专利名称：多功能微机方向横差保护装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力系统的方向横差保护装置，属电力系统继电保护的技术领域。
在35KV－220KV配电变电站中，经常采用桥形接线方式，这种接线方式适用于两台变压器和两回输电线的供电线路。由于所用断路器数目较少，布置简单，造价低，所以应用较普遍。桥形接线分为内桥和外桥两种接线方式。内桥接线的继电保护属于平行双回线保护的范围。为了提高保护动作速度和灵敏度，根据平行双回线路保护的特点，采用方向横差保护，即比较双回线路中的电流的大小和方向，以判断是内部故障还是外部故障，可以有效地提高保护动作的灵敏度和速度。因此在平行双回线路中，常采用方向横差保护，尤其对于单侧电源供电的双回线路更为适用。
现有的方向横差保护装置是由分离的多个电磁式或晶体管式继电器组成，例如电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、时间继电器等。体积大、接线复杂、价格高、可靠性、可维护性差，继电器的动作定值整定困难。调试不方便，而且每年必须定期停电，对定值进行校验和检修。如果要增加一个功能，必须增加相应的继电器，因此要采用双机保护方式来提高可靠性几乎是不可能的。而且由常规继电器构成的方向横差保护装置的功率方向继电器没有记忆功能，当短路点发生在保护安装处母线附近时，由于母线电压可能接近于零，使得功率方向继电器没法正确判断出电流的方向，可能造成保护装置无选择性的误动，严重影响安全供电，这就是所谓存在“电压死区”问题，同时，常规的方向横差保护装置还存在“电流潜动”问题。
另外，随着我国工农业建设的突飞猛进，对电力供应的迫切需要，往往在平行双回线途中，架接下接变电站，这使得方向保护装置的整定值设置带来更多的困难，也增加方向横差保护装置的复杂性。
由于上述原因，使得常规的方向横差保护虽然在保护功能上有其优越性，但却难以推广应用。
本实用新型的目的是提供一种用微机控制的方向横差保护装置，提高保护的可靠性，并克服常规的方向横差保护装置的“电压死区”及“电流潜动”问题。
本实用新型微机方向横差保护装置由输入电路、输出电路、主机模块和键盘显示电路四部分组成。输入电路由模拟量输入电路及开关量输入电路两部分组成。模拟量输入电路由电压形成电路和A／D转换电路所组成。
本装置适用于两侧电源和单侧电源的双回并列运行线路的送、受变电所作为线路内部故障的主保护，可瞬时动作切除故障，也可适用于输电线路带梯接变压器的变电站。
说明附图如下图1为本实用新型微机方向横差保护装置原理框图。
图2为母线电压的电压形成电路原理图。
图3为电流的电压形成电路原理图。
图4为A／D转换电路原理图。
图5为开关量输入电路原理图。
图6为输出电路原理图。
图7为主机模块电路原理图。
图8为键盘显示接口电路原理图。
图9为监控程序框图。
图10为保护程序框图。
图11为自检程序框图。
结合
实施例如下本实用新型微机方向横差保护装置(图1)由输入电路(Ⅰ)、输出电路(Ⅱ)、主机模块(Ⅲ)、键盘、显示电路(Ⅳ)四部分组成。输入电路由模拟量输入电路，开关量输入电路所组成。
模拟量输入电路由电压形成电路和A／D转换电路所组成。模氦量输入电路是把被保护的输电线路的电压、电流等有关信号采样后，送给主机模块进行分析、计算、判断输电线路是否发生故障，那回线发生故障。
本装置共有8个采样输入量3个母线电压UAB、UBC、UCA用于低压启动元件及系统显示；4个相电流IA1、IA2、IC1、IC2用于差流元件；1个零序电压3U0用于检查PT断线。母线电压UAB、UBC、UCA和3U0取自变电站的PT，相电流IA1、IA2、IC1、IC2取自两回输电线的CT。
电压形成电路由母线电压的电压形成电路及电流的电压形成电路两部分组成。母线电压的电压形成电路(图2)由互感器(PT)、电阻R、Rw、电容C、运放LM348、稳压管Dw所组成。来自变电站母线PT的三个线电压和零序电压经本装置的PT降压后，经两级RC滤波，滤去高频分量后，经电位器RW调幅后，再经接成射极跟随器的运算放大器(LM348)送给A／D转换电路。在运算放大器(LM348)的输入端有对接的两个稳压管加以限幅以保护A／D电路的多路开关和A／D转换芯片。
