專利名稱：多功能微機方向橫差保護裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力系統的方向橫差保護裝置，屬電力系統繼電保護的技術領域。
在35KV－220KV配電變電站中，經常采用橋形接線方式，這種接線方式適用于兩臺變壓器和兩回輸電線的供電線路。由于所用斷路器數目較少，布置簡單，造價低，所以應用較普遍。橋形接線分為內橋和外橋兩種接線方式。內橋接線的繼電保護屬于平行雙回線保護的范圍。為了提高保護動作速度和靈敏度，根據平行雙回線路保護的特點，采用方向橫差保護，即比較雙回線路中的電流的大小和方向，以判斷是內部故障還是外部故障，可以有效地提高保護動作的靈敏度和速度。因此在平行雙回線路中，常采用方向橫差保護，尤其對于單側電源供電的雙回線路更為適用。
現有的方向橫差保護裝置是由分離的多個電磁式或晶體管式繼電器組成，例如電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、時間繼電器等。體積大、接線復雜、價格高、可靠性、可維護性差，繼電器的動作定值整定困難。調試不方便，而且每年必須定期停電，對定值進行校驗和檢修。如果要增加一個功能，必須增加相應的繼電器，因此要采用雙機保護方式來提高可靠性幾乎是不可能的。而且由常規繼電器構成的方向橫差保護裝置的功率方向繼電器沒有記憶功能，當短路點發生在保護安裝處母線附近時，由于母線電壓可能接近于零，使得功率方向繼電器沒法正確判斷出電流的方向，可能造成保護裝置無選擇性的誤動，嚴重影響安全供電，這就是所謂存在“電壓死區”問題，同時，常規的方向橫差保護裝置還存在“電流潛動”問題。
另外，隨著我國工農業建設的突飛猛進，對電力供應的迫切需要，往往在平行雙回線途中，架接下接變電站，這使得方向保護裝置的整定值設置帶來更多的困難，也增加方向橫差保護裝置的復雜性。
由于上述原因，使得常規的方向橫差保護雖然在保護功能上有其優越性，但卻難以推廣應用。
本實用新型的目的是提供一種用微機控制的方向橫差保護裝置，提高保護的可靠性，并克服常規的方向橫差保護裝置的“電壓死區”及“電流潛動”問題。
本實用新型微機方向橫差保護裝置由輸入電路、輸出電路、主機模塊和鍵盤顯示電路四部分組成。輸入電路由模擬量輸入電路及開關量輸入電路兩部分組成。模擬量輸入電路由電壓形成電路和A／D轉換電路所組成。
本裝置適用于兩側電源和單側電源的雙回并列運行線路的送、受變電所作為線路內部故障的主保護，可瞬時動作切除故障，也可適用于輸電線路帶梯接變壓器的變電站。
說明附圖如下圖1為本實用新型微機方向橫差保護裝置原理框圖。
圖2為母線電壓的電壓形成電路原理圖。
圖3為電流的電壓形成電路原理圖。
圖4為A／D轉換電路原理圖。
圖5為開關量輸入電路原理圖。
圖6為輸出電路原理圖。
圖7為主機模塊電路原理圖。
圖8為鍵盤顯示接口電路原理圖。
圖9為監控程序框圖。
圖10為保護程序框圖。
圖11為自檢程序框圖。
結合
實施例如下本實用新型微機方向橫差保護裝置(圖1)由輸入電路(Ⅰ)、輸出電路(Ⅱ)、主機模塊(Ⅲ)、鍵盤、顯示電路(Ⅳ)四部分組成。輸入電路由模擬量輸入電路，開關量輸入電路所組成。
模擬量輸入電路由電壓形成電路和A／D轉換電路所組成。模氦量輸入電路是把被保護的輸電線路的電壓、電流等有關信號采樣后，送給主機模塊進行分析、計算、判斷輸電線路是否發生故障，那回線發生故障。
