基于微机保护的电力系统继电保护的设计--毕业论文.docx

青岛农业大学毕 业 论 文（设计） 题 目： 基于微机保护的电力系统继电保护的设计 毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1选题背景及研究意义11.2继电保护装置在国内外发展现状11.3研究目标及内容21.4本文的总体结构32 系统硬件电路设计42.1 系统测控部分硬件的整体设计42.2 系统硬件设计中使用的各部分功能模块介绍52.2.1 主控芯片STM3252.2.2 霍尔电流传感器62.2.3 限压电路设计72.2.4 有源低通滤波电路设计82.2.5 TFT触摸屏的介绍及电路设计102.2.6 跳合闸信号继电器的设计112.3 配电箱设计122.4 模拟三相系统设计133 下位机系统程序设计153.1程序总流程153.2 主程序功能详细介绍163.2.1 主程序中继电器逻辑判断输出程序的设计173.2.2 主程序中有效值计算子程序的设计173.2.3 主程序中串口接收发送程序的设计183.3 各子程序模块功能详细介绍193.3.1 ADC初始化子程序块设计193.3.2 LCD显示屏初始化和数据写入子程序块设计203.3.3 定时器子程序块设计213.3.4 信号继电器初始化子程序块设计213.3.5 实时时钟显示子程序块设计224 上位机监控系统的设计234.1 C#编程语言和Microsoft Visual Studio 2013 集成开发环境简介234.2三相电流继电保护系统Windows窗体设计234.2.1登录界面的设计234.2.2三相电流继电保护系统主界面设计244.2.3 修改密码界面设计264.3三相电流继电保护系统上位机部分底层功能的设计实现275 总结与下一步的工作30参考文献31致谢32附录1下位机系统部分代码33附录2上位机主界面部分代码41基于微机保护的电力系统继电保护的设计摘 要 本设计主要完成了一套基于微机保护的新型继电保护整体设计方案，在分析了我国微机保护发展的历史和现状并结合了工作效率和器件性价比后，确定了C# + STM32的系统设计解决方案。本设计以意法半导体公司生产的STM32F407芯片制作成测控板实现保护逻辑与信息传递功能，该测控板主要负责电流测量变换及电压形成、A/D采样、继电保护逻辑判断和输出、有效值计算、TFT屏幕显示测量值、与上位机通信。上位机采用Microsoft公司开发的设计语言C#和开发环境Visual Studio 2013设计上位机监视控制界面，主要实现采样数据的接收与采样波形显示功能和远程控制断路器跳合闸功能。本文详细阐述了各部分功能的设计思路和设计方法，稍作改进便可用于实际电力系统保护当中，也可另用作继电保护实验教学装置。关键词：微机保护；电流保护；C#; STM32The Design of Power System Relay Protection Based on Microcomputer ProtectionAbstractThrough the analysis of the history and current situation of the development of microcomputer protection in our country, and consider the factors such as work efficiency, development efficiency and device performance. Ultimately determine the use of C# + STM32 technology of a new relay protection scheme based on microcomputer protection.STM32F407 chip produced by the St Semiconductor Corporation is made into the measurement and control board to realize the function of protection logic and information transfer. Furthermore, the measurement and control board is mainly responsible for the current measurement transformation and voltage formation, A / D sampling, relay protection logic judgment and output, RMS value of the calculation, TFT screen real-time display of measured values and communication with the upper computer. Specifically, using the design language of C# developed by the Microsoft company and development environment of visual studio 2013 both design the upper computer monitoring and control interface, the main achievement of sampling