（电力系统及其自动化专业论文）新型微机保护装置硬件平台的设计.pdf

研究意义。在综述了国内外继电保护之后，提出了本文研究的主要 内容。 2 、在进行智能单元硬件设计时，比较了几种不同的实现方案，最终确 立了将保护功能与其它附属功能剥离的设计方案，设计了本保护装 置的智能硬件部分。 3 、数据采集方面，比较了v f c 与逐次逼近型a d ，片内a d 与片外 a d 的优缺点，考虑到将来的功能扩展和通用性设计了本装置的数 据采集系统。 4 、在开入、开出回路设计方面，分析了传统开入、开出的不足之处， 提出了对开入、开出回路进行改进的创新想法，设计了更为简洁、 可靠的开入、开出电路。 5 、将鼠标的概念引入微机保护装置，替代了传统的按键式操作，提出 了鼠标的解决方案。针对目前微机保护的发展趋势，选用了2 4 0 1 2 8 的大液晶显示屏，设计了本装置的人机交互界面。 6 、针对变电站特殊的电磁场环境，研究了微机继电保护装置的抗干扰 问题。最后本文就硬件设计方面，提出改善微机继电保护装置可靠 性的若干措施。 关键词：微机保护硬件设计、数据采集系统、开入开出专用芯片、鼠标、 太j u ；大学硪士_ 宪生学m 文 a b s t r a c t t h e r ea l ei n n o v a “o r 蝎o fs u b s t a t i o na u t o m a t i o nd u et ot h eg r o w t ho ft h e t h ep o w e r s u p p l ya n d r e l a t e di n d u s t r y t h en o v e li n n o v a t i o ni nm i c r o p r o c e s s o r a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a s d r a s t i c a l l y b o o s t e dt h ed e v e l o p m e n ti n p o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n t h ep a p e rp r o b e s i n t ot h e d e s i g n o f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o ne q u i p m e n t sh a r d w a r e t h em g n c o n t e n t so f t h ep a p e ra l e ： 1 t h i s p a p e r h a sd i s c u s s e dt h e p r o g r e s s o f m i c r o p r o c e s s o r b a s e d p r o t e c t i o nd o m e s t i ca n da b r o a d b a s e do nd i s c u s s i o n ，t h es i g n i f i c a n c eo f t h ep a p e ri ss u m m a r i z e da n dt h em a i nc o n t e n t so ft h e p a p e r a l el i s t e d 2 ，s o m es c h e m e sa r ec o m p a r e di nt h ed e s i g no fm c u b a s e dp r o t e c t i o n e q u i p m e n t sc o n t r o ls e c t i o n 3 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f v f c t y p ea n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ( a d ) a n d s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o na n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e ra l ea n a l y z e d t h e p a p e rd i s s c u s st h ea d v a n t a g eo fm c ui n t e g r a t e da d c ，s e l e c tt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m o ft h ed e s i g n 4 t h i sp a p e ru t i l i z e st h em o n o l i t h i cs i l i c o n i n t e g r a t e dc i r c u i tp e r f o r m s s w i t c hm o n i t o r i n ga n ds w i t c h o p e r a