基于STC89C52的电力线路过流保护实验装置研究

王彦军,杨 永

（1.榆林学院能源工程学院,榆林,7190001；2.国家电网宁夏固原三营供电公司,宁夏固原,7560002）

基于STC89C52的电力线路过流保护实验装置研究

王彦军1,杨 永2

（1.榆林学院能源工程学院,榆林,7190001；2.国家电网宁夏固原三营供电公司,宁夏固原,7560002）

论文以典型的电力线路三段式过流保护为主要内容，设计了基于单片机STC89C52三段式过流保护等模拟实验功能；具有体现继电保护不同硬件形态的全面性特点。基于单片机的保护功能除具有三段式保护功能外，还具有零序电流方向保护的实验功能，可用于验证微机式继电保护所具有的可靠性、使用和功能扩展的方便性。

继电保护；三段式保护；单片机

1 基于单片机STC89C52的保护硬件设计

1.1 基于STC89C52的保护部分总体设计方案

三段式线路保护是针对三相故障的，而电力系统单相接地故障是出现频率比较高的，中性点直接接地系统发生接地短路，将产生很大的零序电流，利用零序电流分量构成保护，作为一种主要的接地短路保护。因此我们也引入了零序电流保护。模拟实验装置单片机实现部分可完成线路三段式保护实验和零序电流方向保护实验两个功能，其硬件电路的总体框图如图1所示，单片机选用STC89C52。基于单片机的模拟实验装置部分需检测的信号有三相电压uA、uB、uC，零序电流i0，A相电流iA和C相电流iC；其硬件包括电压互感器A、电压互感器B、电压互感器C、零序电流电压转换电路、电压输出型电流互感器A、电压输出型电流互感器B、电压信号调理电路、电流信号调理电路、A/D转换环节、单片机应用系统、按键电路、LCD显示、跳闸输出电路、信号回路等组成。

图1 模拟实验装置单片机实现部分总体框图

模拟实验装置单片机实现部分检测的三相电压uA、uB、uC

和零序电流i0用于实现零序电流方向保护。零序电流方向保护主要通过比较零序电流i0和零序电压u0的相位来实现故障的判别，零序电压的获取利用系统的三相电压uA、uB、uC，通过软件算法计算。零序电流和零序电压的相位关系也通过软件算法来实现。模拟实验装置单片机实现部分检测的A相电流iA和C相电流iC用于实现三段式过流保护的功能；三段式过流保护比较的是电流的有效值，电流有效值也采用软件傅氏算法实现。

利用单片机实现的保护模拟实验装置部分中，单片机STC89C52是该部分的控制核心，负责信号的测取协调、保护特征量的计算、故障判断、跳闸命令发出、显示刷新等。装置中的电压互感器及信号调理电路主要作用在于取样主系统中的电压信号，并通过滤波、偏置等，转换为适合于A/D转换的单极性信号。装置中的电流互感器及信号调理电路主要作用在于取样主系统中的电流信号，并通过滤波、偏置等，转换为适合于A/D转换的单极性信号，设计中用到的电流互感器的输出为电压型，即直接将电流信号转换为对应的电压信号。A/D转换环节主要实现故障特征电压信号和电流信号模拟量到数字量的转换。按键和LCD显示回路组成了人机对话的环节，通过其可实现参数设置、动作定值设定，故障记录查询等功能。信号回路主要用于故障报警，运行指示等。跳闸输出回路是故障跳闸指令的执行机构。

1.2 A/D转换环节

A/D转换环节电路是实现模拟信号到数字信号的转换，A/D转换器是A/D转换环节的核心。具有多路转换的系统中，A/D转换器前面都设置多路切换器MUX，以便从多路模拟信号中选取一路进行A/D转换。保护模拟实验装置的A/D转换环节的功能框图如图2所示，它包括模拟多路转换开关MUX，采样保持器S/H，A/ D转换器。A/D转换电路选用A/D转换芯片A/D574实现。

图2 A/D转换环节电路

1.3 单片机的选用及其应用系统设计

单片机应用系统的设计包括单片机STC89C52RC、电源电路、时钟电路、复位电路。STC89C52的时钟可以由内部方式产生或外部方式产生，本系统所用的时钟由内部方式发生。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路，选用11.0592MHz的晶振。电容值选用的是30pF电容，电容值的大小可对频率起微调的作用，复位方式采用上电+按键复位方式。

2 基于单片机的三段式过流保护和零序保护的软件设计

系统主要由主程序、LCD液晶显示程序、AD采样程序、跳闸模块、傅氏算法程序、相位判断程序构成。整个系统的软件结构包括主程序模块，初始化子程序模块和中断服务程序模块。主程序模块主要包括跳闸模块和显示模块。初始化子程序模块的功能主要是设置各个寄存器，使系统按照设计要求正常工作，并对各种变量进行初始化。主程序主要是调用初始化子程序对系统进行初始化，并启动系统中使用的定时器，然后进入循环体，查询键盘状态和调用显示子程序并等待系统中断。当发生中断时优先去执行中断服务程序。中断服务程序模块包括A/D采样模块、算法模块及与PC机的串行通信模块。在串行口中断中，主要完成与主机的信息传送与显示工作。

整个软件设计分为信号采集程序（A/D转换程序）、示程序和四个的模块。每个模块既有自己独立的功能，又要与其余模块相互兼容和联系，以实现整个软件系统的功能。（1）采样程序：在外部中断的触发之下，将外部采样电路的两路输入信号进行准确的一周期12点采样，然后停止采样，并将12个数据存放在一个数组之中，等待数据处理程序的调用；（2）数据处理程序：调用采样程序存放在数组之中的12个采样结果，进行实际值还远之后，使用傅立叶算法进行运算，求得U0、I0/相角，并存放起来，供显示和通信程序调用；（3）LCD显示程序：驱动LCD显示初始化界面和测量结果；

3 结语

本实验装置可以用单片机实现电力线路三段式电流保护的相关实验，包括三段式电流保护和零序电流保护，以设计性实验为主，主要包括硬件和软件两个部分。其特点是功能强大，易扩展，调试整定容易。

[1] 贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理[M]．天津：中国电力出版，1994：202～235

[2] 庄恒建，刘万顺，焦邵华，郑涛．微机保护用软件测试平台的开发[J].电力系统保护与控制,2004,32(17):7～9

[3] 王鸣江，范春菊，房鑫炎．开放式微机保护试验平台的研制[J]．电力系统及其自动化学报，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

王彦军（1983—），男，陕西榆林人，从事高低压电气教学研究工作。

榆林学院院内科研项目 项目编号：13YK37