（电力系统及其自动化专业论文）二次交流回路绝缘监测装置的研制.pdf

最厨【理z 掌4 掌m 论文 a b s t i t a c t t h es e c o n d a r yc i r c u i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ng u a r a n t e e i n g t h es e c u r i t yo fp o w e rp r o d u c ta n ds u p p l y i n gh i g h q u a li t y e l e c t r ic a le n e r g yf o rc u s t o m e r s h o w e v e r ，t h e r eh a sn o tb e e na n o n 一1 i n em o n i t o r i n gd e v i c et h a tc a nm o n i t o tt h em u l t i p o i n te a r t h o ft h es e c o n d a r ya cc i r c u i t r s j 8 2 0i n s u l a t i o nm o n i t o r i n gd e v i c e o ft h es e c o n d a r ya cc i r c u i tc a np r e v e n tt h i sp r o b l e me f f e c t i v e l y ， a n di m p r o v et h es e c u r it ya n ds t a b i1it yo ft h ep o w e rn e t w o r k t h e p r o d u c tf i l l st h eg a pi ni n s u l a t e dm o n i t o r i n go ft h es e c o n d a r ya c c i r c u i ti np o w e rs y s t e m f i r s t l y ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e i n s u l a t e dm o n i t o r i n gd e v i c eo fr s j 8 2 0s e c o n d a r ya cc i r c u i t ，a n d i n t r o d u c e s t h e b a s i c m o d e ls t r u c t u r eo fx c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 m i c r o c o n t r o l l e r s s e c o n d l y i t e x p a t i a t e s s e v e r a le v o l u t i o n a r i t h m e t i co fr a p i ds p e e da n dt h es e v e r a lf e a s i b l es c h e m e so f s o f t w a r eo p t i m i z a t i o ni nt h en e s t e dr e a lt i m es y s t e m ，a n dd e s i g n ap r o g r a m m i n gs t r u c t u r ew h i c hu s et h em u l t i t a s ki d e a a tt h es a m e t i m e ，i tb r i n g sf o r w a r dt h ei d e o l o g yo ft h es o f t w a r eh i b e r a r c h y s t r u c t u r ea n d t h eh a r d w a r em o d u l a r i z a t i o n m o r e o v e r ， i t i n t r o d u c e st h es i n ew a v e p r o d u c i n gs c h e m e sa n dt h ea n t i j a m m i n g m e a s u r e s t h e1 0 c a l er u n n i n gp r o v e st h a tr s j 8 2 0a c h i e v et h ed e s i g n p u r p o s ea n dm e e tt h ed e m a n do ft h ep r a c t i c er u n k e yw o r d s t h es e c o n d a r yc i r c u i t ：t h ei n s u l a t i o nm o n i t o r i n g ， m u l t i t a s k ，t h es o f t w a r eh i b e r a r c h ys t r u c t u r e ，t h eh a r d w a r e m o d u l a r i z a t i o ns t r u c t u r e 一2 一 太l l z 犬掌 t 掌位* 女 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电力系统是由发电机组、变压器、输电线和用电设备等组成的。