（电力系统及其自动化专业论文）带网络接口的低频低压减载装置的研制.pdf

a b s t r a c t t h epr o b l e mo f f r e q u e n c ys t a b i i i t y o fp o w er s y s t e m h a sr e c e n l iv g a i n e d m or ea t t e n t i o n in e l e c tr i c a l e n g i n e e r in gc ir c l e s l o s i n g f r e q u e n c ys t a b i l i t ym a yl e a dt ot h ec o l l a p s eo fs y s t e m f r e q u e n c y s o m u c ha st h ew h o l es y s t e mf a i l u r e ；l o s i n gv o l t a g es t a b i l i t y m a yc a u s e t h e c o l l a p s eo fv o l t a g e ，t h e nt h ep o w e rc u to fl a r g ea r e a s t h u sw e d e v e l o pr s a 8 0 0 t h el o wf r e q u e n c ya n d v o l t a g ec u t t i n g l o a du n i t d u r i n g t h e s t u d yp e r i o d ，p r o g r a mm c 6 8 3 7 6 sm o d e lsa r e p r o g r a m m e d ，w h i c hg a i n sg o o de f f e c t e s p e c i a l l y ，b a s e do n t h ec o m b i n a t i o no ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e a n d m c 6 8 3 7 6 sq s mm o d e l ，p r i n t e rd r i v e r p r o g r a m s a r ew o r k e d o u t ，w h i c hh a st h ef u n c t i o no fp r i n t i n gf i x e dv a l u el i s ta n d r e c o r d i n gw a v e s m e a n w h i l e ，t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s l a v e c o m p u t e r s h a sb e e nr e a l i z e d e m p l o y i n g t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e a n dt o u c a n m o d e l ， w h i c h p r o v i d e sas h o r t c u tf o rt h ec o m m u n i c a t i o nw i t hp c l 一8 4 1c a n a n d t a k i n g t h e s h o r t c o m i n g o f o r d i n a r ya l g o r i t h m s i n t o c o n s i d e r a t i o n ，n o to n l y an e wf a s ta n d p r e c i s ea l g o r i t h m f o r m e a s u r i n gf r e q u e n c yb y c t mm o d e li s p r o p o s e d ，b u t a l s oan e w m e t h o dt os o l v et h ee x t r a c t i o no far o o tt h r o u g h ( t b l u 、i s p r e s e n t e d ，w h i c hc a nd e a lw i t ht h eq a d cs a m p l e d d a t aw i t h i n ai n t e r r u p tp e r i o d ( 5 3 s ) ，l o o ku pt h ec o r r e s p o n d i n ge x t r a c t i o n o far o o ta n ds e n dt ot h el c ds c r e e n f o r d i s p l a y t h e a p p l i a n c e o fd i g i t a lf i l t e r si s t h e n e x p a n d