字濾波器（1） 概述數(shù)字濾波是由乘法器、加法器和單位延時器組成的一種運算過程，其功能是將輸入的離散信號通過一定的運算處理后轉(zhuǎn)變成另一組頻譜結(jié)構(gòu)不同的離散信號。實現(xiàn)數(shù)字濾波的離散時間系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)可用多種算法實現(xiàn)，各種算法又對應(yīng)有各自不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。（2） FIR數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)h（n），n=0,1,2N-1為濾波器的沖激響應(yīng)，輸入信號為x（n），則FIR濾波器就是要實現(xiàn)下列差分方： （3.1）式（3.1）中,y（n）為輸出信號，即經(jīng)過濾波之后的信號；N 為

30、濾波器階數(shù)。FIR濾波器的最主要特點是沒有反饋回路，因此是無條件穩(wěn)定系統(tǒng),其單位脈沖響應(yīng) h（n）是一個有限長序列。由式（3.1）可見,FIR濾波算法實際上是一種乘法累加運算，不斷地輸入樣本 x（n），經(jīng)延時做乘法累加,再輸出濾波結(jié)果 y（n）。對式進行Z變換,整理后可得FIR濾波器的傳遞函數(shù)為： （3.2）FIR濾波器的一般結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1 FIR濾波器結(jié)構(gòu)圖3.1.2FIR濾波器的C語言算法實現(xiàn)由上述分析可知，F(xiàn)IR濾波器的算法實際上是一個乘累加運算。在這個乘累加運算中，主要涉與到3個要素：輸入信號x（n）、沖擊響應(yīng)即濾波器系數(shù)h（n）和輸出信號y（n）。其中，x（n）和h（n

31、）為已知,y（n）為待求。（1） 輸入信號x（n）的獲取假設(shè)輸入信號是頻率為1000Hz和2500Hz的正弦波合成的波形，希望得到輸入信號的256個抽樣點，為了與整個系統(tǒng)保持一致，抽樣頻率fs規(guī)定為8000Hz。利用C語言得到256個點的輸入信號的源代碼如下： #include<stdio.h>#include<math.h>main（void）int i,;double f256;for（i=0;i<=255;i+）;fi=sin（2*3.14159*i*1000/8000）+0.2*sin（6*3.14159*i*2500/8000）;printf（"

32、;%1d,",（long）（fi）;圖3.2 輸入信號波形圖（2） 濾波器系數(shù)h（n）的獲取設(shè)計一個FIR低通濾波器，其截止頻率fc= 1500Hz，抽樣頻率fs=8000Hz，階數(shù)N=17，選擇 Hamming窗。利用MATLAB軟件設(shè)計濾波器方法有很多，可以采用FDATool濾波器設(shè)計分析工具箱和 SPTool信號處理工具，還可以直接編程實現(xiàn)。在此采用編程實現(xiàn),代碼如下： h=fir1（16,1500/8000*2）；得到17個濾波器系數(shù)。理論上，上述輸入信號（頻率為1000Hz和2500Hz的正弦波合成的波形）經(jīng)過此低通濾波器濾波后的輸出信號應(yīng)該為頻率為1000Hz的正弦波。圖

33、3.3 輸出信號波形3.2 保護裝置的采樣算法3.2.1 采用傅氏變換算法導(dǎo)數(shù)式算法是針對理想正弦信號進行計算，由于故障時的電流、電壓波形畸變很大，此時不能把他們假設(shè)為單一頻率的正弦函數(shù)，而應(yīng)該假設(shè)它們是包含各種分量的周期函數(shù)，這時就要采用傅氏變換算法。傅氏變換算法來自于傅里葉級數(shù)，以電流為例，即一個周期性函數(shù)I（t）可用傅里葉級數(shù)展開為各次諧波的正弦項和余弦項之和，即： （3.3）式（3.3）中，n為自然數(shù)，n=0,1,2表示諧波分量次數(shù)。于是電流中的基波分量可表示為： （3.4）還可以表示為一般表達式：（3.5）式（3.5）中，為基波有效值；為t=0時基波分量初相角。將用和角公式展開，再與