电 力系统的任务是不间断地向用户提供质量合乎规定的电能。电力系统保 持安全、稳定的运行是完成这一任务的必要条件，目前电力系统的安全 主要依靠继电保护和自动装置的快速、正确动作来实现，自动装置通过 检测流入装置的二次电流判断一次系统的运行情况，从而决定装置是否 应该动作。通常我们指的二次系统是指二次设备及其回路，即由二次设 备相互连结，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路。 二次系统尽管不是主体，但是它对保证电力系统安全生产及向用户提供 高质量的电能起着极为重要的作用，因此如何合理、科学地设计、维护 和运行二次系统是一项非常重要而且有意义的工作。长期以来人们在解 决上述问题时，着重强调继电保护和自动装置本身的可靠性，而忽视了 继电保护装置、自动装置都是低电压设备，无法直接测量系统一次电压、 电流。它们无不依赖町和c t 将一次的大电流和高电压转换成二次额定 电流5 a 、额定电压l o o v 的小电流和低电压，这样二次的设备便可使用 额定电压和电流都标准化的设备，然后通过一次与二次的线性变化关系， 测量二次的电压和电流，间接得到一次系统的运行情况。所以二次回路 是否完好，是否存在接线错误将直接影响保护的正确动作。互感器二次 回路多点接地是电力系统中发生频率较高的二次回路故障，由此而造成 的系统故障也屡见不鲜，电力系统继电保护及安全自动装置反事故措 施要点还曾专门针对此问题提出过对二次回路一点接地的具体要求， 但系统目前还没有一种能在线监测二次回路多点接地故障的自动装置， 太j 【l z 掌疆掌t 健- 史 本文研制的r s j 8 2 0 二次交流回路绝缘监澳装置能有效预防二次回路多 点接地故障的发生，通过现场试运行，取得了良好的效果，达到了设计 目的。 1 - 2 概述 系统正常运行情况下：为了保证人身和设备的安全，电力作业现 场安全规程规定电流互感器、电压互感器二次回路的一个电气连接必 须有一个可靠的接地点“1 。同时为了保证继电保护和自动装置的正确工 作，一个电气连接的二次回路又只能存在一个接地点2 1 3 1 。但是，大型 电厂和变电站电流和电压二次回路连接设备繁多，延伸范围广，常常由 于人为的接线错误或一些不可避免的自然规律，如绝缘的老化等，出现 一个电气连接二次回路出现多点接地。但是在系统正常运行情况下，如 果p t 、c t 二次中性线出现两点或多点接地，并不影响系统正常运行”“ ，保护装置也无法检测到中性线的多点接地。但是在系统出现不对称 故障时，如果零序电流流过p t 、c t 的中性线，将会在中性线上产生额外 的电压，这一电压叠加到p t 、c t 反映正确的一次电压、电流上，最终进 入保护装置的电流、电压将是错误的电压和电流，从而造成继电保护的 不正确动作，扩大停电范围，给电力系统和用户造成重大损失， 7 3 , 8 3 。 为了防止c t 二次开路，正常情况下，c t 二次不允许安装空气开关或 者熔丝，所以即使c t 在短路情况下，装置也无法告警。如果是金属性短 路，则可能造成流过差动继电器的电流变小，导致差动继电器误动。如 果经过电阻接地，在正常情况下可能不会误动，但在故障条件下，还是 可能误动。 上述问题如果是人为因素，可以通过提高工作人员的责任心来解决， 但对一些不可抗拒的自然规律则只能通过定期的设备检修来发现。这样 6 势必造成设备的缺陷不能及时发现，给电力系统的安全造成了隐患，而 且也是对人力资源不必要的浪费。尤其是对于大型发电厂和变电所c t 、 p t 二次回路连接设备多，二次回路绝缘损坏机率大，一旦造成事故，危 害也很大。 从现场实际运行情况来看，p t 和c t 二次侧两点接地后，导致继电 保护和自动装置误动、拒动的事故常有发生”“。究其原因是因为： 1 ) 事故的隐蔽性。正常情况下二次回路中性线出现多点接地丝毫不 影响系统的正常运行，但在故障条件下，故障时故障的零序电流就可能 流过电压互感器二次回路中性线，由于故障电流很大，这样在中性线上 产生较大的压降，从而导致在二次回路的中性点上叠加了额外零序电压。 如果在电流互感器二次回路中，在中性线发生多点接地，系统故障时同 样可能导致在中性线叠加了额外零序电压9 1 n 。 2 ) 目前缺少一种能对电力系统二次绝缘在线的检测设备，不能发现 问题、及时解决，仍然依靠对设备定期检修制度来完成这一项工作。对 此我们迫切需要一种能在线检测二次系统是否完好的设备。本文针对目 前系统存在的以上问题，展开了深入的调查，开发了一种用于在线检测 p t 、c t 二次绝缘是否良好，是否存在多点接地的设备，r s j 8 2 0 交流绝缘 监测装置基本满足了系统现场运行的需要。二次绝缘检测装置的研制不 但能及时发现设备的缺陷，同时也减少的人力资源的浪费。 r s j 8 2 0 型二次交流回路绝缘监测装置选用m o t o r o l a 公司2 0 0 1 年正 式推出的1 6 位m c u 作为核心处理单元。该芯片内配置有大容量的程序存 储器和r a m ，具有极强的数据处理、逻辑运算和信息存储能力。