（机械设计及理论专业论文）数字备用电源自动投切装置的研制.pdf

摘要 y 。9 3 0 2 5 6 安全性、经济性和质量是电力工业生产必须满足的几项基本要求。近年来，经济 的发展对电力服务的要求日益增高，电能质量，供电可靠性越来越得到重视，除了加 强电网的框架结构及增加容量外，备用电源自投装置是一种经济、方便、效果显著的 电力自动保护装置，开发数字式备用电源自投装置对于电力系统的可靠、安全地供电 具有重要意义。 本文从电力系统现场运行的实际出发，设计开发了一套数字式备用电源自投装置 并投入了实际运行。 首先，分析了自动装置的发展情况以及传统备自投装置的不足，在此基础上提出 数字式备用电源的必要性并提出备用电源自投装置的发展趋势。 其次，本装置的硬件平台是以i n t e l l 6 位单片机8 0 c 1 9 6 k b 为控制核心，详细论 述了装置的主要功能模块的工作原理和设计方案。 接着，本文论述了装置的各种测量、保护算法以及具体到微控制器中的实现方法， 同时对其中的一些算法进行了误差的分析，并从软件上实现了频率跟踪和同步采样。 本装置采用了实时多任务调度系统以保证各个优先级不同的任务能够按先后顺序 有条不紊地执罩亍，既保证了软件的可靠性和稳定性，也满足了电力系统对强实时性的 要求。软件的编制采用模块化的编程方法，每个模块相对独立，完成某一个特定的功 能，便于维护和添加新功能。 本文还对电磁兼容做了较为详细的论述，对本文所研制的装置在硬件上和软件上 所采取的各种抗干扰措旌进行了具体说明，并给出了部分电磁兼容实验的数据结果。 最后，本文对各自投装置的一个实际工程应用进行了说明，证明本论文中所研制 装置符合实际的运行要求。 关键词：自动装置备自投实时多任务调度电磁兼容 论文类型：应用研究 t h e d e v e l o p m e n t o f d i g i t a ls t a n d b yp o w e r s u p p l y a u t o - s w i t c hd e v i c e i nr e c e n ty e a r s w i mt h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m yo f o u rc o u n t r y , e l e c t r i cp o w e r s e r v i c eh a sb e e ni n c r e a s i n g l yh i g hr e q u e s t e d t h ee l e c t r i cp o w e rq u a l i t ya n dp o w e rs u p p l y r e l i a b i l i t yh a v e b e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e s i d e ss t r e n g t h e n i n gp o w e rs u p p l y f r a m ec o n s t r u c t i o na n di n c r e a s i n gc a p a c i t y , s t a n d b yp o w e rs u p p l ya u t o - s w i t c hs y s t e m ( s p s a s s ) i sak i n do f e c o n o m i c a i c o n v e n i e n ta n de f f e c t i v ea u t o m a t i cp r o t e c t i v ed e v i c e i t i ss i g n i f i c a n tt od e s i g na m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dd e v i c eo fs p s a s sf o rt h es a f ea n dr e l i a b l e p o w e rs u p p l y i nt h i st h e s i s ，am i c r o p r o c e s s o r - b a s e dd e v i c eo fs p s a s sh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do n e l e c t r i cp o w e rs y s t e mf i e l dl i n eo p e r a t i o n f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y z e sd e v e l o p m e n to f t h ea u t o m a t i cd e v i c ea n ds h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a ls t a n d b yp o w e rs u p p l ya u t o - s w i t c hs y s t e m ( s p s a s s ) ，a n dt h e ni n t r o d u c e s m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dd e v i c eo fs p s a s sa n di t sd e v e l o p m e n tt r e n d s e c o n d l y ，w i t ht h ec o n t r o lc o r eo f a1 6 一b i tm i c r o p r o c e s s o ri n t e l 8 0 c 1 9 6 k b t h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e s i g n i n gs c h e m eo f m a i nf u n c t i o nm o d u l eh a v eb e e nd i s c u s s e di n d e t a i l t h e n , a l ls o r to fm e a s u r i n ga n dp r o t e c t i n ga r i t h m e t i ca n dt h e i rb e i n gr e a l i z e di nm c u h a v eb e e nd i s c u s s e d ，s o m ee r r o rh a sb e e na n a l y z e d ，f r e q u e n c yt r a c i n ga n ds y n c h r o n o u s s a m p l i n ge r er e a l i z e di ns o f t w a r e t h i sa p p a r a t u su s e sr e a l - t i m et a s k ss c h e d u l i n gp r o c e s st oe n s u r ea l lt a s k sh a v i n g d i f f e r e n tp r i o r i t yt or u ni na no r d e r l yw a y s o f t w a r ei sw r i t e di nm o d u l e ，t h i sc a nm a k e b e i n gm a i n t a i n e da n da d d e ds o m ef u n c t i o ne a s yt h a ne v e r t i l i sd e s i g no fe m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p i l 曲o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e n d i s c u s s e di nd e t a i l a n ds o m ee x p e r i m e n t a t i o nd a t ah a sb e e nl i s t e d a tl a s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e sa c t u a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fs t a n d b y p o w e rs u p p l ya u t o - s w i t c h ，s h o w i n gt h a tt h ed e v i c ed e v e l o p e di nt h i sp a p e rs u i t sf o ra c t u a l r u n n i n gd e m a n d x i z h e n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i us h u - g n a n g k e yw o r d s ：t h ea u t o m a t i cd e v i c e ，s t a n d b yp o w e rs u p p l ya u t o - s w i t c h ，r e a l t i m em u l t i - t a s k ， d i s p a t c hs y s t e m e m c t h e s i ss t y l e ：a p p l i c a t i o ns t u d y 第1 章绪论 1 绪论 安全性、经济性和质量是电力工业生产必须满足的几项基本要求，电网继电保护 及自动装置用于保护电网及其设备，又鉴于其重要性与技术特点，历来为科研、设计 与电网调度、运行部门所重视。电网结构、电网运行方式，系统故障形态与异常方式 变化多端，为了快速、可靠而又有选择性地切除故障和终l 匕电网异常状态，长期以来， 研究生产了各种线路保护、母线保护以及自动重合闸和低周减载、备用电源自投等装 置，满足了电网运行的需要，为支持大电网的发展及供电可靠性，发挥着重要的作用。 