基于微機的三段式電流保護裝置的設計

**大學**University畢業(yè)設計專業(yè)：電氣工程與自動化班級學號：電自1002學生姓名：指導教師：二〇一四年六月**大學本科生畢業(yè)論文基于微機的三段式電流保護裝置的設計TheDesignofThree-stageCurrentProtectionDeviceBasedonMicrocomputer專業(yè)班級：電自1002班學生姓名：指導教師：學院：自動化與電氣工程學院2014年6月

摘要隨著時代的進步，社會對電力的要求越來越高，對電力系統(tǒng)的繼電保護要求也隨之增高。輸電線路作為電力系統(tǒng)中最主要的組成部分，它的工作狀態(tài)對電力系統(tǒng)有著直接的影響。因此，設計出一種性能優(yōu)越的微機繼電保護裝置，將其用來完成線路的保護是非常有意義的。本文簡單介紹了微機保護裝置的發(fā)展史和當前的研究狀態(tài)，并對其特點進行了匯總。本裝置在設計中，對三段式電流保護原理進行了系統(tǒng)分析，對每一段的作用都進行了研究，從而為裝置的保護設定值提供參考。在裝置的硬件設計方面，基于三段式電流保護的特點和微機裝置功能的要求，選用ATMEL公司的AT89S52作為單CPU結構的系統(tǒng)處理器，數(shù)據(jù)采集方面采用MAXIUM公司的A/D轉換器MAX197，以及設計了電壓形成回路、人機接口和通訊等模塊。在軟件設計方面，對幾種常見保護算法進行了研究，設計出了微機保護的保護程序流程圖。最終，完成了完整的微機三段式電流保護裝置的設計。關鍵詞：微機保護；三段式電流保護；保護算法

ABSTRACTWiththeprogressoftheera,thesocietyhasmoreandmorerequirementofelectricpower,therequirementofpowersystemrelayprotectionalsosubsequentlyheighten.Thetransmissionlinesisthemainpartofelectricpowersystem,anditsworkingconditionhasadirectimpactonpowersystem.Therefore,thedesignofthesuperiorperformanceofrelayprotectiondeviceisverymeaningfultocompletetheprotectionoftransmissionlines.Thisarticlebrieflydescribesthehistoryofmicrocomputerprotectiondeviceandthecurrentstateofresearch,anditscharacteristicshascarriedonthesummary.Inthedesignofthedevice,theprincipleofthree-stagecurrentprotectionsystemaresystematicallyanalyzed,theroleofeachsectionhavebeenstudiedinordertoprovideareferenceforthesettingofprotectiondevice.Intermsofthehardwaredesignofthedevice,basedonthecharacteristicsofthree-stagecurrentprotectionandthefunctionalrequirementofmicrocomputerdevices,IhavechoosetheAT89S52ofATMELCorporationasthesystemprocessorofsingle-CPUstructure,andtheA/DconverterMAX197ofMAXIUMarechosenindataacquisition.ATthesametime,Ihavedesignedthemoduleoftheloopofvoltageforming,man-machineinterfaceandcommunication.Insoftwaredesign,Ihavestudiedseveralcommonprotectionalgorithmanddesignedtheprotectionprogramflowofmicrocomputerprotection.Intheend,thedesignofthree-stagecurrentprotectiondevicebasedonmicrocomputerarecompleted.KeyWords：MicrocomputerProtection;Three-currentProtection;ProtectionAlgorithmIII段裝在越靠近電源的地方，動作時限越長；越靠近網(wǎng)絡末端動作時限越短。這個缺點決定它只可作后備保護。2.4電流三段保護小結圖2-5為三段式電流保護的保護范圍及時限特性圖。以保護1為例，線路L1的保護裝置1的第一段為瞬時電流速斷保護，其保護范圍為線路L1首段一部分，動作時限為，它由電流繼電器和中間繼電器的固有動作時間決定。第二段為限時電流速斷保護，它的保范圍為線路L1的整段并延伸至線路L2的一部分，其動作時限為。第一段和第二段保護共同構成線路L1的主保護。第三段為定時限過電流保護，保護范圍包括線路L1和L2的整段并延伸至線路L3，甚至更遠，其動作時限為。當線路L2的保護拒動或斷路器2失靈時，保護1的過電流保護均起后備保護，稱遠后備保護；線路L1的主保護即瞬時電流速斷保護與限時電流速斷保護拒動時，線路L1的過電流保護也起后備保護作用，這是近后備保護。圖2-5三段式電流保護的保護范圍及時限特性

3微機繼電保護系統(tǒng)的硬件設計3.1微機繼電保護裝置硬件的基本結構圖3-1系統(tǒng)硬件設計框圖裝置啟動時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始對外部的保護線路進行信號采集。裝置主要測量電力系統(tǒng)線路中的電流、電壓信號，通過電壓形成環(huán)節(jié)將電力系統(tǒng)的大電流、電壓變成模數(shù)轉換器適用的電壓信號，該電壓信號經(jīng)過低通濾波環(huán)節(jié)將大部分干擾信號濾除，最后由模數(shù)轉換器對信號進行采樣處理，轉換成微機能夠識別的數(shù)據(jù)信號，微機對這些得來的信號進行分析、計算和判斷，并發(fā)出控制信號完成保護功能。通過人機接口可以控制保護裝置的運行，完成人機交流。通訊接口使微機保護裝置進行遠程控制，并可以集中處理多臺保護裝置。電源系統(tǒng)保證整個裝置的可靠運行。3.2數(shù)據(jù)采集電路設計3.2.1電壓形成回路微機保護裝置主要從被保護的電力線路的電壓互感器、電流互感器上取得采樣圖3-2電壓變換器原理圖(a)和電流變換器的原理圖(b)信號，這些互感器的二次側往往是較大的電壓和電流，而模數(shù)轉換器輸入電壓一般為±2.5V、±5V或±10V范圍內的電壓信號。因此，我們需將這些信號進行處理，使其滿足模數(shù)轉換器的要求。交流電壓信號的變換可以采用電壓變換器，而交流電流信號的變換可以采用電流變換器。圖3-2為電壓變換器和電流變換器的原理圖。上述電壓變換器，工作原理與變壓器相同，作用是將互感器二次側電壓轉換成與之成比例的弱電壓，二次側不能短路。電流變換器其工作原理與電壓變換器相同，但它的二次側不能開路。電流互感器的作用是將互感器二次側電流轉換成與之成比例的弱電流，通過調節(jié)電阻R的阻值來調整輸出電壓。采樣電阻R比較小，一般為幾歐到十幾歐。模擬低通濾波器及A/D輸入端等回路的等效阻抗Z較大，在工頻信號條件下，可達80KΩ。圖3-3為電流變換器的連接方式。圖3-3電流變換器的連接方式由圖3-3可得式中，n—電流變換器的變比。電流變換器在設計時，相關參數(shù)應滿足的條件是式中，—電流變換器一次電流的最大瞬時值；—A/D轉換器在雙極性輸入請況下的最大正輸入范圍。