m c u 工作 在s i n g l e _ c h i p 模式下，数据或地址总线不引出m c u ，因此在稳定性、抗 干扰性、可靠性等方面均有良好的表现。整套装曼中没有设计任何硬件 调整器件，所有的调整均通过软件来实现，在抗振动方面的性能突出， 非常适合现场就地安装“。 该装置的软件采用了全新的智能化、人性化设计理念，使得装置的 动作行为更加准确、可靠，动作行为更加贴近系统的实际情况。图标化 的人机界面让操作更简便，一般专业人员无须使用说明书即可正确操作 本装置。 该装置有下述几个特点1 1 2 】： ( 1 ) 全汉化的液晶显示界面、打印界面，更适合国人使用； ( 2 ) 6 键操作，简洁方便； ( 3 ) 良好的图标化人机界面，操作极其简单方便，一般专业人员无 需说明书即可正确操作装置： ( 4 ) 定值以汉字表格方式输出，更适合定值整定部门和现场人员使用； ( 5 ) 1 6 位u 核心处理单元，片内配置有大容量的f l a s hm e m o r y 和r a m ： ( 6 ) 装置引出了2 3 2 串行接口和c a n 现场总线接口。适合组网运行或 独立连接打印机运行。 ( 7 ) 免调试理念，本装置无任何硬件可调器件。 在以后的章节中分别阐述了该装置的工作原理、m c u 摸块、程序结 构、装置软件算法、软件优化、装置的软硬件结构、自动装置可靠性以 及滤波单元等。其中着重介绍了程序结构、软件算法和装置的软硬件结 构等。 u i i 掌 l 掌位论文 第二章交流绝缘监测装置原理 2 1 1 交流绝缘监测装置功能及意义 二次系统包括二次设备及其回路。二次系统尽管不是主体，但是它 对保证电力生产安全及向用户提供高质量的电能起着极为重要的作用， 因此二次系统是否运行正常对整个系统的正常运行是至关重要的。虽然 目前二次系统或保护装置本身都能对二次系统部分故障进行监视，如二 次p t 断线。但对p t 、c t 中性线的多点接地，c t 二次短路，还是无法监 视。 二次回路的一般故障有：p t 断线，p t 相间短路，p t 接地短路或经 电阻短路，p t 、c t 中性点多点接地，因为c t 开路后产生高压，c t 回 路不允许开路运行，一般都固定在端子上，所以c t 断线少有发生。p t 断线故障一般微机保护都能发现断线故障，从而故障闭锁，不会造成误 动。p t 二次短路故障，一般也不会造成误动，因为p t 二次均有快速空 气开关，能抢在装置动作前断开p t 二次回路，保护装置也能发现p t 二 次断线，然后告警。由于c t 二次不允许开路，所以规程规定c t 二次不 允许安装熔断器，这样c t 二次短路保护无法发现。对于p t 、c t 中性线 多点接地，由于平时系统正常运行时二次系统没有任何异常征兆，更是 难以发现。这样剩余的三种故障c t 短路，p t 、c t 中性点多点接地目前 的保护装置就无能为力了。鉴于上述情况，我们开发了交流绝缘监测装 置，它能对二次回路进行在线监视或定时监视的装置。 2 1 2 二次回路的常见故障 ( 1 ) p t 、c t 中性线多点接地故障 9 太蠢l 大肆嘎士掣啦钝。：t 电压互感器一般是按母线设置的，其二次回路一般设置3 个绕组， 分别给多个保护装置及测量单元供电，。其二次回路的结线方式比电流互 感器的二次回路复杂。交流回路是接地系统，这主要从安全的要求来决定 的继电保护反措中明确规定：“在有电连通的几台电流互感器或电 压互感器的二次回路上，必须只能通过一点接于接地网【3 】，。为了降低干 扰电压，接地点宜选在保护控制室内。对电压互感器二次而言，在不同电 压等级的电压互感间，设计上把所有电压互感器的中性线引到控制室一 点接地。对于由多组电流互感器二次组合的电流回路，如差动保护、各 种双断路器主接线的保护电流回路，其接地点宜选在控制室一点接地【3 】。 电流、电压互感器二次回路中性线多点接地在装置及系统正常情况 下对继电保护影响不大。但在系统不对称故障时，特别是在互感器安 装点附近处短路故障时，若电压互感器二次回路有多点接地，容易引起 二次电压中性点偏移，造成电压互感器二次电压升高或降低，并可能导 致继电保护特别是微机型、集成型的保护误动跳闸【9 】。 由于微机保护的诸多优点，电力系统中广泛的使用了微机保护。它 不同于常规保护，微机保护正常时使用自产3 u o 来判断方f g j 。理论分 1 0 太u 匮工大掌习e 士掌位论二 析表明电压互感器中性点两点接地对自产3 u o 判别方向的保护比外部 3 u 0 判别方向的保护影响更大，决定了它对电压互感器二次中性点漂移 的感受程度比常规保护更加敏感，所以对电压互感器的二次回路接地点 的要求更加严格【9 】。 如图2 1 为电压互感器的部分回路，其中虚线框p t 为电压互感器， 虚线框儿、j 2 为接于p t 上的两组继电器，g 点为正常的一点接地点。 如果此时a 点再多一点接地，同时外部发生发生不对称短路，短路的零 序电流，流过a g ，在a g 上产生a u ，则造成在继电器儿、j 2 上产生 错误的电压，导致继电器误动或拒动。 如图2 _ _ 2 为电流互感器的部分回路，虚线框c t l 、c t 2 为电流互感 器，虚线框j 为一组继电器，g 点为正常的一点接地点。