（电力系统及其自动化专业论文）小型水电站自动监控装置的研制.pdf

嗣 i 一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 研究生签名 群蔟 时间： 陟z 年妇p 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 戴覆釉 n c f q ： 矽。z 年f 月少日 掷：山冲妇7 日 中国农业大学硕士学位论文 1 序言 1 1 问题的提出( 水电站自动监控发展的趋势) 我国有十分丰富的水利资源。全国平均蕴藏量在l o 姗以上的河流有t 5 9 8 条。 总蕴藏量在6 8 0 0 0 0 m w 以上，居世界第一位。丰富的水利资源可为我国电力工业提 供廉价的电力。并利于环境保护。随着计算机技术、电子技术和通信技术的高速 发展，水电站自动化正在世界范围内逐步实施。 水电站自动化，就是要使水电站生产过程的操作、控制和监视，能够在少人 或无人直接参与的情况下，按预定的计划或程序自动的进行。水电站实现自动化 的目的在于提高工作的可靠性和运行的经济性：提高电能质量；改善劳动环境和 减少运行人员。分层分布式的水电站自动化系统，已经是发展的必然趋势。近几 年，我国电网中水电站的自动化水平发生着巨大的变化，大量采用先进自动化技 术的水电站正在兴建或已经并网发电，有些还实现了无人值班。随着电力系统自 动化的发展，对供电质量的要求不断提高，同时由于在小型水电站中的值班运行 人员素质普遍不高，在小型水电站中，实现自动监控就尤其重要。老水电厂因起 点低( 基于多人值班) 、设备技术相对落后，资金少，其监控系统的改造只能采用 以计算机为主、简化常规为辅的模式。 随着计算机技术与网络技术的飞速发展，以微计算机为核心的集多功能为一 体的数字式、智能化水电站自动监控装置已经成为水电站自动化装置发展的趋势 和研究的热点。它具有以下几个方面的优点： 1 、功能集成 在小型水电站中，各种保护和控制装置相对比较简单，其独立性的要求也相 对较低。这种情况下，特别是伴随着现代微控制器的高度发展，监控装置的硬件 资源比较富裕，可以将传统的保护、测量、监控、远动集成在一起，避免二次设 备重复投资，简化了二次接线。 2 、远方控制和信息共享 在信息共享方面，主要是监控装置可以将事故时所记录下的故障前后的信息 提供给监控系统及调度中心以便调度人员做分析和控制。e a 于通信是单方向的， 所以，网络上的其它信息不会影响装置的正常工作。远方控制包括了远方修改保 中国农业大学硕士学位论文 护的限值及对装置进行直接的控制操作。 总之，数字式智能化的水电站自动监控装置具有比较完善的功能，具有很高 的性能价格比，其优越性是显而易见的。所以，研制和开发功能全面、精度较高 的水电站监控装置成为了发展水电事业的必然要求。 1 _ 2 水电站自动监控装置的国内外发展概况 1 _ 2 1 国外发展概况 发达国家已经普遍实现发全厂自动化，枢纽水电站集中监控自动经济运行， 水情信息测报，电站基础自动化完善，运行可靠，水电站的安全经济运行达到了很 高的水平，普遍实现了少人或无人值班。 3 7 2 0 a c m 水电站自动监控装置是加拿大p o w e rm e a s u r e m e n tl t d 的产品。这 套装置集数据采集、测量、控制、通信功能于一体，对每一台发电机组的运行情 况进行自动监控，运行人员只需要在上位机前，就可监视全厂的运行状况，并按 需要对机组进行调控或由机组自动调节。但是，它并没有对发电机组的各个轴承 的温度值进行测量，不利于控制人员掌握发电机组的内部运行状况。 a b b 公司生产的水电站t l 动监控装置分为主控级和就地控制单元，主控级采用 的是a d v a n ts t a r i o n5 2 0o p e r a t i o n 计算机控制系统，其主机是h e w l e t t p a c k a r d 9 0 0 7 0 0 工作站。主控级计算机通过总线m b 3 0 0 与全厂其它各就地控制单元进行数 据通讯。机组就地控制单元( l c u ) 设置于机旁，主机采用的是m a s t e rp i e c e2 0 0 一l 型工业微机。它与励磁调节单元、电液调速器、水泵水轮机控制单元、球阀控制 单元等子系统是通过以并行的输入输出信号的方式进行数据交换和控制调节的。 电站公用及辅助设备控制单元( s c u ) 设置在中控室，主机为m a s t e rp i e c e 2 0 0 一l ，s c u 主要完成的是对l l o k v 开关站、全厂公用控制设备、厂用变压器、上下 库闸门和上下库水位等监视、测量和控制。同时s c u 还负责向电站r t u 输出全厂 的一些主要运行参数数据( 并行输出) 。 法国电力系统运行的水力发电设施约有5 0 0 个左右，基本上全是自动化操作。 这些发电设施般位于山区。大约5 0 的发电设施发电量不足5 0 0 0 k w ，并且无人 操作。早在1 9 8 8 年，法国电力系统水力发电部门就感到降低操作费用是非常必要 的。于是开发了“t e l l e x ”遥控运行系统，它具有以下特点：远程监测。运行数 据的远程查询。远程诊断。生成运行数据报表、查询、辅助分析。