e d i nt h e p o w e r s y s t e m r s a 8 0 0 t h el o wf r e q u e n c ya n dv o l t a g ec u t t i n gl o a du n i t ， w h ic 1 1 p i 0 v i d e s c o m p l e t ep r o t e c t i o n f ort i l e p r o l e c t e dl i n i t h a s g o o d l n a n m a t h i n ei n t e r f a c el e s p e c t i r e l y p e r f e c t s e r v i c e s a n d s i m p l e r e | i a bj ec ir c u i t s k e y w o r d s ：f r e q u e n c ys t a b i l i t ya l g o r i t h m ， s e r i a c o m m u n ic a t i o n dr i v er pr o g r a m ， m o d e l s ，m e a s u r i n gf r e q u e n c y h a r d w a r ec o n s u l t i n gt a b l e 尘兰竺三尘竺圣耋兰兰兰竺兰兰耋 ! 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电网的运行频率是电能质量的最基本的指标，同时也是电力系统运 是否安全的标志。在旷常运行状态下，由发电机组的调速器及自动调 频装置调节发电机组的出力，使系统内发电功率与负荷功率保持平衡。 保证电网的频率在额定值附近运行( 例如5 0 0 2 h z ) 。当系统内发生 事故，例如失去大电源，重载线路跳闸，系统解列等，系统内有功功率 的平衡状态将遭受破坏，依靠正常的调节手段无法迅速使系统内能量继 续保持平衡。则在功率出现缺额的地区频率就会下降，而在功率出现过 剩的地区频率就会上升，严重时引起系统失去同步，甚至导致电网的崩 溃瓦解、大面积长时间的停电。 低频自动减载是在事故状态下保持电源和负荷重新平衡，防止频率 大幅度下降。并使其恢复正常的有效措施。各国电网都普遍使用这一措 施，避免了大量严重事故的发生。然而，随着电网的发展，大机组运行 过程中对频率的变化非常敏感，对频率的变化范围要求比较苛刻：电网 互联后，事故系统频率的变化也影响到联网的运行。对原有的低频减载 方案和使用的装置如不及时改造，电网的安全运行就得不到保障。目前， 我国低频减载几乎还是沿用5 0 年代的方案。电网安全的第三道防线很 不健全，系统稳定破坏、大面积停电的事故近年来仍比较多。现代电网 的低频自动减载方案需要采用高精度、高性能、高可靠性的频率继电器 太原理z 掌硬士研究l 掌位* 文2 柬丈现。原有的机f u 型、品体管模拟的集成l 乜路型频率继i 乜器制州精 度低、性能差而逐渐被新的数亨式频；棼继电器所取代。新f n 高精度、岛 性能、快速的数字频率继电器是设汁新的减载方案的基础。只有在这个 接础卜j 能实现完善的减载方案，建立起峰固的系统安全的第j ! 道防 线。 1 2 概述 电力系统的运行电压水平同无功功率平衡密切相关。为了确保系统 的运行电压具有正常水平，系统拥有的无功功率电源必须满足正常电压 水平下的无功需求，并留有必要的备用容量。现代电力系统在不同的运 行方式下可能分别出现无功不足和无功过剩的情况，都应有相应的解决 措施。 从改善电压质量和减少网损考虑，必须尽量做到无功功率的就地平 衡，尽量减少无功功率长距离的和跨电压等级的传送。这是实现有效的 电压调整的基本条件。要掌握各种调压手段的基本原理，具体的技术经 济性能，适用条件，以及与别种措施的配和应用等问题。电压质量问题 可以分地区解决。将中枢点电压控制在合理的范围内，再辅以各种分散 安排的调压措施，就可以将各用户处的电压保持在容许的偏移范围内。 现代电力系统中的电压和无功功率控制应以实现电力系统的安全、 优质和经济运行为目标。频率是衡量电能质量的重要指标。实现电力系 统在额定频率下的有功功率平衡，并留有必要的备用容量，是保证频率 质量的基本前提。 负荷变化将引起频率偏移，系统中凡装有调速器，又尚有可调容量 的发电机组都自动参与频率调整，这就是对频率的一次调整，只能做到 _ 太 l i 掌m * r l # m * 仃筹调肯。频率的次调整 二调频j 承于【! ，渊频机绀渊频移动机纠l 的 功率频率特性，改变机组的仃助输： j 以承担系统的负倘变化，i j ”以做纠 尤筹润节。主调频厂应有足够的调接容量，具有能适j 、v 负荷变化的渊整 速度，调整功率时还应符合安全与经济的原则。 综上所述，频率是反映电力系统运行状态的重要参数。在稳定的运 行状态，发电机功率和系统负荷功率相等，此时系统频率为常数。一般 情况下，系统的频率随着负荷的波动将在小范围内缓慢的变化。在系统 发生故障时，系统的功率失去平衡，严重时暂态稳定将被破坏。