如果此时a 点 再多一点接地，同时外部发生发生不对称短路，短路的零序电流，i 流过 a g ，在a g 上产生a u ，则造成在继电器儿上产生错误的电压，继电器 中流过错误电流，导致继电器误动或拒动。 ( 2 ) c t 单相接地短路和相间短路 根据部颁继电保护及自动装置反事故措施要点的要求，电流互 感器二次回路必须有且仅有一点接地，在实际运用中，对要求几台电流 互感器的二次电流回路并联后接到保护装置的差动电流回路中，所有二 次电流回路必须只能在并联处的公共点一点接地，但在系统短路故障， 特别是接地短路故障时，若电流互感器二次回路多点接地即会造成电流 互感器二次电流分流而不能正确反映一次故障电流，很可能引起继电保 护特别是差动保护误动跳闸。如图2 2 中a g 中流过故障电流，t ，在 a g 上产生a u ，系统故障时，可能造成继电器误动作。如果在c 点发生 接地短路，屿对流过继电器的电流分流。正常情况下就可能对j 中的相 应相的继电器分流，造成差动保护误动。 ( 3 ) p t 单相短路、相间短路和断线故障 p t 单相接地短路、相间短路和断线故障也是二次回路的常见故障。 断线故障一般可由装置软件判别发现，不会造成装置误动。短路故障也 可由p t 二次的空气开关，在流过电流过大时切断，从而保护装置发现 p t 断线，闭锁出口，不会造成误动。 2 1 3 交流绝缘监测装置原理 针对p t 和c t 中性线多点接地和c t 单相接地故障，我们设计了 r s j 8 2 0 二次交流回路绝缘监测装置，其原理图为图2 _ _ 3 。其中虚线框j 为一组电流或电压继电器，虚线框n c , q 为电压互感器或电流互感器，虚 线框j c 为二次交流绝缘监测装置，故障点b 为p t 或c t 中性线上另一 可能的接地点，故障点a 为c t 回路可能的一个接地点。为了检测故障 点a 和故障点b ，我们在二次回路原有的一个接地点g 上通过电压源u 产生一个低频低压信号，然后将u 产生的信号通过变压器t 1 注入二次回 路。这样我们在未对原有二次系统一点安全接地作任何改变的情况下， 太j 【j e _ 工 掌l 女掌位论丈 注入了一个我们希望的信号j 。静产= ! 曲信号应该足够小，以至于不对继 电器的动作特性产生任何影响。在二魄回路中注入电流以后，再通过电 压表u 检测注入的电压大小，通过变压器t 2 和电流表a 检测注入电流 、 j 一 j ； a h g q 、k ，一 一 屿 f b li 【 ，一 7 e b j l - 、i e ；j 7 it j c 悖 u 牵 ，、 图2 - - 3 u 的大小。在获得电流和电压的关系后，我们便可知道系统是否存在多点 接地。正常情况下，系统一点接地，u 注入的信号没有形成回路，t 2 回 路中的电流表a 只能检测到二次回路对地的很小容性电流。如果二次系 统发生了另外一点接地a 或b ，那么便会在回路中产生电流a i r 2 或 。 通过检测电压和电流的关系，便可获得接地电阻的大小。 二次交流回路绝缘检测装置没有对原有的一点安全接地作任何改 动，不会对在二次回路工作的安全产生任何影响。由于u 注入的信号低 频低压，对继电器的动作特性产生不会任何影响，也就不影响保护动作 的正确性。它可以通过定时巡检或在线方式，对二次系统的多点接地定 时或在线检测，确保能及时发现二次回路可能存在的故障点。 2 1 4 二次交流绝缘监测装置测量原理 在二次交流绝缘监测装置中需要采集的信号有电压和电流，电压信 号1 0 v 左右，易于测量，但电流信号较小，外部接地电阻r 为1 0 k 时， 以为1 m v 左右，必须经过放大电路放大后，再送入a d 进行采样，小 信号放大时特别容易出现失真现象，在装置我们采取了如图扛2 中的放 大环节，在信号采样回路中串联电容器c ，使它与变压器t 在系统，- ：1 0 发生谐振，同时选取电阻r c 适当阻值避免进入互感器非线性区。如果谐 振回路有较大的品质因素q ，则待采样信号d 。的主要成分为1 0 h z 的分 量，兼有一定滤波效果。在测量到【7 。后，利用【7 。与，：、，：与t 之间的 关系就可得到电流值丘。电压测量回路同时计算出口，再利用公式 i = o * i 便可求出视在功率，再根据量= p + j q 得到有功功率p ，从而 待测电阻r i 可表示为r i = u ：p 。没有直接使用d 与，求解电阻r ，的原 因是由于在计算使用了傅氏算法，可方便的求解出向量的实部与虚部， 同时也为了避免求解三角函数的运算，具体内容在第四章继电保护算法 中介绍。 毒书 2 2 交流绝缘监测装置硬件原理 如图2 - - 4 所示，为r s j 8 2 0 的硬件框图，现介绍各部分如下：二次 回路交流绝缘监测装置主要由四部分组成：( 1 ) 电源； ( 2 ) 输入、输 太最习l 学- 硬掌t 论_ 丈 出；( 3 ) m c u 主机单元；( 4 ) 测量部分和功率注入部分。m c u 部分采用 的m o t o r o l a 公司的1 6 位单片机x c 6 鲫c 9 1 2 d g l 2 8 ，内含1 2 8 kf l a s h ， 8 kr a m 。1 6 位单片机是装置的核心，装置的软件存放在f l a s h 之内，e 2 p r o m 臣豆卜回 压亟卜卜斗圃 臣匦卜+ - ( 卫 c p u 丘亘卜 x c 9 1 2 d g l 2 8回 臣匾卜呻回 厂习- 开出。 