34、式（3.4）比較，可以得到： （3.6） （3.7）從式（3.6）和式（3.7）可以看出，只要求出基波的正弦幅值和余弦幅值，就很容易救得基波的有效值和初相角。根據(jù)傅氏級數(shù)的逆變換原理可求的和： （3.8） （3.9）在用微機計算和時，通常都是采用有限離散方法算得，即將用各采樣點數(shù)值代入，通過梯形法就和來代替積分法。考慮到時式（3.8）和式（3.9）可表示為 （3.10） （3.11）式中，N為一周采樣點數(shù)；為弟k次采樣值；、分別為k=0和N時的采樣值。當(dāng)N=12時采樣間隔一般用角度表示為。由于上述和是對一周波N個采樣點求和所以其數(shù)據(jù)窗為一周波，故稱其為全波傅氏算法。根據(jù)式（3.6）和式（3.7

35、）基波的有效值和相角： （3.12） （3.13）傅氏變換算法可以計算周期性時間函數(shù)，還可算出初相位角，其積分運算結(jié)果同樣具有數(shù)字濾波功能，運算工作量也不大。3.3 主程序設(shè)計微機線路保護裝置的主程序如圖3.4所示。圖3.4 主程序流程圖線路保護裝置的程序使用C語言編寫，按照不同的功能如顯示，AD，外部中斷等，對程序進行了模塊化設(shè)計，方便了調(diào)試和修改。軟件設(shè)計分為整定測試部分和故障判斷處理2個部分。整定部分是對各種保護定值和時限按照規(guī)定的步長和圍進行整定。交流信號通過低通濾波器，進入AD8364采樣，運用傅氏變換算法對電流的幅值和初相位進行計算得到有效值。使用CPU的外部中斷測量頻率和相位角差

36、。故障判斷處理程序是根據(jù)測試部分得到的電流、頻率等參數(shù)，與存儲的整定數(shù)值進行比較，按照各種故障的判據(jù)，進行分析，如果符合某種故障的條件則馬上啟動對應(yīng)的保護動作如報警或跳閘等，并生成故障報告。3.4 故障處理與AD交流采樣程序設(shè)計故障判斷與處理程序是本保護裝置軟件程序的核心部分，故障判斷程序?qū)M過算法處理的采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)過保護算法判斷，當(dāng)符合故障判據(jù)，則故障處理程序?qū)酉鄳?yīng)的保護動作，本裝置使用ADS8364作為采樣芯片。采樣中斷不能夠被其余中斷打斷，否則會引起采樣間隔出錯，所以必須設(shè)置為最高優(yōu)先級中斷。本裝置采用每周波40點采樣，采樣中斷由計時器定時觸發(fā)，對測量電流和電壓進行采樣，測量電流和電

37、壓的采樣是由ADS8364完成的，ADS8364具有16bit精度。圖3.5采樣中斷流程圖如圖3.5所示，采樣中斷可以分為5個部分：采樣、對采樣值調(diào)整、對采樣隊列的調(diào)整保護計算和啟動計算。故障判斷流程圖為： .圖3.6 故障判斷流程圖3.5 液晶顯示程序設(shè)計3.5.1 MGLS12864的結(jié)構(gòu)和特性MGLS12864點陣圖形液晶顯示模塊的顯示屏是一塊128×64點陣的液晶顯示屏，它以一片HD61203U作為64路行驅(qū)動器，兩片HD61202U組成128點列的列驅(qū)動器組。他能顯示ASC字符、漢字和各種曲線，可與單片機連接構(gòu)成功能強、結(jié)構(gòu)簡單的人機界面，因此廣泛用于各種智能儀表和控制系統(tǒng)

38、。HD61202U是帶顯示存儲器的圖形液晶顯示列驅(qū)動控制器，其特點是置64×64位顯示存儲器，可以直接與計算機總線連接。但它本身不能生成顯示時序，所以需要與相應(yīng)的帶振蕩器和顯示時序發(fā)生器的行驅(qū)動器HD61203U配套才能形成一個完整的液晶驅(qū)動和控制系統(tǒng)。MGLS12864模塊有18個引腳，17、18引腳為背光燈提供電源；1、2引腳為兩個片選信號，組合功能定義是：、為00時禁止使用，01時選左區(qū)，10時選右區(qū)，11時未選；3為GND；4為Vcc；5為液晶顯示驅(qū)動電源V0；6為數(shù)據(jù)、指令選擇D/；7為讀/寫選擇R/；8為使能信號E；916為數(shù)據(jù)總線AD7AD0。表3.1 MGLS1286