自动装置、继电保护技术的发展，微电子技术的推广应用，配合现代通信技术的快速 发展，可以认为，目前的电网继电保护、自动装置技术上已基本成熟，可以适应各种 电网运行接线，以及不同电网运行方式的要求“。 1 1 自动装置的发展2 m 1 电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力 和效益。但是，国内外的经验表明，大型电力系统一旦发生自然或人为故障，不能及 时有效地得到控制而失去稳定运行，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。 所有的电力工作者都在千方百计采取各种技术的、管理的措施，力求避免电网的稳定 性遭到破坏和瓦解，防止出现大面积停电事故。其中，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及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。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。 近年来，随着电网技术的不断发展，电网规模日益扩大，为了保证电力系统的安 全稳定运行及供电可靠性，除了在电网配置合理的、充分的、有效的、可靠的继电保 护装置外，一些必要的电力系统安全自动装置也被广泛应用于电力系统。 纵观几十年间迅速发展的自动装置，从起初的电磁型、感应型到后来的晶体管型、 集成电路型，直到现在的微机型( 数字式) ，发展相当迅速。就微机型( 数字式) 自 动装置来说，有原先的8 位单片机，到大量投入运行的1 6 位机，以及近来发展起来 的3 2 位机，都体现了这一领域的飞速发展。电磁型保护是最初的一代继电保护电路， 是用一个个各种功能的继电器组成一面完成一项特定功能的保护屏，各继电器之间用 导线将它们按不同的逻辑连接起来，完成具体的工作，如用于保护线路的线路保护， 用于保护变压器的变压器保护及用于保证不间断供电的备用电源自投等等“1 。最重要 的是电磁型装置各个元件之间需要配合，而机械的构件易磨损，以至于这一装置的可 靠性不能有一个新的突破。另外，电磁型元件之间的配合是通过强电( 一般是直流1 1 0 第1 章绪论 伏或2 2 0 伏) 来实现的，在机械的触点及线圈经常会出现燃弧和短路而损坏元件，同 样也威胁着这一代自动装置的可靠性。在工作人员检修时，需要将每个元件单一进行 检验，无形中增大了检修人员的工作量，同样也延长了停电的时间。随着人为因素的 增多，元件的整体功能下降，直接影响自动装置的灵敏性及可靠性。整流型自动装置 的原理和电磁式不同，它是利用流过电流的大小，引起电场和磁场的变化来实现的， 没有从本质上脱开电磁型自动装置的局限性。晶体管保护技术是当时继电保护向前迈 进的一大步。其元件的构成摆脱了电磁型保护的电磁铁、线圈、触点的模式，取而代 之的是三极管、二极管、电阻、电容、晶闸管、2 4 伏密封继电器等，利用晶体管的 饱和区和截止区的开关特性，辅之与门、或门、非门、与非门等逻辑门电路，可实现 较为复杂的比幅、比相、比频率等回路，从而实现各种电力系统所需要的功能。晶体 管型装置的出现，大大提高了电网的安全性、可靠性、快速性及灵敏性。随着集成电 路的发展，集成电路电力自动装置也产生了，大量的分立元件被高度集成化，从体积、 外观上较晶体管装置都有所改进，检修量减小，可靠性增加，但由于集成芯片的质量 问题，这类元件的故障率较高，同样威胁着电网的安全。集成电路装置的诞生如昙花 一现，紧接着就出现了第一代的微机保护系统，这也是电力自动化史上的一次飞跃。 微机继电保护装置一般以微处理器为基础，采用数字处理的方法用不同的模块化 软件来实现各种功能。这种保护装置将现场的各种信号通过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。 微机型( 数字式) 自动装置以它得天独厚的优良性能在电力领域迅速发展壮大。 在文献“备用电源自投的特殊运用”一文中提出备自投的逻辑用程序实现，自我检测 功能，动作时限非常精确，动作速度快，易于维护等特点的构想，令其地位迅速取代 了其他类型的产品“1 。随着这几年的发展，基于微处理器的装置，具有很大的优势， 在文献“综合自动化技术研讨会论文集”电力系统的许多自动装置已经实现集各种相 关功能于一体，并易于实现双重化。远方通讯功能的实现，管理人员可以随时监测装 置的运行状态，调用数据、改变定值，为现代化管理提供了必要的物质基础。自动故 障定位，及时发出警报，用备用插件置换故障部件，可以在试验室集中进行专业检修 等功能。这一切提高了自动装置的安全运行水平，显著地延长了运行检测周期和减少 运行检测项目，同时也影响到专业人员的配置，从而大幅度提高继电保护的管理水平 和专业人员的素质”1 。 2 第1 章绪论 随着微处理器的性能价格比不断提高，现代化通信技术的迅速发展，以及标准化 协议的陆续推出，自上世纪9 0 年代以来，变电站的综合自动化成了热门话题”“”。 所谓综合自动化，在“变电所自动化技术与无人值斑”一文中是这样定义的：将变电 站中一切功能由微机实现，如继电保护、自动装置、远方控制、远方监视、故障测量 记录等功能，合理地实现分工协调，通过变电站就地通信网络把实现这些功能的微机 设备联接在一起组成一个完整的变电站综合二次系统，同时通过接到通信网上的通信 接口设备与上级调度和生产管理部门实时地直接进行联系“1 。 