现代电 网尤其是大机组对频率质量提出了很严格的要求。为此，我们设计了 r s a8 0 0 型频率电压紧急控制装置。 r s a 8 0 0 型数字式低频低压减载装置选用m o t o r o l a 公司2 0 0 0 年最 新推出的3 2 位m c u 作为核心处理单元，该芯片为目前国际上最先进的 单片机之一。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、可靠性等方面均为各种 单片机系统之最。尤其是整套装置没有任何硬件调整器件，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 ) 全汉化的液晶显示界面、f f e p 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 ) 3 2 位m c u 核心处理单元，配置有大容量的f l a s h m e m o r y 和r a m ： & l i # q 日l 掌m ( 6 ) 具有极强的数拊处理、逻辑运算和信息存储能力： ( 7 ) 装置引j ，2 3 2 申行接i1 和c a n 现场总线接l _ i 。适合绑州返jj 或独：莎连接打印机运行。 ( 8 ) 免调试理念，奉装置无任何硬悄可调器件。 在以后的章节中分别阐述了该装置的工作原理、继电保护算法以及 q s m 、t o u c a n 等几个m c 6 8 3 7 6 模块的实际应用。着重介绍了笔者 所做的具备打印定值单、滤波图、异常报告表等一系列功能的l q 一 3 0 0 k 打印机驱动程序，该程序的可移植性、用性强；还介绍了由笔者 所编制的能实现下位机t o u c a n 模块问互相通信的低层通信程序。该 程序已初步囊括了c a n 网络通信协议的全部内容，现己具备了与上位 机间通信的基础。 尘竺! 量：竺! 圭至耋圭兰篓兰至 ：! - 第二章m c 6 8 3 7 6 微控制器模块及功能 2 1 概述 m c 6 8 3 7 6 是m o t o r o l a 公司于2 0 0 0 年最新推出的产品。在原有 t 每档3 2 位机的基础上，又增添了q a d c 、c t m 、t o u c a n 等新模块， 使之功能更加强大，结构更加模块化，具备了网络功能和灵活的测 频、定时功能，提供了查表和插值指令。该芯片为目前国际上最先 进的单片机之一。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。数据或地址总线不引出m c u ， 因此在稳定性、抗干扰性、可靠性等方面均为各种单片机系统之最。 它的这种模块化结构非常适合比较大的装置，为产品实现系列化提 供了方便。本章主要介绍了该控制器的各模块结构。 2 2m c 6 8 3 7 6 微控制器组成模块 m o t o r o l a3 2 位微控制器采用模块化结构的芯片。几个具有不 同功能的模块被设计在一个集成块内，这些模块主要有：中央处 理器m c 6 8 3 7 6 、系统集成模块s i m 、队列串行模块q s m 、片上存储 器r a m 、定时处理器t p u 等脉冲宽度调制等) 。可配置定时单 元c t m 4 ，队列a d 转换模块q a d c ，遵循c a n 2 o b 通信协议的t o u c a n 模块。现将各模块简述如下： l l i 掌日l $ m * x 表2 1m c 6 8 3 7 6 微控制器的模块特性 模块名称特性 m c 6 8 3 7 6 m o t o r o l a 的3 2 位c p u 控制外部总线输入输出，芯片选择，系 系统集成模块s i m 统保护，系统时钟，测试功能 队列串行模块q s m进行同步和异步串行通信 r a m 模块后备电源支持的7 5 k 片上r a m 具有1 6 位通道定时器、计数器，用于 定时处理器t p u 控制内部和外部定时事件 可配置定时单元( c t m 4 )微控制器系列的一个定时模块。 队p i j a d 转换模块- - q a d c q a d c 为m c u 的一个10 位精度的a d 转 换器。 t o u c a n 模块一个实现c a n 2 o b 通讯规约的控制器 2 2 1 中央处理器m c 6 8 3 7 6 中央处理器m c 6 8 3 7 6 管理着外部设备的全部活动。它通过总 线与微控制器的各模块通信。首先它对各模块进行初始化，一旦 初始化后，这些模块就可以半脱离c p u 单独执行专门的功能。 m c 6 8 3 7 6 还可以通过外部扩展总线( 地址总线、数据总线、控制 总线) 与外部芯片或外部设备相连接并进行数据传送。 m c 6 8 3 7 6 具有较强的数据处理能力。内部数据处理的宽度高达 3 2 位，加之增加了可与c p u 并行工作的t p u ，使系统总的数据能力 大大的提高。由于采用了高速互补金属氧化物半导体( h c m o s ) 技术， m c 6 8 3 7 6 在正常工作时具有较低的功耗，而在执行低功率s t o p 指令 ( l p s t o p ) 时，功耗降到最低且可保存信息不致丢失。 