本裝置共有8個采樣輸入量3個母線電壓UAB、UBC、UCA用于低壓啟動元件及系統顯示；4個相電流IA1、IA2、IC1、IC2用于差流元件；1個零序電壓3U0用于檢查PT斷線。母線電壓UAB、UBC、UCA和3U0取自變電站的PT，相電流IA1、IA2、IC1、IC2取自兩回輸電線的CT。
電壓形成電路由母線電壓的電壓形成電路及電流的電壓形成電路兩部分組成。母線電壓的電壓形成電路(圖2)由互感器(PT)、電阻R、Rw、電容C、運放LM348、穩壓管Dw所組成。來自變電站母線PT的三個線電壓和零序電壓經本裝置的PT降壓后，經兩級RC濾波，濾去高頻分量后，經電位器RW調幅后，再經接成射極跟隨器的運算放大器(LM348)送給A／D轉換電路。在運算放大器(LM348)的輸入端有對接的兩個穩壓管加以限幅以保護A／D電路的多路開關和A／D轉換芯片。
電流的電壓形成電路(圖3)由互感器CT、電阻R、Ru、Rw、電容C、運放LM348、穩壓管Dw所組成。來自平行雙回進線的4個A、C相電流，由變電站的CT分別經過相應的CT，變為小電流，經過Ru變成電壓信號，再經兩級RC濾波，濾去高頻分量，再經Rw調整幅度后，由射極跟隨器運放LM348送至A／D轉換電路。運放LM348前的兩個對接的穩壓管也是為了限幅，以保護A／D電路的多路開關和A／D轉換芯片。
A／D轉換電路(圖4)由多路開關(AD7506)、A／D轉換器(AD574AJD)、采樣保持器(AD583)、數據緩沖器(74LS244)、鎖存器(74LS273)、比較器(74LS688)、總線緩沖器(74LS245)、譯碼器(74LS139)所組成。由電壓形成電路來的電壓、電流8個模擬量經多路開關(AD7506)送至采樣保持器(AD583)，再經A／D轉換器(AD574AJD)轉換成數字量，然后經由數據緩沖器(1)(74LS244)和數據緩沖器(2)(74LS244)暫存、再經總線緩沖器(74LS245)送至STD總線數據線。鎖存器(74LS273)由STD總線經總線緩沖器(74LS245)提供選通多路開關(AD7506)的編碼信號以確定所需采樣量的通道地址。譯碼器(74LS139)是按總線來的地址去選通A／D轉換后數字量高4位和低8位數據緩沖器(1)(74LS244)，和數據緩沖器(2)(74LS244)，同時用來給出A／D轉換的啟動信號。比較器(74LS688)由STD地址總線提供本電路在系統中的地址信號范圍。
開關量輸入電路(圖5)由插座(37芯D型插座)、光電耦合器(TIL－521－4)、0～3通道輸入緩沖器(74LS245)、數據總線驅動器(74LS245)、板選比較器(74LS688)，端口譯碼器(74LS139)所組成。平行雙回進線和母線橋的三個斷路器觸點(常開觸點)經過37芯D型插座引入至光電耦合器(TIL－521－4)隔離后由0通道輸入緩沖器(74LS245)送至數據總線驅動器(74LS245)再送至STD數據總線，由主機模塊取走用以判斷雙回進線的運行工況。板選比較器(74LS688)將由STD地址總線來的地址信息經比較后，輸出選通數據總線驅動器(74LS245)和端口譯碼器(74LS139)的信號。端口譯碼器(74LS139)由STD地址總線提供A1、A0信號，譯碼后分別輸出選通0～3通道輸入緩沖器(74LS245)的信號。
