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综合数字继电器的研制和开发 摘要 随着电子工业和计算机技术的发展，目前继电保护已进入微机保护的时代，即 采用荤片微机代替传统的继电器，智能的实现继电保护的各个功能。现有国内外先 进的综合数字继电器通常是集保护、测量、控制、监测、通讯和显示等功能于一体， 在配电系统的二次设计上可采用一个单独的综合装置来实现以前的所有二次元件的 功能，可作为综合自动化系统的基础元件，也可作为智能化开关柜的基本电器元件。 本文在分析国内外产品以及国内需求的基础上，吸收和综合了它们的优点，研 制和开发了一种基于a r m 7 的综合数字继电器。采用美国a t m e l 公司a t 9 1 嫩0 8 0 0 微 处理器来设计整个硬件平台，同时为了减少分离元件和总线的数量，采用a l t e r a 公司的p m 3 1 2 8 a 来实现硬件电路中所有的逻辑译码和处理功能。鉴于嵌入式系统的 低功耗、体积小、实时性强、集成度高等特点，在本综合数字继电器上移植了一个 操作系统u c o s - i i ，将嵌入式系统的设计理念应用到本综合数字继电器的研制和开 发中来。 本综合数字继电器主要实现了以下功能：瞬时速断保护、限时速断保护、定时 限和反时限的三段电流保护、低压保护等保护功能；所有电量的测量功能；断路器 的位置信号、控制回路的断线信号等的监测功能；通过总线单元实现定值的远方查 询、整定及远方控制的通讯功能；一次系统图、测量数据、实时波形、事件记录等 的显示功能。 【关键词l 继电保护微机监控操作系统图形显示 综合数字继电器的研制和开发 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n d u s t r ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，p r e s e n t l y r e l a yp r o t e c t i o nh a sa i r e a d ye n t e r e dt h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n e r a t h e r ea r e a d v a n c e di n t e g r a t e dd i g i t a lr e l a y sn o wu s e dt oi n c o r p o r a t es u c hf u n c t i o n sa sp r o t e c t i n g ， m e a s u r i n g ，c o n t r o l l i n g ，m o n i t o r i n g ，c o m m u n i c a t i n ga n dd i s p l a y i n ga n ds oo i l i n t oa n o r g a n i cw h o l e o n es i n g l es y n t h e t i cd e v i c ec a l lb ea d o p t e dt or e a l i z ea l lf u n c t i o n so f t h e s e c o n de l e m e n t sd u r i n gt h es e c o n dd e s i g no ft h ee l e c t r i c i t ys y s t e m s oi tc a nb eu s e da s t h ef u n d a m e n t a le l e m e n t so f t h ei n t e g r a t e da u t o m a t i cs y s t e m ，a n da l s oc a nb eu s e da st h e f u n d a m e n t a le l e c t r i ce l e m e n t so f t h ei n t e l l e c t u a ls w i t c h i n gc a b i n e t t h i st e x th a sd e v e l o p e dak i n do f s y n t h e t i cd i g i t a lr e l a yb a s e do na r m 7 ，o nt h eb a s i s o fa n a l y z i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r o d u c t sa n dd o m e s t i cd e m a n d sa n d a b s o r b i n g a n d p e r c e i v i n g t h e i r a d v a n t a g e s t h i s t e x t a d o p t e d a t 9 1 m 4 0 9 0 0 m i c r o p r o c e s s o ro f u s a a t m e lc o m p a n y t od e s i g nt h ew h o l eh a r d w a r ep l a t f o r