電壓形成回路不僅能實現(xiàn)電量的變換，還起著隔離和屏蔽的作用，使微機保護電路在電氣上與強電部分隔離，從而阻止來自強電系統(tǒng)的干擾。3.2.2低通濾波電路微機保護裝置采集的模擬量主要是電壓和電流，而電壓和電流在線路發(fā)生故障時會產生高次諧波，所以設計了一個二階RC低通濾波電路用來濾除高次諧波。模擬量的低通濾波電路如圖3-4所示。其傳遞函數(shù)為此濾波方式有單調衰減的頻率特性，對反應基波量的保護上非常適用。并且具有非常簡單的結構、濾波的可靠度高、能夠承受得住較大的過載和浪涌沖擊等特點。圖3-4低通濾波電路圖3.2.3A/D轉換器的選擇微機保護裝置中的單片機只能處理數(shù)字量，所以從低通濾波電路傳輸過來的模擬信息，要經(jīng)過A/D轉換器使模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。在選擇A/D轉換器時，要考慮它的模數(shù)轉換方法和重要的技術指標。本裝置選用MAXIM公司生產的12位逐次漸進式A/D轉換器MAX197。與常用的12位A/D轉換器AD574相比，MAXl97的優(yōu)點如表3-1所示：表3-1MAXl97與AD574的特點比較MAX197AD574供電方式單+5V電源供電+5V及土15V供電模擬量輸入通道數(shù)8通道單通道轉換時間6us25us本裝置采集的信號有各相的電流、電壓信號以及零序電流信號，它需要七個模擬量輸入通道，所以選擇八通道模擬量輸入可以滿足這一要求。MMAXl97的性能特點：①12位分辨率，誤差為±(LSB)。②單+5V供電。③可用軟件選擇的輸入量程，±10V，±5V，0～10V，0～5V。④轉換器的輸入過壓容限為16.5V。⑤8路模擬輸入通道。⑥6us轉換時間，100kbs采樣率。⑦可通過軟件選擇內部或者外部的采集模式⑧可通過軟件選擇內部4.096V或外部基準。⑨可通過軟件選擇內部或外部時鐘。圖3-5MAXl97的管腳圖MAXl97的管腳圖如圖3-5所示，從圖中可以看出，MAXl97為28管腳的DIP(窄形)封裝，其中CH0～CH7為模擬量輸入通道，D0～D11為輸出數(shù)據(jù)線；CS為片選端，低電平有效；WR為寫控制端，在CS低電平有效時，在內部采集模式，由WR的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并發(fā)出一個采集脈沖；在外部采集模式，由WR的第一個上升沿啟動一次采集，由WR的第二個上升沿結束第一次采集并開始進行一次轉換；RD為讀控制端，在CS為電平的情況下，由RD的下降沿對數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)實現(xiàn)一次讀操作；CLK為時鐘輸入，在外部時鐘模式下，輸入與ITL/CMOS相匹配的時鐘脈沖，在內部時鐘模式下，從CLK管腳接一個電容至地，設置內部時鐘頻率，當C=100pF時，時鐘頻率的典型值為1.5MHZ；INT為轉換結束信號，當一次轉換結束時，INT信號由高電平轉換為低電平；HBEN為12位轉換結果輸出選擇端，當HBEN=1時，高4位輸出；HBEN=0時，低8位輸出；SHDN為省電控制端，SHDN=0時，MAXl97進入省電模式；REFADJ為帶隙電壓基準輸出外部調整端，可連接一個0.01uF的電容旁路至地，當采用外部基準電壓時，REFADJ管腳連到VDD上；REF為基準緩沖輸出，ADC的基準輸入，在內部基準電壓模式下，基準緩沖器提供4.096V的標準輸出電壓，可在REFADJ管腳微調，在外部基準電壓模式下，通過把REFADJ接到VDD使內部緩沖器無效；DGND為數(shù)字地；AGND為模擬地。