輸出電路(圖6)主要是開關量的輸出，由插座、光電隔離器(TLP－521)、反相器(74LS06)、0～3通道輸出鎖存器(74LS273)、數據總線緩沖器(74LS245)、比較器(74LS688)、通道譯碼器(74LS139)、三極管驅動輸出電路所組成。來自CPU的命令或信號由數據總線緩沖器(74LS245)分別經由0、1、2號通道輸出鎖存器(74LS273)，并經反相器(74LS06)反相后再經光電隔離器(TLP521)隔離，再由三極管驅動電路經由37芯D型插座輸出。通道譯碼器(74LS139)取自STD總線的地址信號A0、A1，經譯碼器(74LS139)譯碼后分別發出選通0～3通道輸出鎖存器(74LS273)的信號。比較器(74LS688)取自STD地址總線A2～A9的信號，經比較后發出選通總線數據緩沖器(74LS245)的信號。
主機模塊(圖7)由單片機8031、EPROM、SRAM、EEPROM、總線緩沖器(74LS244，74LS245)、鎖存器(74LS273)、定時／計數器(Intel8253)、譯碼器(74LS139)、單穩態觸發器(74LS123)、晶振電路、復位電路、和施密特觸發器(74LS14)與RC組成的振蕩電路所組成。由A／D轉換電路采樣和轉換后的電壓、電流信號和由開關量輸入電路采來的三個斷路器的狀態信號分別由STD數據總線經8031單片機從數據總線緩沖器(2)讀入并存放于SRAM中，然后經過計算分析判斷輸電線是否發生故障，如有故障則單片機8301發出跳故障線路的命令，該命令由總線緩沖器(2)輸出給開關量輸出電路。EPROM(Ⅰ)是存放保護程序用的、EPROM(Ⅱ)是存放監控程序用的，EEPROM是存放保護的整定值用的，SRAM是存放隨機數據用的，它們的地址線的低8位都來自單片機8031的P0口經鎖存器(74LS273)來提供，高位地址直接由單片機8031的P2口提供。數據線D0～D7直接由單片機8031的PO口提供。定時／計數器(Intel 8253)的片選信號由譯碼器(74LS139)選通，數據線來自單片機8031的PO口，地址線來自鎖存器(74LS273)。定時／計數器8253的零號計數器的CLK0端，由施密特觸發器74LS14與RC組成振蕩電路提供周期性的輸入脈沖，其OUT0輸出端接在8031的T0引腳，作為T0的外部輸入計數脈沖。改變RC參數，即可改變輸入至CLK0的脈沖周期。晶振電路提供單片機8031的時鐘，復位電路提供單片機8031的復位信號，并經單穩態觸發器(74LS123)提供系統復位信號，與單片機8031的、 信號一起由總線緩沖器(4)(74LS244)輸出至STD總線。單片機8031的PO口經鎖存器(74LS273)再經總線緩沖器(1)(74LS244)提供系統地址總線A0～A7，由單片機8031P2口經總線緩沖器(3)(74LS244)提供STD系統的地址總線A8～A15。鎖存器(74LS273)由單片機8031的ALE信號選通。
鍵盤顯示電路將主機模塊所采樣、計算的輸電線路的電壓、電流的實時量和差流值以及在運行過程中的自檢情況送至顯示器顯示出來，操作人員的命令用鍵盤輸入。鍵盤顯示電路(圖8)由鍵盤顯示管理芯片Intel 8279、譯碼器、光電耦合器、總線緩沖器、比較器、顯示驅動芯片組成。需要顯示的信號和U、i等實時數據或故障電流，由主機模塊經總線緩沖器(1)(74LS245)送至8279芯片，由8279芯片的OUTA0～OUTA7輸出至顯示驅動器(1)(UNL2003)，顯示驅動器(2)(UNL2003)提供要顯示的字形碼送至外設顯示器。