m a tt h e s a m et i m ei no r d e rt or e d u c et h eq u a n t i t yo ft h es e p a r a t e dc o m p o n e n ta n db u s ，i ta d o p t e d e p m 3 1 2 8 ao fa l t e r ac o m p a n yt or e a l i z ea l ll o g i cd e c i p h e r sa n dd i s p o s i n gf u n c t i o ni n h a r d w a r ec i r c u i t w h e r e a st h el o wc o n s u m p t i o n ，s m a l lc u r s e ，s t r o n gr e a l t i m ec h a r a c t e r a n dh i g ha g g r e g a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，i ta l s ot r a n s # a n t e da no p e r a t i n gs y s t e m u c o s i ia tt h i si n t e g r a t e dd i g i t a lr e l a y t h i si n t e g r a t e dd i 百t a lr e l a ym a i n l yr e a l i z e dt h ef o l l o w i n gf u n c t i o n ：i n s t a n t a n e o u s b r e a k o f fp r o t e c t i o n , l i m i tb r e a k o f fp r o t e c t i o n ，t w ot y p et i m e l i m i tt h i n e s t a g ec u r r e n t p r o t e c t i o n ，l o w - v o l t a g ep r o t e c t i o ne t e ；a n dm e a s u r e m e n tf u n c t i o no fa l le l e c t r i c p o n d e r a n c e ；t h em o n i t o r i n gf u n c t i o n so fp o s i t i o n a ls i g n a l ，b r e a k i n g - o f fs i g n a lo ft h e c o n t r o lc i r c u i t ；d i s p l a yf u n c t i o no ft h ef i r s ts y s t e mp i c t u r e ，m e a s u r i n gd a t a , r e a lw a v e ， e v e n tr e c o r d ，a n de t c k e y w o r d s r e l a y p r o t e c t i o n o p e r a t i n gs y s t e m c o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g g r a p h i cd i s p l a y 2 v7 7 6 7 2 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，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 塞微翌王太堂或其他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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：槲签字日期盘屿年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塞徽理王杰堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀理工 态堂可以将学位论文的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、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：阳；书膊 签字日期：硝年6 月7 日 别雠璃l 瓤霸 pi 7 lr 签字日期：山硒年6 月7 日 综合数字继电器的研制和开发 1 绪论 1 1 继电保护和综合自动化系统的发展 电力系统的飞速发展和安全运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效 益，但国内外的经验表明，电力系统旦发生自然或人为的故障，不能及时有效地 得到控制而失去稳定运行、电网瓦解，将会造成大面积停电，给社会带来灾难性的 后果。因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运行，就成为一个永恒 的主题。