MAXl97的工作方式等是通過它的控制字決定的，MAXl97的控制字格式如表3-2所示:表3-2MAX197控制字格式其中PD1、PD0用于選擇時鐘和工作模式，根據(jù)PD1、PD0組成的二進制數(shù)來選擇(分別為00、01、10、11)，為00時：正常工作，外部時鐘模式為01時：正常工作，內部時鐘模式為10時：省電模式，時鐘模式無影響為11時：全省電模式，時鐘模式無影響B(tài)IP、RNG為輸入電壓極性和量程的選擇，同樣是根據(jù)它們組成的二進制數(shù)來選擇，為00時：0～5V為01時：0～10V為10時：-5V～+5V為11時：-10V～+10V在設計中，我們選擇了-10V～+10V的量程；ACQMOD用于選擇采集方式，ACQMOD=0表示內部采集方式，ACQMOD=1表示外部采集方式；A2、A1、A0為模擬量通道的選擇，一共有8通道輸入，從000～111，當A2、A1、A0為000時選擇通道0，當A2、A1、A0為111時選擇通道7。3.2.4電壓和電流的采集電路設計如圖3-6所示，為系統(tǒng)中電壓、電流信號采集電路接線圖。電流互感器通過R1將電流信號變?yōu)殡妷盒盘?，電壓信號通過由R1、R2、C1、C2組成的二階低通濾波電路濾除高頻干擾，D1和D2組成的保護電路，用于鉗住大于+10V和小于-10V的電壓信號，電壓最終輸入MAX197模擬量輸入通道。圖3-6電壓、電流信號采集電路3.3單片機的選擇本裝置以單片機作為控制核心，選用時要根據(jù)本裝置的功能和單片機的性價比、控制能力進行選擇。本裝置工作時，要處理的信息不是太大，對信息的處理速度要求也不少特別高，通過比較選用ATMEL公司生產的AT89S52單片機作為核心CPU。AT89S52單片機是一種低功耗高性能的CMOS8位微控制器，內置8KB可在線編程閃存。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存儲技術生產，其指令與工業(yè)標準的80C51指令集兼容。片內程序存儲器允許重復在線編程，允許程序存儲器在系統(tǒng)內通過SPI串行口改寫或用同用的非易失性存儲器改寫。通過把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個芯片上，AT89S52便成為一個高效的微型計算機。它的應用范圍廣，可用于解決復雜的控制問題，且成本較低。AT89S52芯片引腳如圖3-7所示。AT89S52芯片的主要性能：與MCS-51單片機產品兼容；8K字節(jié)在線系統(tǒng)可編程Flash存儲器，1000次擦寫周期；4.0V-5.5V工作電壓，全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz；三級加密程序存儲器，三個16位定時器/計數(shù)器，八個中斷源；256*8字節(jié)的內部數(shù)據(jù)存儲器，32個可編程I/O口線；全雙工UART串行通道；低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒；看門狗定時器，雙數(shù)據(jù)指針，掉電標識符，快速編程周期；靈活ISP編程。圖3-7AT89S52芯片引腳圖3.4開關量輸入輸出電路3.4.1開關量輸入電路微機繼電保護裝置中開關量輸入分為兩類：內部開關量輸入和外部開關量輸入。外部開關量輸入電路主要包括斷路器和隔離開關的輔助觸點、保護投退壓板、重合閘方式選擇開關的觸點等輸入電路，內部開關量輸入主要是微機繼電保護裝置面板上的切換開關、按鈕、鍵盤等觸點的輸入。對于裝在微機繼電保護裝置面板上的內部開關觸點可直接接至微機的并行口，如圖3-8（a）所示。它的工作原理是：在系統(tǒng)初始化時設置圖中的并行口的PI0為輸入端，則CPU就可以通過軟件查詢，隨時獲取開關量K狀態(tài)。對于外部引入的觸點，保護裝置是弱電控制部分，而外部開關量的輸入是強電控制部分，因此，開關量要經(jīng)過光電隔離電路，目的是從電路上把干擾源和容易干擾的部分隔離開來，使微機保護裝置和現(xiàn)場僅僅保持光信號的聯(lián)系，而不產生電信號的聯(lián)系，如圖3-8（b）所示。開關量輸入電路接入光電耦合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側。