8279芯片的SL0～SL2提供譯碼器(2)(74LS138)的輸入譯碼信號，經譯碼后將位選信號經由顯示驅動器(3)(75492)的輸入譯碼信號顯示驅動器(4)(75492)輸出至顯示器。運行人員輸入的命令由鍵盤輸入，經光電耦合器(TLP521－4)隔離后經芯片8279的RL1～RL0引腳輸入總線緩沖器(1)(74LS245)送至STD總線，由單片機8031取走分析處理。
8279芯片發出的IRQ信號經74LS14送至STD總線的INTRQ中斷請求端。8279芯片的讀、寫信號RD、WR和地址信號A0由STD總線經總線緩沖器(2)輸入。8279的片選信號CS由譯碼器(1)(74LS139)將來自總線緩沖器(2)(74LS245)的地址信號A2、A3經譯碼器(1)(74LS139)譯碼后提供。比較器(74LS688)將STD總線的地址信號比較后，確定選通數據緩沖器(1)和譯碼器(1)的地址范圍。
本實用新型微機方向橫差保護裝置除上述硬件外，還有軟件配合運行，軟件包括三個程序保護程序，監控程序，自檢程序。
說明各程序如下1、保護程序(1)各元件的算法保護程序分為三個功能模塊，即低壓啟動元件，差流元件和方向元件，各元件采樣頻率為每周波24點。
①低壓啟動元件為提高裝置對故障的快速反應，低壓啟動元件采用改進的半周積分法，先進行二階差分濾波。
再取半周積分Um＝ ｜u(i)｜ (1)式中UM是經過系數折算后的電壓幅值。
ui是電壓采樣值。
②差流元件差流元件采用高精度的全周付立葉算法，并先行差分濾波，以抑制衰減直流分量的影響，付氏計算公式如下Ic＝ (k)cos (2π)/24 k (2)Is＝ (k)sin (2π)/24 k (3)Im＝I2m+ I2m]]>(4)其中i(k)為瞬時電流采樣值，Im為電流幅值。
該算法可消除各高次諧波和直流分量的影響，對衰減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°接線方式，通過比較Ubc和ia以及Uab和ic的相位關系選擇故障線路。如果某一回線路的電流和電壓反相，則跳開本線路。
④保護程序簡介保護裝置的入口條件是雙回線并列運行，所以保護程序首先檢測兩回線路的斷路器1DL、2DL和橋斷路器2DL的合閘位置，若有任一個斷開，則不具備入口條件，裝置自動閉鎖，同時顯示器閃爍“OFF”，并發予告音響，提示操作人員處理。如果滿足入口條件，則裝置自動進入保護運行狀態，保護程序框圖如圖10所示。
正常運行狀態下，裝置將循環顯示三個線電壓值，同時進行裝置在線自檢，自檢的內容包括A／D轉換電路及＋5V、±15v電源，存貯器(RAM、EPROM、EEPROM)以及定時器8253等，發現問題立即發出予告音響，同時顯示故障部位，并閉鎖保護出口(8253故障時保護不退出運行)。
低壓元件啟動后，首先設置低壓自保持時間，再進行差流判別。
差流元件動作后，再判別故障方向，以判斷是否是保護區內故障和確定哪回線路故障，并跳開故障線路。
裝置發出跳閘命令后循環閃爍故障時的差動電流值，以供操作人員參考。如果斷路器重新合上，則裝置自動投入保護程序，操作人員可使用鍵盤上的“故障追憶”鍵，查看故障時的差動電流值。
從以上的程序結構分析看出，該保護裝置實際上具有三層判據結構，并采取了一系列軟件防誤動措施，使裝置的可靠性大大提高。