继电保护( 包括安全自动装置) 就是保障电力设备安全和防止限制电力系 统长时间大面积停电的最基本、最重要和最有效的技术手段，继电保护装置因此也 成为对实时性、可靠性要求最严格的二次装置。许多实例说明，一旦继电保护装置 不能正确动作，往往会扩大事故，酿成严重的后果。 随着电力系统和配电自动化的不断发展，电力系统继电保护装置经历了电磁式 保护、晶体管保护和微机保护。电磁式继电保护装置是基于电磁和电磁感应原理的 有接点继电器组成的，因而其本身存在动作速度慢、灵敏度低、抗震性差以及可动 部分有磨损等固有缺点。而晶体管继电保护装置虽然具有体积小、重盘轻、消耗功 率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是晶体管保护装 置也有抗干扰能力差、装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点。随着数字计算机 技术的发展，人们开始将计算机技术应用于继电保护领域来解决上述问题，但由于 经济方面的原因难以实用化。直到二十世纪7 0 年代，计算机技术本身发生了重大突 破，大规模集成电路技术的飞速发展，微型处理器和微型计算机进入实用阶段，微 机继电保护装置才开始逐渐趋于实用。 微机保护装置是一种依靠单片微机，智能的实现保护功能的工业控制装置。这 种保护装置将现场的各种数据通过a d 采样数字化，利用微处理器计算出电压、电 流、功率等电力系统的实时运行参数，然后利用这些测量和处理得来的各种实时数 据与保存在装置内的定值进行比较，根据相关保护原理实现各种保护功能。另外， 这种装置还具有数码管、发光二极管、按键等显示和控制元件。但是在微机继电保 护产品初期，因为处理器本身和其它相关器件功能和价格的限制，一般只应用在重 要的高压线路和设备上，而且一般只能完成继电保护的基本功能，实现对某单一保 护对象的保护。 随着微电子技术的发展，各种物美价廉、功能强大的微处理器及其它相关大规 模集成电路器件得到了广泛应用。计算机技术、数字电子技术、控制理论、传感器 综合数字继电器的研制和开发 技术、通信技术和继电保护技术相结合，使得微机继电保护装置得至4 了长足的进展， 其应用范围越来越广，涉及到高、中、低压所有电压等级；功能也越来越强大，在 显示和控制上，采用了液晶显示器( l c d ) ，增加了更多的控制功能键，可以显示更 多的测量数字信息及相关的文字信息，实现更复杂的控制和管理功能。另外很多装 置还增加了故障录波、事件记录和追忆、装置自检等功能。更重要的是有的装置还 增加了通讯接口。通过该通讯接口可以将很多装置和计算机通过网络连接起来形成 一个分布式控制系统，这样各种智能装置可利用该通讯接口将各种测量和处理结果 通过网络上传给上位计算机，然后利用计算机强大的功能将数据进行记录、保存并 进行更进一步的处理和分析。同样，装置也能通过通讯接口接收上位机的各种命令 从而实现远方管理和控制功能。 当前电力系统正向大容量、超高压、大机组、大电网的方向发展，随着电网规 模的不段增大，电压等级不断提高，其对整个电网运行的安全性、可靠性、经济性 以及全电网管理水平的要求将越来越高。利用微机保护取代常规控制保护方式，实 现变电所综合自动化，进而实现无人值班，已成为各级电力部门的热门课题和共同 追求。 1 2 综合自动化装置的现状 1 2 1 国内当前应用情况 国内目前研制开发的综合自动化系统的代表产品主要有南京南瑞公司的i s a 系 列综合自动化系统、r c s - 9 0 0 0 系列综合自动化系统、东方电子的d f 3 0 0 3 变电站自 动化系统等。 国内目前的综合自动化系统分为两种类型；一种是采用测控装置与保护装置通 过通讯方式连接构成的系统，即采用数字保护装置与测控装置共同组成的变电站自 动化系统；国内厂家像东方电子实现的其中一种综合自动化系统采用s i e m e n s 保护 系统，配置7 s a 5 2 2 输电线路距离保护继电器、7 s d 5 1 1 5 1 2 电流保护继电器实现保 护功能；配置d f l 7 2 0 分散式测控装置，实现遥测、遥信、遥控、电度量采集等；配 置d f l 8 0 0 综合监控系统实现整个系统的通讯、一次系统的显示、事件的记录、报表 的处理等当地监控功能。 另一种是采用具有综合功能的装置，如r c s - 9 0 0 0 系列保护测控装置，将保护功 能和测控功能集成于一体，实现继电保护、测量、控制、状态狈9 量等功能。综合自 动化系统的构成采用分散式保护测控装置构成一个分层分布式系统，按一个元件( 一 个间隔) 对应一个装置分布式设计配置，直接就地安装在高压开关柜上，各间隔功 能独立t 各装置之间仅通过网络通讯联结，信息共享，通过主机进行远程控制。 2 综合数字继电器的研制和开发 1 2 ，2 国外代表产品介绍 代表最新发展的带有控制、测量功能的数字式保护装置国外代表产品有a b b 公 司的r e f 5 4 l 5 4 3 5 4 5 、s e g 公司的c s p i f 系列组合控制和保护继电器和s i e m e n s 公司的s i p r o t e c7 s j 6 1 6 2 6 3 6 m d 6 3 多功能保护继电器等产品。 