远程控制。远 2 中国农业大学硕士学位论文 程维护。 但是，国外产品的板面按键操作比较复杂，需要工作人员的操作水平较高， 这与我国现场操作人员素质较低的现状不适应。加之国外产品昂贵的价格，所以 难于适应我国的水电系统。 1 2 2 国内发展概况 我国对水电站自动监控装置的研制起步比较晚，但是发展很迅速。随着我国 水电站自动化的全面实施，我国许多科研单位和公司研制开发出各类水电站自动 监控装置。目前我国水电站计算机监控系统技术正在较大范围内推广，电站正在 向全厂自动化过渡的过程中：梯级水电站的集中监控正在试点，个别工程取得了初 步成功：水电站值班方式以及生产管理方式的改革正在大力推动，在广蓄、长甸等 电站已经实现了“无人值班”( 少人值守) 。 常州自动化分公司生产的水电站监控系统包括计算机监控系统、微机保护系 统、泄水闸门控制系统和船闸监控系统。整个系统采用模块化结构设计，运用新 一代可编程控制器、现场总线技术、网络技术，重要部分双冗余配置，可满足可 靠、安全、经济实用、技术先进和便于扩充等基本原则，实现水电站无人值班或 少人职守，提高水电站自动化水平。 湖南华方电力科技有限公司生产的f s 3 0 0 系列水电站综合自动化装置包括： f s 3 1 3 机组综合测量单元( 完成机组电气量及温度量的测量。) ；f s 3 1 0 机组现地控 制单元( 能够监视和控制水轮机组的生产过程，检测并处理各种常规信号，将生 产过程中的实时数据，各种事件记录等大量信息上报给上位机。接收并执行上位 机的各种指令。) ：f s 3 1 2 机组综合控制单元，它是考虑f j t k 电站或机组的运行特殊 性，保留了简单的常规手动装置，加上一系列监控组件而构成的控制单元。可以 根据用户的不同需要而取舍。 江苏时代水利经济发展有限公司与河海大学、南京大学、东南大学联合研制 的s d 2 0 0 水电站自动化系统采用全开放，模块化结构设计，能实现数据采集与处 理、机组顺控、自动准同期、调速、励磁、功率调节控制等功能，配合s d t 2 0 0 水 轮机微机调速器装置、s d w 2 0 0 微机温度巡检保护装置可以实现水电站内数据采 集与处理、机组顺控、自动准同期、调速、励磁、功率调节控制等功能。 目前，国内外研制和开发的水电站自动监控装置已经有许多了，但是，它们 3 中国农业大学硕士学位论文 一_ - _ _ - _ _ - 一 大多数是面对大、中型水电站或新建设的中、小型水电站而设计的，功能虽然完 全，却大多采用新的辅助机械，复杂而又昂贵，而且采用集中机柜式的接线方式。 对于那些较早建造的老水电站，尤其是位于偏远、贫困地区里的小水电站，由于 值班人员素质低下、经济困难无法承担和应用。 1 3 本课题的任务和意义 本装置的研制主要是针对我国电力系统中水电站的现状，特别是老水电站自 动化改造而提出的，同时参考水电站自动化技术发展趋势，以使装置尽可能包括 水电站内测量、控制、保护和通信等功能。 本课题的任务是：借鉴国内外研制同类型装置的经验，以电力系统智能监 控仪为基础，结合水力机械的控制规律，研制和开发一种先进、实用的单元式小 水电站自动监控装置，为老式小水电站提供功能完善、质量可靠水电站自动化系 统及设备，实现水电站的高度综合自动化，提高水电站及电力系统的安全经济运 行水平，在进行了小型水电站的改造后，能实现水电站的自动发电控制：机组顺 序启停。实现“少人值班”减人增效的目标。 实现水电站的综合自动化可以全面提高水电站的安全经济运行水平，实现少 人值班或“无人值班”，达到减人增效的目的。实践经验表明，实现水电站全厂自 动化，可以提高发电效益1 左右。实现水电站梯级自动经济运行以提高发电效率 3 一6 ，水电站实行生产管理和值班方式改革后，电站可以减员8 0 - - 9 0 ， 基建和生产运行费用都可相应降低，经济和社会效益十分明显。而提高电站和电 力系统的安全运行水平的效益更是难以估量。 小型水电站自动监控装置的研制，主要是软件和硬件设计两大部分。软件的设 计采用结构化的高级语言p l m 一9 6 。测量部分包括交、直流电气量的测量和温度的 测量。交流电气量的测量采用f f t 算法从夹杂着各次谐波的发电机端的输出信号 里计算出计算出基波电压、电流的有效值，利用它们对有功功率、无功功率、功 率因数、电度等参数进行计算，同时可进行1 5 次谐波分析。为减小频率偏差对测 量结果的影响，通过自适应调整采样间隔，即便频率发生改变也能保证每个周波 均匀采样从而使整个装置测量精度高、抗干扰能力强。由于水电站内需要采集 的数据和需要处理的信号较多，硬件部分的设计分为主、副监控装置的设计。它 们均以m c s 一9 6 单片机为核心，配以适当的外围电路来实现各种功能。 4 中国农业大学硕士学位论文 本装置的开发成功将进一步推进小型水电站二次系统的自动化水平，真正做 到集测量、控制、远动、保护等功能于一体的分层分布式水电站自动化系统中的 单元式模块，便于水电站管理人员正确掌握站内运行状况，方便的控制运行，实 现自动发电控制和安全运行。 1 4 本装置的功能 参考国内外各种水电站自动监控装置的特点，本装置设计达到如下功能。 1 4 1 模拟量输入功能 主监控装置直接输入发电机端p t 二次侧的7 5 v 电压、c t 二次侧的5 a 电流。 