2、監控程序為了便于對保護裝置進行管理，編制了監控程序，監控程序的主要功能是管理鍵盤和顯示器，例如設置定值、離線自檢等等。監控程序框圖如圖9所示。
3、自檢程序裝置上電時，首先進行自檢，自檢內容包括A／D、存貯器、定時器等，如果自檢通過，則自動進入保護程序，否則轉入監控程序，等待操作人員輸入命令，自檢程序的結構框圖如圖11。
本實用新型微機方向橫差保護裝置具有下列特點1、消除了常規繼電器保護功率方向元件存在的“電壓死區”，從而提高了供電的可靠性。
2、消除了“電流潛動”3、可適用于具有T接變電站的平行雙回線路，作為其主保護。
4、可帶電修改保護整定值，免去了每年一次的保護定值校檢工作，提高了輸電線路的利用率。
5、擴展了保護功能①具有故障記錄功能，可自動記錄故障排除前的差流，便于分析發生故障的線路和故障性質。
②具有數字顯示功能。能顯示母線電壓實時值和兩回線的不平衡電流。
③具有故障自檢和自啟動功能。在運行前及運行中都可對裝置有關元件進行自檢，如發現故障，立即報警，并閉鎖保護出口，確保輸電線的安全運行。
權利要求1.一種微機方向橫差保護裝置，其特征是本保護裝置由輸入電路、輸出電路、主機模塊和鍵盤顯示電路四部分組成；輸入電路由模擬量輸入電路和開關量輸入電路兩部分組成，模擬量輸入電路由電壓形成電路和A/D轉換電路所組成，電壓形成電路由母線電壓的電壓形成電路及電流的電壓形成電路所組成，母線電壓的電壓形成電路由互感器PT、電阻R、RW，電容C、運放LM348、穩壓管Dw所組成，電流的電壓形成電路由互感器CT、電阻R、Ru、Rw、電容C、運放LM348和穩壓管Dw所組成；A/D轉換電路由多路開關、A/D轉換器、采樣保持器、數據緩沖器、鎖存器、比較器、總線緩沖器、譯碼器所組成；開關量輸入電路由插座、光電耦合器、通道輸入緩沖器、數據總線驅動器、板選比較器、端口譯碼器所組成；輸出電路由插座、光電隔離器、反相器、通道輸出鎖存器、數據總線緩沖器、比較器、通道譯碼器、三極管驅動電路所組成；主機模塊由單片機、EPROM、SRAM、EEPROM、總線緩沖器、鎖存器、定時/計數器、譯碼器、單穩態觸發器、晶振電路、復位電路和施密特觸發器與RC組成的振蕩電路所組成；鍵盤顯示電路由鍵盤顯示管理芯片、譯碼器、光電耦合器、總線緩沖器、比較器顯示驅動芯片所組成；各電路的聯接關系如下母線電壓的電壓形成電路由來自變電站母線PT的三個線電壓和零序電壓經本電路中的PT降壓后，經兩級RC濾波并經電位器Rw調幅后經運放LM348送至A/D轉換電路，在運放LM348的輸入端有穩壓管Dw加以限幅；電流的電壓形成電路，來自平行雙回進線的4個A、C相電流由變電站的CT分別經過本電路相應的CT經過Ru變成電壓信號，再經兩級RC濾波及Rw調整幅度后，經運放LM348送至A/D轉換電路，在運放LM348的輸入端有穩壓管Dw加以限幅；A/D轉換電路，由電壓形成電路來的電壓、電流8個模擬量經多路開關送至采樣保持器，再經A/D轉換器轉換成數字量后經由數據緩沖器(1，2)經總線緩沖器送至總線數據線，鎖存器由總線經總線緩沖器提供多路開關的編碼信號，以確定所需采樣量的通道地址，譯碼器是按總線來的地址去選通數據緩沖器(1，2)，同時給出A/D轉換的啟動信號，比較器由STD地址總線提供本電路在系統中的地址信號范圍；開關量輸入電路，由平行雙回進線和母線橋的三個斷路器觸點經插座引至光電耦合器，再經零通道輸入緩沖器送至數據總