1 2 2 1a b b 公司的r e f 5 4 1 5 4 3 5 4 5 系列馈线终端介绍 r e f 5 4 1 、r e f 5 4 3 和r e f 5 4 5 系歹d 馈线终端被设计用于电网的保护、控制、测量 和监视，也可用于电能质量的监测，电容器组的保护和控制以及电动机的保护，具 有保护、控制、测量、通信、电能质量检测和设备状态的监视等功能。 其主要技术特点有： 适用于中压电网的保护、控制、测量、监视和p l c 功能。 可使用传统的互感器或无饱和特性的互感器测量电压、电流量。 可控制多至六台不同的开关设备。 友好的人机界面、大画面的液晶显示和可编程的l e d 多状态显示。 装置面板具有可选择的分台操作及远方、就地切换。 装置面板上可灵活实现定值的手工设定、调整及切换。 故障值的实时显示及事件的追忆功能，为事故的分析提供最大的方便。 动态测量值的实时显示、模拟图的动态显示。 各种控制功能的可编程化，使现场编程更改灵活、方便。 软件、硬件的自检和报警输出。 现场总线、装置的r s 2 3 2 、r s 4 8 5 接口为通讯组网提供了最大的便利。 大量的输入、输出接口，为各种场合的控制提供了可能。 多级的可加密的定值保护，提高了装置的可靠性。 1 2 ，2 2sie m e n s 公司sip r o t e c t7 s j 6 1 6 2 6 m d 6 3 测控单元介绍 该系歹 j 涣8 控单元是西门子公司开发的新一代本蜷控制的测控单元，可以应用于 多种场合，如电动机保护、变压器保护、电容器保护等，可以测量包括电度和频率 的所有变量。 现以s i e m e n s 公司的s i p r o t e c7 s j 5 3 1 为例，说明其具有的功能： 线路保护：定时限、反时限过电流保护、过载保护、过电压和低电压保护、 自动重合闸、接地保护、方向过电流保护、故障测距、不平衡负载保护； 电机保护：短路保护、定子过载保护、堵转保护、不平衡负载保护、欠电 流保护： 变压器保护：时限过流保护、不平衡负荷保护、过负荷保护； 控制功能：通过键盘或串行口操作开关元件、通过图形显示开关元件、就 3 综合数字继电器的研制和开发 地遥控开关； 监视功能：运行测量值i 、v 、p 、q 、能量值w p 、w q ； 附加功能：跳合闸回路监视、参数整定切换、故障记录； 通讯功能：符合i e c 8 7 0 - 5 - 1 0 3 标准的接口、当地p c 接口、调制解调器 接口： 硬件资源：模拟量输入：5 个电流互感器、3 个电压互感器：数字量输入 与输出：1 1 个二进制输入、5 个报警继电器和4 个命令继电器出。 7 s j x x 是一种数字式控制、保护和监视的组合装置，可以作为各种中、低压线 路的保护装置，各种电动机保护装置。 1 3 采用综合化自动装置的优势 ( 1 ) 功能集成与资源共享：可以实现保护、测量、监控、通讯、控制等功能， 同传统的方式比较，减少二次设备的投资与二次接线的复杂性。 ( 2 ) 容易实现功能扩充：以实现故障录波、故障测距、远程控制、事件记录等 高级功能。因为具有通讯功能，可以将所有的智能单元，通过通讯网络连接起来， 实现电容器自动投切、变压器自动投退、节电运行等高级功能。 ( 3 ) 工艺、生产条件好：硬件一般比较通用，制造容易，可以实现批量化生产。 装置体积减小，容易安装、运输。 ( 4 ) 调试、维护、使用方便：装置一般具有方便的显示方式，可以把各种数据， 中间结果，最终的动作特性显示出来。保护定值整容易定、保护动作结果直接显示、 可以将各种事件记录下来。 ( 5 ) 远程的控制：装置具有通讯接口，可以实现远方的断路器控制，远方的定 值修改，远方的保护投退，远方的故障数据分析等功能。 ( 6 ) 系统可靠性的提高：装置具有自检能力，可以动态监视主要元件、部件运 行状况：采用分布式设计，将保护装置直接安装在控制对象的附近，如开关柜上， 主变设备的控制柜上；采用分散式安装后，可以大大简化二次接线，减小了电缆的 二次负载，自动化装置之间仅有通讯的连接，使控制电缆减少到最低限度，提高了 整个系统的可靠性和安全性。 ( 7 ) 工作量的减少： 由于极大限度的减少了二次接线和二次设备的配置，减少 了多个部门的工作量，从设计开始，二次原理图的设计简化了；施工单位的现场工 作量减少了；生产部门批量化生产效率提高了：调试检修的工作量也减少了。可以 明显的降低整个变电站的综合造价。 1 4 嵌入式系统简介 随着生产和科学技术的发展，特别是微电子技术的迅猛发展，原形技术和设计 4 综合数字继电器的研制和开发 技术的不断成熟，嵌入式系统越来越普遍的得到应用。嵌入式系统本身不仅与一般 p c 上的应用系统不同，针对不同的具体环境而设计的嵌入式应用系统之间的差别也 很大，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系 统主要由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统及嵌入式应用软件系统 等组成，它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专 业领域的应用系统，与通用的计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，一般都具有实时l 生的要求。嵌入式m c u 大多工作在为特定用户群所设计的系统中，通常具有低功耗、体积小、集成度高、 成本低等特点。