图2 4r s j 8 2 0 硬件总框图 存放定值。r a m 是数据存储器，存放实时数据等，r s 2 3 2 串行通行口可 m c up w 主机单元电源 2 - - 5 装置内部结构图 以连接打印机或与其它微机通信。时钟芯片带有后备电池【”1 ，供c p u 读 取日期、时间。电压、电流经前向通道送入m c u ，再由a d 变换器变 为数字信号，c p u 对电压进行采样和有效值计算。定时器通道0 、1 分 别作为a d 采样和产生正弦波信号的中断源。装置有可能会受到干扰而 失控，引起程序乱飞，也可能使程序陷入“死循环”，为使程序摆脱这 种困境，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术( w a t c h d o g ) 。 它不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间， 则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序复位。 2 3 交流绝缘监测装置软件原理n 们 微机保护的软件主要是以硬件模件为基础，完成各种保护算法，并 提供丰富灵活的手段对保护装置进行整定监视维护。软件采用模块化结 构，主要由三大模块组成：1 ) 调试监控程序，当装置运行在调试状态时， 图2 - - 6 软件总框图 调试监控程序提供丰富的测试手段，对装置进行全面的检查，测试，整 定等。2 ) 运行监控程序，当装置运行在运行状态时，运行监控程序可对 装置进行自检，各种在线监视等。3 ) 继电保护功能程序，实现各个保护 的原理框图。包括数据采集，数字滤波，电气参数的计算，保护判据和 告警信号的出口等。 ( 1 ) 软件流程图 软件总的流程图如图2 6 ，装置一经通电或复位，首先进行一段必 要的初始化程序，如随机存贮器，可编程i o 接口初始化等，然后判断 装置的“调试，运行”方式开关，若开关拨在运行位置，装置立即运行监 控程序，在运行监控程序中继电保护功能程序以定时的方式中断监控程 序执行。若开关拨在调试位置，装置进入调试监控程序。 ( 2 ) 装置的软件结构 软件结构分为主程序和中断处理程序两大部分。主程序主要包括： 面板显示模块、定值修改模块、回路自检自检、信号复归及整组试验模 块等。中断程序包括：a d 采样中断和d a 产生正弦波中断。两个中断分 别由定时通道t o 和t 1 产生，定时器由系统时钟4 分频产生，定时产生 中断。a d 采样中断程序主要完成电压瞬时值采样电压实部、虚部、有效 值和有功功率计算，最后得出可能得接地电阻值。 ( 3 ) 运行监控程序 系统进入运行监控后，首先进行全面的静态自检，如果自检出某一 插件出错，则转向自检出错处理程序。静态自检通过后，进行初始化程 序。初始化程序包括保护用存储器和i 0 接口等的初始化，做好执行保 护功能程序的一切必要准备。然后开中断，允许d a 产生波形程序和a d 采样功能程序以固定频率周期性盼执行。 在管理中断程序执行的同时，运行监控程序还在中断返回后剩余一 部分时间内进行一些十分重要的工作，主要有动态自检，动作报告自动 打印管理，a d 采样通道的监视，及有关保护计算结果和判别结果监视。 自检出错处理程序中，c p u 先关闭中断，停止保护程序的执行；并直 接闭锁所有出口信号；然后发装置故障告警信号，打印出错故障部分( 一 般定位到插件) ，提示继电保护人员进行详细的检查。 静态自检和动态自检检查内容基本相同，只是执行方式有所区别。 静态自检是在保护软件投入前对保护装置进行全面的检查，是连续的。 而动态自检是在保护程序执行后的剩余时间内进行，是断续的，动态自 检一次需要一定的时间。 ( 4 ) 继电保护功能程序 各保护虽然原理不同，计算方法也各异，但流程基本一样。一般包 括：输入信号的a d 采样，必要的数字滤波处理，电气参数的计算，保 护判据和告警信号的出口等。 ( 5 ) 装置的回路自检 装置的回路自检主要包括r a m 自检，电压、电流测量回路自检、 输入输出回路自检等，发现异常后延时发出告警信号。r a m 自检：在 上电或复位时，c p u 进行内存r a m 检查，发现r a m 读写错误时显示： r a m 故障：程序自检：在上电或复位后，或进入运行状态中，c p u 都 进行程序码校验：发现异常，显示：f l a s h 故障。 2 4 小结 本章主要介绍了二次交流回路绝缘监测装置的工作原理和硬件、软 件部分。给出了继电保护常用自动装置的软件框图，并且给出了本装置 的实用框图。软件主要是以硬件模件为基础，完成保护算法及方案，并 提供丰富灵活的手段对保护装置进行整定监视维护m 1 。软件编制采用了 c 语言n 5 1 ，e i 6 lm 1 ，指令执行速度快，且可移值性好，具有通用性，适合 于软件模块化的实现。装置具有宽温、带背光的汉显液晶显示，可直接 1 8 太u t 】：尢掌习l 士掌位论文 显示装置的简易动作信息，方便用户快速阅读，帮助分析判断故障。标 准六键操作，简洁方便，人机界面友好，且接线简单，符合电力系统 继电保护和安全自动装置技术规程的要求。 太j 【l z 掌l 掌位静文 第三章m c u 简介n 7 3 3 1 概述2 5 卜3 帕 2 4 m c u ( m i c r o c o n t r o lu n i t ) 是二次交流回路绝缘监测装置的硬件核 心。