（电气工程专业论文）发电机微机继电保护教学实验装置的研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ho ft e a c h i n ge x p e r i m e n t a ld e v i c eo f m i c r o c o m p u t e rr e p l yp r o t e c t i o nf o r g e n e r a t o r a b s t r a c t w i t ht h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t , t h em i c r o c o m p u t e ru s e si nt h er e l a y p r o t e c t i o nb e c o m i n go n ek i n do fi n e v i t a b l et r e n d 1 1 他m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i v ed e v i c eh a s r a p i d l yr e p l a c e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a y , t h ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dt h et r a n s i s t o rp r o t e c t i v e d e v i c eb yi t su n i q u es u p e r i o f i t y t h en e wm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i v ed e v i c ea n dt h ea d v a n c e d p r o t e c t i o na l g o r i t h mi sw e e d i n gt h r o u g ht h eo l dt ob r i n gf o r t ht h en e wu n c e a s i n g l y , a n di s m a k i n gt h ei m p r o v e m e n ta n dt h ec o n s u m m a t i o nu n c e a s i n g l yt ot h eo r i g i n a lm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i v ed e v i c e t h ep r e s e n tp a p e ri n t r o d u c t i o ni st h er e s e a r c hp r o c e s st h a tt h ea u t h o rt a k e t h ed s 8 0 c 3 2 0s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra st h ec o r et od e v e l o p m e n tt e a c h i n ga n d e x p e r i m e n ti n s t a l l a t i o no f r e l a yp r o t e c t i o n f i r s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h em i c r o c o m p u t e rr e l a y p r o t e c t i o n , i n c l u d i n ga tp r e s e n tp o p u l a rh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n dc o r r e l a t i o np r o t e c t i o n a l g o r i t h m s e c o n d l y , i n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed s 8 0 c 3 2 0 s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e ra n dt h es u p e r i o r i t yo f p e r f o r m a n c et h a tc o m p a r et om c s 一5 1 ，a n dp r o v e dt h e f e a s i b i l i t yt h a ts e l e c t e dd s 8 0 c 3 2 0t ob et h ec o n t r o lc o r e ，a n de l a b o r a t e dw h yd i d n ts e l e c t d s pa n ds oo nam o r ea d v a n c e dm i c r oc o n t r o l l e rt oh et h ec o r e f i n a l l y , t h i sa r t i c l ed e t a i l e d e l a b o r a t e dt ot h eh a r d w a r ed e s i g nf r o mt h ea s p e c to fs i g n a le d j u s t i n g ，a n a l o gq u a n t i t y s i m u l a t i o n , m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ea n d o n b e c a u s et h e g e n e r a t o rm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o ni sas y s t e m se n g i n e e r i n g ，t h ep r e s e