能够把通用m c u 中由许多板卡完成的任务集成在芯片内部，使得嵌 入式系统的设计趋于小型化、专业化，也使得移动能力大大增强，与网络的耦合也 越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和通信网络技 术与备领域的具体应用相结合的产物，是一个技术密集、资金密集、高度分散和不 端创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，具有较长的生命周期。 ( 4 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效地设计，能够最大幅度的降低应用成 本。 为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片中或处理器的内部存储器中，而不存储与外部的磁盘等载体中。 1 。5 本文完成的工作 大多数国内开发的多功能数字继电器，同国外相比较，在显示上，信息量少、 无法显示一次系统图、无法显示故障波形等；在功能上，集成度不足，缺乏高级的 应用功能，如故障录波、时钟同步、事件记录、p l c 功能等。作为国外的多功能数 字继电器，设计思想比较领先，但在国内应用具有很多不便之处，最典型的是硬件 上不具备测燕电流互感器，与国内习惯不同；另一个是非中文界面，对国内用户使 用造成很多不便，因此，开发适合国内用户的综合数字继电器很有必要。 在分析国内外产品的特点以及国内的需求的基础上，吸取和综合它们的优点， 研制和开发了基于a r m 7 的综合数字继电器a 继电器。同时鉴于嵌入式系统的低功耗、 体积小、集成度高、实时性强、成本低等特点，将a 继电器设计成嵌入式系统，即 将嵌入式系统的设计理念应用到本综合数字继电器的研制和开发中来。 本文在a 继电器的研制和开发中，主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 独立完成了嵌入式实时操作系统( r t o s ) 的开发和设计，建立了适合a 继 电器的实时多任务调度系统。 5 综合数字继电器的研制和开发 ( 2 ) 实现了在a 继电器液晶显示器上的图形驱动软件的设计，独立完成了a 继 电器人机界面全部软件的编制。 ( 3 ) 与课题组的其他人员一起开发完成了a 继电器液的总体设计和硬件设计， 并一起完成了a 继电器所有其他软件的编制。 ( 4 ) 独立完成了a 继电器所有软件的调试工作。 6 综合数字继电器的研制和开发 综合数字继电器的硬件平台 本综合数字继电器作为电力系统中的保护装置，对故障的诊断要求快速及时， 对故障的恢复也要求快速及时，也即对实时性要求很高。若采用传统的前后台系统 来进行程序的设计，就会存在两个问题，一是中断可能得不到及时响应，处理时间 过长，这对于一些控制场合是不允许的，对于网络通信方面则会降低系统整体的信 息流量：二是系统任务多，要考虑的各种可能也多，各种资源如调度不当就会发生 死锁，降低软件可靠性，程序编写任务量成指数增加。为了提高装置的精度和动作 的可靠性以及软件的可扩展性，将本装置设计成个嵌入式实时系统。 2 1 硬件平台总体结构 硬件电路是实现系统功能的基础，硬件设计的好坏直接影响到系统功能的实现。 硬件电路的设计应当围绕着系统功能的要求进行。本综合数字继电器集测量、保护、 图2 1 硬件结构原理图 控制、通讯和显示等功能于一体，为此单元必须对电压、电流等模拟量进行采样， 采集各路开关量，并输出各种控制和报警信号，同时可以和上位机进行通讯，而且 综合数字继电器的研制和开发 具有良好的人机交互功能。从以上的功能出发，对整个装置做了以下设计，装置的 整体结构原理如图2 1 所示。 从整体上看，本装置由以下几个部分组成：最小工作系统电路和硬件看门狗电 路，模拟信号采集与变换电路，人机接口电路，开关量输入输出电路，温度和实时时 钟电路，工作电源电路和串行口通讯电路。 2 2 硬件系统中各部分电路简介 2 2 1 最小工作系统 最小工作系统以a t m e l 公司a t 9 1 系列嵌入式微控制器a t g l m 4 0 8 0 0 为核心，包 括复杂可编程逻辑器件c p l d 、f l a s h 、外部r a m 和掉电保护r a m 以及硬件复位电路、 晶振电路。 由于装置的最终控制对象是断路器，因此在系统出现故障时必须能及时判断出 故障并及时切断故障电流；系统正常工作时，必须有能力及时处理大量的实时动态 数据。因而系统对硬件的实时性、快速性、准确性和多功能性要求很高。硬件设计 是以a t m e l 公司a t 9 1 x 4 0 系列微控制器a t g l m 4 0 8 0 0 作为微处理器。a t 9 1 x 4 0 系列的 特点如下： 集成了a r m 7 t d m ia r mt h u m b 处理器内核：高性能的3 2 位r i s c 结构；高 代码密度的1 6 位指令集；m i p s w a t t 的领先者；嵌入式i c e ( i n - c i r c u i te m u l a t i o n ) 。 8k b 片内s r l ；3 2 位数据总线宽度；单时钟周期访问。 完全可编程的外部总线接口( e b i ) ：最大可寻址空间为6 4 m b ；多达8 个片 选线；软件可编程的8 位或1 6 位外部数据总线。 