l l i 掌璜女日兜l 掌m 论文 7 m c 6 8 3 7 6 的主要特r i ：有： 1 j j z 化内部数据和地址处理助能； 2 外部】6 根数据线和2 4 根地址线： 3 8 个通用的数据寄存器，7 个通用的地址寄存器，3 2 位程序计 数器，两个分开的3 2 位栈指针( 用户级和管理级) 和几个专用 的寄存器； 4 具有动态总线端口宽度的高速总线接口； 5 支持虚拟存储； 6 改进的例外处理功能： 7 丰富的指令系统； 8 跟踪程序流的变化； 9 硬件断点信号，后台工作方式； 1 0 2 0 9 7 m h z 工作频率。 2 2 2 系统集成模块s i m 3 2 位微控制器的系统集成模块s i m 是由几个控制系统工作的模 块组成。这些模块主要包括时钟合成器、芯片选择、外部总线接口、 系统保护和系统测试子模块等，每个模块都有专门的功能。 时钟合成器可与外部晶振或外部振荡电路相连接，产生系统时 钟信号。系统时钟的频率可通过编程来控制。 芯片选择子模块在m c u 扩展系统、增加外部设备或外部芯片时 使用。该微控制器共有1 2 根芯片选择线，它们都还具有另外一种功 能。其中5 根在不用作芯片选择线时可作为外部总线的地址线( a 1 9 耋量兰三尘兰竺圭! 兰耋兰兰兰兰 ! a 2 3 ) 使tj 。 外部总线接 1l ! b i 通过外；! i ；扩展总线把外部装胃。i 系统选拔。 外部扩展总线包括1 6 根数据线、2 4 根地址线和一些争门川j - 数捌 传送、中断请求等功能的控制信号线。 系统保护子模块可用来监视系统内部模块总线和外部扩展总线 的活动。如果一个操作在预先分配的时间内没有完成，保护电路就 会向c p u 发出一个出错信息。硬件看门狗定时器可监视数据传送、 中断周期和其他总线活动。而软件看门狗定时器可避免程序陷入循 环陷讲或其他超时情况。例如，一个程序在预定的时间内没有执行 完，则微控制器将其强行复位，用这种办法实施系统保护。 系统测试子模块主要用于产品的调试和测试。 2 2 3 队列单行模块q s m 队列串行模块q s m ( q u e u e ds e r i a lm o d u l e ) 为3 2 位微控制器 提供了两个独立的通信接口。它们分别是队列串行外围接口q s p l ( q u e u e ds e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 和串行通信接口s c ， ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ) 。q s p i 和s c i 直接与外部 相连，使微控制器与其它具有串行通信能力的处理器、外部设备、 外围芯片等进行串行通信。 队列串行外围接口q s p i 通过3 条双向、同步的串行通信线： 数据输入、数据输出和串行时钟来扩展系统或进行微处理器间的通 信。q s p i 有4 条可编程选择的引脚线，可寻址1 6 个外部设备。串 行通信的时序和协议均可编程控制。因为q s m 能在主机和从机两种 方式f ：作，所以串行通信线为双向传送信号线。初始化程序必须 确定工作方式并设置信号线方向。 q s p i 还包括一个组织队列的存储区。此队列是命令和外围接口 有关数据存区。这就使q s p i 被初始化后，可处理1 6 个8 1 6 位的 串行数据传送或连续方式多达2 5 6 位长的数据流而无须c p u 的介 入。如果q s p i 被编程为自动扫描方式，则传送一完成，它就继续重 复这个顺序。此外，特殊的循环方式可使用户连续对外部设备采样， 并自动更新q s p i 的r a m ，以及与a d 转换有效的接口。 串行通信接口s c i 用于3 2 位微控制器和一个操作者终端或类 似装置之间的异步串行数据传送( 全双工或举双工) 。它作为一个通 用异步接收发送器( u a r t ) ，可将数据字节转换为串行数据流或将 串行数据流转换为数据字节。字长可由软件选择为8 位或9 位。此 外，可通过编程控制数据传送速率或波特率等参数。它的高级出错 检测电路可发现持续时间为1 1 6 位的噪声。 2 2 4 可配置定时模块一c t m 4 可配置定时单元( c t m 4 ) ，是m o t o r o l a 模块微控制器系列的 一个定时模块。 c t m 4 的主要模块有： 1 个总线接口子模块( b i u s m ) ( 1 ) 4 个双次触发子模块( d a s m ) ( 2 ) 4 个单次触发子模块( s a s m ) ( 3 ) 1 个计数器预分频子模块( c p s m ) ( 4 ) 4 个脉宽调制了模块( p w m s m ) ( 5 ) 2 个模计数器子模块( m c s m ) ( 6 ) 1 个自由运行计数器了：模块( f c s m ) 2 2 5 r a m 模块 3 2 位微控制器具有7 5 k 的高速静态片r a m ，它可通过编程映象 到地址空间的任意7 5 k 字节存储区内。该r a m 可由后备电源支持。 