还有8 路用于励磁电压、励磁电流、导叶开度及温度测量的附加信号输入。副监控 装置一共采集1 6 路温度测量的信号。 1 4 2 测量功能 主监控装置实时和就地显示三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因 数、频率、有功电度、无功电度、励磁电压、励磁电流及导叶开度等。副监控装置 则实时测量和显示发电机内部轴承的温度值。 1 4 3 保护功能 副监控装置在采集温度信号时，如果判断出异常，可以通知上位机进行调节， 保护发电机的正常运行。 1 4 4 开关量输入功能 主监控装置有八路开关量输入，监测发电机组的各种保护状态，副监控装置 有三十二路开关量输入，监测发电机组的各种保护状态及全站内其它配套保护的状 态，它们都采用了光电耦合的隔离方式，提高了装置的抗干扰能力。 1 4 5 控制输出功能 主监控装置有十六路开关量输出，通过中间继电器控制开关的分合，实现对 发电机组的调节合控制。副监控装置有四路开关量输出，同样是通过中间继电器来 控制开关，实现对站内其它辅助机械的控制。 1 4 6 就地设置和显示功能 主、副监控装置面板上的按键可以实现所有参数的就地设置，如时间的调整、 密码、保护的整定值和动作时间、p t 、c t 及温度传感器的变比、通信的波特率等。 面板上的l c d 液晶显示器可以实现所有电量参数( 电压、电流、有功、无功、频率) s 中国农业大学硕士学位论文 和非电量参数( 温度) 的循环显示和指定显示，并于按键一起实现人机交互的操作。 1 4 7 通信及远动功能 主、副监控装置均设有r s 一4 8 5 通信借口，可直接与p c 机联网通信。构成一 个微机网控系统，实现装置工作方式的远方设定、遥测、遥信、遥控及保护定值的 设定。 6 中国农业大学硕士学位论文 2 系统的总体电路结构与分析 2 1 硬件电路的总体设计 随着对水电站保护、控制、测量、通讯等功能的要求越来越高和高性能单片机 的出现以及新的电力电子开关器件的产生，水电站智能监控仪表将逐步实现高集 成度、全功能化。 2 1 1 总体电路构成 在本课题中考虑到系统的复杂性，将监控装置分为主、副监控装置，均以 i n t e l l 9 6 k c 单片机为核心，配以一些适当的外围电路来完成各种功能，主要模块 有：a d 转换、按键、开入量检测、控制输出、通讯、看门狗电路、数据存储单元、 显示、时钟等。 根据数据处理和合理分配硬件资源的要求，两个监控装置的分工如下： ( 1 )主监控装置将主要完成交、直流电气量的测量( a d 转换) 、交流电气量 测量数据的快速傅立叶变换( f f t ) 、控制输出( 水力发电机组的自动 操作和调节) 、通讯、显示、按键处理、故障录波等功能。 ( 2 )副监控装置将主要完成温度信号测量数据的采集( a d 转换) 、发电机 组及水电站内各种保护信号和报警信号的动作采集、通讯、显示、按 键处理等功能。 主监控装置硬件电路的结构参看图2 1 硬件电路框图。 副监控装置硬件电路的结构参看图2 2 硬件电路框图。 7 一! 里壅些丕兰堕圭堂垡鲨壅 图2 1 主监控装置硬件电路框图 图2 2 副监控装置硬件电路框图 2 1 2 主要芯片选择 i 、c f u 的选择 出于实用性稳定和开发周期短的原因，在本装置中采用的c p u 芯片为8 0 c 1 9 6 它是高性能的c h m o s l 6 位单片机，c h m o s 芯片耗电少，它除了8 0 9 6 b i i 已包含的外 设( 时钟发生器、i 0 口、a d 转换器、p w m 、串行口、定时计数器、监视定时器、 高速输入输出器等) 外，被嵌入的外设还主要有：外设事物服务器p t s 、事件处 理器阵列e p a 、使用灵活的a d 转换器、波形发生器等等。 8 0 c 1 9 6 的状态周期由振荡器信号2 分频后获得，而8 0 9 6 的状态周期是振荡周 期的3 倍，因此采用相同频率的晶振工作时，8 0 c 1 9 6 的操作速度至少比8 0 9 6 的速 8 中国农业大学硕士学位论文 一一_ _ _ _ _ _ h _ - h _ _ _ _ - - _ - _ _ - - _ - _ 一 度高i 3a 8 0 c 1 9 6 的速度比8 0 9 6 高的另一个因素是，前者的大部分指令执行状态 周期数略比后者少。这就能够从硬件上缩短快速傅立叶变换的运算时间，加快电 量测量的实时性。 2 、p s d 芯片的应用 如果采用以往的设计方法，要应用大量的单片机外围芯片与c p u 配合，会使电 路结构复杂、布线繁琐。为此本装置中应用了w s i 公司的可编程单片机外围芯片 p s d 9 1 3 f 2 ，省去了通常在单片机外加的一些程序存储器、s r a m 、地址锁存器、p l d 和i o 口等外围器件。 p s d 9 1 3 f 2 可编程微控制器( m c u ) 外围器件的闪速( f l a s h ) 存储器和可编程 逻辑具有在系统可编程特性( i n s y s t e m p r o g r a m m a b i l i t y ，i s p ) ，这有助于实现 嵌入式设计的简单而灵活的设计解决方案。