在装置所使用的x c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 微控制器是m o t o r o l a 公司1 9 9 6 年推 出的测试型1 6 位m c u ，2 0 0 1 年秋季正式推出。它在片内部包含了标准的外 围接口和1 6 位的中央处理单元( c p u ) ，1 2 8 k 的f l a s he e p r o m ，8 k 的r a m ， 2 k 的e e p r o m ，两个异步串行d s c i ，一个串行外围接口s p i ，一个i i c 接口， 增强的定时器模块，两个8 通道1 0 位a d 转换模块，一个4 通道的脉宽调制 p w m 模块，两个与c a n 2 0 协议兼容的网络接口以及包含系统资源映射、时 钟发生、中断控制、总线管理的多功能集成模块l i m 。x c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 具备完善的1 6 位数据总线，同时它也可在窄模式下与8 位存储器接口。它 内所包含的锁相环p l l 电路专门为m c u 在恶劣环境下稳定工作设计。1 6 根 键盘唤醒i 0 口线，可将m c u 从停止模式或等待模式唤醒。d g l 2 8 的c p u 内 核使用的指令与怖8 h c “系列向上兼容，使用2 0 位的算术逻辑单元a l u 、 指令队列和增强的寻址方式。用户可根据需要选择d g l 2 8 工作在单片模式 和扩展模式。d g l 2 8 使用方形扁平封装t q f p ，共1 1 2 引脚，用户最多可使 用6 6 根通用i o n 线，其中1 8 根只可作为输入。d g l 2 8 系统频率为8 姗z ， 工作电压为5 v 。d g l 2 8 支持单线背景调试模式b d m ，可使用硬件断点。 3 2m c u 端口描述 在扩展模式中端口a 和b 用作数据和地址总线3 1 1 ，嘲。在扩展模式和 外围模式中端口a 和b 的数据寄存器不在地址空间中。在单片模式下端口a 和b 可作为通用i o 口。 太j 【习l 工，叫h 士掌位 文 端d e 的工作方式与端e i a 、b 不同。端口e 用来作为总线控制信号和 中断服务请求信号。当相应口线不使用这些功能时，它们可用作通用i o 口，但是p e 口：0 只能作为输入，而且即使它们作为i r q * 和x i r q * 仍可以 通过数据寄存器读取这些口线的电平。 端口c a n ( c o n t r 0 1a r e an e t w o r k ) 提供了一种以c a n 2 o a b 为协议 标准的现场总线侧t 3 。m s c a n 的接收口线r x c a n 、发送口线t x c a n 不能作为通用i o 口。 端d a d 可用作a t d 子系统输入和通用输入。当不使用a t d 功能时，端 口可作为8 个通用输入口。 脉宽调制输出通道与通用i 0 1 3 复用端e i p 。p w e n 寄存器控制允许 禁止p w m 功能。p w m 功能较通用i o 有较高的优先级。当不使用脉宽调制功 能时，相应的口线可作为通用i 0 口。 当t 端口不使用输入捕捉、输出比较功及脉冲累计功能时，相应的口 线可作为通用i o h 。t s c r 寄存器中t e n 位控制允许禁止定时器功能。 端e i s 是一个标准的8 位串行接口，它包含串行通讯接口s c i 和串行外 围接口子系统s p i 。当禁止标准串行功能时，端e i s 可作为通用i o n 。 3 3m c u 中央处理器单元c p u l 2 口6 l 口7 h 口刚 c p u l 2 是一个高速，1 6 位处理单元，具有1 6 位数据总线宽度和更宽的 内部寄存器( 可达2 0 位) 适用于高速扩展数学指令，指令集是m 6 8 h 1 1 指 令的超集。c p u l 2 允许运行奇字节长度的指令，包括单字节指令，这个功 能更有效地利用了r o m 空间。3 字节的指令缓冲允许预取指令，也使c p u 在开始执行一条指令时，可以读取另外的3 字节的机器码，c p u l 2 还提供 一套扩展的变址寻址指令。 m c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 内部拥有1 6 的数据总线，外部总线可以是8 位或 1 6 位，这由工作模式和控制寄存器决定。它共有8 种可能的操作模式， 在不同的模式中工作配置各不相同。每一种配置都有与其相应的内存映 射和外部总线配置。复位后，通过写入适当的控制寄存器，大多数的系 统资源可被映射到别的地址。复位后的系统工作模式由复位期间b k g d 、 m o d b 、籼a 的状态决定。寄存器m o d e 中s m o d n 、m o d b 、m o d a 位表明了 当前工作模式，并且提供了在正常操作中有限的模式切换。复位期间 b k g d 、m o d b 、m o d a 引脚的状态被复位信号的上升沿锁存到这3 位中。在 复位期间b k g d 作为输入它有上拉电阻，m o d a 、m o d b 有下拉电阻。如果 这些引脚悬空的话，系统默认进入正常的单片模式。 