n tp a p e ro n l yc o n d u c t st h er e s e a r c ht oa l g o r i t h m a n dt h es o f t w a r ep m g r a n u n i n go fe l e c t r i cc u r r e n tm a i np r o t e c t i o na n dt h er e s e r v ep r o t e c t i o n t h eg e n e r a t o rl o s sm a g n e t i s ma n dr o t o rg r o u n d i n gi sn o tr e s e a r c h e di nt h i st o p i c t h i st e a c h i n gt e s ti n s t a l l a t i o no fg e n e r a t o rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nb a s e do nt h e 9 0 c 3 2 0s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rh a sd o n ec o r r e l a t i o ne x p e r i m e n to nt h el a b o r a t o r y5 k w a b s t r a c t g e n e r a t o nt h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t ，t h i se q u i p m e n t c a no p e r a t ei ne a c hk i n do f b r e a k d o w no ft h eg e n e r a t o rs i t u a t i o nf a s t ，a c c u r a t e l y c o m p a r e dw i t ht h ei n s t a l l m e n tw h i c h b u y sf r o mo u t s i d e ，t h i se q u i p m e n th a ss o m es u p e r i o r i t yt h a tc i r c u i to fh a r d w a r ei ss i m p l e ， s o f t w a r et h a tm o d u l a t i o na c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o ni s e a s yt o s t a r t so u ts o l ef u n c t i o n e x p e r i m e n t ，t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo p e n t ot h es t u d e n t ，a n di ti sm o r es u i t a b l e t e a c h i n ga n dp r a c t i c eo f p r o c e e d i n gi na no r d e r l yw a y k e yw o r d s ：s i n g l e - c h l pm i c r o c o m p u t e r ；m i c r o c o m p u t e rr e l a yp r o t e c t i o n ；t e a c h i n g a n de x p e r i m e n ti n s t a l l a t i o n ；a cs a m p l i n ga l g o r i t h m ；p r o t e c t i o na l g o r i t h m i i i 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包括： ( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；( 2 ) 为教学和科研目的， 学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所供校内师生 阅读，或在校园网上供校内师生浏览部分内容。 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：。，狃 导师签名： 日期：璺竺i ：塑 同朔： 煎q 垒 幽厶! ：丝 广西大学工程硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的研究 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的 研究，是本人在广西大学攻读工程硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得广西大学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已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日 期： 广西大学工程硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的研究 第一章绪论 1 1 微机保护技术的发展 电力系统的高速发展尉继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信 技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力，因此，继电保护技术 有着强劲的发展势头。我国电力系统在4 0 余年的时间罩完成了从机电式、晶体管式、 集成电路保护发展到当今的微机保护4 个历史阶段。国内对微机继电保护的研究虽然早 在7 0 年代米就丌始，但从1 9 8 4 年国内的第一台微机保护装百诞生之后的1 0 年间微机 保护没能在我国的整个电力系统中全面开花，而传统的继电保护装置却还在一些地方电 力系统占领着统治地位。