基于SEP4020的嵌入式继电保护装置的硬件设计.doc

摘要I摘要电子和计算机技术的迅猛发展对微机继电保护设计产生了深远的影响。微机继电保护装置结构上不断优化，功能上不断增强，应用上更为灵活。微机继电保护和变电站自动化系统的推广，对新型微机继电保护装置的设计与研制提出了许多新的问题和更高的要求。本文在借鉴国内外微机继电保护发展的成功经验基础之上，紧跟与继电保护相关的高新技术，分析并实现了新型继电保护的硬件方案。本文首先介绍了微机继电保护装置的发展现状和趋势，阐述了继电保护的一般性原理、分类以及电力系统对继电保护装置的基本要求。接着通过分析目前比较典型的继电保护硬件平台，确立了基于SEP4020的单核硬件架构。采用“通用”模块化设计方案，选用具有体积小、功耗低、成本低、性能高、实时性好等优点的ARM微处理器SEP4020作为控制芯片，在此基础上进行了继电保护装置的软硬件设计。本文对继电保护装置的CPU核心模块、数据采集模块、开关量开入、开出模块、通信模块、人机接口模块和电源模块给出了具体的硬件实现方案，详细说明了各部分电路的工作原理和PCB实现原则。软件的实现上，微机继电保护装置是以Nucleus为嵌入式实时操作系统来开发的应用程序，给出了软件总体设计框架，介绍了Nucleus系统初始化方式、中断管理流程以及任务调度方式。论述了交流采样算法设计和故障处理设计流程。基于继电保护装置高精度和高可靠性的要求，本文深入分析了保护装置工作环境常见的干扰源及其干扰途径。对保护装置进行了采样回路二阶低通滤波，增设看门狗电路，电气防偷跳、电源系统和PCB抗干扰等措施来提高系统精度和可靠性。最后通过实验对保护装置进行了设置，实验结果表明：保护装置运行稳定可靠，各项保护功能都能准确实现，装置的测量精度和保护精度均以达到了较高的水平。通过对测试和实验结果的分析，为进一步改进继电保护装置设计提供了参考依据。关键词：微机保护；硬件平台；SEP4020；采样精度；抗干扰学位论文IIABSTRACTTherapidinnovationinmicroprocessorandcommunicationtechnologyhasdrasticallyboostedthedevelopmentinpowersystemprotection.Thestructureofmicroprocessor-basedrelayprotectiondevicehasbeencontinuouslyoptimized,andbeenmorestrongerinfoundation.Thespreadofmicroprocessor-basedrelayprotectionandsubstationautomationsystembringmanynewquestionandhigherdemandtonewdesignofrelayprotection.microprocessor-basedrelayprotection.Thisthesisanalysisedandrealizedanewtypeofrelayprotectionprogramme.Firstly,thedevelopmentstatusandtrendofmicroprocessor-basedrelayprotectiondevicewereintroduced.Expatiatedthegeneralprinciple,sortandrequirementtorelayprotectiondeviceofpowersystemofrelayprotection,andthenanalysisedandcomparedseveraltypicalhardwareplatformofcurrent.Establishedasingle-corehardwareframeworkbaseSEP4020.Currencyandmodularizationdesignhasbeenadoptedinthethesis,andusedARMmicroprocessorSEP4020asthecontrolchip,themicroprocessorissmallsized,lowpowerconsumption,lowcostandhighperpormanced.Designedthehardwareandsoftwareofrelayprotectiondevicebasedonthechip.DiscussedthemainaspectsofmicroprocessorrelayprotectionincludingCPU,dataacquisitionandcommunicationmodule,givedtheirschematicandPCBdesignrules.TherealizationofsoftwareofrealyprotectionisdevelopedbyNucleusasembeddedRTOS.AgeneralsoftwarechartofsystemandsysteminitializationmodeofNucleusweregived,andtheprocessesofdisruptionmanagementandtaskschedulingmethods.ThealgorithmdesignofACsamplinganddesignflowoffaulthandingwerediscussed.Toimprovetheprecisionofdevices,thereliabilityandanti-jammingofhardwarewereresearched,commomsourcesofinterferenceanditschannelswereanalysed,severalwayslikesamplingloopfilterwereused,addedwatchdogcircuit,electricanti-wrongjump,anti-jammingofpowersystem,andPCBanti-jammingtoreachthegoalofreliability.Atthelastpartmentofthethesis,inordertotestthefoundationandaccuracyofthedevice,usinghigh-precisiontesertotesttherelayprotectiondevice.Theresultswereanalyseddeeplytoofferpreferencetonextdesignofrelayprotection.Keywords：Microprocessor-basedrelayprotection；Hardwareplatform；SEP4020；Precisionofdataacquisition；Anti-jamming学位论文III目录摘要.IABSTRACT.II目录.III第一章绪论.11.1微机继电保护研究的现状和发展趋势.11.1.1微机继电保护发展现状.11.1.2继电保护发展趋势.11.2论文的主要内容及章节安排.3第二章微机继电保护基本原理.52.1电力系统继电保护的概念和作用.52.1.1电力系统的各种故障和不正常运行状态.52.1.2电力系统继电保护的概念.52.1.3继电保护的基本任务.52.2继电保护的基本原理和保护装置的组成.52.2.1继电保护的基本原理.52.2.3继电保护的分类.62.2.3继电保护装置的组成.62.3继电保护装置的基本要求.72.4几种典型的微机继电保护硬件平台.92.5本章小结.10第三章微机继电保护装置的软硬件设计.113.1硬件系统框架.113.2微机继电保护装置硬件设计.113.2.1SEP4020处理器及CPU核心子模块.113.2.2交流信号采集模块.133.2.3通信模块.173.2.4开入开出模块设计.193.2.5人机交互模块.213.2.6实时时钟单元.233.2.7电源.243.2.8继电保护装置的PCB实现.243.3微机继电保护装置软件设计.303.3.1软件框架.30学位论文IV3.3.2Nucleus操作系统.313.3.3交流信号采样算法设计.343.3.4故障处理软件设计.363.4本章小结.36第四章抗干扰分析和可靠性探讨.374.1微机继电保护装置电磁干扰.374.1.1.干扰源.374.1.2干扰的作用形式.374.1.3干扰对微机保护装置的影响.394.2提高微机保护可靠性的主要措施.394.2.1信号采集低通滤波.394.2.2看门狗电路.414.2.3电源系统抗干扰措施.424.2.4电路板抗干扰措施.474.2.5电气防偷跳措施.484.4本章小结.49第五章继电保护装置整体实验及结果分析.515.1继电保护试验平台.515.2微机线路保护检测试验及结果分析.515.2.1测量值检测.525.2.2保护定值校验.535.2.3过电流反时限保护.535.2.4零序电流检测.565.2.5低周减载测试.565.2.6低压减载功能检测.575.2.7过负荷功能检测.575.2.8PT断线功能检测.575.3实验结果总结.575.4本章小结.58第六章总结与展望.61致谢.63参考文献.65攻读硕士学位期间发表的论文.67附录ASEP4020电路连接原理图.69目录V附录B继电器控制回路.70附录C微机继电保护装置实物图.71第一章绪论1第一章绪论1.1微机继电保护研究的现状和发展趋势1.1.1微机继电保护发展现状我国从上世纪70年代末即已开始了计算机继电保护研究，高等院校和科研院所起着先导作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式微机保护装置。1984年原华北电力学院研制输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获应用，揭开了我国继电保护发展史上新一页。主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机变压器组保护也相继于1989、1994年鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制微机线路保护装置也于1991年鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年鉴定。至此，不同原理、不同机型微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠继电保护装置。微机保护装置研究，微机保护软件、算法等方面也取了很多理论成果。可以说从上世纪90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护时代。继电保护的原理和结构形式发展如图1-1所示5。图1-1继电保护的原理和结构形式发展历史1.1.2继电保护发展趋势继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。1）计算机化学位论文2计算机硬件迅猛发展，系统集成度越来越高。单一处理器的处理速度和处理能力不断提高，DSP的处理速度可达40MIPS，东南大学研制的以ARM7为核的SEP4020处理器的工作主频可以达到85MHz。