8 优先级、可单独屏蔽的向量中断控制器：4 个外部中断，包括一个高优 先级、低延迟的中断请求。 3 2 个可编程i o 口线。 3 通道1 6 位定时器计数器：3 个外部时钟输入；每通道有两个多功能i o 口引脚。 两个u s a r t ：每个u s a r t 有专用的外围数据控制器通道( p d c ) 。 可编程的看门狗定时器。 先进的省电特性：c p u 和外围可以单独静止。 全静态工作：1 8 v 时，o h z 一1 6 m t f z ；2 7 v 时，o h z 3 3 m h z ；3 o v 时，o h z 。4 0 m h z ： 1 0 0 一l e a d 的t q f p 封装。 1 8 3 6 v 的工作电压范围。 此外，它内部的工作寄存器很多，使其非常适用于实时控制。 由于a t g i m 4 0 8 0 0 片内无r o m ，且片内s r a m 只有8 k b ，要构成最小工作系统，还 8 综合数字继电器的研制和开发 需外部扩展程序、数据存储器、数据锁存器、缓冲器和地址译码器等电路。为了解 决这一问题，现外部扩展一片f l s a h ( a t 4 9 l v 4 0 9 6 a ) 作为程序存储器，外部扩展两 片r a m ( i s 6 1 l v 2 5 6 a l ) 作为外部数据存储器，因为该系统要求特定的数据掉电不丢 失，故又外部扩展了两片掉电保护r a m ( i s 6 3 l v l 0 2 4 l ) 作为外部掉电保护数据存储 器。本系统的数据锁存器、缓冲器和地址译码器都是通过外部扩展一片a 1t e r a 公司 的复杂可编程逻辑器件e p m 3 1 2 8 a 来实现的。这样，大大减少分离元件和总线的数量， 简化了设计，在使用和配置上更加灵活，增加了整个系统的稳定性和可靠性。 最小系统完成如下功能：将a d 转换后的模拟信号和各路开关量信号按一定算 法和逻辑判断进行实时处理、判断，并生成和传送相应的控制命令和各种信息，对 异常情况迅速做出反应，控制执行部分动作。 v 0 3 3 i 3 图2 2 系统硬件复住电路 最小系统中的复位电路和硬件w a t c h d o g 是由d s l 8 3 2 和外围电路组成，如图2 2 所示。其中n r s t m c u 是同m c u 的复位引脚n r s t 连接在一起的，r s t l 是手动复位按 钮，j p l 是手动复位和看门狗复位的选择线。该电路主要是为了防止程序受干扰后 跑飞而设计的，与相应的服务软件配合实现系统的自动复位。d s l 8 3 2 内部有个计数 器，在系统正常工作时，m c u 通过软件定时的通过引脚p 2 3 给n s t 引脚输出一个由 高到低的复位脉冲信号，计数器重新开始计数；当系统由于受到某种干扰m c u 不能 按时发出复位脉冲，这时d s l 8 3 2 的计数器将很快溢出，通过r s t 发出一个由高到 低的跳变，强制m c u 的n r s t 由高变低，从而使整个装置复位。 本装置选用的晶振是4 0 i 螂z 。 2 2 2 模拟信号的采集与变换电路 在被保护和控制的线路中，各种电参数是主要的现场参量，包括供电电压、线 路电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等。这些电参数中要直接检测 的只有电压和电流，其他参数是通过特定算法，由m c u 根据测得的电压和电流计算 9 综合数字继电器的研制和开发 出来的。模拟量输入的主要功能就是将系统所需要的电压和电流经过电压互感器和 电流互感器引入到系统中，并经电平转换、采样保持和模数转换后变成计算机可以 识别的数字信号。 电网中的电压和电流，在经过一次互感器变换过后。是有效值为1 0 0 v 、5 a 的模 拟量，而a d 变换器只能接受幅值在小范围内变化的电压信号，此外，信号在导线 传输过程中，会受到工作环境的干扰，对于电压信号，经过传输后，幅值还会衰减。 因此，在电参数传输通道中，必须设置信号调理电路，使信号在滤除干扰后，能变 成幅值大小适当的信号并送入a d 转换器，以便m c u 来采样处理。本文采用的模拟 信号的采集方案是：采用小型交流互感器，将1 0 0 v 、5 a 的二次电压、电流信号转换 成+ 5 v 到一5 v 之间的弱电信号，并通过高精度的运算放大器进行信号调理，并通过低 通滤波电路滤波后，传送给后一级a d 转换电路。为了准确快速地反映出电网的运 行状态，要求该部分电路必须保证很高的线性度，为此本单元选用了东升公司的超 小型、高精密电流和电压变换器。这种变换器线性度为0 1 ，补偿后相移小于7 0 ，隔离电压高达2 5 0 0 v ，并且体积小，重量轻，可直接焊在印刷线路板上。模拟 通道变换电路如图2 3 所示。 m 图2 3 模拟通道变换电路 本文需要采样和转换的模拟信号一共有1i 路；母线三相相电压u a 、u b 、u c 和 零序电压u o ，测量用母线三相相电流i a 、i b 和i c ，保护用母线三相相电流i a 、i b 、 i c 和零序电流i o 。对于测量保护电流的电流变换器，因为其输入信号是故障情况下 的电流，一般比较大，因此选用了保护用的电流互感器c s - t a i ，一次侧输入电流可 达1 5 0 a ，动态范围很宽，保护时线性度仍可优于1 。