data receiving and sampling waveform display function and remote control circuit breaker jump closing function. In this paper, the design idea and method of each part of the function are described in detail. The simulated relay protection device with a slight improvement can be used in the actual power system protection, and can be used as a relay protection experiment teaching device for teaching.Key words: Microcomputer Protection; Current Protection;C#; STM3265青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）1 绪论1.1选题背景及研究意义为了保障电力系统安全运行，需要实时地监视其运行状况，及时发现电力系统的不正常状态及故障状态。而继电保护装置能检测电力系统的故障及不正常运行状态，快速地通过继电保护装置进行故障的切除并通知运行人员。因此，继电保护是保障电力系统供电优质运行稳定极其重要的手段1。 当前在实际应用中，绝大部分低压配电网或者农村电网并没有故障点定位系统，所以电力系统发生故障如接地故障这种难以发现的故障通常是断路器自动跳闸后人工去排查，由巡线员去现场一根线一根线的寻找故障点在哪儿，然后采取措施解决问题。这样一来，不仅耗费了大量的人力，还导致故障排除效率低下，停电时间过长造成经济损失等问题。当前电力系统需要一套能够自动精确判断故障点经济高效的互联网继电保护装置。随着电力系统规模不断的扩大和电压等级的提高，保护装置芯片也从8位微处理器一直发展到32位处理器，处理器的运算速度越来越快2，执行的功能也越来越多，越来越复杂。本设计中采用意法半导体公司生产的32位低功耗STM32F407芯片作为核心处理器，可极大的提高处理效率并生产和使用节约成本。而上位机采用Microsoft公司开发的C#编程语言和Visual Studio 2013开发环境，这种编程语言目前被各大公司广泛使用，因为该语言极大的简化了计算机软件的开发过程，降低了开发难度，并且该语言基于Windows系统开发出的界面简洁美观，使开发者不用了解晦涩难懂的底层操作方法就可以方便的调用Windows提供的各种API。本设计的主要意义在于能够联网远程精确反映电力系统的各类故障，减少人力物力的投资，使电力系统更加智能化、自动化、节约化。另一方面，由于当前教科书上几乎没有微机保护的实践性教程，学生所学的理论知识无法通过实践来转化为自己对微机保护深刻的认知，因此本设计不仅可以用在实际电力系统中用作电力系统的继电保护，还可以应用于继电保护的实践教学。1.2继电保护装置在国内外发展现状 我国计算机继电保护的研究是从70年代末才开始的，随后国内设计出很多优秀的继电保护装置。从90年代开始我国继电保护技术进入了微机保护的时代，随着单片机工艺的成熟和硬件制造水平的大大提高，微机保护在软件、算法等方面取得了很多成果，并逐步应用于实践之中3。 现在国内外微机保护均应用了计算机技术领域的先进技术：大规模集成电路，A/D 模数转换、数字滤波技术和抗干扰技术，使微机保护在速动性、可靠性等方面均远远优于电磁型等传统保护。ARM处理器在速度方面DSP不相上下，甚至超过DSP。而且ARM集成了丰富的外围控制接口，用户几乎不用再添加外围器件就能实现需要的功能，既节约硬件成本，又降低了设计错误率4。国外微机保护经历了三代保护设计上的更新换代，并以微处理器技术与多种已被提出并被可靠证明和广泛应用的算法相结合为基础，不断为新型微机保护的完善创造良好的实现条件5。 虽然国内外在电力系统继电保护装置的研究上取得了不错的成绩，但是在实际应用中依然存在着问题，主要就是保护和监控的一体化和保护装置的经济性问题6。1.3研究目标及内容 本设计的研究方向是基于微机保护的继电保护的设计，在总结了国内外研究成果的基础上，结合不断发展的嵌入式技术，采用STM32芯片作为核心处理器，设计出具有低成本、低功耗、高速度、远程化操作的继电保护装置。 研究目标： 该系统能够远程监视控制系统运行，在正常运行时精确地显示电力系统的运行状态，电流值、波形等电力系统参数，发生故障时能精确反映，并自动执行跳闸或发出信号等操作，最终保护整个电力系统的安全运行。研究内容：利用以ARM为核心的处理器搭建硬件电路，设计出电流继电保护保护装置。硬件系统的设计主要包括：测量电路、以STM32为核心的主电路板、信号电路、跳闸电路。软件程序的设计主要包括：LCD显示屏界面的设计、信号的采集、继电保护逻辑的判断、对于采集数据的处理算法、利用串口实现下位机与上位机的通信等，利用Keil软件实现下位机程序的开发设计。利用C#语言完成上位机监控软件的设计，实现显示电流有效值，电流波形，并可以控制断路器开合闸的上位机软件。本设计的特色：以STM32F407ZGT6处理器为核心的保护装置，实现了低成本、低功耗、高效率处理的设计，利用C#语言和语言设计了上位机监控界面，实现了下位机和上位机两种方式的监控。