电流的电压形成电路(图3)由互感器CT、电阻R、Ru、Rw、电容C、运放LM348、稳压管Dw所组成。来自平行双回进线的4个A、C相电流，由变电站的CT分别经过相应的CT，变为小电流，经过Ru变成电压信号，再经两级RC滤波，滤去高频分量，再经Rw调整幅度后，由射极跟随器运放LM348送至A／D转换电路。运放LM348前的两个对接的稳压管也是为了限幅，以保护A／D电路的多路开关和A／D转换芯片。
A／D转换电路(图4)由多路开关(AD7506)、A／D转换器(AD574AJD)、采样保持器(AD583)、数据缓冲器(74LS244)、锁存器(74LS273)、比较器(74LS688)、总线缓冲器(74LS245)、译码器(74LS139)所组成。由电压形成电路来的电压、电流8个模拟量经多路开关(AD7506)送至采样保持器(AD583)，再经A／D转换器(AD574AJD)转换成数字量，然后经由数据缓冲器(1)(74LS244)和数据缓冲器(2)(74LS244)暂存、再经总线缓冲器(74LS245)送至STD总线数据线。锁存器(74LS273)由STD总线经总线缓冲器(74LS245)提供选通多路开关(AD7506)的编码信号以确定所需采样量的通道地址。译码器(74LS139)是按总线来的地址去选通A／D转换后数字量高4位和低8位数据缓冲器(1)(74LS244)，和数据缓冲器(2)(74LS244)，同时用来给出A／D转换的启动信号。比较器(74LS688)由STD地址总线提供本电路在系统中的地址信号范围。
开关量输入电路(图5)由插座(37芯D型插座)、光电耦合器(TIL－521－4)、0～3通道输入缓冲器(74LS245)、数据总线驱动器(74LS245)、板选比较器(74LS688)，端口译码器(74LS139)所组成。平行双回进线和母线桥的三个断路器触点(常开触点)经过37芯D型插座引入至光电耦合器(TIL－521－4)隔离后由0通道输入缓冲器(74LS245)送至数据总线驱动器(74LS245)再送至STD数据总线，由主机模块取走用以判断双回进线的运行工况。板选比较器(74LS688)将由STD地址总线来的地址信息经比较后，输出选通数据总线驱动器(74LS245)和端口译码器(74LS139)的信号。端口译码器(74LS139)由STD地址总线提供A1、A0信号，译码后分别输出选通0～3通道输入缓冲器(74LS245)的信号。
输出电路(图6)主要是开关量的输出，由插座、光电隔离器(TLP－521)、反相器(74LS06)、0～3通道输出锁存器(74LS273)、数据总线缓冲器(74LS245)、比较器(74LS688)、通道译码器(74LS139)、三极管驱动输出电路所组成。来自CPU的命令或信号由数据总线缓冲器(74LS245)分别经由0、1、2号通道输出锁存器(74LS273)，并经反相器(74LS06)反相后再经光电隔离器(TLP521)隔离，再由三极管驱动电路经由37芯D型插座输出。通道译码器(74LS139)取自STD总线的地址信号A0、A1，经译码器(74LS139)译码后分别发出选通0～3通道输出锁存器(74LS273)的信号。比较器(74LS688)取自STD地址总线A2～A9的信号，经比较后发出选通总线数据缓冲器(74LS245)的信号。