芯片主要功能模块包括：i 兆位的主闪 速存储器、2 5 6 k 位的次闪速存储器、超过3 0 0 0 门的闪速可编程逻辑、s r a m 、可配 置的i o 端口以及可编程的电源逻辑管理。同时，p s d 9 1 3 f 2 还包括j t a g 串行编程 接口。它允许在系统编程整个器件。此特性减少了开发时间，简化了制造流程， 并大大降低了现场升级的费用。 其关键特性是：使用多路复用总线的简单、可编程、至八位微控制器的接口， 总线接口逻辑直接译码微控制器控制信号。容最为l 兆的内部主闪速存储器。被 分为八个大小相同的块。内部独立的2 5 6 k 位闪速引导存储器。它们能在对主闪速 存储器编程时由m c u 同时执行。它被分为四个大小相等的块。可由用户规定的地 址访问。内部1 6 k 位s r a m ，掉电时通过切换到备用电源，s r a m 可以保持数据。带 有1 6 个输出宏单元( m i c r o c c e l l ) 和2 4 个输入宏单元的基于闪速p l d 。p l d 可 以有效地用于实现多种逻辑功能。包括用于内部和外部控制的状态机和地址译码 器。同时提供三种专用的外部芯片选择，从而允许多达1 9 个外部芯片选择。嵌入 式输入和输出宏单元使用户定义的系统逻辑功能能有效的实现。零功耗c m o s 技术， 它把器件待机状态电流的典型值减少到1 0 微安。有2 7 根可单独配置的i o 引脚， 可以用作微处理器i o 端口扩展、可编程地址译码器( p l d ) i o 、锁存地址输出 或特殊功能i o 。1 6 个i o 端口引脚可以配置为漏极开路或c m o s 输出：四个可编 程阵列( p l d a 、p l d b 、p l d c 、p l d d ) ：页寄存器使微控制器地址空间扩展2 5 6 倍。 可编程的电源管理单元支持两种单独的低功耗工作方式。p s d g l 3 f 2 适用多种不同 9 中国农业大学硕士学位论文 配置的微处理器芯片，对多路复用地址数据总线的内部地址锁存器、非多路复用 地址数据总线方式、8 位数据总线宽度、a l e 和r e s e t 极性可编程、读和写控制 总线可选择为r d w r 或r w e 、供8 0 5 1 用户使用的p s e n 引脚；l m 位的u ve p r o m ， 结构为3 2 k 8 字节、为优化地址译码而划分为8 个相等的可映射存储块、存储块 的结构为4 k 字节、9 0 n se p r o m 访问时问( 包括输入锁存和p a d 地址译码) ：1 6 k 位静态r a m ，结构为2k 8 位、9 0 n ss r a m 访问时间( 包括输入锁存和p a d 地址译 码) ：地址数据跟踪方式，使其易于接口到与其它微处理器或主处理器共享资源 上：5 2 引脚塑料封装；简单多样的配置软件p s d s o f t 。 p s d 芯片的突出优点是：减少模板空间、降低功耗和成本、简化模板设计。由 于印刷电路板上要求较少的布线，而且p s d 器件比分立元件设计的适应性更强t 所以降低了设计风险。同时，具有i 0 0 ，0 0 0 次的擦除写入和1 0 年的数据保存期。 3 、传感器的选择 传感器是实现测量和控制的首要环节，是测量系统的关键部件，如果没有传 感器对原始信号进行准确可靠的采样和转换，那么一切的测量和控制都将是不可 1 0 中国农业大学硕士学位论文 靠的。因此要求所选传感器有高的准确度和灵敏度，以保证仪表的测量和控制的 可信度。 由于本装置用于发电机组出口端子上各种电气参数的测量，提供测量用的 p t 、c t 二次侧电压为7 5 v 、电流为5 a 。可是a d 转换芯片的模拟量输入要求电压 为一1 0 、+ i o v 标准电压，所以需要传感器将7 5 v 电压和5 a 电流变换到一1 0 、+ 1 0 r 内。 并且在工程实践中，为了防止各类干扰( 强电或强电磁) 、电网电压对测量回路的 损害，不影响系统的正常运行，需要根据具体情况，对系统中的信号输入通道采 用必要的隔离，以保证系统的可靠运行。因此，本装置要选用带有电量隔离的传 感器，以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离，使之输入和输出之间没有直接连 接，采用隔离型电量传感器具有以下特点： ( 1 ) 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压系统的损坏： ( 2 ) 泄漏电流低，对于测量传感器的输入端无须偏流返回电路； ( 3 ) 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。 目前隔离传感器中采用的耦合方式主要有两种：变压器耦合和光电耦合。 利用变压器耦合，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽一般在i k h z 以下。 利用光电耦合方式，可获得i o k h z 的带宽，但隔离性能不如变压器耦合。基于本装 置用于发电机组出线，测量频带不宽，现场干扰多等特点，因此选用隔离性能好 的变压器祸合型电量隔离传感器w b l 4 1 1 e 和w b v 4 4 e 。