上位机使用软件操作，下位机将所有器件封装到一个配电箱里，使保护装置的移动和安装都变得极为方便。1.4本文的总体结构本文的总体结构如下：1绪论 介绍了本设计的研究背景、意义，介绍了国内外电力系统继电保护领域的研究现状，重点阐述了本设计的研究目标和研究内容。2系统硬件电路设计 详细介绍了系统硬件电路的设计，分析了硬件设计需要实现的功能和实现功能所使用的器件，并详细说明了每个器件的参数和使用方法。3下位机系统程序设计 承接了上一章节提到的下位机硬件应该实现的功能，对STM32单片机的程序做了详细的讲解。4上位机监控系统的设计 介绍了设计上位机三相电力系统电流保护系统的软件环境，并详细说明了所设计的各个界面的详细功能和设计方法。5总结与展望总结研究成果以及展望下一步研究的工作。2 系统硬件电路设计2.1 系统测控部分硬件的整体设计测控部分由测量部分和控制与信息传递部分两部分组成。但这两部分不完全是相互独立的，这两部分的联结靠的是主控芯片，就是在绪论中提及的意法半导体公司生产的STM32F407ZG芯片作为核心处理器。测量部分实现的功能有输入变换及电压形成、有源低通滤波ALF、采样保持S/H、A/D变换采集。控制与信息传递部分实现的功能有数据处理、TFT屏幕显示实时电流有效值、继电器信号输出、通过串口与上位机进行数据传递。图2-1硬件系统的整体框图2.2 系统硬件设计中使用的各部分功能模块介绍2.2.1 主控芯片STM32由意法半导体生产的STM32系列单片机性价比超高，应该没有之一，而且功能极其强大。该系列单片机中的STM32F407芯片拥有为需要高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M4内核，其强大的功能主要表现在：集成了DSP和FPU指令，168MHz的高速性能使得数字信号控制器应用达到了极高的水平，提升了控制算法的执行速度和代码效率7。多重 AHB 总线矩阵和多通道 DMA支持程序执行和数据传输并行处理，数据传输速率非常快，由于采用了ST的ART加速器，程序从FLASH运行相当于0等待。PWM 高速定时器：168MHz 最大频率带有日历功能的 32 位 RTC：2|state1=0) /adNum1是a相电流瞬时值整定值为3A，state代表上位RELAY1=0; /机发送的跳闸信号标志位，当state=0时，断路器跳闸if(adNum22|state2=0)RELAY2=0;/RELAY2代表b相继电器，=0时跳闸，=1时合闸if(adNum32|state3=0)RELAY3=0;继电器跳闸后，想要执行合闸操作，只有在排除故障之后电流恢复到整定值以下才允许再次合闸，合闸方式有两种，一个是上位机发出指令远程合闸，再一个就是重启下位机系统，这样做的目的是保证电力系统的安全性，线路不恢复正常不供电，而且不在配电箱上设计每相跳闸开关是为了防止各种异常状况导致的开关误触而使系统出线不必要的断电。3.2.2 主程序中有效值计算子程序的设计有效值计算采用了求真有效值的算法，即采样一个周期内的瞬时电流值，将每个值的平方累加，求平均后再开方9。由于液晶屏显示的是有效值，因此本设计直接将有效值计算函数和液晶屏数字显示函数集成为一个子函数Filter()，程序示意代码如下：void Filter(void)if(times20) /取20次平均sum1=sum1+adNum1*adNum1; /瞬时值的平方和times+;elsetimes=0;sum1=sqrt(sum1/n); /计算出均方根值，也就是有效值ed=sum1;LCD_ShowxNum(158,180,ed,1,16,0); /显示采样值的整数部分pump=(sum1-ed)*100;LCD_ShowxNum(174,180,pump,2,16,0X80);/显示小数部分SendBuff0= I ; /给有效值发送缓冲数组赋值SendBuff1=(0+ed);SendBuff2=.;SendBuff3=(0+(u16)pump/10);SendBuff4=(0+(u16)pump%10);sum1=0;3.2.3 主程序中串口接收发送程序的设计本设计中的串口接受和发送均采用了中断方式，下位机接收上位机传来的数据使用了串口中断，当发生中断便执行接收中断程序，通过判断接收的数据从而控制断路器的状态。下位机向上位机发送数据使用了定时器中断，定时器当计时500ms便向上位机发送一次数据，发送的数据是下位机采集到的电流有效值数据，上位机可以通过下位机发送的电流有效值来显示采集到的有效值数据、计算出电流波形并判断出断路器的状态。 待发送的数据是存到了char型数组SendBuff14中，以“I”为数据报头，以“0”作为数据的结束标志，采集的三相电流有效值就存到了中间的数组位中。串口发送方法如下：u8 t;for(t=0;t14;t+)USART_SendData(USART1,SendBuff1t); /向串口1发送数据while(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TC)!=SET);/等待发送结束 当上位机向下位机发送数据时就会引起下位机的串口中断，下位机只有当接收到0x0d作为结尾的数据才能执行中断程序，数据接收完毕，下位机USART_RX_STA寄存器的最高位将会置1，从而执行中断程序，接收到的数据会存到接收缓存器中，STM32定义为一个USART_RX_BUF数组，由于本设计中上位机设置发送的数据只有一位，所以，数据将会存到接收缓冲器USART_RX_BUF0位中。