c p u l 2 异常( e x c e p t i o n s ) 包括复位和中断。每种异常都有一个相 应的中断向量，这个向量指向存储器中一段特定的中断处理程序入口地 址。向量存放在地址空间的最高1 2 8 个字节。存放位置最高的6 个向量 是复位向量和不可屏蔽中断的向量表。向量表中其余的向量是可屏蔽中 断向量。向量表中所有的向量都应通过初始化使其指向相应的中断服务 程序。在不同异常请求同时发生时，一个它的硬件优先级决定首先去执 行哪一个服务程序。可屏蔽中断源包括芯片内部的外围系统和外部中断 服务请求。如果c c r 中的全局中断屏蔽位i = o ，那么来自这些中断源的 请求可以被接收。系统复位后全局中断屏蔽位默认为1 ，但任何时间都 可写入。中断源本身有一个默认的优先级，但是通过设置h p r i o 寄存器 可以给其中一个可屏蔽中断源分配可屏蔽中断中的最高优先级。其余中 断源的相对优先级保持不变。被分配最高优先级的中断源仍受到c c r 寄 存器中的全局中断屏蔽位i 和相应局部中断控制位的制约。中断向量不 受优先级设置的影响。只有在全局中断屏蔽位是l 时( 可屏蔽中断被禁 止) ，才可写入h p r i o 寄存器。 太属曩大掌_ 士掌位论文 3 4m c u 各功能模块介绍 1 ) e e p r o m 和f l a s h 模块删j x c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 的e e p r o m 模块提供了2 k 字节的非易失性存储器， 它可用来存放经常操作的静态数据和可快速读取的程序代码。 e e p r o m 中的存储组织是以8 位进行配置的。它可以字节、对齐的字和 非对齐的字进行读操作。以字节、对齐的字操作需要使用一个总线周期。 对非对齐的字操作需要两个总线周期。 x c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 片内有1 2 8 k 字节的f l a s he e p r o m 。它电可擦除、编 程，能作为非易失性的r o m 使用。它适应于存放需要经常执行和快速执行 的程序代码，如操作系统内核和标准子程序，它也可存放需要经常读取 的静态数据。f l a s he e p r o m 是单片模式应用中程序代码理想的存储区， 而且它允许多次编程。 2 ) s c i 、s p i 和i i c 模块 x c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 包括两个独立的串行通信子系统：串行外围接口 ( s p i ) 钏叫4 5 和串行通信接口( s c i ) 4 f i 。串行模块与通用i o 口复用 端口s 。s c i 是一种不归零的串行通信系统，它与标准的r s - 2 3 2 系统兼 容。s c i 系统有一种单线操作模式，在这种模式中，它允许没有使用的 口线作为通用i 0 口使用。s p i 子系统与m c 6 8 h c l l 兼容。 x c 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 的串行通信接口是一种异步的不归零通信系统( 1 个开始位、8 位或9 位数据位、一位停止位) 。它使用内部独立的波特率 发生器、发送器和接收器。发送的数据格式可配置为8 位或9 位数据( 其 中有一位奇偶检验位) 。发送或接收的奇偶检验位可由硬件电路产生。 接收时奇偶检验位发生错误可由硬件设置标志位。波特率发生器是通过 一个计数器模块产生波形，它可灵活的选择波特率。另外接收器还具各 唤醒功能、线路空闲检测功能、反馈环模式( 自测试) 和一系列的错误 检测功能。使用发送数据( t x d ) 和接收数据( r x d ) 两根口线提供了对 外接口。 s p i 外围串行接口可用来与其它外围器件和微处理器进行同步通讯。 s p i 系统可工作在主模式或从模式中。在多主机环境中，s p i 可进行相互 的信息处理和通信。当允许系统的s p i 模块工作时，在s p i 模块中配置为 输入的引脚不受对应d d r s 位设置的影响均为输入；所有配置为输出的引 脚必须将对应的d d r s 位设置为1 。在s p i 模块中作为输出的引脚只要对应 的d d r s 位为0 ，则可用作通用的输入口。在s p i 系统中主机的8 位数据寄存 器与从机的8 位数据寄存器连接在一起，形成分布式的1 6 位寄存器。当数 据进行传送时，通过主机的s c k 时钟驱动这个1 6 位的寄存器串行移动8 位， 这样主从机之间的数据相互进行了交换。 i i c 总线是p h i l i p s 推出的芯片间串行传输总线，它以二根连线实现 了完善的全双工同步数据传送，可以方便地构成多机系统和外围器件扩 展系统“。i i c 总线采用器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址，避免 了器件的片选线寻址方法，在r s j 8 2 0 中i i c 接口于是中芯片相连。 3 ) a t d 模块 m c 6 8 h c 9 1 2 d 6 1 2 8 的a d 模块是一个2 8 通道，1 0 位的多路转换、连续 逼近的a d 转换，转换精度最低有效位2 。