39、4引腳序號符號狀態(tài)功能1輸入片選A，低電平有效2輸入片選B，低電平有效3GND-電源地4VCC-邏輯電源正5V0-液晶顯示驅(qū)動電源6D/輸入數(shù)據(jù)、指令選擇信號7R/輸入讀/寫選擇信號8E輸入讀寫使能信號916AD7AD0三態(tài)數(shù)據(jù)總線3.5.2 軟件設(shè)計置HD61202U液晶顯示模塊的軟件特性，這是指HD61202U的指令功能。HD61202U一共有七條指令，分別解釋各條指令的功能，并對使用不同的指令時D/、R/信號的狀態(tài)給予說明。（1）讀寫狀態(tài)（D/=0，R/=1）BUSY0ON/OFFRESET0000BUSY:BUSY=1，部正工作，不能訪問；BUSY =0時，等待訪問。ON/OFF：ON

40、/OFF=1時，關(guān)顯示狀態(tài)；ON/OFF=0時，開顯示狀態(tài)。RESET:RESET=1時，復(fù)位狀態(tài)；RESET=0時，正常工作狀態(tài)。在每次對HD61202U操作之前，都要讀出狀態(tài)字判斷BUSY是否為“0”。若不為“0”，則需要等待，直到BUSY=0為止。（2）顯示開關(guān)設(shè)置（D/=0，R/=0）0011111DD=1為開顯示，D=0為關(guān)顯示設(shè)置。（3）顯示起始行設(shè)置（D/=0，R/=0）11L5L4L3L2L1L0L5L0為顯示起始行的地址，取值在03FH（164行）圍，它規(guī)定了顯示屏上最頂一行所對應(yīng)的顯示存儲器的行地址。（4）頁地址設(shè)置（D/=0，R/=0）10111P2P1P0HD61202

41、U將顯示存儲器分成8頁，由指令代碼中的P2P0確定當(dāng)前所要選擇的頁地址，取值圍為07H，代表弟18頁。（5）列地址設(shè)置（D/=0，R/=0）01C5C4C3C2C1C0該指令設(shè)置列地址計數(shù)器的容，列地址由C5C0確定，其取值在03FH（164）。每次讀/寫數(shù)據(jù)后，列地址計數(shù)器將自動加一。（6）寫顯示數(shù)據(jù)（D/=0，R/=0）D7D6D5D4D3D2D1D0該指令將8位數(shù)據(jù)寫入先前已確定的顯示存儲器的單元。操作完成后列地址計數(shù)器自動加一。（7）讀顯示數(shù)據(jù)（D/=1，R/=1）D7D6D5D4D3D2D1D0該指令將HD61202U接口輸出寄存器容讀出，然后列地址計數(shù)器自動加一。3.5.3 基本子

42、程序MGLS12864的顯示屏分左、右兩區(qū)，分別有兩片HD61202U控制。圖3.7為HD61202的操作流程。圖3.7 HD61202的操作流程液晶顯示程序流程圖如圖。圖3.8 液晶顯示程序流程圖 液晶顯示初始化，對屏幕進行清屏，然后進行寫操作，CPU寫入8位控制字，8位數(shù)據(jù)，然后發(fā)送到80C196，液晶顯示數(shù)據(jù)，然后返回。3.6 鍵盤設(shè)計本裝置的鍵盤采用32的行列式鍵盤，行線為P4.0、P4.1、P4.2，列線為P4.3、P4.4，分別對應(yīng)于6個按鍵。鍵盤如圖3.9所示。圖3.9 鍵盤鍵盤程序流程圖為：圖3.10 鍵盤掃描程序流程圖 首先對鍵盤進行掃描，查看是否有鍵閉合，若無建立無效標(biāo)志，

43、同時返回。有鍵閉合則延時去鍵抖動，再次掃描鍵盤，找到閉合鍵并計算鍵值。釋放閉合鍵成功，建立有效標(biāo)志然后進行返回。4 CDT規(guī)約與其設(shè)計4.1 電力系統(tǒng)通訊規(guī)約通信規(guī)約（協(xié)議）是指通信雙方必須共同遵守的題中約定，也稱為通信控制規(guī)程或傳輸控制規(guī)程。通信規(guī)約的信息傳送格式包括收發(fā)方式、傳送速率、幀結(jié)構(gòu)、幀同步字、位同步方式、干擾措施等。信息傳送的具體步驟分為將信息分類、分循環(huán)周期傳送，系統(tǒng)對時數(shù)據(jù)收集方式和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視方式。電力系統(tǒng)通訊規(guī)約按照傳輸方式分為循環(huán)式通訊規(guī)約（CDT）和問答式通訊規(guī)約（Polling）。按傳輸基本單位分為面向字符的通信規(guī)約和面向比特的通信規(guī)約。4.2 CDT規(guī)約與其設(shè)計C