t i o n 5 t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fm o u s ei n t ot h e p o w e rs y s t e m p r o t e c t i o ne q u i p l m e r i ta n dd i s c u s s e dt h er e l i z a t i o n 6 t h e r e l i a b i l i t y o ft h e d e s i g n o f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n e q u i p m e n th a sa l s ob e e nd i s c u s s e d ，a c c o r d i n gt ot h ee s p e c i a ls i t u a t i o nf o s u b s t a t i o n s k e yw o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， m o n o l i t h i ci cs w i t c hm o n i t o r i n ga n ds w i t c h o p e r a t i o n ，m o u s e j “ 第一章绪论 1 。l 课题研究的目的和意义 电力工业的发展和继呶保护相关科学技术的进步都给微机继电保护 装黢的研制提密了髓所未有的祝遗与撬战。微视继电保护装景结构上不断 优化，功能上不断增强，廒用上更为灵活，“继电保护装置”的功能有了 较大的延拓。世界上知名自动化系统供应商不断摇陈出新，研发了许多优 秀的微枧继电保护装置平套。国内农8 0 年代开始磷制徽极继电保护装置， 许多高校、科研单位、制造厂家以及运行部门在学习和借鉴国外先进技术 的麓靖，共翔努力舅发了雯攘符合瓣嬉瓣微据继毫镰护装鬣，莠成凌应薅 于变电站自动化系统中。微机继电保护和变电站自幼化系统的推广“，对 耨黧微挠继魍保护装置静设计与研镪提出了许多薪豹| 、蠢题鞠更高的要求。 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 护耨关的裔新授术，分析并实现了新型继嘏保护硬件方案。 为了装置设计、制造、嶷装、运行、维护的篙摹便捷，毅型微枧继电 保护装置设计应更为简单、通用。猩设计新型微机继电保护装置的锣能部 分瓣，援疆毖较了凡静蟹能控剿部分设计方寨。最终选定美国 m o t o r o l a 公司最新推出的微控制器。最终设计方案不仅可大幅提升装 置豹性麓，嚣置霹获褥优癸瓣瞧徐滋。掰逸微控爨器支持离级语言编程， 简化了软件的开发、维护工作；同时高级语富编程易于实现软件的模块化 设计，方便实现胃编程逻辑等功锈，使装鬣设计更淹灵活、通用。在薪型 继电保护装疑研制过程中，着重考虑了采用些专用芯片来实现开人、开 出功能，引入鼠标的概念，提出用u s b 盘转移报告节省打印机的想法。 巍晴i 工 学士砑 戋藏学盈悖冀 微枕继电保护装置的拜发，一方垂为潢足珏熬高涨的用户需求，需加 速新产品的研制；另一方丽还需要解诀开发工具等诸多技术问题a 传统方 式下，人察l 霉氆懿e p r o m 寒豢遗群撬，稷彦员在漏试程窿的：蓬掇孛，嚣 要反复的进行擦写工作，这个过程需花费惩少4 到5 分钟以上的时间，这 给程序员带来了镁多不便之处。隧着微毫予技术静发震，m o t o r o l a 公 司提出了b d m 调试模式，即在不消耗被调试单片机资源的情况下，仍可 以对驻鼙在印捌电路板中的器件进行调试、编程，这样就省去了中闻环节， 可以直接讽试最终装置。 随着电力工业的发展和电力市场的提出，继电保护的可靠性越来越受 裂鬟褪。本文鼓微撬继电傺护装登攘体设诗方案穰抗于找阏题两方覆阐述 了微机继电保护装霞的可靠性，继而从微机继电保护装置硬件设计的角度 搽讨提毫继毫绦护可靠经瓣措藏。 羔。2 本论文鳇塞要王作 毫力王篷憝发震穗继泡缳护攘关科学技本豹逡步都绘皴砉连继瞧保护 装溉的研制提出了前所未有的机遇与挑战。本文在借鉴国内外微机继电保 护发震的成功经验基穑之上，鼹踪继毫绦护籀关裔薪技拳，探讨了掰鳖簸 机继电保护硬件方案的研制。本文的主要内容包括以下几个方面： l 、本文广泛收集和分析了国内外微机继电保护资料，阐述了 本课题的研究意义。在综述了国内外继电保护之瑶，提出 了本文研究的主要内容。 2 、在遂每智能攀元硬传设诗越， 较了尼耱不同斡实现方案。 结合课题要求设计了保护装嚣智能硬件部分。 3 、在襞俘设诗方夏，掇盘了对歼久、开塞霾路送行蔽避懿创 新想法，设计了更为简洁、可靠的开入、开出电路。 4 、数据采集方丽，比较了撼与逐次遥近型a d ，片内a d 与片铃a d 的优缺点，设计了数据采集系缀。 5 、将鼠标的概念引入微机保护装置，替代了传统的按键式操 终，提出了鼠标妁黪决方寨。 6 、针对变电站特殊的电磁场环境，研究了微机继电保护装置 懿挽予撬阕繇。最麓本文载疆 孛设诗磅究，撬塞改耱激爨 继电保护装鬣可靠性的若干措施。 