由于电荷再分配技术的使用， a d 转换模块无需外部采样保持电路。a d 转换时钟与系统p 时钟同步。 4 ) 增强的定时器模块 在增强的定时器模块中，通过一个分频器驱动一个1 6 位的软件可编 程计数器。它包含8 个完整的1 6 路输入捕捉和输出比较通道以及一个复 用的脉冲累加模块。 定时器有很多用途，其中包括输入波形的测量和产生一个输出波形。 太l 理太掌可掌m 静 输出脉冲的宽度可以从不到1 m s 到很多秒。它可以不用c p u 干预而产生p 删 信号。 脉宽调制系统提供4 路8 位独立的脉宽调制波形，或2 路1 6 位的 p v m 波形，或1 路8 位，1 路1 6 位。每一个波形输出通道的周期和占空 比均可编程，并且还有一个专用的计数器。有4 个时钟源可供选择使用。 每个脉宽调制通道均可输出独立、连续的波形，而且占空比可从o 到 1 0 0 中任意选择。p 删波形输出还可通过编程选择左对齐和中间对齐方 式。 时钟电路产生了内部和外部的e 时钟信号，内部的时钟信号被c p u 和c p u 的外围器件使用，时钟监视电路，用于监视系统是否工作正常的 看门狗电路，周期中断等模块。 一个兼容的外部时钟信号可接在e x t a l 引脚，或通过片内的振荡电 路和外部的陶瓷晶振为m c u 产生一个时钟信号”“。m c u 使用了3 个从主 时钟派生来的信号，它们分别是：t 时钟、e 时钟和p 时钟。c p u 使用t 时钟，e 时钟和p 时钟分别被使用在总线接口、背景调试、同步串行外 围接口和a d 转换模块中。p 时钟同时还用来驱动片内的其它模块，例如： 时钟链、s c i 、r t i 、c o p 和从s t o p 模式中恢复的延时时间。c o p 或看门 狗定时器是一个检查程序正常运行的电路。当使用c o p 时，软件应不停 的复位c o p ，以防止自由运行的看门狗定时器时钟溢出后复位m c u 。如果 看门狗定时器时钟溢出，那就说明软件没有按照预定的顺序去执行，这 样系统被复位。通过三个控制位可从7 个时钟溢出周期中选择一个或禁 止c o p 工作。当允许c o p 工作时，在选择的时钟周期期间，程序必须向 c o p r s t 寄存器写入$ 5 5 和s a a 。如果程序没有能按预期写入寄存器这些数 据或写入别的数据，系统将被复位。 系统为用户提供了周期中断( 实时中断) 。这些中断能以固定的时 间周期发生，周期的长短可通过控制位从7 个中选取一个。时钟的监视功 能可通过c o p c t l 寄存器中的c m e 控制位禁止或允许。周期的长短是通过r c 延时电路来控制，所以不论有没有m c u 时钟，监视电路都能正常工作。 【l 大掌陆掌位能文 4 1 概述 第四章软件算法与软件优化 微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分 析、运算和判断，以实现各种继电保护功能方法称为算法。算法的研究 是微机保护理论研究的重点之一。分析和评价各种不同的算法优劣的标 准是精度和速度。速度包括两个方面：一是算法所需要的采样点数，即 数据窗的长度，二是算法的运算工作量。一个好的算法应该是运算精度 高，所用数据窗短，而且运算速度小。显然，运算精度可使保护装置动 作准确，而算法所用的数据窗短，运算工作量小则有利于提高保护装置 的动作速度。然而这两者之间是矛盾的。研究算法的实质是如何在速度 与精度之间进行权衡“。 目前在微机保护装置中采用的算法很多，按算法的目标可归纳为两 类”。一类是根据输入量的若干采样点值通过一定的数学公式计算出保 护需要的量值，然后与整定值比较；另一类是不计算出具体电气量值， 它直接模仿继电保护实现的方法，根据动作方程式来判断是否在动作区 内。 目前继电保护装置中常用的算法有：两点乘积算法、导数算法、傅 立叶算法、解微分方程算法、最小二乘法等，其中两点乘积算法和导数 算法假定输入为正弦量，傅立叶算法假定输入为周期量，解微分方程算 法主要用于距离保护计算计算阻抗，最小二乘法能求出输入信号中的基 频及各种暂态分量的幅值和相角。在二次交流回路装置中因为需要求解 基波功率和电流、电压的实部和虚部，我们采用了傅氏算法。 太j 【l z 大掌日【掌位恃文 4 2 傅氏算法的基本原理口8 1 傅氏算法是采用正弦和余弦两正交函数作为样品函数，将正交样品 函数与待分析的时变函数进行相应的积分变换，以求出与样品函数频率 相同分量的实部和虚部系数，进而可以求出待分析的时变函数中该频率 的谐波分量的模值和相位。傅氏算法能滤除所有整数倍谐波分量、纯直 流分量，对非整次高频分量和按指数衰减的非周期分量包含的低频分量 也有一定的抑制能力。傅氏算法中系数简单，容易实现，而且可以方便 得到基波电压和电流的实部和虚部，因而得到广泛的应用。其基本原理 如下：假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，根据傅氏级数的 概念，可将此周期函数分解为不衰减的直流分量和各整次谐波分量。其 表达式为： 石( f ) = 晦c o s nl t + a s i n n o - f ) 】4 - - 1 h - o 式中，n 为自然数，行= 0 , 1 ，2 ，：口。，以分别为各次谐波正弦项和 余弦项的振幅：c 0 1 为基波角频率。 如果要从信号互( f ) 中求出