w b 系列电量传感器是根据自 动控制和数据采集技术发展的需要，有西南自动化所研制出来的高性能电量检测 产品。其输入端和输出端完全隔离。具有精度高、体积小、功耗低、频响宽、可 以解决自动检测及多路数据采集中的隔离、变换、传送和共地、共电源等关键技 术问题，能有效克服共模干扰、提高系统可靠性，简化系统设计。 4 、a ，7 d 转换芯片的选择 a d 转换器与整个系统的测量范围和精度有关，但考虑到其它元件( 如传感器 的变换精度、信号预处理电路、a d 转换器电路的精度以及软件控制算法) 等的影 响，因此，a d 转换器的位数至少要比总的精度要求的最低分辨率高一位。 对于8 位的a d 转换器的分辨率能达到1 2 8 或满刻度的o 3 9 2 ，显然不能满 足本装置所要求的0 2 级( 0 2 ) 精度；而1 2 位的转换器能够达到的精度为 0 0 2 4 5 ，能够满足本装置的精度要求，所以本装置采用1 2 位的a d 转换器用于 1 1 中国农业大学硕士学位论文 数据的转换。 a d 转换器从启动转换，到转换结束输出稳定的数字量，需要一定的时间。本 装置对六路模拟信号进行采样，每一路每周波采样3 2 点，即每一个周波要完成1 9 2 次转换，而每个周波为2 0 m s ，因此要求转换速率至少为1 0 0 1s 。考虑到每个通道 的采样时间由多路开关的开关时间、采样保持器的采样和建立时间、a d 转换器 的转换时间以及测量传感器的建立时间等，决定选用转换时间为十几微秒到一百 微秒的逐次比较型的a d 转换器。 综合以上各因素，本装置中选用m a x i m 公司的m a x l 9 7 作为a d 转换芯片。 m a x l 9 7 具有以下显著特点： ( 1 ) 1 2 一b i t s 的分辨率，单5 v 供电； ( 2 ) 可动态改变的转换输入范围：1 0 v ，5 v ，0 - 1 0 v ，0 - 5 v ； ( 3 ) 8 个模拟输入通道，6 u s 的转换时间 ( 4 ) 内部或外部可选的参考电压和时钟 5 、其它器件的选择与应用 由于快速傅立叶变换( f f t ) 处理数据以及记录测量结果要占用的数据存储单 元较多，同时为了实现故障录波因此配置了非易失性数据存储器；其次为了记录 时间的需要，还用到了时钟芯片，作为时间显示的基准和有关数据计算的标准： 按键直接应用8 0 c 1 9 6 的i o 口：显示部分采用液晶显示器；此外还用到了可编程 运行监视器，使系统故障时能自动复位，采用酽p r o m 存储器，存储一些重要参数 和测量结果。 2 2 关键器件的连接 22 1c p u 与x 2 5 0 4 3 的连接 x 2 5 0 4 3 是可编程的看门狗监控e 2 p r o m ，它把三种常用的功能组合于身：看 门狗定时器、电压监控和e 2 p r o m 。这种组合芯片降低了系统成本，并减少了对电 路板空间的要求。 看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障或内部程序走飞 1 2 中国农业大学硕士学位论文 时，在可选的超时周期之后，x 2 5 0 4 3 看门狗将以预设的电平信号( 高或低) 做出 响应。用户可从三个预置的值( 1 4 s 、6 0 0 m s 和2 0 0 m s ) 中选择此周期，一旦选定， 即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。 x 2 5 0 4 3 的低v c c 检测电路，可以保护系统使之免受低电压情况的影响。当v c c 降低到最小v c c 转换点以下时，系统将复位。复位一直确保到v c c 返回且稳定为 止。 x 2 5 0 4 3 的存储部分是c m o s 的4 0 9 6 位串行e 2 p r o m ，它在内部按5 1 2 8 b i t 来组织。具有允许简单的三总线工作的串行外设接口( s p i ) 和软件协议。其能提 供最小为1 0 0 ，0 0 0 周期字节的使用期限和最小为1 0 0 年的数据保存期。 图2 4c p u 与x 2 5 0 4 3 的接口设计 2 2 2p s d 与标准j t a g 接口之间电路 p s d 的在系统编程( i s p ) 可以通过其多功能端口c 的j t a g 口实现。这个串行 接口允许对p s d 器件的闪速存储器、e e p r o m 、p l d 以及其他配置进行完整的编程。 使用w s i 推出的标准f l a s h l i n ka d a p t e r 和p s d s o f t 可以对p s d 进行方便、快捷 的完全编程。 2 2 3c p u 与p s d 芯片之间电路的设计 由于p s d 芯片内部包含程序存储器、s r a m 、地址锁存输出、可编程逻辑译码输 出、t 0 口扩展等功能，因此在硬件电路上将省去程序存储器、地址锁存器、译码 器等很多元件，使电路设计简单、体积小、功耗低。 p s d 芯片的一些控制信号，如地址锁存允许或地址选通( a l e 或a s ) 以及它们 1 3 中国农业大学硕士学位论文 的有效极性、复位信号r e s e t 的极性、读写信号的控制方式及极性等均可编程。 