第二章继电保护的硬件设计方案 微电子、计算机和通信技术给微机继电保护裟置研制提供了强大的源 动力，徽摄继电保护装置终海上不叛徒亿，功龛上不叛增强，应熙上更势 灵活，“继电保护装置”的功能有了较大的延拓。本章首先在广潦收集分 辨霆凌羚徽掇继戆僳护设诗掺 究资瓣基磴| 之上，搽游了继邀绦轳装置懿磴 件设计。通过分析了四方公司原有的通用微机继电保护装疑硬件，提出了 本课题硬 譬设计方案。 2 1 继电保护设计探讨概述 为黧浚我国徽税继毫绦护技术发震，翎造更大的效益，有必甏研究鞫 探讨微机继电保护装置的设计： 1 ) 微机继电绦护装鬣设计研究应符含整个变电站自动化系统技术的 发餍。微机继电保护装置的配置、功能、设备的带掇应满足电网安 全、优质、经济运行以及信息分层传输、资源共享的原则。 2 ) 缳护装置设 的灵活性、遴震性 ( 1 ) 微机继电保护采用现场可编程逻辑技术，使其装置功能的实 褒菲豢灵活。薅传统继毫器稳警麓擎嚣魏功麓受囊了羧裁。 借助灵活的可编程逻辑，实现保护间的相互闭锁、屏蔽某功 能模块( 元 牛) 及篮箍功能等功能就嶷得穗当篱单方便，箍 不需如传统电磁型继电保护那榉复杂的接线。 ( 2 ) 同时u o 也是可扩展、可配置的，节点的性质、特点、参 数也霹定义。 ( 3 ) 存储器技术的炭活应用，可实现装置控制逻辑的现场可编程。 4 靖i 工 学壤士研，曼；学皇l 鼬? 史 借助装置露板上入机界蕊或渗行通讯口工程师可方便的修改 定值、更改程序，甚黧完全改变装置的配置。凭借变电站自 费恁系统强大、安全、霹靠懿逶强爨熬至霹羰囊远方楚褪、 修改、控制保护装置。 ( 4 ) 设诗融考虑装溉懿逶麓经，充分俸瑗“平台”酶徐鬣。在策 划装置整体设计时，考虑其装援软硬件应是非常灵活的，以 满足尽可能多的继电傈护应用瑟求，使其具有足够静通用性。 此设计风格的新型微机继电保护装置便于微机继电保护的工 程实施，现场逡行维护也相当方便。统一设计，可以有效的 缠短微枧继毫绦护的工程设计、调试、投运辩阉，圊爨重微极 继电保护装置运行维护也变得相当简单。 3 ) 按我嚣懿实际1 滤援，嚣蓑蜜黾建逐不大可熊完全无人篷守，露嫠 悬无人值守，也宥一个现场维护、调试和应急处瑷的问题，因此设计时 考虑远方与就遥按镶操绍并存豹耩式。同样，保护单元奢具有远方、就 地投切和在线修改整定值的功能，以远方为主，就地为辅，并从设计、 制造上保证装置间一时间只允许箕中一种控铜。 4 ) 积极而慎重地推行保护、测爨、控制一体化设计，确保继魄保护 功能的相对独立性和动作可靠性。 2 2 四方公司原有通用硬件设计 四方公司原有的通用绦护装置硬件设计的基本结构是v f c 采样数据 采集系统翻想线不出芯片鲍c p u 算元传郡。此设计挠于找性好，在长 期实际运行中得到了证实，但制约了保护算法的实现。由于微机继电保护 是砖戆入熬模拟量避嚣鸯数聚襻，转裘：成数字量遴符诗箕熬，要疆褒微撬 继电保护装鬣的测擞精确度，就需鼹采用较高的采样率，这时需要及时处 5 慧戆数据爨增熬了，c p u 鼹于诗舞的露瓣增多了，以愿骞瓣c p u 实褒测 擞功率等高精度计算的难度不小。 为实瑷高精旋溺量，要求要在各释大夺等级下、各释工嚣下静毫流 都能正确测量。而v f c 受其特性所限制，测量精度很难提高。为了满足 程各种故辕电流及稳态电流下的测量稽度，需选用夏高精度的逐次比较式 a d 。 主要受限于原有通用硬件的数据采集系统和c p u 性能，很难实现保 护装萋弱通用性、灵活性。c p u 软饽设诗上先实现“空瓣”与“时阕” 的统一，瓣求采用汇编语裔编程，汇编程序虽执行效率较高，但对硬件兼 容经较差，程穿缡裁、谲试、维护嚣难，不易实瑗较襻懿浚头亿浚诗，镄 约了保护装置通尉性、灵活性的实现 2 3 新微机保护装置的硬件方案 在c p u 板设计选型过程中，先后考虑几种方案。通过对比分析和一 夔溪底试验后，方最惹确窳正式方案。 2 。3 1 滤震擎嬲 单m c u 资滚蠢限，装榘显示、遵嘏、采襻诗簿、逻瓣粼薮以及与簇 户交互于一体，性能将大大降低，满足不了现代继电保护装置的要求，也 不蘩j 予微橇绦护装鬣懿往镶扩羡秘维弱，裔必要将保护翡貔与大撬交互稿 脱离。 2 3 2 选用具有快速处理能力的d s p d s p ( 数字信号处理器) 是一种用于数字信号处理的微处理器芯片。 盎u 蕾工，：学嘲e 士研兜嵩学位静，； 其窍许多逐合数字信号签鬻诗募懿特点，絮蹬锑慧线缝擒，著行懿取薤、 取数操作，硬件浆法简化“乘加”操作等。作者重点查阅了t i 、 m o t o r o l a 、a d i 等死家公司的d s p 芯片。单d s p 完成保护、溯量、 控制和通讯等综合功能较为困难。采用c p u q - d s p 文案，c p u 同d s p 连 接控制较为繁琐，增加了c p u 印黼电路檄的尺寸和对布线的要求。另外 此设计成本较高，瓣以获褥较高的性价比。 2 。3 。3 最终方案 本课题最终选用双m c u 的方案，选用的m c u 为m o t o r o l a 公司 2 0 0 2 年最新推出的1 6 位单片视d g 2 5 6 t 6 , 7 j 。其中一片m c uf f j 于管理板实 现人机交蔓和通讯、另外一片m c u 用于像护板执褥与保护相关的采样、 计算和逻辑判断。 该m c u 蠢以下特点： 1 、继承现代微机继电保护装置“易受干扰的总线不出芯片”【8 1 这一经 实黢羧验过懿成臻设计愚黪。 