变电站综合自动化系统应当是电网调度自动化系统与生产管理现代化系统的一 个有机组成部分，它必须在总体规划的要求下，进行具体的安排，使之服从整个调度 运行管理与生产管理的全面需要。以此为根本前提，要求所设计的变电站综合自动化 系统的结构先进合理，需要采用新技术的环节，和只有采用新技术才能解决的问题， 应当尽可能地采用最先进的技术和设备，以期取得最大的技术、经济效果，并能为今 后的系统发展及技术发展留有余地“”。 备用电源自投装置，是电力自动装置的一种，其主要功能是解决供电可靠持续性。 在“双电源自投方案”一文中提出备自投利用序分量检测故障的论述。及在文献【1 l 】 中提出主变过流保护掉闸后母联断路器的自投问题。在文献【1 2 】中用微机系统实现 了变压器各自投的模式e 1 2 1 0 在文献“一种设置灵活可靠的微机备自投装置”中也用 微机系统实现了低压所用系统备用电源的自投。但由于备用电源自投装置随变电站一 次系统的不同而不同，所以考虑也各不一致。为适应要求，设计一套能应用在综合自 动化变电站中运行的成熟的备用电源自投装置迫在眉睫，所设计的各自投装置必须满 足实用性、安全性、可靠性、灵活性、先进性、适应性等几个方面的要求“”“”。 1 2 课题研究的目的和意义1 们1 随着社会经济的发展，城乡电网规模不断扩大，电网结构日趋复杂，这对保证变电 站供电可靠性提出了越来越高的要求。影响供电可靠性的因素很多，如变电站所处的 地理位置、气候环境，站内一次、二次设备的可靠性，变电站的运行管理，合理的电 网结构与完善的电网调度系统，以及完善的备用电源自投方案等。其中备用电源自投 ( 以下简称各自投) 是提高供电可靠性的一种有效手段。 备用电源自动投入装置是电力系统中为了提高供电可靠性而装设的自动装置。提 高多电源供电负荷的供电可靠性对保证连续供电有重要作用。备自投装置是在工作电 源因故障或其他原因消失后，迅速将备用电源或其他正常工作电源投入工作并断开工 作电源的自动装置。备用电源自动投切装置是保证供电连续性，提高供电可靠性的重 要措施。采用这种装置可以简化电力网的接线和继电保护装置的配置方式，节省设备 投资，减少运行损耗，而且其本身具有结构简单、造价低、应用范围广的优点，因而 在电力系统中被广泛使用。国内外对它的研究也比较深入。 第1 章绪论 传统电磁型各自投装置是使用继电器构成的逻辑回路，如果对于某一主接线形 式，已设定其中一个开关为永久备投点，则可以用继电器搭出比较简单可靠的各自投 回路。但对于实际的运行方式来说，不可能永远在一种方式下送电，顾及到电网的灵 活性，则传统电磁型的备自投装置存在的缺点不可忽视。 首先，目前的电网在设计时，都考虑了足够的灵活性，在这种情况下，如果无法 确定母线的长期运行方式，则备用电源自投功能就要适合各种运行方式，这样，相应 的逻辑回路就错综复杂得多。这无疑给运行维护带来很大的工作量，同时也给可靠运 行带来隐患。 其次，在老站改造时，对已运行设备加装备自投装置。这时，因为各自投面对的 是一系列断路器，在屏上难以安装足够的继电器，这时只有两种选择，一种是缩小自 动投切范围，这样必将导致某段母线断电时无法及时送电，另一种选择就是分散安装 继电器，在屏背后或其下部横档甚至相邻屏上安装继电器，使一套回路接线更加复杂。 给正常的管理带来极大的不便。 现在，由微机系统构成的备自投装置，以其性能可靠、功能齐全、使用方便的独 有优势，正在逐步地代替传统电磁型的各自投装置。微机各自投装置从它得天独厚的 优良性能在电力领域迅速发展壮大，其具备以下特点： 维护调试方便：微机各自投装置对硬件和软件都有自检功能，装置上电时，有故 障就会报警。与过去大量使用的整流型继电器的各自投装置相比，微机备自投装置几 乎可以不用调试，可以大大地减轻运行维护的工作量。 可靠性高：在各种保护方法中，考虑到了电力系统中各种情况，具有很强的综合 分析和判断能力。微机系统运行时，可以不断进行自检，因此，可以立即检查出微机 各自投装置内部的大多数随机故障，而采取适当的纠正措施。 易于获得各种附加功能：由于计算机的通用性，因而在微机备自投装置的基础上， 可以很方便地通过增加软件的方法获得备自投之外的功能。例如，各自投的动作顺序 记录，过负荷减载，过流保护等。 各自投动作逻辑易于改变，应用方式灵活：对于相同的硬件，可以通过软件动作 逻辑和定值控制字的不同，实现各种各自投逻辑和应用于不同的各自投系统，而不需 要改动任何硬件。 便于远方监控：微机各自投装置设有通讯接口，可以方便地将各地备自投装置纳 入综合自动化系统，实现远方定值修改。 1 3 备用电源自投装置的应用原则 在大多数地区1 1 0k v 及以下电压等级的电网中，为了节省设备投资，简化电网接 线及其继电保护的配置，往往采用放射形开环供电方式。在这种网架接线方式下，备 用电源自投装置是保障电网安全运行和不间断供电的重要技术手段，也是电力系统和 第1 章绪论 电力用户的最后一道安全屏障和依靠。根据继电保护和安全自动装置技术规程的 有关规定自动投入装置应符合下列要求“”： ( 1 ) 保证在工作电源或设备断开后，才投入备用电源或设备； 工作电源故障或其断路器被错误断开时，备用电源应能可靠地自动投入。