44、DT循環(huán)遠(yuǎn)動規(guī)約適用于點對點的通道結(jié)構(gòu)，采用可變幀長、多種幀類別的循環(huán)傳送方法，優(yōu)先傳送變位遙信，隨機量和插入量采用不同形式傳送信息。每幀分為若干類型，分別以“幀類別”編碼來加以區(qū)別，每幀長度按實際需要而定。CDT規(guī)定了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中循環(huán)式遠(yuǎn)動規(guī)約的功能、幀結(jié)構(gòu)、信息字結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)則等。CDT適用于點對點的遠(yuǎn)動通道結(jié)構(gòu)、循環(huán)字節(jié)同步方式傳送遠(yuǎn)動設(shè)備與系統(tǒng)和調(diào)度所間以循環(huán)式遠(yuǎn)動規(guī)約轉(zhuǎn)發(fā)實時信息的系統(tǒng)。本規(guī)約采用可變幀長度、多種幀類別循環(huán)傳送、變位遙信優(yōu)先傳送，重要遙測量更新循環(huán)時間較短，區(qū)分循環(huán)量、隨機量和插入量采用不同形式傳送信息，以滿足電網(wǎng)調(diào)度安全監(jiān)控系統(tǒng)對遠(yuǎn)動信息的實時性和可靠性

45、的要求。4.2.1 幀結(jié)構(gòu)幀結(jié)構(gòu)如表5所示。每幀都以同步字開頭，并有控制字，除少數(shù)幀外均應(yīng)有信息字。信息字的數(shù)量根據(jù)實際需要設(shè)定，幀長度可變。 表4.1幀結(jié)構(gòu)同步字控制字信息字1信息字N同步字控制字（1）同步字結(jié)構(gòu)同步字按通道傳送順序分為3組EB90H，即1110、l0Il、1001、0000， 。為保證通道中傳送順序，寫入串行口的同步字排列格式如表6（a）所示。（2）控制字結(jié)構(gòu)控制字共有B1-B66個字節(jié)，如表6（b）（3）信息字結(jié)構(gòu)每個信息字由Bn-BN+56個字節(jié)構(gòu)成：功能碼一個字節(jié)、信息、數(shù)據(jù)碼4個字節(jié)和校驗碼一個字節(jié)，其通用格式如表4.2所示。表4.2 幀中的字結(jié)構(gòu)（a）同步字排列格

46、 （b）控制字 （c）信息字 b7 b0 b7 b0 b7 b0控制字節(jié)幀類別信息字?jǐn)?shù)源站地址目的站地址校驗碼功能碼b7b0b7b0b7b0b7b0b7b0D7H（11010111B）09H（00001001B）D7H（11010111B）09H（00001001B）D7H（1l0l011lB）09H（00001001B）4.2.2 幀的分類幀的分類如表4.3上行和下行的信息不一樣，上行是從站向主站發(fā)數(shù)據(jù)，下行是主站向從站發(fā)數(shù)據(jù)。表4.3幀的類別幀類別代號定 義上行E=0下行E=06lH重要遙測（A幀）遙控選擇C2H次要遙測（B幀）遙控執(zhí)行B3H一般遙測（C幀）遙控撤銷F4H遙信狀態(tài)（D1幀）

47、升降選擇85H電能脈沖數(shù)值（D口幀）升降執(zhí)行26H事件順序記錄（E幀）升降撤銷57H設(shè)定命令7AH設(shè)置時鐘0BH召喚子站時鐘4.2.3 幀的發(fā)送方式與校驗規(guī)則（1）簡單的基本循環(huán)發(fā)送方式如圖4.1所示圖4.1 兩種基本循環(huán)發(fā)送方式（2）發(fā)送規(guī)則數(shù)據(jù)以幀結(jié)構(gòu)循環(huán)發(fā)送，重要遙測在A幀發(fā)送，次要遙測在B幀發(fā)送，一般遙測在C幀發(fā)送，遙信信息在D1幀發(fā)送，變位遙信隨機插入發(fā)送。以控制字和功能碼共同鑒別數(shù)據(jù)。（3）CRC校驗控制字和信息字都是（n，k）二（48,8）碼組，生成多項式為，陪集為FFHG（X）以模2除前5個字節(jié)，生成余式R（x）。以R（x）的反碼為校驗碼。4.3 CDT通信程序設(shè)計4.3.1