2 、d g 2 5 6 单片资源较为丰富，有2 5 6 k 的f l a s he e p r o m 、1 2 k 的 r a m ，给程窿设诗掇供较为宽松的环境。 3 、片内集成有4 k 的e e p r o m ，可以用于存放保护定值和一些棒电不 丢失的数据。 4 、提供了3 个s p i 接口，满足了本次设计采用的秀人、开出专爆芯片 以及片外a d 的接口要求。 5 、提供了嚣个c a n 模块，可以漆是蘧令m c u 瓣菠及m c u 与步 雾麓 的通讯。 6 、提供了i 2 c 总线接秘，满麓疆释辩锋p c f 8 5 8 3 稳敌漳掖告存储 a t 2 4 c 2 5 6 的接线要求。 7 尊d e 凶 学胃e 圣啕魄生学位埭史 7 、强大的计算处理能力，高速的计算速度，适合数字信号处理计算， 如“乘加”操作命令w a v ，单搔令酃可究成循环“乘加”操作，津 常适合微机继电保护装爨中的数字信号处理计算。 8 、支持c 滔言与汇编交叉编程，即保持了c 语言易读、易调试、移植 性好豹垅点，羁孵程序员瞧易予获撂程序对“空嬲”积“黠阕”魈 协调。 2 4 本装置的m c u 板 2 4 1 管理极 为了提高保护性能，将所有与保护无关的人机交互、通讯、时钟、报 告枣取等功毙均放到管理板，如爨2 - 1 艇示，管理叛务器 孛的功驻及选漤 如下： ( 1 ) 在系统发生敖溅陵，运符摄告农赘手运纷久羹分辑事敖旅嚣，嚣 而报告的存取应该是安念可靠的，本设计选用了a t m e l 公司的掉电不簧 失e e p r o ma r 2 4 c 2 5 6 捧3 瘸予缀告的存取，它的容量为3 2 k 字节，霹以 满足多数现场要求。 ( 2 ) 箍于目前国内各大微机保护生产厂商都逐渐采用大液晶屏作为短 示器，本设计选用了t r u l y 公司的2 4 0 1 2 8 大滚晶屏【埘，这榉既增加了 每一屏擞示所包含的信怠量，同时也简化了菜帮显示的级联程度。 ( 3 ) 将鬣耘熬概念弓l 入裸护装萋替代源先复袈熬按键式搡掺，簿恁了 漩置面板。本设计选用了日本a l p s 公闭的旋转译码器( r o t a r y e n c o d e r ) 寒实鬟蔽话鼹功能鞋“。 ( 4 ) 设想将u s b 的概念引入保护装鬣，通过u s b 接日将保护装置内的 报告导穗翻u s b 盘，这样就可以省去为每一台保护装鬣都配备打印视， 太u 工大学q l 士研究生，学位t ：屯 节省成本。本设计选用了美国c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s 作为u s b 控制 器，因为该器件不仅满足了我们的设计要求，更重要的是有成功的经验可 以借鉴：清华大学邵贝贝老师的研究生已将该芯片成功的应用到北京轻轨 列车上用于存储列车的运行状况。 ( 5 ) 为了能够准确的纪录故障发生的时间，便于运行人员分析故障发 生的原因，本设计采用了p h i l i p s 公司的时钟芯片p c f 8 5 8 3 “。 ( 6 ) 管理板与保护板之间通过c a n 口进行通讯，c a n 口驱动芯片本 次设计选用的是p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 14 ，它提供的传输速率最高可达 到1 m b i t s 。 2 4 2 保护板 图2 - 1 管理板示意图 在剥离所有与保护无关的功能后，保护板的性能得到大幅提升。在 9 缣护菝鹃设计上，菠秘大耱尝试了蔫最耨集成芯舞去替代原先蔫多拿器黪 才实现的功能，不仅提高了装置逡行的可靠性，简化了电路板，而且获得 了很好的性价眈，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 保护板示意图 像护板采用的新器件介绍如下： ( 1 ) 在开入电路设计上，采用m o t o r o l a 公司的专用开入监测芯片 m c 3 3 3 8 4 t 拶1 替代原先由电容、电阻、光耦簿搭建的开入电路，不 仅掇高了装爨对开荧虽鉴测的可靠魏，节袋了m c u 口线，露虽篾 化了电路设计，节省了成本。 ( 2 ) 在开爨电路设计上，采鼹m o t o r o l a 公谣懿专溪开窭捡麓芯片 m c 3 3 2 9 1c 1 6 替代原先由电阻、二极管、光耦搭建的开出电路，同 1 0 j u ；大十q e 目兜l 学位悖文 样也提高了对外部开关量动作的可靠性、节省了m c u 口线、简化 了电路设计、节省成本。 ( 3 )在给m c u 和外围器件的供电上，也大胆尝试了m o t o r o l a 公司 的系统基础芯片m c 3 3 3 8 9 ”】，该芯片不仅为m c u 和外围器件提 供稳定、相互独立的5 v 电源，而且还提供了看门狗、复位和c a n 物理接口。采用该芯片既简化了电路设计又获得了很高的性价比。 2 5m c u 板的开发手段 我们选择m o t o r o l a 公司的芯片不仅因为芯片本身集成的资源丰 富，更重要的是m o t o r o l a 对该芯片的开发提供了简易的方案、大大缩 短了装置的研发周期。