其工作原理是：當外部接點接通時，光耦合的二極管導通，管耦合器的晶體管也導通，其集電極輸出低電位，當外部觸點斷開，光耦合器的二極管不導通，于是晶閘管截止，集電極輸出高電位。圖3-8開關量輸入電路3.4.2開關量輸出電路在微機繼電保護裝置中設有開關量輸出電路，用于驅動各種繼電器，如跳閘出口和重合閘出口繼電器、裝置故障告警繼電器等。根據(jù)保護裝置的需要可自行設置開出量的路數(shù)。對于保護跳閘信號及中央顯示信號等開關量輸出，可采用如圖3-9所示的電路。當軟件使并行口的PB0輸出為“0”，PB1輸出為“1”，便可使與非門輸出低電平，光敏晶體管導通，繼電器K被吸合。在初始化和要使繼電器K返回時，應使PB0輸出為“1”，PB1輸出為“0”。該電路采用由兩根并行口輸出線及與非門電路來控制開關量輸出驅動電路，一是并行口帶負載能力有限，使用邏輯門電路提高驅動能力，二是因為采用與非門后滿足兩個條件才能使K動作，增加了抗干擾能力。圖3-9開關量輸出電路3.5鍵盤和顯示電路3.5.1鍵盤電路設計鍵盤在裝置中的作用是完成向單片機輸入數(shù)據(jù)和傳送命令等功能。鍵盤是一組按鍵開關的集合，它在輸入的過程中可能會抖動，所以必須采用軟件來消除抖動。一般是在按鍵按下（或松開）時，執(zhí)行一段10ms的延時子程序。本裝置鍵盤采用靈活性大、軟件結構簡單的獨立式鍵盤。鍵盤由三個鍵組成，分別完成，向下、向上、確認功能，如圖3-10所示。其工作方式采用中斷工作方式。3-10鍵盤電路圖3.5.2液晶顯示電路設計本裝置從電路設計簡單、功耗低、價格便宜等方面出發(fā)，選用日本OPTRFX公司生產的DMF50174NT3-FW型液晶顯示器。它是由320*240點陣構成，還具有設計簡單、分辨率高、接口方便等優(yōu)點。它的點陣顯示屏具有多種供用戶選則的擴展功能，大大方便了用戶使用，提高了系統(tǒng)的集成高度性和實用性。該顯示器的內嵌控制器選用SED1335控制器，它有非常豐富的指令系統(tǒng)，較強的I/O緩沖區(qū)。SED1335液晶顯示控制器是同類液晶顯示控制器產生中功能較強的一個。它的主要特點有：(1)較強功能的I/O緩沖器。(2)豐富的指令，可并行發(fā)送的四位數(shù)據(jù)，驅動能力最大為640*256點陣。SED1335硬件結構由MPU接口部、內部控制部、驅動部組成。接口部具有較強功能的I/O緩沖器。SED1335控制板上有J1和J2兩個接口，J1為單片機控制板接口，J2為液晶顯示器接口。其與單片機系統(tǒng)進行接口的引腳功能說明，如表3-3所示。SED1335與AT89S52的接線如圖3-11所示。3.6通訊接口電路考慮到現(xiàn)實中，有時工作地點和控制在不同的地點。本裝置設計時添加了通訊部分，以實現(xiàn)遠距離通訊和控制。本部分為遠距離通訊預留了通訊接口，信息傳輸采用串行方式。如圖3-12所示。圖3-12通訊模塊電路圖通信模塊電路如上圖所示，下側通信接口可直接以插口的形式與上位機連接，上側通過MAX232與單片機分別實現(xiàn)與數(shù)據(jù)的輸出與輸入。本裝置選用RS-232通訊協(xié)議進行通訊，其具有通訊距離長，可靠新高，擴展性能好等優(yōu)點。3.7時鐘與復位電路設計本裝置使用內部時鐘，定時元件采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。本裝置晶振頻率選用24HZ的晶振和30pF電容。時鐘電路如圖3-13所示。圖3-13時鐘與復位電路復位是單片機的初始化操作，當單片機運行出錯或系統(tǒng)處于死循環(huán)狀態(tài)等情況時，用復位電路使機器重啟。復位電路如圖3-13所示。3.8告警電路當裝置發(fā)生故障時，系統(tǒng)輸出報警信號，LS進行報警提示工作人員檢修。電路如圖3-14所示。圖3-14報警電路3.9電源電路設計微機保護裝置的電源電路如圖3-15所示，其中有3組穩(wěn)壓電源：給各保護CPU等芯片供電的+5V電壓，給運算放大器及數(shù)模變換芯片供電的±15V電壓，給起動、跳閘、信號、告警繼電器供電的+24V電壓。