，其输出端并联1 0 0 n f 的小电 容，用来去除耦合和滤波。 本文采用两片m a x i m 公司的m a x l 2 5 转换器来实现模拟量到数字量的转换。该芯 1 0 综合数字继电器的研制和开发 片内部包含4 个采样保持器，各自对应一个2 选1 的模拟输入( 分为a 、b 两组) ， 输出经4 选1 开关连接到个1 4 位、3 u s 的模数转换器。通道1 到通道刚原序转换， 存入片内4 1 4 位缓冲器中，最后给出转换完成信号。m c u 响应后顺序读出各通道 的a d 数据。m a x l 2 5 的工作电压为5 v , 允许输入电压为1 7 v ，因此有较高的使用 安全性。 i a x l 2 5 有8 个可编程工作模式，通过双向引脚d o a o d 3 a 3 可向m a x l 2 5 输入 数据，通过编程来设定芯片工作模式，工作模式一旦设定，m a x l 2 5 就能在指定的 工作模式下连续转换，直到重新编程或失电为止。其工作模式如表2 1 所示。 表2 ik a x l 2 5 工作模式 辜掌抉聪问 a 3a 2a ia o 模式 ( u 群) a 组f 取斌通转抉 0000 3 默认) 0 ool6 m f l 取堰遁转拱 00l09 a 组兰盟堪转换 o0 l l 1 2 a 缎四通趱车搴抉 0lo0 3 b 组单通墟转换 0lol为 b 缎双通城转挟 oll0 9 b 组量通墟转抉 0ll l 1 2 驭缎四通道将顿 lxxx m a x l 2 5 转换启动信号由高变低时启动a d 转换，其上升沿使片内多个采样保持 器同时保持各自模拟输入信号。根据设定的工作模式，顺序转换各通道的模拟输入， 并将量化值存入片内缓冲器。当最后一个通道转换完成，给出转换完成信号，通知 m c u 读a d 数据，第一个读信号的下降沿清除转换完成信号。 两片a i d 转换芯片启动信号和它们的片选地址由m c u 的c s 5 和地址线在c p l d 中经过一定的逻辑关系形成。本文采用的转换模式是同时启动两片a d 转换芯片的 a 组四通道进行转换，再同时启动两片a i d 转换芯片的b 组四通道进行转换。a d 转换芯片1 的转换结束信号与a d 转换芯片2 的转换结束信号在c p l d 中进行逻辑 “或”后，作为两片a d 转换芯片转换结束信号送到m c u 的i r 0 0 ( p 9 ) 中断引脚上。 当两片a i d 芯片的1 1 路模拟量采样结束后，通过m c u 的p 9 引脚给m c u 发一个转换 结束信号( 本文是采用查询方式来读取a d 转换结果) ，m c u 将1 1 路模拟量的转换 结果按照设定好的工作模式的顺序读到m c u 的内存单元中，实现了1 i 路模拟量的一 次模拟量数据的采集。 a d 转换原理图如图2 4 所示( 取a d 转换芯片2 为例) 。 综合数字继电器的研制和开发 图2 4a d 转换电路原理图 2 2 3 开关量输入输出电路 本装置中一共有2 0 路开关量输入信号，信号按其来源来分主要有两大类：一是 有关键盘和锁的信息，它主要反映有无按键的按下以及本地控制或远程控制的设置， 属于内部信息；另一个就是反映各路开关状态的信息，主要是断路器、隔离刀、接 地刀的通断状态等信息，属于外部信息。 对于第一类信息，由于它是内部信息，不会引起干扰，故其可以通过一个缓冲 器直接接到f l c u 的总线上，由c p l d 通过逻辑译码对该缓冲器产生一个片选地址，从 而确定了第一类开入量的i o 口地址，犯u 通过对该地址的访问就可以读取第一类 的开关量，如按键信息。 对于外部信息，由于给出开关信息的电气接点一般都处在高电压环境中，故其 电磁干扰也较强。为了防止差模干扰和共摸干扰串入到系统内部，对芯片造成损坏， 因而在外部开关量和系统电路之间加了光电隔离器，使系统可以承受4 k v 的电压干 扰。外部开关量在经过光电隔离电路隔离后，送给两片8 位双向选通器7 4 l v t h 2 4 5 ， 将各路外部开关量信号同m c u 的数据总线相连，m c u 通过访问由c p l d 的逻辑译码对 两片选通器产生的片选地址，即可采集到各路外部开关量的信息。开关量的隔离电 1 2 综合数字继电器的研制和开发 路如图2 5 所示。 i n l 图2 5 开关量隔离电路 本装置的开关输出量一共有8 路，为断路器合闸信号、断路器分闸信号和各种 故障的指示信号。为了使系统能够同外界的高压电路进行有效的隔离，同时也为了 防止差模和共摸干扰串入到系统内部，在设计开关量输出电路时，首先将开关输出 量锁存到数据缓冲器上，再经过一个光电隔离电路隔离后，作为最终的输出，去驱 动系统所要控制的断路器以及各个报警器。每路开关量输出均由开关量输出使能位 和相应的开关量控制位控制，只有当输出使能位为有效电平时各路开关量才能输出， 否则各路开关量禁止输出，所有的开关量输出都是低电平有效。使断路器跳闸 的信号有两种：保护跳闸和遥控跳闸信号，同样使断路器合闸的信号也有两种：保 护合闸和遥控合闸信号。保护跳闸、保护合闸的信号出口都同时由三路信号控制， 只有当三路信号同时为有效电平时，跳闸、合闸信号才有效，经过驱动电路，使断 路器跳、合闸。这样就避免了由于一路电平被干扰而发生误动作，增加了动作的可 靠性。 