以下将从硬件调试手段和软件开发环境两个方面进 行叙述： 2 5 1 背景调试模式 一般微控制器系统都提供软件调试程序，这些程序可以在最低的级别 上进行系统分析。而1 3 ( 3 2 5 6 具有一种独特的工作方式背景调试模式 ( b d m ) 。在这种方式下，开发人员可以通过b d m 接口与m c u 板进行通讯， 清楚的看到m c u 的内部工作情况，例如可以在调试过程中查看或修改寄存 器中的内容、读取或将数据写入存储器。在这一点上它具有在线仿真器的 许多软件调试功能，但要比在线仿真器系统成本低，而且由于调试程序有 其专用的资源和接口，所以背景调试方式对硬件进行实时运行控制时并不 消耗用户的资源。 目标板m c u 与主计算机连接有几种方法。其一是主计算机通过r s 2 3 2 串行口与仿真接口板连接，仿真接口板再通过背景方式专用电缆和插座与 目标系统相连。另一种方式为主计算机经并行口通过一专用电缆线和连接 器与开发系统上的背景方式插座连接，直接在主计算机上通过软件调试目 标系统。 我们选用的是美国p e m i c r o 公司的b d m 调试器c a b l e l 2 ，采用后一 种连接方式，它的示意图如图2 - 3 所示： 图2 - 3 背景调试模式下主机与目标板的连接方式 p c 机通过c a b l e l 2 与m c u 板的b d m 接口相连，在程序调试过程中就 可以完全控制芯片上的资源、对芯片功能进行在线模拟、对芯片内部或外 部的f l a s he e p r o m 和e e p r o m 烧录程序、支持断点调试，大大简化了对芯 片的开发。 2 5 2 软件开发环境 在软件编程上，我们考虑到用c 语言写程序可以缩短开发周期而且c 语言有移植性好的优点，便于向其它的硬件平台移植，决定将c 语言作为 主要编程语言，在对时间要求严格的程序处理上，采用嵌入汇编的方式来 实现。 在比较和分析了几家公司的软件开发环境后，最终确定了 m e t r o w e r k s 公司的c o d e w a r r i o rf o rh c s l 2 。该集成开发环境不仅有c 1 2 “鞭胃l 工夫学司i 士研兜胤学位论式 语言编译器、汇编谣言编译器、链接程序，还提供了功能强大的豳形纯在 线讽试环境，支持设定硬 牛断点，单步、多步调试，观察和更改寄存器和 变量在运行过程中的数值，大大简化了程序的调试，同时为烧录裰序也提 供了极为篱单的菜攀操终步骤。 泰纛l 工，0 学司f t 舜毙 蕾蕾性- ： 第三章数据采集系统的设计 对微机继电保护装置而言，数据采集是最基本、最重骚的工作。微机 继瞧保护装萋的魏毙如铐，在缀大程度上取决予装置数据采集系绫的设 计。本节分析了数据采集系统两种模数转换器设计方案：电压频率转换型 搂数交换器( v f c ) 秘逐次遥近登a d 。 3 1 模数转换器缒分类 模数转换器怒一秘能挺采集蘩戆采撵瀵羧接哆量亿稳壤爨慝，转换戏 数字信号输出的器件。模数转换器的种类很多，其分类方法也很多。从转 挨速度来分，有高速a d c 孛速a d c 、低速a d c 。获实糯模数转换豹电 路结构上糟，有反馈型和光反馈型两种。反馈型a d c 作为其模数转换的 反馈无件，将输出数字信弩转换成模拟信号，并与模拟信号加以 e 较，按 比较所得盼误差信号修正数字输出。无反馈型则没有上述反馈、 b 较、修 正的过程。从工作原理来分，可以分为直接比较型和间接比较型。直接比 较链括连续毙较、逐次遥避、斜波( 或酚榉波) 毫援 较等，其孛最誊腰 的是逐次邋近型。这种转换是瞬时比较，抗干扰能力差，但转换速魔较快。 霾接 较熬袁双籀式、躲捧电压羰率转换狻变换器( v f c ) 、溪宽鍪、积 分型、三斜率型、囱动校准积分型等。这类转换均为平均侬响应，抗干扰 能力较强，但速度较侵溺】。 3 2 衡繁模数转换器孵指标瓣” 1 量纯浚差与分辨率 a d 转换器的分辨率习惯上以输出二避制位数或者b c d 码位数表示。 1 4 太i 罩l 工大学司【j 研兜o 学位t 分文 例如a d 转换器a d 7 8 9 0 的分辨率为1 2 位，即该转换器的输出数据可以 用2 - 2 个二进制数进行量化，其分辨率为1 l s b 。量化误差和分辨率是统 一的，量化误差是由于有限数字对模拟数值进行离散取值( 量化) 而引起的误差。因此，量化误差理论上为一个单位分辨力，即1 2 l s b 。 2 转换精度 a d 转换器转换精度反应了一个实际a d 转换器在量化值上与一个 理想a d 转换器进行模数转换的差值，可表示成绝对误差或相对误差。 3 转换时间与转换速率 a d 转换器完成一次转换所需要的时间为a d 转换时间。转换速率 是指能够重复进行数据转换的速度。对于瞬时值响应的模数转换器来说， 所需的转换速率取决于所要求的转换精度和所转换信号的频率。 4 增益误差：满量程输出数码时实际模拟输入电压和理想模拟输入电 压之差。 5 偏移误差：指最低有效位成“1 ”状态时的实际输入电压与理论输入 电压之差。 6 对基准电压的要求。基准电压的精度将对整个系统的精度产生影响， 在选用时应考虑是否外加精密参考电源。 7 工作温度。工作温度会对运算放大器和电阻网络产生影响，只有在 一定温度范围内，才能保证额定精度指标。较合适的温度范围为4 0 。