接下来程序就会判断接收的数据是什么，从而执行相应的操作。串口接收部分程序如下：switch(USART_RX_BUF0)case O:state1=1,state2=1,state3=1, GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2);break;case S:GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2);break;case 1: state1=0;break;case 2: state1=1,RELAY1=1;break;case 3: state2=0;break;case 4: state2=1,RELAY2=1;break;case 5: state3=0;break;case 6: state3=1,RELAY3=1;break;default: break;USART_RX_STA=0;3.3 各子程序模块功能详细介绍3.3.1 ADC初始化子程序块设计本设计采集的是频率为50Hz的交变电流，变化很快，而且使用ADC的三个通道循环轮流采样。为了保证精度和采样速度，在ADC子程序的设计上结合了DMA传输方式。本来所有的外设和存储器之间的数据传递都要通过CPU，当需要传输数据量太大或者外设数目太多时，CPU即便速度再快也无法协调好其他功能和外设与存储间的数据传递。为了解决这个问题，就加入了DMA。DMA即直接存储器访问，DMA传输方式通过硬件为RAM与外设开辟一条直接传送数据的通路，无需CPU的介入，使CPU的工作效率大为提高。ADC程序初始化方法：void AD_Init() 初始化ADC3、DMA2和ADC3对应的GPIOC引脚时钟 方法：调用RCC CLOCK CMD库函数将对应模块和引脚使能 DMA的初始化设置 方法：主要确定DMA的数据流、通道、外设基地址、内存基地址、数据传输方向、数据大小、是否循环采集等。ADC3的通道选择与引脚设置 方法：选择ADC的输入通道、引脚设置为模拟输入通道，不带上下拉。ADC通用设置 方法：设置ADC的模式、ADC的工作频率等。ADC初始化设置 方法：设置ADC的位数、开启扫描模式、开启连续转换模式、触发方式、数据对齐方式、转换通道数。ADC循环通道设置 方法：将需要采样的通道通过ADC_RegularChannelConfig函数设置采样排序和采样周期数。源数据变化时开启DMA传输使能ADC3的DMA功能使能ADC3 开启软件转换 主程序中调用了在子程序编写好的初始化函数AD_Init()后，ADC就会自动的循环采样，而DMA在数组采样值变化后会将当前采样值存入到在主程序里声明好的ADC采样值数组变量中。3.3.2 LCD显示屏初始化和数据写入子程序块设计本设计中实现LCD显示屏的初始化和数据的写入直接使用了STM32开发者开发的LCD程序块，该程序块集成了LCD显示屏的初始化功能、字符显示函数、字符串显示函数、单数字显示函数、多数字显示函数、画点函数、矩形绘制函数等常用函数。初始化方法： LCD_Init();字符串显示函数：LCD_ShowString(u16 x,u16 y,u16 width,u16 height,u8 size,u8 *p); 其中x，y分别为文字显示的起始坐标，width，hight，size分别是其宽、高和字体大小，最后一个参数就是要显示的字符串。多个数字显示函数：LCD_ShowxNum(u16 x,u16 y,u32 num,u8 len,u8 size,u8 mode)； x，y同样是起始坐标，num是要显示的数字，len、size代表要显示的数字长度和字体大小，mode参数有0，1两个选项，0代表非叠加显示，就是不覆盖原来该位置的显示的数据，1代表叠加显示，即覆盖原有区域显示的数据。3.3.3 定时器子程序块设计 设计中使用了定时器的中断功能来使下位机串口向上位机发送数据。每当定时器发生一次中断，便执行一次串口发送程序。以下程序就是定时器的初始化程序：void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); /使能TIM3时钟 TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr; /自动重装载值TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=psc; /定时器分频TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /向上计数模式TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure);/初始化TIM3TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE); /允许定时器3更新中断TIM_Cmd(TIM3,ENABLE); /使能定时器3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn; /定时器3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0x01; /抢占优先级1NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0x03; /子优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);3.3.4 信号继电器初始化子程序块设计信号继电器初始化子程序块的设计主要使用了STM32的GPIO口，即初始化所需要的GPIO引脚。