基于STC89C52的電力線路過流保護實驗裝置研究

王彥軍,楊 永

（1.榆林學院能源工程學院,榆林,7190001；2.國家電網(wǎng)寧夏固原三營供電公司,寧夏固原,7560002）

基于STC89C52的電力線路過流保護實驗裝置研究

王彥軍1,楊 永2

（1.榆林學院能源工程學院,榆林,7190001；2.國家電網(wǎng)寧夏固原三營供電公司,寧夏固原,7560002）

論文以典型的電力線路三段式過流保護為主要內(nèi)容，設計了基于單片機STC89C52三段式過流保護等模擬實驗功能；具有體現(xiàn)繼電保護不同硬件形態(tài)的全面性特點。基于單片機的保護功能除具有三段式保護功能外，還具有零序電流方向保護的實驗功能，可用于驗證微機式繼電保護所具有的可靠性、使用和功能擴展的方便性。

繼電保護；三段式保護；單片機

1 基于單片機STC89C52的保護硬件設計

1.1 基于STC89C52的保護部分總體設計方案

三段式線路保護是針對三相故障的，而電力系統(tǒng)單相接地故障是出現(xiàn)頻率比較高的，中性點直接接地系統(tǒng)發(fā)生接地短路，將產(chǎn)生很大的零序電流，利用零序電流分量構成保護，作為一種主要的接地短路保護。因此我們也引入了零序電流保護。模擬實驗裝置單片機實現(xiàn)部分可完成線路三段式保護實驗和零序電流方向保護實驗兩個功能，其硬件電路的總體框圖如圖1所示，單片機選用STC89C52。基于單片機的模擬實驗裝置部分需檢測的信號有三相電壓uA、uB、uC，零序電流i0，A相電流iA和C相電流iC；其硬件包括電壓互感器A、電壓互感器B、電壓互感器C、零序電流電壓轉換電路、電壓輸出型電流互感器A、電壓輸出型電流互感器B、電壓信號調(diào)理電路、電流信號調(diào)理電路、A/D轉換環(huán)節(jié)、單片機應用系統(tǒng)、按鍵電路、LCD顯示、跳閘輸出電路、信號回路等組成。

圖1 模擬實驗裝置單片機實現(xiàn)部分總體框圖

模擬實驗裝置單片機實現(xiàn)部分檢測的三相電壓uA、uB、uC

和零序電流i0用于實現(xiàn)零序電流方向保護。零序電流方向保護主要通過比較零序電流i0和零序電壓u0的相位來實現(xiàn)故障的判別，零序電壓的獲取利用系統(tǒng)的三相電壓uA、uB、uC，通過軟件算法計算。零序電流和零序電壓的相位關系也通過軟件算法來實現(xiàn)。模擬實驗裝置單片機實現(xiàn)部分檢測的A相電流iA和C相電流iC用于實現(xiàn)三段式過流保護的功能；三段式過流保護比較的是電流的有效值，電流有效值也采用軟件傅氏算法實現(xiàn)。

利用單片機實現(xiàn)的保護模擬實驗裝置部分中，單片機STC89C52是該部分的控制核心，負責信號的測取協(xié)調(diào)、保護特征量的計算、故障判斷、跳閘命令發(fā)出、顯示刷新等。裝置中的電壓互感器及信號調(diào)理電路主要作用在于取樣主系統(tǒng)中的電壓信號，并通過濾波、偏置等，轉換為適合于A/D轉換的單極性信號。裝置中的電流互感器及信號調(diào)理電路主要作用在于取樣主系統(tǒng)中的電流信號，并通過濾波、偏置等，轉換為適合于A/D轉換的單極性信號，設計中用到的電流互感器的輸出為電壓型，即直接將電流信號轉換為對應的電壓信號。A/D轉換環(huán)節(jié)主要實現(xiàn)故障特征電壓信號和電流信號模擬量到數(shù)字量的轉換。按鍵和LCD顯示回路組成了人機對話的環(huán)節(jié)，通過其可實現(xiàn)參數(shù)設置、動作定值設定，故障記錄查詢等功能。信號回路主要用于故障報警，運行指示等。跳閘輸出回路是故障跳閘指令的執(zhí)行機構。