因此，这些信号不需要外加逻辑电平转换电路，就可直接与c p u 或其它外围电路 直接相连，使用非常方便。 c p u与p s d芯片的电路连接方式参看图 2 3 。 k a a d s 邶1 5 ) c p up s d r d 、w r 、札e l p l d 输入 。 图2 3c p u 与p s d 的连接电路 1 4 低位地址输出 l o 输出 地址译码输出 中国农业大学硕士学位论文 2 3 c p u 及其外围电路的设计 2 3 1 测量用的数据采集及a d 转换 在各种各样的测量仪表中，对输入信号进行模拟滤波是很常见的。而本装置为 了提高测量精度，完全采用数字滤波方法，以避免信号在硬件电路处理中带来的 偏差。在电量传感器与a d 转换器的连接上采用直接连接的方式即电量传感器 的输出信号直接送入a d 转换器的模拟量输入端。经a d 转换后所得到数字量被 送到双端口r a m 中，以备主c p u 进行数据处理。 2 3 2 开关量输入 本装置除了输入模拟量( 交流电压、交流电流) 信号外，还要处理输入的开关 信号。开关信号主要包括：断路器状态的闭合和断开，继电器的吸合和释放。 开关量输入的接口方式常用的有t t l 电平直接接口型和光电隔离型。由于仪器 运行现场环境恶劣，存在电、磁、振动、噪声等各种干扰，t t l 电平直接接口可能 会造成错误输入。 本装置采用光电隔离型输入方式，其主要优点： ( 1 )输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强； ( 2 )无触点，耐冲击，寿命长，可靠性高： ( 3 )响应速度决，易与逻辑电平配合使用。 开关量输入转换部分还要用到输入缓冲器，它是对外部信号起缓冲整形的作 用，c p u 通过对选通端的控制来实现开关量的输入。 2 3 3 开关量输出接口 微机系统输出的开关信号是芯片给出的低压直流，如t t l 电平信号，这种信号 一般不能直接驱动外设，而需要经过接口转换等处理后才能用于外部设备的开启 和关闭。常用的方法有两种： ( 1 ) 、继电器方式的开关量输出，它是目前最常用的一种输出方式，一般在驱 动大型设备时，往往利用继电器作为测控系统输出到输出驱动级之间的第一级执 i 5 中国农业大学硕士学位论文 行机构通过第一级继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。 ( 2 ) 、固态继电器( s s r ) 是近年来发展起来的一种新型电子继电器，其输入 控制电流小，用t t l 等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动，因此适用于 在微机测控系统中作为输出通道的控制元件。 但是固态继电器价格昂贵、体积较大，因此本装置选用普通的电磁吸合式继电 器作为输出通道的控制元件。 在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到 测控系统，一般采用通道隔离技术。在输出通道的隔离中晟常用的是光一电隔离 技术，因为光信号的传送不受电场磁场的干扰，可以有效的隔离电信号。因为本 装置选用继电器控制中间继电器，电源是由测控系统本身提供的+ 1 2 v 直流电源或 仅提供一对空接点，所以不必采用光电隔离，继电器输出时的输入端与输出端有 一定的隔离。 本装置选用额定驱动电压5 v 、驱动电流3 0 m a 以下超小型继电器作为开关量输 出控制元件，其优点是： ( 1 )可以直接用t t l 电平驱动，不用附加电路； ( 2 )体积小，可直接焊在线路板上，节省印刷电路扳空间。 由于本装置的开关量输出赢接控制回路出线断路器的开合，为保证其动作的可 靠性，防止其它干扰引起继电器误动，输出控制通道采用如下措施： ( 1 )控制输出继电器的电源由一个总的继电器控制，总继电器又由主c p u 控制： ( 2 )对输出信号进行锁存锁存的信号由c p u 的i o 口读回，判断其是否 正确，如果不正确立刻停止操作； ( 3 )锁存器的控制信号由c p u 的i 0 口控制是否选通，防止错误输出造成 误动作。 采用p af 措施，并有两次校验，大大地提高了输出控制继电器动作的可靠性。 2 3 4 数据通讯方式 为了适应现代变电站调度自动化的要求，本装置设有通讯功能，以便系统调度 中国农业大学硕士学位论文 人员能够在远方了解系统运行情况并实现三遥功能。 通讯通常有并行和串行两种方式。并行数据传输的速率高，但是数据传输的距 离通常小于l o m ，而且并行通讯需要用很多信号线，成本比较高。串行数据传输是 一条信号线传输一种数据源，因此，不同系统或计算机之间只用几条信号线即可 完成数据交换。串行数据传输的距离可达到几公里，对于远距离的数据通讯而言， 串行通讯常常是唯一的一种手段。 目前广泛应用的串行通讯接口标准是r s 一2 3 2 c ，它的电气接口是单端的，双 极性电源供电电路，其不足之处： ( 1 ) 数据传输速率限于2 0 k b p s ； ( 2 ) 传输距离限于1 2 m ： ( 3 )该标准没有规定连接器，因而产生了2 5 针等设计方案，这些方案有时 不兼容； ( 4 )每个信号只有一根导线，两个传输方向只有一个信号地线： ( 5 )接口使用不平衡的发送器和接收器。 