c + 8 5 ，一般为0 + 7 0 。 3 3 两种数据采集系统的比较 目前国内的保护和测控装置常用的数据采集系统有两种类型。一种是 以逐次逼近型a d c 构成的，另外一种是以v f c 构成的。现在对这两种数 据采集系统进行分析比较。 3 3 1 电压频率转换模数变换器 电压频率转换型模数变换器( v f c ) 是目前国内微机继电保护广泛使 用的一种模数变换技木。v f c 采样具有受噪声影响较小，与c p u 接口简单， 价格便宜，适于多c p u 共享等优点。但不适合原理上要求高采样率或要求 考虑高次谐波的场合。 设积分区间的长度( 采样间隔) 是2 p ，信号为： u ( f ) = as i n ( nc o t + a ) 经积分后可以得到：j = k ；“ 其中s 为积分值即v f c 记数值大小 比例系数： 耳= 虿n 忑x 磊e o 石x 瓦s 其中，k 为与交流插件和v f c 特性有关的一个系数。上式说明，对某 一次谐波，蜀，的大小是固定的，可以准确的得到采样值。但对含有多次谐 波成分的信号，积分值s 与u 的线形关系不再成立。 如一含有基波和五次谐波的信号：“( f ) = a 。s i n ( 耐) + a ss i n ( 5 埘) 将有j ：2 x _ s i n ：- 0 x k a l + 2 x _ s i n - ( 5 0 ) x k a s 国， 已经不再有简单的s = k ，x u 的关系了。可见对单纯的某次谐波，经v f c 采样后可以得到准确的采样值。而在实际电力系统运行中，往往有多种谐 波并存，如果以相对于基波的某单一次波的比例系数作为实际的比例系数， 将使采样值发生畸变，即对任意一采样点每种谐波成分都有不同程度的衰 减，无法得到准确的采样值。因此将影响直接利用采样值的算法，例如采 用采样值差动原理的保护算法。 由于我们研究的电动机保护装置中谐波的作用不容忽视，因而v f c 采 样方案不适合。 1 6 太j l l z 尢学士女宪生学论文 3 3 2 逐次逼近型a d 逐次逼近型a d c 是一种中速、有反馈、直接比较型的模数转换器。这 种模数转换器对输入信号上叠加的噪声电压十分敏感，实际应用中通常需 要对输入的模拟信号进行滤波，然后才能输入模数转换器。这种转换器在 转换过程中是逐位进行的，只能根据本次比较的结果，对当前位数据进行 修正，而对以前的各位数据不能变更。为避免输入信号在转换过程中不断 变化，造成错误的逼近，这种模数转换器必须配合采样保持器使用。 随着微电子技术的发展，一些单片机开始集成模数转换器和采样保持 器于片内，分辨率一般在1 0 位左右。采用这种单片机构成的微机系统将数 据采集和处理系统集成到一个芯片内，有利于提高系统的可靠性。而且模 数转换过程无需m c u 进行干预，相邻两路转换间的等待时间大大缩短，同 时也简化外部硬件电路的设计。 3 4 本设计采用的数据采集方案 虽然我们选用的芯片m c s 9 1 2 d g 2 5 6 本身集成有两个a d 转换模块( 1 6 路1 0 位a d 转换通道) ，模数转换过程也不需要m c u 干预2 “，可以满足大 多数应用场合的需要，但鉴于本次设计的特殊要求，经分析和实验后，最 终选用了精度较高的外部模数转换器逐次逼近型1 2 位a d 7 8 9 0 1 ，现从以 下几个方面进行分析： 1 较高的分辨率( 位数) a d 7 8 9 0 单片共8 个模数转换通道，各路均为1 2 位。量程取一5 v 5 v ， 转换后输出数值以补码表示，相当于1 1 位。电流变换器二次侧额定值取5 a 。 2 较高的转换速率 a d 芯片具有较高的转换速度可以保证a d 控制简单而又不过多的占 1 7 太j u 工大学司e 士魄生学位t 鲁：t 用c p u 时间。每次采样a d 均需要转换时间。最为简单的a d 控制方式， 即程序查询方式：每次发出采样命令以后，c p u 要通过程序查询监视a d 是否转换结束，以便c p u 读取a d 转换结果。若a d 转换速率较慢，尤其 是当通道较多的情况下，程序所需的时间较长。 微机保护对a d 转换的转换速度有一定要求，一般应小于2 5 # 心。而 a d 7 8 9 0 有独立的参考时钟源，转换速率较快，单通道转换时间( c o n v e r s i o n t i m e ) 仅为5 9 船。 3 采样保持 对逐次逼近型模数转换器来说，若采集变化速率较高的信号，采样保持 是必须的。否则将引起测量误差。而a d 7 8 9 0 内部集成了采样跟踪，保持电 路，可以直接与m c u 的s p i 相连，简化了数据采集系统的设计，如图3 - 1 。 d v 图3 一la d 7 8 9 0 与m c u 的接线示意图 4 同时采样 电压、电流同时采样对装置模拟量计算是非常必要的，若不能保证电 压、电流同时采样将造成某些功能计算较大的误差，如功率方向，相位关 系，功率的计算等。本设计利用两片a d 7 8 9 0 分别对电压和电流采样，将 产生相角误差的可能性减到最小。 5 合理的输入极性、量程范围及参考电压 支持双极性输入，输入电压范围：一i o v i o v ，参考电压为2 5 v 。 