处理速度的不断提高为单一芯片作为微机继电保护技术奠定了基础。南京电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为基础微机线路保护，已得到大面积推广，目前也在研究新一代32位保护硬件系统。东南大学研制微机主设备保护硬件也进行了多次改进和提高。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，更重要是32位微机芯片具有很高集成度，很高工作频率和计算速度，很大寻址空间，丰富指令系统和较多输入输出口。CPU寄存器、数据总线、址总线都是32位，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成CPU内。电力系统对微机保护要求不断提高，保护基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据长期存放空间，快速数据处理功能，强大通信能力，它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源能力，高级语言编程等。2）网络化计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代技术支柱，使人类生产和社会生活面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力通信手段。继电保护作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统运行和故障信息数据，各个保护单元与重合闸装置分析这些信息和数据基础上协调动作，确保系统安全稳定运行。显然，实现这种系统保护基本条件是将全系统各主要设备保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置网络化。这在当前技术条件下是完全可能实现的。3）保护、控制、测量、数据通信一体化实现继电保护计算机化和网络化条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能计算机，是整个电力系统计算机网络上一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障任何信息和数据，也可将它所获被保护元件任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。每个微机保护装置可完成继电保护功能，无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。4）智能化近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等电力系统各个领域都到了应用，继电保护领域应用研究也已开始。神经网络是一种非线性映射方法，很多难以列出方程式或难解的复杂非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。第一章绪论31.2论文的主要内容及章节安排研究目前主流微机继电保护资料，分析各类微机继电保护装置的特点，通过比较验证提出一种基于ARM7的微机保护装置的设计思想。本文主要的工作如下：（1）研究微机继电保护装置的研究现状和发展趋势，从继电保护基本原理出发，比较现今的继电保护装置典型硬件平台，总结各种硬件架构的优缺点，结合东南大学自行研制的SEP4020处理器的优点，提出一种新的微机保护产品设计方案。（2）设计微机继电保护装置硬件电路原理图和PCB，主要包括CPU核心模块电路，数据采集数模转换电路，开入开出量驱动电路，通信电路，人机交换电路的设计。（3）为提高保护装置的精度和抗干扰水平，分析继电保护装置硬件抗干扰原理，并针对保护可靠性要求采取有效的抗干扰措施，提高装置的可靠性。（4）对开发的样机进行系统测试，收集实验数据，并对实验结果进行分析。本文的设计指标如下：设计指标保护功能过电流速断保护实现功能三段电流保护过流反时限保护零序电流保护低周减载低压减载过负荷PT断线告警采样回路精度电流0.2级电压0.2级保护精度电流±5%电压±5%相位精度±1°频率偏差0.1Hz跳闸时间延时40ms鉴于以上的要研究问题，本文的具体章节内容安排如下：第一章绪论：简要介绍微机型继电保护发展概况以及该课题研究的现状和趋势；安排论文的主要章节。第二章微机继电保护基本原理：介绍继电保护的概念和基本任务，说明了继电保护装置的基本工作原理和组成以及电力系统对继电保护装置的基本要求。第三章继电保护装置软硬件设计：针对需要实现的保护功能和指标，充分参考现有的微机保护装置成熟产品和已有的技术平台，设计了基于SEP4020的微机保护装置的硬件系统；给出了每个功能模块的电路图并详细分析了其功能及工作原理；对装置各子板的PCB板图的布局布线进行了分析；最后阐述了微机继电学位论文4保护装置系统的软件设计框架，主要介绍了交流采样算法，以及基本保护任务的软件实现。第四章抗干扰分析和可靠性探讨：高精度是保护装置的内在要求。保护装置的从干扰的原理着手，分析了影响保护装置精度的原因。围绕抑制干扰源、阻断干扰传播途径及提高设备自身抗干扰能力这三个基本要素，研究了采样回路滤波，增设看门狗电路，电气防偷跳、电源系统抗干扰和PCB抗干扰等提高体统可靠性的措施。第五章继电保护装置整体试验及结果分析：使用PW30A继电保护测试仪器对微机继电保护装置的功能和性能进行全面而精确的测试，得出了比较可靠的试验结论，并对试验数据进行深入分析。第六章总结与展望：对全文的论述作最后总结，指出论文的不足指出，提出下一步改进方向。