还有串行通讯接r 7 标准为r s 一4 4 9 ，其特点是：支持较高的数据传输率；支持 较远的传输距离；制定连接器的技术规范：通过提供平衡电路改进接口电气特性。 但r s 4 4 9 标准也是一个单端的，双极性电源的电路标准在3 0 0 0 b p s 时，距离 可达1 2 0 0 m 。由于本装置应用于变电站中，距离至少为1 0 0 0 m ，而且3 0 0 0 b p s 不能 满足实时性要求。 e a i r s 一4 2 2 a 标准规定了差分的电气接r 7 它能在较长的距离内明显地提高 数据速率，在1 2 0 0 m 内把速率提高到3 0 0 k b p s 。这种性能的改善是由于平衡结构的 优点产生的，这种差分平衡结构能从地线的干扰中分离出有效信号，因此可不受 对地参考系统地电位波动和共模电磁干扰的影响。 在许多工业环境中，要求用最少的信号线完成通讯任务。目前广泛应用的r s 一4 8 5 串行接口总线正是在此背景下应运而生的。它实际是r s 一4 2 2 a 的变型，不 同之处仅在于：r s 一4 2 2 a 是全双工的，r s 一4 8 5 是半双工的。r s 一4 2 2 a 采用两对 平衡差分信号线，r s 一4 8 5 只需要其中的一对，对于多站互连是十分方便的，可以 节省昂贵的信号线，许多智能仪器均配有r s 一4 8 5 总线接1 ：3 。 本装置选用r s 一4 8 5 总线接1 3 作为与上位机的通讯标准。为了通讯的可靠，在 1 7 中国农业大学硕士学位论文 平衡型通讯线路上加1 2 0 q 的匹配电阻。 2 3 5 按键电路 键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能向计算机输入数据、传送 命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。 键盘接口主要分矩阵式和独立式两种。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场 合，由行线和列线组成，按键位于行列的交点上，占用较多的地址空间或i 0 口线。 独立式按键就是个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按 键工作状态不影响其他输入线上的工作状态。独立式按键适用于按键较少或速度 要求较高的场合。独立式按键相比矩阵式结构，具有配置灵活的明显特点。 在保证能完成各种功能的情况下，为了使操作简单，选用了尽量少的按键数( 本 装置中仅选用了4 个) ，并且采用了独立式按键结构，实行功能复用，此方法虽然 在判断哪一个按键按下的程序上显得复杂了一些，但它可以节省很多的数据地址 空间或i 0 口线，配置灵活，硬件结构简单。本装置的按键部分直接采用d s p 的 i o 口作为输入。 按键的扫描方式有两种：查询方式和中断方式。由于中断方式不但占用c p u 的外部中断资源，而且还可能干扰其它重要中断程序的正常运行，因此在本装置 中采用查询方式，即在程序中对相应i o 口的状态进行查询，确认是否有键按下， 然后调用相应的按键处理程序。 2 , 3 6 数据存储器的选择 本系统中的数据存储器共由两部分组成，非易失性数据存储器( n v r a m ) 和 串行数据存储器( e ：p r o m ) ，用于存储数据记录、整定值和控制宇等。 通常，静态的、易失性r a m 在掉电后，其内部存储的数据将会丢失。而非易失 性数据存储器( n v r a m ) 在掉电后可保存其内部数据不使其丢失。随着存储技术的 发展，非易失性存储器得到了重大突破。总的来讲，非易失性r a m 具有如下主要特征： ( 1 ) 与相应的静态r a m 完全兼容 f 2 1 可以单字节读写，读写次数无限： 中国农业大学硕士学位论文 一一- 一 ( 3 ) 内置锂电池，单5 v 供电，功耗小。断电时数据自动保存。在无外部供电的 情况下，数据可保持l o 年不丢失； ( 4 ) 双列直插封装，超薄设计，内部集成的抗冲击电路及存储器晶片，具有很 强的抗干扰能力。 系统设计中采用大容量的6 4 kb y t e 的n v r a m 用于数据记录。对于一些特定的整 定值或控制字，则采用读写数据更可靠的e 2 p r o m - - x 2 5 0 4 3 。 2 3 7 数据显示方式 在各类仪表中，常用的显示器有：发光二极管显示器( l e d ) 、液晶显示器( l c d ) 、 荧光管显示器、简易的c r t 接口等。 本装置从减小功耗、电路设计简单、能显示多种字符的想法出发，选用液晶显 示模块l c m ，它是将l c d 控制器、r a m 、r o m 和l c d 显示器集成在一起，使用时只 要向l c m 模块送入相应的命令和数据便可实现所需要的显示。 2 3 8 复位电路 在c p u 与p s d 芯片共享复位信号的设计中，如果复位电路中只有r c 元件，就 存在竞争条件。这是由于如果复位信号上升缓慢，c p u 就有可能在p s d 芯片仍处于 复位状态时，先离开复位方式开始提取程序代码，从而使程序得不到正确执行。 