6 较宽的工作温度范围 太j u 臣工大学司e 士习魄生学位 二屯 随着变电站自动化技术的推广，尤其是中低压系统，考虑微机继电保 护装置适应分散下放安装形式。 ? j a d 7 8 9 0 有较宽的温度范围：- - 5 5 。c - + 1 2 5 ，可以适应变电站运行的恶劣自然条件。 3 5a d 7 8 9 0 的实验电路 翔一一。 卜毒邂9l 邋举 鹫垂蓁”5 薹r f s 芋 9 s l 一 c r y 3 二二二二：匿1 1 j , v ic o n v s tl 上二t l 图3 - 2a d 7 8 9 0 的试验电路 1 9 4 1 开入概述 第四章开入电路的设计 一直以来，对外部开关量的监测都是继电保护装置中的一个重要环 节，对外部开关量状态反映的正确与否直接关系到保护装置是否能对外部 故障及时作出反应。本次设计选用了集成度和可靠性高的专门对开入量进 行监测的新器件m c 3 3 8 8 4 ，在对它的特性分析的基础上，将其成功运用 到电力系统机电保护装置中。 4 2 两种开入电路的比较 4 2 1 传统的开入回路 传统的开入电路设计，均是通过光耦、电阻、电容等器件的组合对开 入量进行检测【2 5 , 2 6 1 ，如图4 - 1 所示，这种方式有以下缺点： 1 ) 需要考虑如何对开入量进行预处理滤除信号中的杂质，搭建简单 的滤波电路； 2 ) 开关量信号在进入m c u 前需要用光耦进行电气上的隔离，主要 是实现地电位的隔离，抑制共模干扰。而光耦是容易损坏的器件，所以又 需要使用额外的二极管器件对其进行保护； 3 ) 每一路开入需要占用一根m c u 的并口线，整个开入电路就占用 了大量m c u 资源； 4 ) 采用该方案的开入电路占用p c b 板的面积较大，受外部的干扰较 大；而且每一路开入采用的器件较多，增加了出错的环节，因而其可靠性 低。 太j u 工大学咀j 卉竞生学位t 鲁文 图4 一l 传统开入电路示意图 4 2 2 由m c 3 3 骼4 构成的开入电路 本次设计我们选用了m o t o r o l a 公司的专用开入检测芯片 m c 3 3 8 8 4 ，由于它的设计目的就是为了在m c u 与电子开关之间提供一种 有效的接口，因而集成了许多优良的特性，芯片引脚分配如图4 2 所示： 1 、芯片有很宽的供电范围( v p w r ) ， 可以在7 v 2 7 v 之间正常工作，我们可以 利用2 4 v 开入电压为该芯片提供电压。 2 、引脚的输入电平范围是( 一1 4 v 4 0 v ) ， 即可以对2 4 v 开关量检测，也可以对接地的 开关量检测。 图4 - 2 芯片引脚图 3 、 与m c u 通过s p i 口通讯，可以节省m c u 的口线资源，节省占用 p c b 板的面积，节省成本。 4 、单个芯片可以同时检测6 个对地、2 个对电源、4 个可编程( 通过 程序即可设置成对电源，也可设置成对地) 的开入量状态。 5 、 有四种灵活的方式可供选择( 睡眠、常规、查询、查询+ 中断) ， 可以满足不同工程的需求。 6 、 有良好的温度特性( 一4 0 1 0 5 。c ) ，可以满足变电站恶劣的运行环 境。 由于这些特性使它目前已被广泛应用在航空航天、机器人、过程控制、 汽车及安全系统等方面。我们相信m c 3 3 3 8 4 在继电保护装置方面也有广 阔的应用前景，以下就以m c 6 8 h c l 2 为例着重介绍m c 3 3 8 8 4 与m c u 连 2 1 接的协议与电路。 4 3m c 3 3 8 8 4 的接口及工作原理 4 3 1m c 3 3 8 8 4 与m c 6 8 h c l 2 的接口 m c 3 3 8 8 4 通过s p i 接口将m c u 与外部的开入量连接起来，它将监测到 的外部开关状态送到m c u ，直接反应开入量的状态。m c 3 3 8 8 4 可直接与 3 3 v 或5 v 的m c u 直接通讯。下图即两者的接口模式。 i i 谳面 l 匡垂l 封一一一一j 图4 - 3 开入芯片与l , i c u 的接线示意图 一般来说，两片m c 3 3 8 8 4 就可以满足大多数继电保护装置的需求， 当需要连接两个以上的m c 3 3 8 8 4 与m c u 时，则将其中一个作为主器件 其余为从器件。它们与m c u 的连接如下图所示。 r i 磊磊i - x - 1 图4 - 4m c u 与两个开入芯片的接线示意图 2 2 武t 工 学磺鼍啄蛋：赢学盘 p ： 4 。3 。2m c 3 3 8 8 4 抟工掺状态 m c 3 3 8 8 4 有s l e e p ，r u n 及t r i s t a t e 三秘状态。 在s l e e p 状态下，所有的其他透行状态均被禁此，静态电流被降低到 最小，毒露器孛懿鏊是未躲瓣，不及彩 溪开关懿炊态。 r u n 状态下有三种运行模式，n o r m a l ，p o l l i n g 及p o l l i n g + i n t 三种运 行模式。农n o r m a l 模式下，只要开关有鼙亿就产难一个中断，傀先予开 关闭合，将有一个o 。7 5 m a 的静态持续电流流过，丽且当输入电压达到比 较器的阈德时，就会有一个1 4 m a 的w e t t i n gc u r r e n t 持续2 0 m s ，这样可以 在农一个突然的干扰时，弓l 发一个只有幅值没有能爨的冲搬量，僵不对结 果造成影响。