主机模块(图7)由单片机8031、EPROM、SRAM、EEPROM、总线缓冲器(74LS244，74LS245)、锁存器(74LS273)、定时／计数器(Intel8253)、译码器(74LS139)、单稳态触发器(74LS123)、晶振电路、复位电路、和施密特触发器(74LS14)与RC组成的振荡电路所组成。由A／D转换电路采样和转换后的电压、电流信号和由开关量输入电路采来的三个断路器的状态信号分别由STD数据总线经8031单片机从数据总线缓冲器(2)读入并存放于SRAM中，然后经过计算分析判断输电线是否发生故障，如有故障则单片机8301发出跳故障线路的命令，该命令由总线缓冲器(2)输出给开关量输出电路。EPROM(Ⅰ)是存放保护程序用的、EPROM(Ⅱ)是存放监控程序用的，EEPROM是存放保护的整定值用的，SRAM是存放随机数据用的，它们的地址线的低8位都来自单片机8031的P0口经锁存器(74LS273)来提供，高位地址直接由单片机8031的P2口提供。数据线D0～D7直接由单片机8031的PO口提供。定时／计数器(Intel 8253)的片选信号由译码器(74LS139)选通，数据线来自单片机8031的PO口，地址线来自锁存器(74LS273)。定时／计数器8253的零号计数器的CLK0端，由施密特触发器74LS14与RC组成振荡电路提供周期性的输入脉冲，其OUT0输出端接在8031的T0引脚，作为T0的外部输入计数脉冲。改变RC参数，即可改变输入至CLK0的脉冲周期。晶振电路提供单片机8031的时钟，复位电路提供单片机8031的复位信号，并经单稳态触发器(74LS123)提供系统复位信号，与单片机8031的、 信号一起由总线缓冲器(4)(74LS244)输出至STD总线。单片机8031的PO口经锁存器(74LS273)再经总线缓冲器(1)(74LS244)提供系统地址总线A0～A7，由单片机8031P2口经总线缓冲器(3)(74LS244)提供STD系统的地址总线A8～A15。锁存器(74LS273)由单片机8031的ALE信号选通。
键盘显示电路将主机模块所采样、计算的输电线路的电压、电流的实时量和差流值以及在运行过程中的自检情况送至显示器显示出来，操作人员的命令用键盘输入。键盘显示电路(图8)由键盘显示管理芯片Intel 8279、译码器、光电耦合器、总线缓冲器、比较器、显示驱动芯片组成。需要显示的信号和U、i等实时数据或故障电流，由主机模块经总线缓冲器(1)(74LS245)送至8279芯片，由8279芯片的OUTA0～OUTA7输出至显示驱动器(1)(UNL2003)，显示驱动器(2)(UNL2003)提供要显示的字形码送至外设显示器。8279芯片的SL0～SL2提供译码器(2)(74LS138)的输入译码信号，经译码后将位选信号经由显示驱动器(3)(75492)的输入译码信号显示驱动器(4)(75492)输出至显示器。运行人员输入的命令由键盘输入，经光电耦合器(TLP521－4)隔离后经芯片8279的RL1～RL0引脚输入总线缓冲器(1)(74LS245)送至STD总线，由单片机8031取走分析处理。
8279芯片发出的IRQ信号经74LS14送至STD总线的INTRQ中断请求端。8279芯片的读、写信号RD、WR和地址信号A0由STD总线经总线缓冲器(2)输入。8279的片选信号CS由译码器(1)(74LS139)将来自总线缓冲器(2)(74LS245)的地址信号A2、A3经译码器(1)(74LS139)译码后提供。比较器(74LS688)将STD总线的地址信号比较后，确定选通数据缓冲器(1)和译码器(1)的地址范围。
本实用新型微机方向横差保护装置除上述硬件外，还有软件配合运行，软件包括三个程序保护程序，监控程序，自检程序。
说明各程序如下1、保护程序(1)各元件的算法保护程序分为三个功能模块，即低压启动元件，差流元件和方向元件，各元件采样频率为每周波24点。
①低压启动元件为提高装置对故障的快速反应，低压启动元件采用改进的半周积分法，先进行二阶差分滤波。
再取半周积分Um＝ ｜u(i)｜ (1)式中UM是经过系数折算后的电压幅值。
ui是电压采样值。
②差流元件差流元件采用高精度的全周付立叶算法，并先行差分滤波，以抑制衰减直流分量的影响，付氏计算公式如下Ic＝ (k)cos (2π)/24 k (2)Is＝ (k)sin (2π)/24 k (3)Im＝I2m+ I2m]]>(4)其中i(k)为瞬时电流采样值，Im为电流幅值。
该算法可消除各高次谐波和直流分量的影响，对衰减直流分量也有很好的抑制作用。