基于上述原因，可采用如下方法进行复位电路的设计： ( 1 )采用一个复位芯片，使复位输出直接连接到c p u 和p s d 芯片的复位引 脚； ( 2 )采用两个独立的r c 复位电路，p s d 芯片复位电路的r c 常数应该比c p u 复位电路的r c 常数小，这样，p s d 芯片就有一个较短的复位脉冲信号： ( 3 )采用一个带缓冲的复位信号，r c 复位电路的输出端在接到c p u 和p s d 芯片的复位引脚上以前，通过一个门电路( 如7 4 h c l 4 ) 被缓冲。 以上三种方法可使复位效果得到改善。由于本装置中c p u 和p s d 芯片各有一片， 都需要连接复位信号，并且要求上电、按键、看门狗三种方式均能正确复位。因 1 9 中国农业大学硕士学位论文 此，本装置采用输出两组不同的复位脉冲信号分别接至p s d 和c p u 芯片的复位； 脚，使其先后顺序脱离复位状态，保证程序的正常运行。 2 3 9 系统的工作电源 本装置需要5 v 、+ 1 2 v 、一1 2 v 、+ 2 4 v 和一2 4 v 的直流电源。可将2 2 0 v 交流电经 过变压器和整流、滤波、稳压电路获得这些直流输出。但考虑到市场上电源的技 术比较成熟，能满足本装置的要求。故选用小型集成开关电源，各直流输出功率 总和为8 w 左右。 中国农业大学硕士学位论文 3 计量用韵数字滤波算法 目前，各种电力监控仪表计算方法大多是采用积分和的计算方法，如果不存在 直流成分和谐波干扰，也可得满意的结果。但现场若有高次谐波干扰。积分和算 法将带来较大的误差。为去除高次谐波干扰，常用的方法有两种：一是采用硬件 滤波方式，加入低通滤波器；二是采用数字滤波算法。第一种方法由于要加入模 拟滤波电路，往往会带来传输偏差。本装置采用数字信号处理方法中的快速傅立 叶变换算法( f f t ) 。f f t 算法将采集的电压、电流中的干扰化为高次谐波处理，避 免因模拟滤波电路参数不匹配带来的误差，从而极大地提高了测量精度。 3 1 应用快速傅立叶变换测量的基本原理 假设无噪声的输入信号是频率为u 的正弦波电压： u ( t ) = as i n ( c o t + 妒) = a s i n ( c o o t + ) = 国o + a c o t ty = a c o t + 妒，o = 2 ，玑，f o = 5 0 h z 其中：驴初相位； 缈一一电压相角变化； a - - , 目m 。 “( r ) 可用矢量西的虚部表示。 西= a e ，p p ，“= a c o s g + js i n g i c o s c o 。t + js i n ( o 。d ：4 c o s g c o s c o 。f a s i n v s i n c o o t + j a s i n v c o s c o 。，+ a c o s v s i n c o 。r 】 则：u ( t ) = a s i n v c o s c o o ，+ a c o s g s i n c o o t 若将a e ，r 看作西的复数振幅乩 乩= e 。= a c o s 妒 + 州s i n g ( 3 1 ) 对“( ，) 信号每周波采样次，产生采样序列k 2 l 中国农业大学硕士学位论文 驴心n 2 矾七+ 妒) 柏血( 等砷) 其中：卫采样间隔。 对u 进行离散傅立叶变换得到基波分量的频谱系数“l ( 七) ： “。( ) = 寺叩1 啦“” 1 = 0 = 专奈c o s 等h 万2 n - i i n 争 = “，一j u r ( 3 2 ) 驴号c o s 2 x 。= 万2n-i i n 等尼 其中：“，和分别在“l ( 七) 表达式中是余弦项之和及正弦项之和。 对正弦输入信号可以证明： “，2 爿s m q ( 3 3 ) “r = a c o s “，( 女) 是输入信号的基波频谱系数，由式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 可得出 “( ) 与u ，的关系。 ，“l ( ) = j u ，一j u r = “r + ，“，= a c o s y + j as i n g = u ， 可见，“，( 女) 和乙7 。都是表示基波分量的复数振幅，“，和分别为复数振幅的 实部和虚部。 3 2 交流电压、电流、有功功率和无功功率的计算 利用输入信号基波电压、电流复数振幅的实部和虚部可以求得交流电压j , 交 流电流，、有功功率尸和无功功率p 的有效值，为此先将复数振幅的实部和虚部变 成有效值，假定输入电压复数振幅的实部和虚部有效值用u 月和u ，表示，则输入电 压的有效值为： u ：嗣 同理可以求出输入电流的有效值为： l = 丽 2 2 中国农业大学硕士学位论文 其中：i r 、i ，输入电流复数振幅的实部和虚部的有效值。 对于三相四线系统，测量信号为三相电压和三相电流，选用的输入信号为如、 肋、舱，厶、乃和几，则视在功率5 可表示为： s = u a 7 a + u b i b + l i f e * i c 展开上式可得到有功功率和无功功率分别为： p = u a r * f a r