這三組穩(wěn)壓逆變電源均不共地，采用浮空方式，其外殼也不相連，且輸入正、負220V各采用雙LC濾波措施，增加了其抗干擾的能力。圖3-15保護裝置電源電路圖3.10裝置的硬件抗干擾措施微機保護裝置通常工作在比較惡劣的環(huán)境中，現(xiàn)場的干擾來源很復雜，所以在本裝置的硬件設計中，為了增加裝置的抗干擾的能力，采用以下幾種抗干擾措施：接地處理：將裝置的金屬外殼接大地，以增強裝置的金屬外殼對外部干擾的屏蔽作用，同時保障人身安全。為了有效地抑制共模干擾，將保護裝置內部的零電位全部都懸浮起來，即不與裝置外殼相連。同時盡量提高零電位與裝置外殼之間的絕緣強度，以及減少分布電容。為此，可以將印制板周圍都用地線和5V線封閉起來，以減少印制板上的電路元件與裝置外殼之間的耦合。光耦隔離：微機保護裝置主要工作在電壓和電流都比較大的工業(yè)控制系統(tǒng)中，開關量的輸入和輸出的環(huán)境又都是大功率的場合，而單片機是在弱電環(huán)境下工作，因此必須從電路上把干擾源和易于擾部分隔離開來。本裝置中，在開關量的輸入和輸出電路部分都采用光電耦合器件實現(xiàn)了光電隔離，使單片機和外圍器件之間完全隔斷了電氣聯(lián)系，通過光的聯(lián)系來傳遞信息，具有很強的抗干擾能力。濾波與去耦：在本裝置設計中，采用最常見的RC電路作為低通濾波器，電路很好的抑制了信號傳輸線路中的噪聲和干擾，起到很好的抗干擾作用。采用外部電源作為半導體芯片內部電源時，正電源和地線上并聯(lián)一個0.1μF的去耦電容。在總線板與各插件接口處的正電源和地線之間并聯(lián)兩個電容（容量分別為47μF和0.1μF），分別用來抑制低頻和高頻干擾。

4微機繼電保護算法的研究與選擇經(jīng)過數(shù)字濾波后的信號，并不能直接用來判斷裝置是否發(fā)生了故障，必須對這些數(shù)據(jù)進行一定的分析、處理和判斷，然后裝置才能根據(jù)所得的信息實現(xiàn)繼電保護功能。這種對采集的數(shù)據(jù)進行處理、分析和判斷，以便實現(xiàn)保護功能的方法就叫做算法。下面對幾中常見算法進行研究和比較，選用出最優(yōu)越的算法作為本裝置的算法。4.1正弦函數(shù)模型算法假定輸入為正弦量的算法是基于提供給算法的原始數(shù)據(jù)為純正弦量的理想采樣值。以電流為例，可表示為（4-1）式中,ω—角頻率；I—電流有效值；—采樣時刻；—n=0時的電流相角。4.1.1兩點乘積算法以電流為例，假設和分別為兩個相隔為的采樣時刻和的采樣值（如圖4-1所示），根據(jù)式（4-1）有：(4-2)(4-3)式中為采樣時刻電流的相角，其可能為任意值。將式（4-2）和式（4-3）平方后求和，即得：(4-4)再將式（4-2）和式（4-3）相除，得：(4-5)式（4-4）和（4-5）可知，只要知道任意的兩個相隔正弦量的瞬時值，就可以計算出該正弦量的有效值和相位。圖4-1兩點乘積算法的采樣示意圖同理，只要同時測出和時刻的電壓和，即可求得電壓有效值U以及在時刻的相角，即：(4-6)(4-7)由式（4-4）和式（4-6）可求出阻抗的模量Z和幅角(4-8)(4-9)在實際應用中，求出視在阻抗的電阻分量R和電抗分量X即可。將電流和電壓寫成復數(shù)形式：參照式（4-4）和（4-5），有：于是，(4-10)將式（4-10）的實部和虛部分開，其實部為R，虛部為X，所以：(4-11)(4-12)由于式（4-11）和式（4-12）中用到了兩個采樣值的乘積，所以稱為兩點乘積算法。上面所述兩點乘積算法運算時收集了相隔的采樣值，因而這種算法比需等到周期基波周期才能完成。4.1.2導數(shù)算法導數(shù)算法是基于正弦函數(shù)的導數(shù)為余弦函數(shù)原理，從而求出采樣值的幅值和相位的一種算法。設正弦電壓和正弦電流在時刻的值為(4-13)(4-14)(4-15)(4-16)由（4-13）、（4-14）、（4-15）、（4-16）可得為了求得導數(shù)，可取的兩個相鄰采樣時刻n和n+1的中點，如圖4-2所示。