在f 常工作时，它由系统电源v d d 供电；当系统电源掉电或失效时， 后备电源自动接通，使r a m 中的信息不致丢失。这个后备电源通过 v s t b y 引脚与系统相连接。 2 2 6 定时处理器t p u 定时处理器t p u ( t i m ep r o c e s s o ru n it ) 是除c p u 以外，3 2 位微控制器中功能最强的模块。它有自己的执行单元、3 级优先级 控制器、数据r a m 、双定对基准和微码r o m 等。t p u 可独立于c p u 之外，执行各种定时、脉冲生成、马达控制等与时间有关的操作， 从而减轻c p u 的负担。t p u 具有1 6 个独立的通道。每个通道都可以 独立地执行定时功能，都有独立的事件寄存器，用于比较和输入捕 捉等功能此外，每个通道都用两个1 6 位循环计数器作基准。一个 计数器基于系统时钟，分辨率为4 0 0 n s ：另一个基于外部时钟分辨 率为2 0 0 n s ：竺三三尘耋竺圭三兰兰兰兰兰三 ! 1 7 | j j 丕n j 作为个呵编张定| 器，h 来精确的测艟t j 件之川的 | 1 j 隔叫n i j 。7 u 的每个通道都能通过输入信弓线j ：的变化柬u i 别 个外部事件。每个通道还能被编枰，住它的输信号线i ，通过电 压变化来产生一个外部事件。 f p u 的另一一个用途是测量坤个脉冲或一连串脉冲的周期。这个 周期为单个脉冲或一连串脉冲从丌始到结束的时问间隔。”u 通道 上的电平转换被计数，直至测量的n 个脉冲通过。这个数与流逝的 时间成f 比。当c p u 需要时，存在t p u 中的值可以被取出，传送到 c p u 中处理。除此之外，t p u 通道还可以用于生成一系列精确时间间 隔的脉冲。 2 2 7t o u c a n 模块 t o u c a n 模块是一个实现c a n 2 o b 通讯规约的控制器。含有 c a n 2 o b 所需要的所有逻辑，支持标准i d 和扩展i d 格式。模块含有1 6 个信息缓冲器，用于发送、接收、屏蔽数据，在比较接收缓冲区前 首先确认接收数据的i d 信息，以此来决定是否屏蔽接收数据。 1 与c a n2 0b 的通信协议完全兼容： 2 有1 6 个信息缓冲区，其数据长度可为0 8 内的任意字节数； 3 信息缓冲区0 1 3 均有一个全局屏蔽寄存器与之对应； 4 信息缓冲区1 4 和1 5 有专门独立的屏蔽寄存器； 5 可编程控制数据帧的发送顺序：标识符低的先发，还是信息 缓冲区标号低的先发。 6 每个信息缓冲区都有一个1 6 位的自由运行时钟与之对应； 7 呵编程的低功耗睡眠和唤醒模式。 2 2 8 队列a o 转换模块一q a d c q a d c 是m c 6 8 3 7 6 新增的一个子模块，作为一个具有1 0 位高精度 的队受j a d 转换器。主要特性有：q a c r o ，q a c rj ，q a c r 2 ，o a s r ， 】 有1 6 路内部通道，若采用多路转换器，可直接访问的通道数 达4 1 路： 2 具有6 种通道选择和转换模式： 3 有两个通道，专门用于检测队列中变量长度，每个通道内都 存有对应子队列中的变量数； 4 4 0 个1 0 位结果寄存器和三种结果对齐格式：右对齐，有符号 位左队齐，无符号位左队齐； 5 可编程控制采样周期； 6 可直接实现对多路转换器的控制。 2 2 9 并行i 0 口 3 2 位微控制器配置有8 1 0 个8 位双向并行i 0 口。每个口有 8 根信号线，执行并行i 0 或离散的i 0 操作。此外，还有一个7 位的并行口c ，它只能作为输出口。并行口的每根信号线都有内部 寄存器位与之对应。c 口、e 口、f 口与系统集成模块s i m 有关。 除c 口外，其余各口的信号线也可以通过编程去执行单独的 i o 任务t p u 的信号线也可用这种方法编程确定任一通道上的电压 奎兰圣三尘竺三耋兰兰圭兰兰耋至 坚 变化或在任通道上产生卟电j i 变化。 般情况卜，1 c 6 8 3 7 6 是交流i 乜源经整流后成为直流电源供 电的。在电源失效或因故障重新f ：电时，会使r a m 中的信息丢失。 采用无须电源供电的r o m ，虽然町水久保存信息，但它j 能保存系 统的初始值或预置值，而不能保存系统工作期间生成的值。为使r a m 中的数据在系统电源不能正常1 ：作时不致丢失，可接一个后备电源， 通过r a m 的后备电源引脚来供电。系统集成模块( s i m ) 包含一个带 有硬件看门狗的总线监视器，如果在规定的时间内没有完成数据传 输操作，则看门狗超时会产生一个总线错误。s i m 看门狗定时器还 监视中断应答周期。在中断应答周期内，看门狗超时会引发一个伪 中断异常情况。 装置的微机部分对经过变换后的输入交流电压u 。、u 。的瞬时 值进行采样，采样周期为t 1 2 ( 当t 为2 0 m s 时，采样周期为 1 6 6 6 m s ) ，经过差分滤波后再计算出电压有效值。频率的测量通过 m c u 中特有的c t m 模块进行准确的硬件测量。 