只有当 工作电源断开以后，备用电源才能投入。主要目的是提高备用电源自动投入装置动作 的成功率。假如工作电源发生故障，断路器尚未断开时，就投入备用电源，这样就势 必扩大事故，加重故障设备的损坏程度。 ( 2 ) 工作电源或设备上的电压，不论因何种原因消失时( 如工作电源故障或被误 断开等) ，自动投入装置均应延时动作； ( 3 ) 自动投入装置应保证只动作一次，以避免备用电源投入到永久性故障时继电 保护动作将其断开后又重新投入，对系统造成再次冲击； ( 4 ) 备自投装置在电压互感器二次侧的熔断器熔断时不应动作； ( 5 ) 备用电源无电压时，各自投装置不应动作； ( 6 ) 手动断开工作回路时，不启动备自投装置； ( 7 ) 备自投装置中，可设置工作电源的电流闭锁回路。 由于备用电源自投装置在电力系统所起作用的特殊性，决定了在实际应用中，从 设计选型和整定计算两方面，都必须把重点放在强调可靠性和灵敏性上“”。 当备用电源自投装置动作时，往往是由于电网运行中已经发生了设备永久性故 障、人员误操作或一二次设备不正确动作等严重情况。在这种情况下，各自投装置如 果仍不能够可靠动作，必将导致停电事故或停电范围的扩大，所以在系统发生故障或 事故的情况下，要坚决防止由于备用电源自投装置拒动而导致停电事故或停电范围扩 大。 因此，在备自投装置的回路设计和逻辑编程中，要尽量考虑足够的启动量，完善 检查量，以提高可靠性，并考虑适当简化闭锁量，降低启动量整定值，以提高灵敏度。 但是决定各自投装置动作与否的条件和因素是很多的。变压器本体保护或后备保护的 动作闭锁、母线压变检修和二次电压并列与切换的影响、进线或主变负荷电流的闭锁、 备用电源有电与否的检测等。考虑的环节越多，保护装置的动作逻辑就越复杂，需要 检测和判别的条件就越多，任何一个条件的不满足或是不正确，都有可能导致各自投 装置的拒动。 电力系统在日常调度运行的方式安排中，一般均安排好备用电源正常热备用，此 时即使各自投装置误动作，只等同于一次非计划的自动翻电过程，其后果比拒动好。 所以对于实际应用中的回路或逻辑设计，应根据电网的实际情况尽量减少不必要的环 节( 例如备用电源有电与否的电压检测、进线或主变负荷电流的闭锁、变压器本体保 护或后备保护的动作闭锁等) ，以保证各自投装置可靠动作。 第1 章绪论 在强调各自投装置要确保可靠动作的同时，也要尽量避免误动作。如在整定计算 时尽量予以弥补。为防止系统非永久性故障情况下各自投装置的误动作，在时间定值 配合上，可以在允许的范围内尽量放长，在考虑与线路保护整定延时、重合闸延时、 后加速保护延时、开关分合闸时间等时间进行匹配时，将配合时间级差多加1 2 个 t 。 1 4 备用电源自投装置发展的趋势 现在国外不少厂家的自动装置新产品中，很多已采用了“虚拟逻辑编程”概念， 也就是将装置的各种输入、输出模拟量、开关量，通过与、或、非等逻辑门电路定义， 来实现各种保护功能，包括一些逻辑定义的输出，仍然可以定义作为另外的逻辑门电 路输入。这一类技术目前部分已经实用化，并且仍在发展中。考虑到计算机软硬件技 术的飞速发展，可采用“虚拟逻辑编程功能，进行图形化直观式编程和整定，技术人 员只要利用软件画出保护安全自动装置的逻辑流程图，标明相关整定项，即可自动生 成相应的保护程序和整定值。 这种类型的各自投装置有良好的人机交互界面和操作环境，能够进行灵活的逻辑 设计，具有直观明确的功能逻辑流程图，既能够充分发挥人的主观能动性，也便于日 常的运行维护，我认为这是今后各自投技术发展的主流和方向。 1 5 本文所完成的工作 本文利用目前市场上比较主流的微机保护技术，吸收和综合国内、外其他同类产 品的优点，克服其不足的一面，设计开发了适用于3 5 k v 及以下的电力用电源各自投 装置，并将该装置成功用于蔚州单侯矿井6 k v 变电所双电源进线线路的自动投切上。 经过数月的实际运行，各自投逻辑正常，无误动或拒动的现象，确保了电力系统的安 全稳定运行及供电可靠性。论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 针对电网运行的不同方式，深入研究了备用电源自动投切的基础理论； ( 2 ) 合作完成了样机的各个模块的原理图设计； ( 3 ) 合作完成了样机的印制电路板( p c b ) 绘制； ( 4 ) 主要完成了数据处理算法的研究； ( 5 ) 完成了样机的数据处理软件的编制和调试； ( 6 ) 完成了样机与上位机的通信功能的设计与调试； ( 7 ) 完成了样机的电磁兼容性实验与测试： ( 8 ) 通过一个典型工程的应用，验证了各自投装置的保护功能和可靠性。 6 第2 章装置的总体结构及硬件设计 2 装置的总体结构及硬件设计 2 1 备自投装置系统功能 ( 1 ) 保护功能 母分备自投：电流速断保护( 可设为合闸速断、低电压闭锁速断) 、限时速断保 护、定时限过流、各自投、后加速保护、控制回路断线告警、断路器失灵告警； 进线各自投：电路速断保护、限时电流速断保护、定时限或反时限过电流、备自 投、后加速保护、小电流接地选线、控制回路断线告警、断路器失灵告警。 以上两种各自投方式在不同的模块上实现。 ( 2 ) 控制功能 可以在本地或通过上位机遥控操作各类可控开关设备，如断路器的分合闸操作 等。 ( 3 ) 测量功能 全部电量的测量采用交流采样获得，采样元件采用精密电压电流传感器，体积小， 重量轻，精度高。其中，母分备自投可以测量u a l 、u b l 、u c l 、u a 2 、u b 2 、u c 2 、 i a b 、i b b 、i e b 、1 1 、i 2 、f 等模拟量。进线各自投可以测量u a 、u b 、u c 、u a b 、 u b c 、u c a 、i a 、i b 、i c 、i a b 、i b b 、i c b 、i l 、u l 、c o s 中、f 、p 、q 、p w h 、q v h 等 模拟量。( u a 、u b 、u c 为相电压，u a b 、u b e 、u c a 为线电压，i a 、i b 、i c 为相电流， i a b 、i b b 、i e b 为保护电流，1 0 b 为零序电流，c o s m 为功率因数、f 为频率、p 为有 功功率、q 为无功功率，p w h 为为脉冲电度、q v h 为积分电度。) ( 4 ) 开入量检测功能 母分各自投具有1 2 路开入量采集，进线备自投具有l o 路开入量采集。 ( 5 ) 远方单元管理功能 通过上位机可实现遥控、遥信、遥调、遥测、远方改变定值、保护远方投退、远 方召唤实时波形、故障录波上传、远方设定电度底码等功能。 ( 6 ) 通讯功能 装置采用r s 4 8 5 接口，各功能单元可与主控计算机( 或通信管理机) 进行通讯， 从而实现信息的远方传送和交换。通过主控计算机还可实现对保护装置定值的远方查 询、整定功能以及对装置的远方控制功能。 ( 7 ) 事件追忆功能 装置具有6 0 个事件追忆功能，可自动记录事件的发生时间、类型及动作值。其 时间记录的分辨率小于1 毫秒，并且具有掉电不丢失功能。 ( 8 ) 保护事件记录功能 第2 章装置的总体结构及硬件设计 装置设置了保护事件记录功能，只显示保护的动作类型和动作值，使用户一目了 然。 ( 9 ) 实时波形显示及故障录波功能 装置可实时显示各个相电压、线电压、相电流、保护电流的波形，并且具有故障 录波的功能，能记录故障时2 秒钟( 1 0 0 个周波) 的电流电压波形。这为监视系统运 行，分析事故原因提供了详细的资料。 时钟功能 装置具有时钟显示功能，与上位机连接可实现自动对时功能。 2 2 整体结构设计及工作原理 2 2 1 硬件平台总体结构 图2 1 硬件构成框图 装置功能单元由主控板、电源板、操作面板控制板、l c d 控制板、电流电压变 换器板、继电器板及外壳与接线端子构成，其结构简图如图2 1 。内部各部件采用分 层安装，散热好，抗干扰能力强。 2 2 2 装置硬件工作原理 从电网一次设备c t 及p t 采样来的电压、电流信号经精密电压、电流变换器采样， 经低通滤波后再经8 选l 多路开关、高精度运算放大器放大、限幅保护，变换成一定 幅度的交流电压信号，经a d 转换产生的数字量通过单片机8 0 c 1 9 6 k b 来运算、处理， c p u 同时还接受经光电隔离的脉冲信号和遥控输入信号量以及通过键盘查询、整定定 8 第2 章装置的总体结构及硬件设计 值等操作产生的输入信号量。所有这些经a d 转换的数字量以及外部输入的信号量 经c p u 综合运算、处理，当满足动作条件时便发出相应的跳、合闸信号和告警信号到 驱动接口电路，接着驱动接口电路将这些信号送到出口继电器板，出口继电器板上的 跳、合闸继电器触点接通断路器的跳、合闸回路，告警信号继电器接通告警回路。同 时，c p u 发出相应的位置、状态信号。所有信号测量、保护动作值、跳合闸变位记录、 整定过程、查询过程、故障类型、故障波形、遥信量、电网频率、时间等均能在l c d 上显示。 本装置有一个经光电隔离的串行通信r s 4 8 5 r s 4 2 2 接口，利用它可以与远方调 度中心进行通信，实现遥控、遥信、遥调、遥测等功能。同时具有定值的远方查询及 整定( 前面板三位锁在设置位) 、远方保护压板投退( 前面板保护压板在退出位置) 等远方控制功能。工作原理如图2 - 2 所示。 跳 a 口 闸 | 信 号 继 电 器 驱 动 接 口 串行通讯接口 大屏幕l c d 显示器 显示控制器 8 0 c 1 9 6 k b 状态信号ll 位置信号 看门狗电路 开关量输入 脉冲量输入 a d 转换 采 样 电 压 电 流 电 路 测量c t 保护c t p t 图2 - 2 装置工作原理图 2 3 装置主要功能模块介绍 2 3 1 主控板模块“” 主控制板由c p u 、紫外线可擦除程序存储器2 7 c 5 1 2 、数据存储器6 2 2 5 6 、光电 隔离开关量输入接口、串行e e p r o m 、继电器驱动控制电路、模拟量低通滤波器、 高精度运算放大器、限幅保护电路、a d 转换器、硬件w a t c h d o g 、光电隔离通讯 接口等组成。整个主控模块完成了对数据采样、计算、逻辑判断、输出、自检、参数 设置等功能。 9 第2 章装置的总体结构及硬件设计 装置中c p u 采用i n t e l 的1 6 位微处理器芯片8 0 c 1 9 6 k b ，主频采用1 6 m 。