48、主機通信子程序 主機通信子程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2主機通信子程序串口初始化發(fā)送地址幀到從機，從機響應(yīng)與從機地址比較，地址不符合從機復(fù)位串口初始化，地址相符向從機發(fā)送命令幀，命令不正確則從機復(fù)位串口初始化，命令正確，對命令進行分類，決定從機是發(fā)送還是接受數(shù)據(jù)塊，然后返回。4.3.2從機通訊子程序 從機通訊子程序如圖4.3所示。圖4.3從機子程序流程圖現(xiàn)場保護發(fā)送地址不符合則SM2=0，恢復(fù)現(xiàn)場，進行返回。地址符合則發(fā)回地址，接受下一幀，分析是否命令幀，不是恢復(fù)現(xiàn)場，進行返回。是，對命令進行分類，非法命令，恢復(fù)現(xiàn)場并返回。命令為01時，詢問從機發(fā)送準(zhǔn)備是否就緒，TRDY=1（目標(biāo)設(shè)備準(zhǔn)備

49、好信號）發(fā)送主機，發(fā)送數(shù)據(jù)幀，SM2置1，恢復(fù)現(xiàn)場并返回。命令為00時詢問從機接受準(zhǔn)備是否就緒。否，則RRDY=0（接收數(shù)據(jù)標(biāo)記未激活），SM2置0，恢復(fù)現(xiàn)場并返回。RRDY=1（接收數(shù)據(jù)標(biāo)記激活），主機接受數(shù)據(jù)幀，接受完畢SM2置0，恢復(fù)現(xiàn)場并返回。結(jié)論本設(shè)計在充分了解國外繼電保護的研究現(xiàn)狀以與目前微機繼電保護技術(shù)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，設(shè)計了10kV線路微機保護裝置各個模塊的程序流程圖。設(shè)計總結(jié)如下：在軟件設(shè)計方面，使用C語言編程，按照程序功能進行模塊化設(shè)計，方便調(diào)試和修改，對交流采樣數(shù)據(jù)進行傅氏變換算法計算有效值，設(shè)計了主程序、故障處理程序、A/D交流采樣程序、液晶顯示程序和鍵盤掃描程序的流程

50、圖。通信部分采用RS232物理通信接口，CDT通信規(guī)約，然后設(shè)計出了主機、從機通信程序流程圖。設(shè)計改進：考慮到交流信號中包括各次諧波以與直流衰減信號，為得到更準(zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)，可以使用更完善的算法，如改進傅立葉算法和最小二乘法進行數(shù)據(jù)處理。在算法中，為提高保護裝置的應(yīng)用圍，尤其是對地下電纜的故障檢測，可以考慮在算法中加入故障測距算法。致大學(xué)生涯即將結(jié)束，在工業(yè)大學(xué)度過了本科學(xué)習(xí)的四年，這些日子讓我在專業(yè)方面收獲匪淺，在身心成長方面更是至關(guān)重要。衷心感我的導(dǎo)師華老師四年年來對我的和精心培養(yǎng)，他給我提供了良好的實驗條件，在論文的選題和研究過程中，老師深厚的理論知識和新穎獨特的思路使我受益匪淺，本文是

51、在老師悉心指導(dǎo)下完成的。老師的言傳身教是我四年生活的寶貴財富，使我終生受益!感其它同學(xué)們在學(xué)習(xí)、生活上給予我無私的幫助。我要特別感我的父親宏賓、母親喜梅，是他們讓我毫無后顧之憂全身心的投入工作學(xué)習(xí)中。最后，衷心感在各方面給予我無私幫助的同學(xué)和朋友，并將最誠摯的感獻給評審該論文的各位老師。參考文獻1 瑞生，朱景云線路保護的發(fā)展與展望j電氣應(yīng)用，2005， 20（4）：15-162 星光，榮珍微機繼電保護發(fā)展的歷史、現(xiàn)狀與其趨勢j電力，2003，16（3）：11-143 索南加樂，康小寧，宋國兵等基于參數(shù)識別的繼電保護原理初探j(luò)電力系統(tǒng)與其自動化學(xué)報，2007，19（1）：14-204 國榮，玉平

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