我们还应用t p u 模块的p w m 来对液晶进行背光亮度或对比度 调整，在装置的界面上，可以看到阴影在不断加长或缩短，同时 液晶的亮度或对比度也在发生变化。用户可调整到适宜之处。注 意长时间在最亮度有损液晶的寿命。调整好后，按确认键后，返 回上一级菜单。按取消键，液晶将还原以前亮度并返回上一级菜 单。 m c 6 8 3 7 6 的结构见下图： 、 i j l i # h r $ m 论i l l z 掌日究生掌m * i 2 3 小结 m c 6 8 3 7 6 微控制器采用超大规模集成电路技术，在个芯片i i 集成了c p u 、存储器和i 0 接口三大部分，吲而成本低、体l 小、 功能强、工作可靠性高。配备的开发软件s i n g l e s t e p 界面友好，操 作简单易于掌握。并且可视化程度高，可实时监控各个寄存器的值， 大大方便了调试。可采用c 语言编程，移植性好，易于做到软件模 块化，有利于建立软件平台。非常适合于系列化产品的开发。我们 已经初步建立起了软件平台和硬件平台，在此基础上，已经开发出 了如下产品：低频低压减载装置、电动机保护、电除尘、备用电源 自投装置等。该文中仅对低频低压减载装置做了较详尽的介绍。 奎量量量尘兰圣耋兰兰圭兰兰耋耋 ! ! 第三章低频低压自动化减载装置 一般情况卜，系统的频率随着负衙的波动将在小范幽内缓慢的 变化。在系统发生故障时，系统的功率失去平衡，严重时暂态稳定 将被破坏。现代电网尤其是大机组对频率质量提出了很严格的要求。 为此，我们设计了r s a 一8 0 0 型频率电压紧急控制装置。 3 1 硬件说明 图3 一lr s a 8 0 0 硬件总框图 如j ：所小，为1 5 a 8 0 0 的硬什总榧图，现将笄部分介绍如f ： 高档的3 2 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 存放定值。r a m 是数据存储器，存放实时数据，事 件记录等，r s 2 3 2 串行通行口可以连接打印机或与其它微机通信。 时钟芯片带有后备电池，供c p u 读取 1 期、时问。交流电压u a b 、 u b c 经隔离变换后送采样保持回路，再由单片微机内部的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。另外交流电 压波形变为方波后，进行周期测量，再由单片机计算出频率和频率 的变化率。晶振分频产生6 0 0 h z 的信号，作为采样保持信号及c p u 的中断源，并行i 0 扩展芯片的c 口用于开关量输入，a 口、b 口 经过出e l 逻辑电路同时控制输出信号继电器和各轮中间继电器，各 轮中间继电器再驱动相应的出口继电器，以空接点方式输出中央信 号及进行出口控制。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”，然后强迫程序返回到主程序入口处。 我们的装置主要由四部分组成：( 1 ) 电源：( 2 ) a c ( 交流输 入) ；( 3 ) m c u 主机单元；( 4 ) o u t 出口单元。这四块小面板均装 在机箱内，通过背后面板端子排而使它们联系起来。电源面板上有 一个指示灯( 用于显示是否有电) ，有一个控制开关，它的主要作 用是将2 2 0 v 的交流电转换成+ s v 的直流电，从而为装置提供了可靠 工作的电源；a c 单元( 交流变换器) 的作用有三个：1 ) 将互感器 二次电压，电流互感器二次电流的幅值进一步降低，使之与模数变 垒苎三量童兰竺耋耋兰圭兰兰兰至! ! 换器所允许的信号电、乎棚匹配；2 ) 将【乜流f 夸号转换为 乜m 信0 ： ) 实现互感器二次旧路与微机保护模数变换系统完全隔离，一提高抗 f 扰能力。由此可见，该模块一来是接受外部信号，二来是降低j i 、 降，将电信号转换为5 v 以内的信号在进入主控单元。主控单i ( m c u ) ，也就是核心单7 i ，将a c 单元进入的j v 左右的电信号送入 a d ，然后c p u 从a 1 3 对应的寄存器内读取数据进行处理后，通过输 出部件来驱动出口，完成保护功能。 c p u 部分采用的m o t o r o l a 公司的高档3 2 位单片机m c 6 8 3 7 6 ， 外接两块f l a s h ( 约为1 2 8 t ( ) ，r a m ( 6 4 1 ( ) ，在平时调试的时候将 程序载入r a m 中，而在现场运行时，是将程序固化在f l a s h 内，这 是因为f l a s h 的使用寿命是有限的，有的可写1 0 0 次，有的可写 1 0 0 0 0 次。而在脱机工作时可将r a m 拔去，也可用做普通的r a m 作 为基本运算时使用。 3 - 2 装置内部结构图 3 2 r s a 一8 0 0 型装置的主要功能 ( 1 ) 测量装置安装处母线电压、频率及它们的变化率。 ( 2 ) 在电力系统由于有功缺额引起频率卜- 降时，装置自动按频率降 低值切除部分电力负衙，使系统的电源与负荷重新平衡。奉装置设 有两轮，可直接切除线路三回。 ( 3 ) 在电力系统由于无功不足引起电压下降时，装置自动按电压降 低值切除部分电力用户负荷，确保系统内无功的平衡，使电网的电 压恢复j e 常。本装置按电压切负荷的轮次与按频率切负荷的轮次相 同。 ( 4 ) 当电力系统电压下降太快时，可按d u d t 加速切负荷，尽早制 止系统电压的下降，避免发生电压崩溃事故，并使电压恢复到允许 的运行范围内。 ( 5 ) 本装置具有独特的短路故障判断自适应功能，低电压减载的整 定时间不需要与保护动作时间想配合，保证系统低电压时快速动作， 短路故障时可靠不动作。 ( 6 ) 本装置设有d f d t 、d u d t 闭锁功能，以防止由于短路故障、 负荷反馈、频率或电压异常情况可能引起的误动作。 本装置还可用于低频解列、低压解列。 ( 7 ) 装置的电压定值、频率定值及时间定值均连续可调。 ( 8 ) 装置具有液晶屏显示、事件记录、数据记录、回路自检等功 能。 ( 9 ) 装置留有打印机接i ：3 ，可以输出打印事件记录、故障数据记录、 定值、装置运行状态等。通过主机面板上的液晶显示屏以菜单方式 耋量兰三二兰= ：兰耋兰兰兰至 ! ! ： 乩1 i 测量值、定值、动作状态、时问也隶、数据汇求及装胃异常内 容等。扫；系统短路故障或负荷反馈，频率、电爪消失等异常情况卜， 装置自动可靠闭锁，并可发出告警信号装置采用先进的频率跟踪技 术，不论电网频率如何变化，本装置都能准确测量电压有效值。从 而保证装置动作准确、可靠。具有宽温、带背光的汉显液晶显示， 可直接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。 ( 1 0 ) 通过主机面板上的l e d 灯指示装置运行、启动、1 轮、2 轮、 3 个出口动作及异常情况。 3 3 装置的基本原理 ( 1 ) 低电压自动减载事故的判别方法及动作特性 低电压动作过程逻辑图如附图2 ，当系统发生短路故障时，母 线电压突然降低，此时本装置立即闭锁，不再进行低电压判断。而 当保护动作切除故障元件后，装置安装处的电压迅速回升，但如果 恢复不到正常数值，则装置允许快速切除相应数量的负荷，使电压 恢复。本装置不需要与保护二、三段的动作时间配合。这一功能的 判别框图( 附图1 ) 中u 。为额定电压；k 。表示故障切除后应回升到 的电压定值，建议为7 0 7 5 ( 应略高于相邻线短路时测量到的残 压值) ；f 。为等待短路故障切除时间，一般应大于后备保护的动作 时间，若后备保护最长时间为4 秒，则f 。可以设定为4 5 5 秒。为 防止系统短路故障、负荷反馈、p t 断线、电压回路接触不良等电压 异常情况下引起装置误动作，我们采用了如下的闭锁措施： ( 1 ) 低电压闭锁 奎墨! 三二兰竺耋= 兰：兰= 竺三 ! ! 。u k 2 u 。时，| i 进 j 低j f i 判断，闭钏i f i ；l 。 ( 2 ) 电压突变闭锁 当f d ( d ) 。时，不进行低压判断，闭锁出口。 d 纥闭锁后，当电压再恢复至启动电压值以上时自动解除闭锁。 ( 3 ) p t 断线闭锁 当j u 。一u 。i k ，u 。或i 【，。一u i k ，u 。时，判为p t 回路断线或 不对称短路故障，不进行低电压判断，立即闭锁出口，延时5 秒发 p t 断线告警信号。 低频自动减载动作过程中有五个闭锁条件：a 频率超范围闭锁； b 低电压闭锁，k ：值一般取1 0 2 0 ；c 两相频率差大于0 2 h z 时闭锁；d 短路故障闭锁；e 频率变化率闭锁。在系统恢复正常后 闭锁自动解除。当频率降低至动作值f s l 或f s 2 后，还必须满足 嘭么o ，且i 嘭么l ( 杉么) d s ，才进行延时的计时，否则装置不会 动作于出口。这是为了当系统频率已经开始回升、但频率值在装置 的动作值以下的时间超过了该轮动作的延时定值时，防止装置不必 要的动作切除用户负荷。i 陋( 杉么) 出条件是用于地区电网在脱 离主网后孤立运行时，防止频率的较大波动引起装置的误切负荷。 对大电网来说( 嘭) d s m o 2 0 3 h z s 。为防止负荷反馈、电压回 路接触不良等异常情况下引起装置的误动作的闭锁措施： 1 ) 低电压闭锁 。奎竺兰三尘兰兰耋耋兰圭兰竺兰耋 ： “1u ku 。i i , j4 ：进j j 低4 m 步0 断，l _ 】锁 f i 。 2 ) 闭锁 当i 杉i ( d f ：d t ) b s 时，不进 i 低频判断，闭锁出口。 嘭么闭锁后直到频率再次恢复至启动频率值以上时才自动解除 闭锁。 3 ) 频率值异常闭锁 当f 5 5 h z 时，认为测量频率值异常，不进行低频 判断。有特殊要求时可将频率范围放宽到4 0 6 0 h z 。 4 ) 频率差闭锁 两相频率值大于0 2 h z 时，即l 。一& j o 2 胁，装置认为 频率测量值出现异常，不进行低频判断，闭锁出口。这一措施主要 用于防止高次谐波引起的频率测量偏差而导致误动作。 3 4 装置的输入与输出量 装置的输入量有两个：分别是输入母线电压u 。u 。装置的 输出量有：出口继电器3 个，每个出口继电器控制一回线路的跳闸， 每个出口继电器可接在任一轮上，出口继电器数量不够时可外接中 间继电器进行重动。