自农网改造后，地方电力系统几乎已将所有传统的继电保护装 置更换成微机保护，大部分装机容量在1 0 0 0 k w 以上的小水电也在进行综合自动化改造。 可以预见3 5 年后，在电力系统中微机保护将无处不在，继电保护技术也将朝着微机化， 网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化的方向发展。 1 1 1 微机保护装置硬件基本结构及其发展变化 微机继电保护装置是以微处理器为核心，采集电力系统实时状态数据，按照给定算 法来检测电力系统是否发生故障、故障性质以及故障范围等，并由此控制断路器跳闸或 发报警信号的一种安全控制装冒。微机保护的典型硬件结构如图卜l 所示，主要包括微 处理器、模拟数据采集系统、信号输入输出系统、通讯网络和提供多个不同直流电压的 电源系统。 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 图1 - 1 微机继电保护装置的硬件结构图 f i g u r e1 1m i c r o c o m p u t e rr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c eh a r d w a r es t r u c t u r e 随着计算机硬件的迅猛发展、微机保护硬件也在不断更新。微机保护硬件已由第一 代单c p u 硬件结构、第二代多c p u 硬件结构、总线出芯片的高性能c p u 硬件结构发展为 d s p 硬件结构和高性能工控机结构、现在又将发展为以3 2 位a r m 微处理器为核心自带操 作系统的硬件平台。随微机保护硬件的升级，抗干扰性能进一步加强，通信功能进一步 完善，便于组建电站、变电站综合自动化系统和继电保护信息管理系统。在新一代的高 性能硬件平台上，基于暂态量的复杂的继电保护算法有望实现，继电保护的灵敏度和可 靠性将得到进一步提高。尽管如此，微机继电保护硬件的更新换代主要还是体现在作为 控制核心的微控制器上，而其余的各个硬件功能模块则变化不大。以下就上图卜1 为例， 简要介绍微机保护各个硬件模块的功能和特点。 ( 1 ) 微处理器系统 微处理器的任务是进行数据采集、处理，实现各种继电保护算法和逻辑运算功能。 微处理器系统一般由微处理器芯片、存储器、定时器或计数器、看门狗等组成。微处理 器芯片是计算机自动工作的指挥中枢；存储器是把程序和数据保存起来，使计算机可以 在脱离人的干预下自动运转；定时器或计数器主要作用是计时，用来触发采样信号、引 起中断采样，以及在v f 变换式信号采集中把频率信号转换为数字信号；看门狗监视 程序运行状况，若微机保护受到干扰而失控，则立即动作以使程序重新开始运行，避免 2 广西大学工程硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的研究 微机保护失控后产生死机或误动作。在电力系统继电保护装置中常用的微处理器系统有 单片机、d s p 、工控机和最近发展的a r m 芯片。 单片机 单片机就是通过大规模集成电路技术将c p u 、r o m 、r a m 和i o 接口电路封装在一块 芯片中，因此具有可靠性高、接口设计简易、运行速度快、功耗低、性能价格比高等优 点，将用单片机的微机保护装置与静态保护装置比较，具有系统结构紧凑、整体性能和 可靠性高。目前，基于单片机微处理器的保护装置仍足我田继电保护的l 三流产品，微机 保护已由最初的单c p u 硬件结构发展为多单片机构成的c p u 硬件结构，不同c p u 分别负 责信号采集、人机界面、通讯、不同继电保护算法等。 数字信号处理( d s p ) 数字信号处理器( d s p ) 是一种运算密集型微处理器，具有相当强大的处理能力。d s p 知 的突出特点是计算机能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大，方便实现快速定点和浮 点加乘( 矩阵) 运算。数字信号处理器应用于微机继电保护，可极大地缩短数字滤波、滤 序和傅里叶变换算法的计算机时间，可以实现复杂的继电保护算法。目前d s p 处理器己 丌始广泛应用于继电保护装置。 工控机 工控机是在i n t e r 个人计算机3 8 6 4 8 6 等系列c p u 芯片的基础上，通过集成外围 接口器件形成一系列与个人计算机软硬件兼容的嵌入式系统。在电力系统微机继电保护 与自动化产品中，以选取用v 4 0 为基础的s t d 工控机较为广泛。对计算精度和计算速度 要求较高的保护装置，适合选择集成了浮点协处理器的4 8 6 d x 及以上等级的微处理器。 工控机比单片机有更高的计算速度和精度，更强的控制能力，往往应用于电力系统主设 备的微机继电保护装置中，例如采用i n t e r x 8 6 的微机发电机组保护和分组式母线差动 保护。 a r m 系列微处理器 a 跚系列微处理器是a r m 公司推出的适合于嵌入式应用的r i s c 处理器。a r m 处理器 本身是3 2 位设计，但也配备1 6 位指令集t h u m b ，允许软件编码为更短的1 6 位指令。一 般来说，存储器比等价3 2 位代码节省3 5 ，却保留了3 2 位系统的所有优势。a r m 最大 3 广西大学工程硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的研究 特点是功耗低、性价比高、代码密度高。目前a r m 处理器主要有5 大系列：a r m 7 、a r m 9 、 a 删9 e 、a r m l o 、s e c u r c o r e ，还有与i n t e r 合作实现的x s c a l e 以及s t r o n g a r m 处理器。 现在国内、外一些厂家已把a r m 作为开发下一代微机保护的主要微处理器。 ( 2 ) 模拟数据采集系统 在微机保护装置中，输入的模拟信号在进入微处理器前，首先被转换成与微机接口 设备相匹配的电平信号，经过模拟低通滤波器滤除其中的高频分量后，利用采样保持器 对模拟信号进行采样，离散化处理，最后经过模数转换器( a d ) 把模拟量转化为相对应 的数字量。