利用差分近似求導，則有和式中，為采樣周期。圖4-2導數(shù)算法采樣示意可見使用連續(xù)的3個采樣值，采用導數(shù)法可以計算出電流、電壓的幅值和相位等電量。該算法只需兩個采樣間隔時間就可以運算，計算公式與兩點乘積法相比也不是特別復雜，運算速度相對比較快，但對于高頻分量極其為敏感，要求采樣頻率比較高。計算中采用了近似計算，所以存在一定的誤差。4.2傅里葉算法傅里葉算法是在傅里葉級數(shù)的基礎上發(fā)展而來，它是運用正余弦函數(shù)的正交函數(shù)性質來濾出信號中某一項頻率的分量。當微機保護裝置采集來的模擬信號是一個隨時間周期性變化的模擬量，則可以表示成傅里葉級數(shù)形式式中，=0,1,2,3…表示諧波分量次數(shù)的自然數(shù)；為次諧波的余弦項；為次諧波的正弦項；為基波角頻率。由上式可知，的第次諧波分量為式中，為第次諧波分量的有效值；為第次諧波的初相角。利用正、余弦三角函數(shù)關系，將展開，與上式對比的得到于是，可以由和的計算公式導出第次諧波分量的有效值，以及第次諧波分量的相角依據(jù)傅里葉級數(shù)的逆變公式，可以得到和，即但在微機計算中，和通常采用梯形求和的方式替換積分法。，，則式中，—一個采樣周期中采樣的點數(shù)；—第k個采樣值；—諧波次數(shù)。上式的計算量相當大，為了提高工作效率，常采用遞推的傅里葉算法。設保護裝置每個采樣周期采樣的點數(shù)為，兩個采樣點之間的時間間隔，則在一個基波周期后的（>）采樣時刻的計算值為式中，和分別為時，第次諧波分量的正、余弦項的幅值；為（=1,2,3,…,)時刻的采樣值。與采樣值只差和兩項。因此，有公式綜上所述，傅里葉算法原理通熟易懂，計算精度比較高，具有較強的濾波功能，但其完成參數(shù)的運算需要一個基波周期的時間，保護速度收到了影響，但采用改進的措施可以解決這些問題。4.3微分方程算法微分方程算法是一種直接利用電流、電壓經(jīng)過一系列計算，從而求出電阻R和電抗X的方法。當被保護覆蓋的線路中的電容非常小時，輸電線路可以等效為如圖4-3所示。圖4-3輸電線路R—L示意圖短路時有式中，、為事故發(fā)生的位置到保護裝設地點線路的正序等效電阻和電感；、為保護裝設地點的電壓、電流。、、均可以通過測量和運算得到，要求的是和。如果分別在和時刻測出、、，就得一個到方程組，即式中，、分別表示和時刻的；、分別表示和時刻的電流值；、分別表示和時刻的電壓值。由上述方程組可求得在運算中，利用連續(xù)3次采樣值、、、、、，采用差分運算替換微分運算的方式有聯(lián)立即可求得和。綜上所述，微分方程算法與兩點乘積算法相比計算量也比較小，數(shù)據(jù)窗相對更小，可以直接通過采樣電流和電壓值直接求得和，但通過差分替代微分的方式處理數(shù)據(jù)，所以存在誤差。4.4算法選擇每個算法都有自己的優(yōu)缺點，如表4-1所示。本裝置采集來的信號時來自電網(wǎng)中的電流、電壓信號，采集時常常伴隨各種干擾信號，所以從算法的采集運算數(shù)據(jù)的時間、運算量、誤差的大小、濾波功能等方面考慮，本裝置采用全波傅里葉算法。表4-1各個算法的優(yōu)缺點

5微機繼電保護系統(tǒng)的軟件設計離開了軟件部分，微機保護裝置就算有最好的硬件也是無法工作。它必須與軟件配合使用，好的硬件系統(tǒng)為裝置的運行提供平臺，而好的軟件系統(tǒng)則為實現(xiàn)各種繼電保護功能提供處理方式。所以軟件的設計必須合乎保護功能的需要，且能與硬件相配合，才可以實現(xiàn)裝置的各項保護。5.1微機繼電保護裝置的保護主程序本裝置保護系統(tǒng)的主程序包括初始化、系統(tǒng)自檢、中斷的開放、故障檢測與報警顯示、循環(huán)自檢。在電或復位時,裝置進行系統(tǒng)初始化和自檢,此過程中采樣中斷和串行口中斷都關閉。完成自檢后，自檢出現(xiàn)問題時，立即發(fā)出告警信號，反之就開放采樣中斷和串行口中斷,進行數(shù)據(jù)采樣和模數(shù)轉換,以及一系列數(shù)據(jù)計算工作。