2 2 4 人机接口电路 人机接口( h m i ) 部分采用液晶显示和键盘输入的方式，配合l e d 显示。采用的 l c d 是t u r l y 公司的2 4 0 x1 2 8 图形液晶，其显示屏幕比较大，每屏可显示的信息 量较多，可以显示实时数据、一次接线图、实时波形、故障波形、整定定值和保护 信息等，给用户提供了一个良好的可视化界面。考虑到我国的国情，装置的可视化 部分采用全汉化显示，使得技术的应用更贴近了用户。显示控制芯片采用u c l 6 0 8 ， 在同类控制芯片中，该芯片功能比较强大，m c u 同u c l 6 0 8 直接接口，提高了显示速 度。共有8 个按键，其中两个是功能键，实现本地手动分、合闸，其他六个是方向 键，实现显示屏之间的切换。同时采用8 个发光二极管来进行工作状态的显示：运 行状态、分闸状态、合闸状态等。 2 2 5 温度和实时时钟电路 按照远动终端通用技术条件的要求，馈线终端单元应能将现场设备( 如断路器) 1 3 综合数字继电器的研制和开发 的变位信息及时记录下来，加上时间标志，并按时间顺序显示，即事件顺序记录功 能s o e ，这就要求装置能提供实时时钟。同时由于温度是影响电子器件可靠性的一 个主导因素，当温度超过一定范围时，电子器件的性能就会受到影响甚至造成器件 的损坏，这就要求我们能对装置的温度进行监测，当其超过一定的温度时，装置就 发出高温告警信号。本装置采用了美国d a l l a s 公司的温度和实时时钟芯片d s l 6 2 9 ， 具有宽电压工作范围和低功耗的特性，特别适合于用电池供电的精确时间和温度的 测量。 d s l 6 2 9 是达拉斯半导体公司1 9 9 9 年推出的2 线制串行接口并带有日历和时钟 的数字化温度计芯片，它将数字化温度传感器、实时时钟集成在一块芯片上。d s l 6 2 9 数字式温度传感器的精度为2 0 ，以0 5 为刻度输出一个9 位的温度测量值， 以指示器件所在的环境温度，其j 煲j 温范围为- - 5 5 + 1 2 5 ；实时时钟能提供b c d 码时钟日历，并备有2 1 0 0 年以内的闰年补偿，提供1 2 2 4 小时制两种模式；要求 外接3 2 7 6 8 k l _ z 晶体振荡器，片内自带分频器，提供一个漏极开路的分频信号输出 端；具有温度中断与时钟中断功能，可由用户设定为两者同时有效、单独有效或全 部禁止( 上电缺省状态) 三种状态：另外，它还具有3 2 字节通用s r a m ，可供用户作 一般记录使用。所有的通讯都由一个标准的二线制串行接口来完成。其工作电压范 围为2 2 5 v ，与孵u 的连接如图2 。6 所示。 v 0 c 3 v 3 图2 6 温度和实时时钟接口电路 其中，s d a 、s c a 为d s l 6 2 9 的串行数据线和串行时钟线，问a t 9 1 m 4 0 8 0 0 的 p 2 0 s c k i 、p 1 3 s c k o 连接在一起，进行数据的通讯。v b a c k p 为备用电源，正常工作 时，由主电源v c c + 5 经过3 个二极管降压后供电，供电电压大约为3 2 伏，在系统掉 电情况下，由备用电源供电( 为小于3 6 伏的电压) ，保证了时钟和温度测量的准确 性和实时性。 1 4 综合数字继电器的研制和开发 2 2 6 工作电源电路 在电子装置中，电源的好坏直接关系到装置是否能够正常工作，电源的品质也 影响着a d 转换精度，其作用不言而喻。同传统的线性电源相比，开关电源是利用 现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的 一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制( p w m ) 控制i c 和m o s f e t 构成，具有体积 小、重量轻( 体积和重量只有线性电源的2 0 3 0 ) 、效率高( 一般为6 0 7 0 ，而线 性电源只有3 0 、4 0 9 6 ) 、自身抗干扰性强、输出电压范围宽和模块化等特点。 由于本装置用于工业控制上，对电源的效率有很高的要求，力求电源的效率达 到最高，同时由于本装置是安装在开关柜上，对于装置的体积有一定的要求。根据 开关电源的特点以及装置的要求，本装置的电源采用了a c d c 的开关电源，其工作 原理是：2 2 0 v 的交流输入电压经过e m i 滤波电路和电容滤波电路滤波后，送给后续 的整流电路，经过整流电路后得到一直流电压，再由电流控制型脉宽调制器芯片 u c 3 8 4 2 来控制大功率晶体管i r f b f 3 0 不断的导通和关断，对直流电压进行斩波，再 通过高频变压器的降压作用得到频率为几十赫兹的矩形波电压，然后整流滤波后得 到一比较平滑的直流电压，再经过稳压器的稳压得到纹波小的直流电压，为整个装 置提供电源。通过控制晶体管i r f b f 3 0 的导通和关断的占空比来达到控制输出直流 电压的目的。其原理框图如图2 7 所示。 图2 7 开关电源原理框图 采用e b l i 滤波电路的作用有二，一是防止电源本身的电磁干扰脉冲通过传导或 辐射方式干扰公共线路上的其他电器设备；二是防止公共线路上的电磁脉冲干扰电 源本身的工作。同时由于电源电路的高可靠性，本电源电路还设有很多的保护电路， 如采用压敏电阻来进行交流侧输入电压幅度的限制等。 本装置的电源电路产生的电源电压等