每个出口继电器输出两对接点，该接点的容量 为直流2 2 0 v 、闭合电流5 a 。一般出口跳闸接点经保护装置的操作箱 回路或跳闸中问继电器作用于断路器跳闸线圈，如果需要直接作用 于断路器的跳闸线圈时，必须外接电流自保持继电器。输出动作信 当：= 二尘兰竺：三二叁兰兰兰： 蛰 号、异常信钒卣流l 乜源消失信号各j 接t i ，每轮动作信 j 均【 保持，由运行人员于动复归，掉电后动作信号仍被保持住，片常f 。 号在异常状态消除后自动复归。 3 4 1 一次电压的选取 本装置可同时测量两段母线的两个线电压，当两段母线电压都 j 下常时，装置首选指定的i 母电压进行判断，在满足条件时再用i l 母 电压进行确认；当i 母电压故障时，装置自动选用i l 母电压进行工作 并发出告警信号；当i i 母电压也故障时，装置闭锁出口并发出告警 信号。 装置内部的电压工作值正常时为本段母线自身的两个线电压的 平均值：当这两个线电压的差值1 0 时，选较大的一个电压作为装 置内部的电压工作值；当两个线电压的平均值小于设定值时，装置 认为该段母线电压消失。 3 4 2 电压和频率的测量方法 装置对交流电压和硬件处理后的频率进行直接采样，采样周期 为1 6 6 7 m s ( 每个周波采1 2 个) ，采入后的数据按以下方法进行处理 供软件逻辑使用： 奎兰三三尘竺竺耋兰= 圭兰竺兰三 ! ! j 胞耖一 原善 u k = o 5 水( u 卟+ + u “) d u l d t 兽1 0 ( u k u 。、) f 8 k = 1 t h k f b c k = 1 f b c k f x = o 5 ( f “+ f b c k ) d f l d t 丝1 0 $ ( f k f ( ”) ) 3 4 3 短路故障的判据 当线路发生短路故障时，母线电压会急剧下降到某一低值，因此 在判断短路故障时可考虑在d u d t 1 0 0 v s 且u o 时，可认为短路故障已 经切除，装置开始判断。线路故障后的电压恢复情况可由以下步骤 来判断： d u d t o 表示线路故障已切除，电压正在恢复： d u l d t = o 表示线路故障引起的电压降已恢复完毕： 奎耋耋三童竺= 耋= 量耋兰兰兰三： 以1 口h 科l t 占况必须按1 , 1 j y , 发7 t - ，任i u 爪恢复，装置延州剑达盯， 装胃f 按照d 步骤所恢复的电压进行判断，如果此时f 七l k 没仃恢复 到启动值以上，装置可及时动作。 3 5 装置的回路自检 装置的回路自检主要包括r a m 自检，电压测量回路自榆、频率 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：在上电或复位时， 在运行中，c p i j 都进行程序码校验；发现异常，显示：f l a s h故 障；p t 断线检查：u = i u a b u b c i o 1 u n ，延时5 秒告警显示：p t 断线；电压消失检查：若u a b 、u b c 电压均低于2 0 u n ，延时5 秒 告警显示：电压消失；频率异常检查：若f o i u 。，延时3 秒告警显示。 u 。、u 均低于0 2 u 。，延时3 秒告警显示。当 “。，时，i d d r i ( 幽破) 闭锁出口。 3 5 2 频率测量回路自检 f 5 5 h z ，延时3 - 厂c 乙时，i d d tj ，( d r d o 则 当自检出现异常时，除发出中央告警信号外，同时在液晶屏显 示菜单的第一行显示上述相应的异常内容。如果有两个以上异常情 况出现，显示过程中后出现的异常情况会覆盖先出现的异常内容。 装置共有8 个指示灯：运行灯表示c p u 正常工作及5 v 电源正常；启 动灯在装置处于启动状态时点亮；1 轮、2 轮灯在第一轮、第二轮动 作时点亮，并且自保持到手动复归为止；出口1 、2 、3 灯亮表示该 出口继电器动作；异常灯在装置检测到有异常情况时点亮，异常状 态消失后自动熄灭。 3 6 小结 装置采用先进的频率跟踪技术，电网频率变化时，能准确测量 电压有效值，从而保证了装置动作准确、可靠。具有宽温、带背光 的汉显液晶显示，可直接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。通过进一步地试运行，初步证明 该装置符合电力系统继电保护和安全自动装置技术规程的要求 具有实用价值，值得推广和应用。 ：三三耋= 墨耋= 兰兰= = = 主 ： 4 1 概述 第四章软件工作原理 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 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。从 快速性、实施性考虑，软件编制采用c 语占。c p u 系统软件采用模 块化结构，主要由两大模块组成： ( 1 ) 运行主程序 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，打印机的管理等。 ( 2 )