線驅動器，再送至數據總線，板選比較器將由地址總線來的地址信息經比較后輸出選通數據總線驅動器和端口譯碼器的信號，端口譯碼器由地址總線提供A1、A0信號譯碼后分別輸出選通0～3通道輸入緩沖器的信號；輸出電路，來自CPU的命令或信號由數據總線緩沖器，分別經由0，1，2號通道輸出鎖存器，經過反相器，和光電隔離器由三極管驅動電路經插座輸出，通道譯碼器取自地址總線的A1、A0信號，經譯碼器譯碼后分別發出選通0～3通道輸出鎖存器的信號，比較器取自地址總線A2-A9的信號經比較后發出選通總線數據緩沖器的信號；主機模塊，由A/D轉換電路來的電壓，電流信號和由開關量輸入電路來的三個斷路器狀態信號分別由數據總線經單片機從數據總線緩沖器(2)讀入SRAM中，經運算后由單片機經總線緩沖器(2)輸出命令給輸出電路，EPROM、SRAM、EEPROM的地址線的低8位來自單片機的PO口經鎖存器提供，高位地址直接由單片機的P2口提供，數據線D0～D7直接由單片機的PO口提供，定時/計數器的片選信號由譯碼器選通，數據線來自單片機的PO口，地址線來自鎖存器，定時/計數器的零號計數器的CLKO端，由施密特觸發器與RC組成的振蕩電路提供輸入脈沖，定時/計數器的OUTO輸出端接至單片機的T0引腳，晶振電路提供單片機的時鐘，復位電路提供單片機的復位信號，并經單穩態觸發器提供系統的復位信號，與單片機的 、 信號一起由總線緩沖器(4)輸出至STD總線，單片機的PO口經鎖存器再經總線緩沖器(1)提供系統地址總線A0～A7，由單片機的P2口經總線緩沖器(3)提供STD系統的地址總線A8～A15，鎖存器由單片機ALE信號選通；PO口經總線緩沖器(2)提供STD系統的數據總線D0～D7；鍵盤顯示接口電路，需要顯示的信號和U，i等實時數據或故障電流由主機模塊經總線緩沖器(1)送至鍵盤顯示管理芯片，由該芯片的OUTA0～OUTA7輸出至顯示驅動器(1，2)提供要顯示的字形碼送至外設顯示，鍵盤顯示管理芯片的SL0～SL2提供譯碼器(2)的輸入譯碼信號，經譯碼后將位選信號經由顯示驅動器(3，4)輸出至顯示器，命令由鍵盤輸入，經光電耦合器后經鍵盤顯示管理芯片的RL7～RL0引腳輸入總線緩沖器(1)送至STD總線，鍵盤管理顯示芯片發出的IRQ信號經74LS14芯片送至STD總線的INTRQ中斷請求端，鍵盤顯示管理芯片的 、 信號和地址信號A0由STD總線緩沖器(2)輸入，其片選信號CS由譯碼器(1)將來自總線緩沖器(2)的地址信號A2、A3經譯碼器(1)譯碼后提供，比較器將STD總線的地址信號比較后確定選通數據緩沖器(1)和譯碼器(1)的地址范圍。
專利摘要一種微機方向橫差保護裝置，屬電力系統繼電器保護技術領域。本保護裝置由輸入電路、輸出電路、主機模塊和鍵盤顯示接口電路四部分組成，輸入電路由模擬量輸入電路和開關量輸入電路組成；模擬量輸入電路由電壓形成電路和A/D轉換電路組成，電壓形成電路由母線電壓的電壓形成電路和電流的電壓形成電路組成。本保護裝置可以消除常規的繼電保護功率方向元件存在的“電壓死區”和“電流潛動”問題，提高了供電的可靠性，并可帶電修改保護整定值，免去每年一次的保護定值校驗工作，提高了輸電線路的利用率。
文檔編號H02H3/00GK2189791SQ9421185
公開日1995年2月15日 申請日期1994年5月11日 優先權日1994年5月11日
發明者黃益莊, 鄭定海, 李春光 申請人:清華大學