③方向元件方向元件采用90°接线方式，通过比较Ubc和ia以及Uab和ic的相位关系选择故障线路。如果某一回线路的电流和电压反相，则跳开本线路。
④保护程序简介保护装置的入口条件是双回线并列运行，所以保护程序首先检测两回线路的断路器1DL、2DL和桥断路器2DL的合闸位置，若有任一个断开，则不具备入口条件，装置自动闭锁，同时显示器闪烁“OFF”，并发予告音响，提示操作人员处理。如果满足入口条件，则装置自动进入保护运行状态，保护程序框图如图10所示。
正常运行状态下，装置将循环显示三个线电压值，同时进行装置在线自检，自检的内容包括A／D转换电路及＋5V、±15v电源，存贮器(RAM、EPROM、EEPROM)以及定时器8253等，发现问题立即发出予告音响，同时显示故障部位，并闭锁保护出口(8253故障时保护不退出运行)。
低压元件启动后，首先设置低压自保持时间，再进行差流判别。
差流元件动作后，再判别故障方向，以判断是否是保护区内故障和确定哪回线路故障，并跳开故障线路。
装置发出跳闸命令后循环闪烁故障时的差动电流值，以供操作人员参考。如果断路器重新合上，则装置自动投入保护程序，操作人员可使用键盘上的“故障追忆”键，查看故障时的差动电流值。
从以上的程序结构分析看出，该保护装置实际上具有三层判据结构，并采取了一系列软件防误动措施，使装置的可靠性大大提高。
2、监控程序为了便于对保护装置进行管理，编制了监控程序，监控程序的主要功能是管理键盘和显示器，例如设置定值、离线自检等等。监控程序框图如图9所示。
3、自检程序装置上电时，首先进行自检，自检内容包括A／D、存贮器、定时器等，如果自检通过，则自动进入保护程序，否则转入监控程序，等待操作人员输入命令，自检程序的结构框图如图11。
本实用新型微机方向横差保护装置具有下列特点1、消除了常规继电器保护功率方向元件存在的“电压死区”，从而提高了供电的可靠性。
2、消除了“电流潜动”3、可适用于具有T接变电站的平行双回线路，作为其主保护。
4、可带电修改保护整定值，免去了每年一次的保护定值校检工作，提高了输电线路的利用率。
5、扩展了保护功能①具有故障记录功能，可自动记录故障排除前的差流，便于分析发生故障的线路和故障性质。
②具有数字显示功能。能显示母线电压实时值和两回线的不平衡电流。
③具有故障自检和自启动功能。在运行前及运行中都可对装置有关元件进行自检，如发现故障，立即报警，并闭锁保护出口，确保输电线的安全运行。
权利要求1.一种微机方向横差保护装置，其特征是本保护装置由输入电路、输出电路、主机模块和键盘显示电路四部分组成；输入电路由模拟量输入电路和开关量输入电路两部分组成，模拟量输入电路由电压形成电路和A/D转换电路所组成，电压形成电路由母线电压的电压形成电路及电流的电压形成电路所组成，母线电压的电压形成电路由互感器PT、电阻R、RW，电容C、运放LM348、稳压管Dw所组成，电流的电压形成电路由互感器CT、电阻R、Ru、Rw、电容C、运放LM348和稳压管Dw所组成；A/D转换电路由多路开关、A/D转换器、采样保持器、数据缓冲器、锁存器、比较器、总线缓冲器、译码器所组成；开关量输入电路由插座、光电耦合器、通道输入缓冲器、数据总线驱动器、板选比较器、端口译码器所组成；输出电路由插座、光电隔离器、反相器、通道输出锁存器、数据总线缓冲器、比较器、通道译码器、三极管驱动电路所组成；主机模块由单片机、EPROM、SRAM、EEPROM、总线缓冲器、锁存器、定时/计数器、译码器、单稳态触发器、晶振电路、复位电路和施密特触发器与RC组成的振荡电路所组成；键盘显示电路由键盘显示管理芯片、译码器、光电耦合器、总线缓冲器、比较器显示驱动芯片所组成；各电路的联接关系如下母线电压的电压形成电路由来自变电站母线PT的三个线电压和零序电压经本电路中的PT降压后，经两级RC滤波并经电位器Rw调幅后经运放LM348送至A/D转换电路，在运放LM348的输入端有稳压管Dw加以限幅；电流的电压形成电路，来自平行双回进线的4个A、C相电流由变电站的CT分别经过本电路相应的CT经过Ru变成电压信号，再经两级RC滤波及Rw调整幅