最后根據(jù)采集處理的數(shù)據(jù)進行保護判斷，如果出現(xiàn)故障，則發(fā)出告警和跳閘信號，并在顯示界面中顯示，反之，繼續(xù)循環(huán)自檢。主程序的流程圖如圖5-1所示:5.2數(shù)據(jù)采樣中斷程序該程序主要是用來完成對電壓信號和電流信號的同時采樣，以及指揮A/D轉換器的工作。本裝置設計時采用了單片MAX197芯片進行采樣，可同時采樣多路信號。為保證數(shù)據(jù)采樣的準確性和實時性，在數(shù)據(jù)采樣時不能被干擾，所以此程序必須為最高優(yōu)先級。數(shù)據(jù)采樣中斷程序的流程圖如圖5-2所示:5.3故障處理程序故障處理模塊的功能是將系統(tǒng)中得到被處理過的數(shù)據(jù)，進行判斷，最終確定是否對故障進行處理。在本裝置中，故障處理模塊主要由三段式電流保護模塊組成。其流程圖如圖5-3所示。由流程圖可見，在進入保護模塊后，先對這種保護是否投保進行判斷，如果保護功能投入了，將系統(tǒng)得到的結果與保護整定值進行對比，小于保護的整定值時，進入下一模塊保護，反之則會起動動作程序。

5.4系統(tǒng)的監(jiān)控程序監(jiān)控程序完成對按鍵和液晶顯示器的控制，按鍵采用的是簡單的3個按鍵，液晶顯示屏上的光標由按鍵控制其移動以及選擇，同時可以通過按鍵完成對參數(shù)整定值的調整，調整完畢通過發(fā)送按鍵實現(xiàn)對整定值的存儲和發(fā)送。為了確保顯示的可靠性和準確性，在每一次進行翻頁或修改整定值之前都要預先執(zhí)行清屏操作，監(jiān)控系統(tǒng)主程序設計流程圖如圖5-4所示。從圖5-4中可以看出，在監(jiān)控系統(tǒng)的主程序設計中，首先執(zhí)行初始化，初始化程序包括，液晶顯示驅動的初始化、光標定位和清屏操作，初始化完畢就開始進入查詢狀態(tài)，一旦檢測到I/O口上出現(xiàn)低電平，首先進行一個軟件去抖動的過程，然后進入按鍵處理子程序中，處理完畢后，程序返回到查詢狀態(tài)，繼續(xù)等待循環(huán)判斷是否有按鍵按下。5.5裝置的軟件抗干擾措施外界干擾在進入微機裝置的過程中，大多數(shù)都被硬件部分屏蔽和消除，但還有一些干擾逃過硬件的抗干擾措施，而存在于系統(tǒng)中。所以，對于這些干擾只能通過軟件部分去抑制和消除。以下為幾個軟件抗干擾的措施：在信號進入系統(tǒng)的過程中，可以利用數(shù)字濾波器濾除干擾信號，而數(shù)字錄波器的功能的好壞由保護算法直接影響。通過對算法的比較，由于全波傅里葉算法計算精度高，且可以濾出任意次諧波分量所以被采用。這樣的數(shù)字濾波器通過對程序對采樣過來的信號進行處理，從而降低了干擾在輸入信號中的比重。在保護的過程中開關量有時會誤操作，軟件通過設置一個重復執(zhí)行措施，保護動作的正確性。一般開關量信號至少重復讀入兩次才能被使用，而機械按鍵類信號必須設置一個延時才能正確讀入，防止由于抖動而產生的干擾。而對于輸出的信號，應在輸出的時，同時輸入計算機進行比較分析，以保證輸出正確的信號。有時微機保護中系統(tǒng)RAM中的數(shù)據(jù)可能損壞，從而使運行出現(xiàn)錯誤，采用數(shù)據(jù)冗余技術可以對這些數(shù)據(jù)進行保護。數(shù)據(jù)冗余就是把同一份數(shù)據(jù)備份存儲在不同的地方，當需要調用RAM中的數(shù)據(jù)時，將原數(shù)據(jù)與與備份的數(shù)據(jù)對比，如果出現(xiàn)不同則認為數(shù)據(jù)已經(jīng)損壞。該技術占用了存儲空間，并有時會影響系統(tǒng)的運行速度，所以一般只對保護動作的重要數(shù)據(jù)進行保護。

結論本裝置結合已學的專業(yè)課程，通過對專業(yè)知識的進一步探究，完成了電力系統(tǒng)微機保護裝置的硬件、軟件系統(tǒng)的設計。在硬