本设计所用到的跳合闸信号继电器是高电平触发，控制3个继电器，所以用了GPIOB的PB0、PB1、PB2引脚。下面就是初始化这三个引脚，并设置引脚的属性。void RELAY_Init(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /使能GPIOB时钟RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOB, ENABLE); /设置引脚属性GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;/普通输出模式GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;/推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;/100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;/上拉GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);/初始化 /在初始化之后，给所有引脚置位，即让所有引脚都为高电平GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2);3.3.5 实时时钟显示子程序块设计本设计还要实现LCD屏幕实时显示当前时间的功能，STM32单片机中带有实时时钟功能，两个32位寄存器包含二进码十进数格式的秒、分钟、小时、星期、日期、月份和年份。STM32F4的RTC可以自动将月份的天数补偿为28、29（闰年）、30和31天。并且还可以进行夏令时补偿。RTC模块和时钟配置是在后备区域，由片上后备电池供电，即使在系统复位或从待机模式唤醒后RTC的设置依然维持不变，而且时间依然保持当前时间，只要后备区域供电正常，那么RTC将可以一直运行。在本设计中直接使用了STM32自带的RTC初始化程序，只要将RTC子程序中的初始日期时间设置好执行初始化，便可以精确的提供当前时间，然后再调用LCD显示屏写入函数将日期时间写到指定的位置即可。4 上位机监控系统的设计4.1 C#编程语言和Microsoft Visual Studio 2013 集成开发环境简介在本设计中整个上位机监控系统都是在Microsoft Visual Studio 2013（以下简称VS2013）这个软件环境中采用C#编程语言开发的，Visual Studio是微软公司推出的集成开发环境,它支持多种程序语言的开发如C#、Visual C+、Visual Basic和Visual F#等。它可以通过拖拽控件的方式非常简单方便的创建 Windows 平台下的Windows窗口应用程序，是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境10-12。本设计中用Visual Studio中的WinForm设计上位机界面，采用C#编程语言编写后台代码，整套程序的设计直观流畅简单。4.2三相电流继电保护系统Windows窗体设计本设计中，上位机系统设计了3个界面，分别为系统登陆界面、保护系统主界面和修改密码界面。下面将依次对这些界面进行介绍。4.2.1登录界面的设计 登录界面的设计主要用了两个TextBox控件作为用户名和密码的输入框，每个框前对应有Lable控件显示文字指示“用户名”和“密码”，在输入框下面添加了两个Button控件作为登陆确认或退出登录，分别用“登陆”和“取消”表示。登录界面如图5-4所示：图4-1 系统登录界面本设计在密码框部分的属性设置中，UseSysTemPasswordChar属性设置为True，这样，在输入密码时，密码就变为*来代替原密码，这保证了输入时的隐私性。同时后台还会判断用户名和密码是否有输入，如果没有输入界面上会在输入框后出现ErrorWarning组件提示用户名或密码没有输入。当用户名和密码输入完毕时，如果用户名和密码正确，点击登陆按钮便可以登陆进系统主界面，如果不正确就会弹出提示框提示用户名或密码输入错误。这使用了登陆按钮的Button_Click事件。为了登陆方便快捷，不用每次都用鼠标点击登陆按钮登陆，在登陆界面的AcceptButten属性中将登陆按钮的Name写入，即可每次输入完用户密码后敲击回车就可以实现登陆按钮的点击。登陆界面的后台代码详见附录。4.2.2三相电流继电保护系统主界面设计系统主界面主要实现的功能有：系统的重新登录、进入登陆密码修改界面、进入数据库界面、串口设置、系统的启动和关闭、采样电流有效值的显示、断路器控制、采样电流波形的显示、显示当前登录用户、显示当前的串口号、显示通信是否正常。图5-5是系统的主界面图：图4-2 系统主界面图自上而下介绍，首先是菜单界面，有系统管理、数据库、串口设置、帮助四个菜单项，每个菜单项都可以通过后面标注的快捷键打开。系统管理菜单项中有三个子菜单项，分别为重新登录、修改密码、退出系统。 点击数据库菜单项就可以直接进入系统运行信息数据库界面。串口设置菜单项是设置串口号、串口波特率、数据位、停止位、奇偶校验位的单选菜单项，着重介绍一下串口设置菜单项。图4-3 串口设置菜单项详细内