1.2 A/D轉換環(huán)節(jié)

A/D轉換環(huán)節(jié)電路是實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉換，A/D轉換器是A/D轉換環(huán)節(jié)的核心。具有多路轉換的系統(tǒng)中，A/D轉換器前面都設置多路切換器MUX，以便從多路模擬信號中選取一路進行A/D轉換。保護模擬實驗裝置的A/D轉換環(huán)節(jié)的功能框圖如圖2所示，它包括模擬多路轉換開關MUX，采樣保持器S/H，A/ D轉換器。A/D轉換電路選用A/D轉換芯片A/D574實現(xiàn)。

圖2 A/D轉換環(huán)節(jié)電路

1.3 單片機的選用及其應用系統(tǒng)設計

單片機應用系統(tǒng)的設計包括單片機STC89C52RC、電源電路、時鐘電路、復位電路。STC89C52的時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生，本系統(tǒng)所用的時鐘由內(nèi)部方式發(fā)生。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，選用11.0592MHz的晶振。電容值選用的是30pF電容，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用，復位方式采用上電+按鍵復位方式。

2 基于單片機的三段式過流保護和零序保護的軟件設計

系統(tǒng)主要由主程序、LCD液晶顯示程序、AD采樣程序、跳閘模塊、傅氏算法程序、相位判斷程序構成。整個系統(tǒng)的軟件結構包括主程序模塊，初始化子程序模塊和中斷服務程序模塊。主程序模塊主要包括跳閘模塊和顯示模塊。初始化子程序模塊的功能主要是設置各個寄存器，使系統(tǒng)按照設計要求正常工作，并對各種變量進行初始化。主程序主要是調(diào)用初始化子程序對系統(tǒng)進行初始化，并啟動系統(tǒng)中使用的定時器，然后進入循環(huán)體，查詢鍵盤狀態(tài)和調(diào)用顯示子程序并等待系統(tǒng)中斷。當發(fā)生中斷時優(yōu)先去執(zhí)行中斷服務程序。中斷服務程序模塊包括A/D采樣模塊、算法模塊及與PC機的串行通信模塊。在串行口中斷中，主要完成與主機的信息傳送與顯示工作。

整個軟件設計分為信號采集程序（A/D轉換程序）、示程序和四個的模塊。每個模塊既有自己獨立的功能，又要與其余模塊相互兼容和聯(lián)系，以實現(xiàn)整個軟件系統(tǒng)的功能。（1）采樣程序：在外部中斷的觸發(fā)之下，將外部采樣電路的兩路輸入信號進行準確的一周期12點采樣，然后停止采樣，并將12個數(shù)據(jù)存放在一個數(shù)組之中，等待數(shù)據(jù)處理程序的調(diào)用；（2）數(shù)據(jù)處理程序：調(diào)用采樣程序存放在數(shù)組之中的12個采樣結果，進行實際值還遠之后，使用傅立葉算法進行運算，求得U0、I0/相角，并存放起來，供顯示和通信程序調(diào)用；（3）LCD顯示程序：驅動LCD顯示初始化界面和測量結果；

3 結語

本實驗裝置可以用單片機實現(xiàn)電力線路三段式電流保護的相關實驗，包括三段式電流保護和零序電流保護，以設計性實驗為主，主要包括硬件和軟件兩個部分。其特點是功能強大，易擴展，調(diào)試整定容易。

[1] 賀家李，宋從矩．電力系統(tǒng)繼電保護原理[M]．天津：中國電力出版，1994：202～235

[2] 莊恒建，劉萬順，焦邵華，鄭濤．微機保護用軟件測試平臺的開發(fā)[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2004,32(17):7～9

[3] 王鳴江，范春菊，房鑫炎．開放式微機保護試驗平臺的研制[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學報，2003，15（1）：63～66，104

Design of the power line overcurrent protection experimental device based on MCU STC 89C52

Wang Yanjun，Yang Yong
（1.Yulin university,Yulin，719000,Shaanxi,2.State Grid of Ningxia Guyuan Sanying power supply company,Guyuan,756000,Ningxia）

Based on the power line typical three section type overcurrent protection as the main content, design of the MCU STC89C52 three section type over-current protection function is based on simulation experiment;the comprehensive characteristics of different hardware configuration of relay protection. Protection functions based on single chip has three section protection function,but also has the function of zero sequence current protection,and can be used for reliability,convenient use and functional verification of microprocessor relay has extended.

Relay protection;The three section protection;MCU

TM755

A

王彥軍（1983—），男，陜西榆林人，從事高低壓電氣教學研究工作。

榆林學院院內(nèi)科研項目 項目編號：13YK37