度后，经运放LM348送至A/D转换电路，在运放LM348的输入端有稳压管Dw加以限幅；A/D转换电路，由电压形成电路来的电压、电流8个模拟量经多路开关送至采样保持器，再经A/D转换器转换成数字量后经由数据缓冲器(1，2)经总线缓冲器送至总线数据线，锁存器由总线经总线缓冲器提供多路开关的编码信号，以确定所需采样量的通道地址，译码器是按总线来的地址去选通数据缓冲器(1，2)，同时给出A/D转换的启动信号，比较器由STD地址总线提供本电路在系统中的地址信号范围；开关量输入电路，由平行双回进线和母线桥的三个断路器触点经插座引至光电耦合器，再经零通道输入缓冲器送至数据总线驱动器，再送至数据总线，板选比较器将由地址总线来的地址信息经比较后输出选通数据总线驱动器和端口译码器的信号，端口译码器由地址总线提供A1、A0信号译码后分别输出选通0～3通道输入缓冲器的信号；输出电路，来自CPU的命令或信号由数据总线缓冲器，分别经由0，1，2号通道输出锁存器，经过反相器，和光电隔离器由三极管驱动电路经插座输出，通道译码器取自地址总线的A1、A0信号，经译码器译码后分别发出选通0～3通道输出锁存器的信号，比较器取自地址总线A2-A9的信号经比较后发出选通总线数据缓冲器的信号；主机模块，由A/D转换电路来的电压，电流信号和由开关量输入电路来的三个断路器状态信号分别由数据总线经单片机从数据总线缓冲器(2)读入SRAM中，经运算后由单片机经总线缓冲器(2)输出命令给输出电路，EPROM、SRAM、EEPROM的地址线的低8位来自单片机的PO口经锁存器提供，高位地址直接由单片机的P2口提供，数据线D0～D7直接由单片机的PO口提供，定时/计数器的片选信号由译码器选通，数据线来自单片机的PO口，地址线来自锁存器，定时/计数器的零号计数器的CLKO端，由施密特触发器与RC组成的振荡电路提供输入脉冲，定时/计数器的OUTO输出端接至单片机的T0引脚，晶振电路提供单片机的时钟，复位电路提供单片机的复位信号，并经单稳态触发器提供系统的复位信号，与单片机的 、 信号一起由总线缓冲器(4)输出至STD总线，单片机的PO口经锁存器再经总线缓冲器(1)提供系统地址总线A0～A7，由单片机的P2口经总线缓冲器(3)提供STD系统的地址总线A8～A15，锁存器由单片机ALE信号选通；PO口经总线缓冲器(2)提供STD系统的数据总线D0～D7；键盘显示接口电路，需要显示的信号和U，i等实时数据或故障电流由主机模块经总线缓冲器(1)送至键盘显示管理芯片，由该芯片的OUTA0～OUTA7输出至显示驱动器(1，2)提供要显示的字形码送至外设显示，键盘显示管理芯片的SL0～SL2提供译码器(2)的输入译码信号，经译码后将位选信号经由显示驱动器(3，4)输出至显示器，命令由键盘输入，经光电耦合器后经键盘显示管理芯片的RL7～RL0引脚输入总线缓冲器(1)送至STD总线，键盘管理显示芯片发出的IRQ信号经74LS14芯片送至STD总线的INTRQ中断请求端，键盘显示管理芯片的 、 信号和地址信号A0由STD总线缓冲器(2)输入，其片选信号CS由译码器(1)将来自总线缓冲器(2)的地址信号A2、A3经译码器(1)译码后提供，比较器将STD总线的地址信号比较后确定选通数据缓冲器(1)和译码器(1)的地址范围。
专利摘要一种微机方向横差保护装置，属电力系统继电器保护技术领域。本保护装置由输入电路、输出电路、主机模块和键盘显示接口电路四部分组成，输入电路由模拟量输入电路和开关量输入电路组成；模拟量输入电路由电压形成电路和A/D转换电路组成，电压形成电路由母线电压的电压形成电路和电流的电压形成电路组成。本保护装置可以消除常规的继电保护功率方向元件存在的“电压死区”和“电流潜动”问题，提高了供电的可靠性，并可带电修改保护整定值，免去每年一次的保护定值校验工作，提高了输电线路的利用率。
文档编号H02H3/00GK2189791SQ9421185
公开日1995年2月15日 申请日期1994年5月11日 优先权日1994年5月11日
发明者黄益庄, 郑定海, 李春光 申请人:清华大学