p o l l i n g 模式下，只有感应到外部开关闭合时才产生一个中断， 然麓转入与n o r m a l 模式稳阕的馕援。p o l l i n g + i n t 模式与p o l l i n g 摸筑基本 相间，只魑除了内部中断定时器超时也产生中断。 在t r i 。s t a t e 获态下，瓤有静嚣关状态都转入三态模式，魏露，掰有输 入的比较器均被禁址了。 4 3 3 m c 3 3 8 8 4 的命令描述 m c 3 3 8 8 4 与m c u 通过s p i 进行全双工通讯，通过接收从m c u 传来 戆1 6 位会令字设寇塞己静王终模式，羁爨季将开关戆坟态反馈绘m c u 。当 m c 3 3 8 8 4 进入相应工作模式后，如果没有对芯片羹新复位，将不褥接收 获m c u 传寒静命令字，强是不颤将开关鹃狭态反馈给m c u ，命令传输 的格式是先海位后低位。 s l e e p 命令，只需将1 6 位命令字的高4 彳立置为零，其它位的状态任意， 就可进入s l e e p 模式。 r u n 命令 其中m o d 2 ：l 】设定运行模式，s t 3 ：l 】选择两次读取开关状态之间的 间隔时间，w t 2 ：i 用于在查询模式下选择外部中断的问隔时间，c p 4 ： 1 1 用于配置可编程的开入检测通道是用于选择是对电源开入检测还是对 地开入检测。 m o d e埘0 d 2埘o d l s t l 3 ：1 jw t l 2 ：1 】c p l 4 ：t 】 u n d m f i n l t loox “x 默x n 0 t l t l 101x ) 。(c c p 【4 ：1 】 p o l l i n g o s n t l l “ c p 竹1 】 p o l l i n g 十i n t t i m l r 11 s t l 3 ：i lv y r l 2 ：1 】c p c 4 1 】 t r i s t a t e 命令，通过该命令将某些开关量的状态置于三态。 4 41 , i c 3 3 8 8 4 的试验电路 为了测试m c 3 3 8 8 4 的功能，我们制作了一个简单的测试电路，原理 图如4 - 5 所示。一般来说，两片m c 3 3 8 8 4 就可以满足大多数继电保护装 置的需求。该电路是将两个拨码开关分别与2 4 v 电源和地相接，通过拨 l l z 大 日，；l # t 忙i 码开关的闭合来验证m c 3 3 8 8 4 的反映能力。考虑到变电站的开入源多为 2 4 v ，对电源的开入较多，因此在电路设计时，将可编程的开入量检测通 道与2 4 v 电源相连，并在程序设计时，通过软件来选择可编程通道的工 作模式为对电源开入量监测。为了能直观看到从m c 3 3 8 8 4 反馈到m c u 的开关状态信息，我们通过软件将拨码开关的状态与m c u 评估板上的发 光二极管相对应，通过二极管的亮灭来验证m c 3 3 8 8 4 是否正确的反映相 4 5 小结 分析了传统开入电路的不足，提出了改进的创新想法。在硬件选型上 用m o t o r o l a 公司的专用开入芯片替代由多个分立元件才实现的功能， 不仅提高了对开入量采集的可靠性，而且节省了成本。设计和验证了该芯 片的测试电路。 蠹一| u 工夫学| 曩畦嘎愧生学位论支 第五章开出电路的设计 随着微电子技术的迅猛发展，为实现特殊功能的芯片层出不穷。 m c 3 3 2 9 1 就是对电气开关进行操作的特殊功能芯片，该芯片最先运用在 汽车电子领域，同样也适合其它工业环境。在此我们将m c 3 3 2 9 1 应用于 微机继电保护的开出回路，将它直接和m c u 的s p i 口线相连，通过s p i 传输协议接收m c u 发送的开合命令，同时将开关的状态反馈回m c u 。 5 1 传统的开出回路 传统的开关量输出回路主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信 号等。一般都采用并行接口的输出口线来控制有节点继电器的方法【2 4 j ， 如图5 - 1 所示。由于并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管，需 其它器件增加驱动能力。为了出口安全准确，需采用与非门进行逻辑判断， 仅当两个条件同时满足才能使继电器动作。通常为了提高抗干扰能力，还 要经过光电隔离，而在现场运行环境下，光耦是一个容易损坏的器件，光 耦的损坏难免会对开出继电器和m c u 造成影响。 在进行开出操作时，为了让m c u 确认开出操作是否正确完成，需要 同时向m c u 发送一个检测信号。采用此种接线方式，每一路开出需要两 个二极管、一个光耦、一根并口线以及一根闭锁信号线，占用m c u 的资 源较多，而且占用p c b 板的面积也较大，降低了抗干扰可靠性。 图5 - 1 传统开出电路 杰囊u 工大学司f 士研兜巍学位论童； 5 2 由m c 3 3 2 9 1 构成的开崮网路 m c 3 3 2 9 1 是一个受8 位率行输入控稍的功率开关，它通过串行黔蕾接 口s p i