8 0 c 1 9 6 拥有丰富的接口资源，开发工具齐全，芯片价格低廉。因而，8 0 c 1 9 6 是比较合适的 选择。8 0 c 1 9 6 k b 是i n t e 公司继8 0 9 6 b h 后推出的性能c h m o s l 6 位单片机，c h m o s 芯 片耗电少，除了正常工作外还可以工作于2 种节电方式和掉电方式，进一步减少了芯 片的功耗。8 0 c 1 9 6 k b 的中央处理器和存贮器控制器在结构上与8 0 9 6 b h 的相同，它除 了8 0 9 6 b h 已包含的外设( 时钟发生器、i o 口、a d 转换器、p w m i 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。它的主要 性能如下： ( 1 ) 1 6 位的c p u ( 中央处理器) 该c p u 在结构上的最大特点是：没有采用 习惯的累加器结构，改用寄存器一寄存器结 构，c p u 的操作直接面向2 5 6 字节的寄存器空 间，消除了一般结构中存在的累加器瓶颈效 应，提高了操作速度和数据吞吐能力。1 6 位c p u 支持位、字节、字操作，在部分指令中还支持 3 2 位双字操作。 ( 2 ) 高效的指令系统 该指令可以对不带符号和带符号数进行 操作，有1 6 位乘1 6 位和3 2 位除1 6 位的乘除指 令，有符号扩展指令，有数据规格指令等等， 这些是它优于m c s 一5 1 指令系统之处。 ( 3 ) 1 0 位a d 转换器 图2 3c p u 最小系统 8 0 c 1 9 6 k b 有八路带采样保持器的1 0 位a d ，采样时间和转换时间可通过a d 时间寄 存器a dt i m e 软件设置。 ( 4 ) 脉宽调制输出 作为a d 转换器输出，8 0 c 1 9 6 k b 单片机可以直接提供脉宽调制信号。 ( 5 ) 全双工串行口 ( 6 ) 高速输入输出口 高速意味着这些功能是自动地实现，无c p u 的干预。高速输入器可以对于内部定 时器产生实时时钟，共可记下8 个事件；高速输出器可以按规定的时刻去触发某一事 件，任何时候，都可以悬挂起8 个事件。 ( 7 ) 5 + 8 位标准输入输出口 除了上述高速输入输出口以外，它还有5 个8 位标准输入输出口，这些口有相当 第2 章装置的总体结构及硬件设计 一部分是多用途的。 ( 8 ) 2 8 个中断源和1 8 个中断向量 ( 9 ) 可动态配置的总线 在运行过程中8 0 c i k b 可动态配置成8 位或1 6 位的总线，以便适应对外部存储器 进行字节操作和字操作的不同要求。 ( 1 0 ) 2 5 6 字节的寄存器阵列和专用寄存器 ( 1 1 ) 2 个1 6 位定时器 其中定时器1 在系统中作时钟使用，系统运行时不停地循环计数，定时器2 根据外 部的触发信号而计数，实际上是一个外部事件计数器。 ( 1 2 ) 4 个软件定时器 4 个软件定时器受高速输出器控制，达到定时时间时设置相应的软件标志，可激 活软件定时器中断。 2 3 2 存储器电路 u 1 8 为e p r o m ，用来做程序存储器，共6 4 k ，地址为o o o o h f f f f h ；u 3 为外部 r a m ，用来做数据寄存器，共3 2 k ，地址为8 0 0 0 h f f f f h ；u 1 7 为e e p r o m ，用来做定 值存储，共2 k 。 2 3 3 模拟量采集模块 图2 4 存储器电路 c p u 所处理的电流、电压信号为数字信号，这就要求对一次回路电流、电压经过 电流互感器和电压互感器变换，然后再输入到调理电路进行放大、滤波处理，经过多 路转换开关，进入8 0 c 1 9 6 k b 内部自带的a d 转换( 十位精度) 输入通道，进行模数 第2 章装置的总体结构及硬件设计 转换和计算分析处理。 ( 1 ) 电量采集“”“” 互感器的作用就是把一次侧强电的交流电压、电流转换为交流弱电信号。本装置 中采用小型交流互感器，将1 0 0 v 、5 a 的二次电压电流转换弱电信号+ 1 2 v 到一1 2 v 之间，并通过高精度的运算放大器进行信号调理，并通过低通滤波器滤波后，传送给 后一级a d 转换电器。 在本装置中电流信号的采集使用g c t 一2 1 1 b 型电流互感器，它是一种保护型的互 感器，输入范围为0 - 5 0 0 h ，输出为0 5 a ，内部具有隔离和屏蔽电路，使得被测电流 信号不被强电所干扰。电压信号的采集采用电流型电压互感器g p t 一2 0 6 b o 它适用于 1 0 k v 及以下电压等级，l r o a 一1 0 0 h 电流等级的5 0 h z 和4 0 0 h z 正弦波测量和保护。该系 列互感器具有以下几点明显的特点： 输出电流信号传输远、抗干扰强； 具有较高的二次负载、通过i v 转换，容易与线性放大电路接口； 小电流( 下限值l m a ) 测量时起始灵敏高； 优良的线性度和相角差： 二次线圈匝数均在千匝至数千匝，调试后比值差( 精度) 高达0 1 。 根据设计要求，以三相电压中的a 相为例，交流取样的互感器电路图如图图2 5 到图2 1 0 ，其他相相同。 备 图2 5i 段p t 7 图2 7 备用零序c t 1 2 图2 - 6i i 段p t i 图2 - 8 备用测量c t 第2 章装置的总体结构及硬件设计 图2 - 9 母线进线电流监测c t图2 1 0 保护电流互感器 互感器电路总共1 4 路，i 段p t 、i i 段p t 各三路，备用测量c t 共两路，备用 零序c t 一路。i 段母线进线电流监测c t 、i i 段母线进线电流监测c t 各一路，保护 电流互感器三路。 1 4 路调理过的模拟信号经过r c 滤波处理后，首先经过两片8 选1 多路开关 m a x 3 5 4 分成两组信号，然后对选择的信号进行电压跟随，再利用8 0 c 1 9 6 k b 内部的多 路开关，进行输入通道的选择，最后经过采样保持后进入8 0 c 1 9 6 k b 内部自带的a d 转换通道，对每个周波进行1 2 点采样。 ( 2 ) 测频电路 电力系统的频率是在缓慢变化的，而频率变化对测量精度有很大影响，尤其是 对谐波分析的影响更为严重。为了提高测量精度，本装置中，用软件的方法对电力系 统进行了频率跟踪从而实现同步采样。测量频率的信号取自a 相电压u a 。测频电路 是一个由通用比较器构成的迟滞 较器，进行过零检测。如图2 1 1 所示：可以实现 电网频率计算，用8 0 c 1 9 6 k b 的h s i 0 检测并记录方波信号每个上跳沿发生的时刻， 即可计算出电网交流信号的频率和周期。 图2 1 1 测频电路 ( 3 ) 测温回路 如图2 1 2 所示，该电路用于测量主控板的温度，a d 5 9 0 是美国模拟器件公司生 产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性是：流过器件的电流( 幽) 等于器件所 处环境的热力学温度( 开尔文) 度数，即： 第2 章装置的总体结构及硬件设计 争= 1 ( 卅旧 通过测量采样电阻r 0 2 1 的电压，可以获得流过a d 5 9 0 的电流值，然后根据上面的公 式计算出主控板的温度，当超过设定的温度( 5 5 度) 时，指示灯告警输出。 2 3 4 开关量输入、输出模块 图2 1 2 测温电路 微机保护装置中，除了有模拟量输入外，还有大量的开关量输入和输出。所谓 开关量就是触点状态( 接通或断开) 或是逻辑电平的高低等。本装置具有1 2 路开关 量输入及4 路开关量输出，为了防止串模或共模干扰串入到系统内部，对芯片造成 损坏。开关量输入、输出和内部电路之间采用光电隔离器p s 2 5 0 5 系列产品，有效隔 离外部干扰，提高系统的稳定性。输入的开关量对装置来说属于外部信息，会引入 干扰，因此首先经过光电隔离输入给单片机，电路如图2 一1 3 所示( 图中仅给出了两 路开关量输入的连接电路，其他相同) 。开关量输入为无源输入，输入的开关量信 号另外一个端子为公共端子1 2 v 一( 图中没有标出) 。 2 k 0 ； 图2 1 3 开关量输入模块 开关量输出主要是用来驱动中间继电器，通过继电器控制断路器的分合。继电 器选用松下( n a i s ) 的d s p 2 a - d c l 2 v 型继电器，它们都是直流电磁继电器，该继电 器的电气寿命为1 0 0 0 万次，触点和线圈之间的绝缘强度高达5 0 0 0 v 。本装置中的开关 1 4 第2 章装置的总体结构及硬件设计 量输出( 不包括外扩模块) 包括高压进线跳闸、合闸继电器，低压出线跳闸、合闸继 电器、4 路继电器输出，分别用来实现三段式电流保护( 无时限电流速断、无时限电 流速断、限时电流速断) 、零序电流保护、低压侧无功不足补偿等功能。由于由主控 板输出的控制电平驱动能力比较弱，我们采用一片反相驱动器u l n 2 0 0 3 a “”提高其 驱动能力。u l n 2 0 0 3 a 由7 组达林顿晶体管陈列和相应的电阻网络以及嵌位二极管网 络构成，具有同时驱动7 组负载的能力，输入电压与t t l 电平兼容，每个上达林顿 管的集电极可吸收最大5 0 0 m a 的电流，耐压3 0 v ，可用来驱动四相步进电机。利用 它极强的驱动能力设计的电路如图2 1 4 所示( 图中只画出部分开出量) 。h s 0 3 为开 出量控制的总允许端，由c p u 的h s 0 3 脚控制。当h s 0 3 输出高电平时，u l n 2 0 0 3 a 的输入端为高电平，相应的输出为低电平，使得继电器两端形成压差，继电器动作， 使相应的断路器跳合闸。当h s 0 3 输出低电平时，u l n 2 0 0 3 a 的输入端为低电平，反 相后为高电平，继电器两端无压差，不会动作。 2 3 5 通信模块 图2 - 1 4 开关量输出模块 通信的可靠性是配电自动化的命脉，其运行的好坏将直接关系到整个系统能否正 常运行的问题，因此为了适应未来变电站的所处的地域环境，我们设计了 r s 4 8 5 r s 4 2 2 两种通信方式来确保通信回路的通畅。 r s 4 2 2 是全双工通信模式，在工业自动化领域中，一般都采用r s 4 8 5 标准通信“朝 “2 7 “2 ”接口，它是一种半双工通信结构，具有差分平衡电气接口：在发送端，t t l 电平信号( 单片机电平) 被转换成差分信号输出，在接收端，接收器差分接收，将差 分信号变换成t t l 电平。这种差分电路