其中低通滤波器又可分为无源滤波器和有源滤波器两种，在微机保护中常用 的是阻容( r c ) 低通滤波器。电力系统微机保护的数据采集系统主要有两种方式，即以 逐次逼近式a d 转换器构成的数据采集系统和以电压频率变换式模数转换器构成的电 压频率变换式( v f c ) 数据采集系统。选用不同的数据采集系统主要考虑转换速度、字 长，以及c p u 对数据的存取方法等问题。 ( 3 ) 信号的输入输出系统 微机保护中的输入输出回路主要是用于人机接口、发跳闸信号、本地和主控室的报 警信号、压板投退信号以及保护闭锁信号等。人机对话接口一般是专门的微处理器及相 应的接口电路构成，实现人机对话、管理功能等功能：人机对话接口包括：键盘响应电 路、打印机驱动电路、液晶显示电路等。 ( 4 ) 通讯网络 信息共享是微机保护的一大特点，随着变电站综合自动化系统、继电保护信息管理 系统的发展，微机保护装置通常具有多个通讯端口，可以实现保护故障数据、动作状况 等信息的上传和继电保护整定值的下载、实现故障信息的共享和保护装置的统一整定。 通用的通讯端口有r s 一2 3 2 、r s 4 8 5 、以太网接口、i o n w o r k s 接口等。 1 1 2 微机保护的算法及其发展 算法是微机保护的核心问题之一，尽管目前微机保护装置种类很多，保护原理也多 种多样，但每一种算法的核心问题仍然是如何导出表征被保护对象运行特性的基本物理 量，如电压、电流有效值与相位，或者是相序分量、基波分量，某次谐波分量的大小和 相位等。微机保护的算法很多，常见的算法有以下几种： 4 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 正弦函数模型算法 即假设采样信号为频率已知的正弦波，没有其他其他谐波的算法。 周期函数校型算法 即假设采样信号为一周期性时问函数，由傅氏级数的概念发展的各种算法。 解微分方程算法 用于计剪阻抗的一种算法，常用于高压线路距离保护。 衡量一个算法优劣的标准主要是精度和速度，一个好的算法应该运算精度高，所用 数据窗短，运算工作量小。一般说来，对精度和对速度的要求常常是互相矛盾的，要精 确计算往往要使数据窗加长，并加大运算工作量，所以研究算法的实质是如何在速度和 精度上进行权衡。作为教学装置，应当是以服务教学为宗旨，所以算法应当以尽量简单。 1 2 课题研究的目的和意义 伴随着继电保护技术的发展，高校的继电保护课程教学内容也在不断更新，其中实 验教学作为理论转化为能力的重要手段也在不断的进行革新。要想培养出高质量的，适 应技术发展需要的复合型工程技术人彳，在教学中除了江重理论教学外，还必须加强实 验教学，但是电力专业微机保护基础这门新课程，目前还没有相应的试验手段以了解微 机硬件和软件是如何实现传统的电磁式继电保护功能。尽管有些学校购进了一些公司的 保护装置，但由于知识产权的问题这些设备的软硬件对学生几乎是不开放的，结果使得 实验流于形式，无法达到应有的教学目的。为了适应新形势的要求，我们有必要对继电 保护实验教学环节改革，而首先要进行的是实验设备的研制。 1 2 1 微机继电保护实验室建设的必要性 我校目前还没有建设与微机保护课程相配套的微机保护试验室，很显然，这样的设 备与“重点学科”这个称谓是很不相称的。为了使学生能更好地掌握课程的基本概念、 基本原理、基本知识和基本算法，具有更好的动手能力及解决问题的能力，我们应该将 更大的精力投入到实验室的建设上。 5 广西大学工程硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的研究 1 2 2 研制适合教学需要的微机保护装置的意义 微机保护的学习是从一个一个功能块由零到整的认识过程，在教学中学生普遍认为 微机保护基础这门课比较抽象，学习难度大。主要原因就是缺乏实验和实践。就硬件而 言。学生必须从设备的显示及键盘电路开始学习，然后是信号采样电路和保护输出电路 等等，这就要求微机保护实验装置应该具有详细的硬件电路图以及硬件的使用说明。作 为刚刚接触微机保护的学生来说自己编写保护程序是件很难的事，我们的教学大纲也许 对这不做要求，但是学生最起码能读懂已经编好的程序，也只有这样学生才能了解保护 工作的基本原理，所以微机保护实验装置的软件应该是开放。拥有了开放的硬件和开 放的软件，高年级的学生还可以在装置上做课程设计或毕业设计，同时我们也可以开出 很多创作性实验和综合性实验 。 如前所述，购买现成的微机保护装置是很难达到教学目的的，所以我们必须开发出 有自主知识产权的微机保护教学实验设备。在这些硬件及软件丌放的设备上，学生既可 以学习微机保护的硬件原理又可以学习软件的编程，这是外购的微机保护装置所无法比 拟的。运用自己设计的实验设备花钱不多，不但可使学生接触到微机保护核心的软件部 分，并为电力专业学生提供了一个掌握微机应用技术的实践机会，因而更适用于教学。 1 3 课题研究内容和主要工作 本课题的硬件研究工作量较大，所以课题研究的侧重点是硬件的研究与设计。在硬 件设计完成之后，本文还就发电机电流型保护的基本算法进行理论性研究。 本课题研究的教学实验装置，仅适用于一般的教学和研究，如何将其从实验室搬到 生产现场，走产品化的道路，将先进的技术转化为生产力，才是本课题更深层的意义。 当然，一个产品要从实验室走到生产现场并不是一件很容易的事，在这过程中还要我们 付出更多的汗水，而这套实验装置仅是我们迈出的第一步。 6 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 第二章发电机微机保护教学试验装置的硬件设计 2 1 微处理器的确定 微处理器的任务是进行数据采集、处理，实现各种继电保护算法和逻辑运算功能。 前面已经介绍了多种微处理器的特点，其中d s p 以其高速和超强的运算功能无疑是当前 在微机保护最为流行的微处理器。我们在选则方案时应当考虑到装置的用途，不能一味 地追求和盲从。 由于实验装置面向的对象是本科生，我校本科生的单片机课程为5 l 系列单片机， 所以选用与5 1 系列完全兼容的单片机无疑是最理想的选择。在5 l 单片机大行其道的年 代，早期的很多微机保护装置都曾使用过这款单片机，但是随着大量先进的微控制器的 出现，5 1 单片机慢慢地退出了历史舞台。但是5 1 单片机并没有就此消失，相反地，很 多加强型的5 1 兼容机不断涌现使得5 l 系列单片机仍然占掘着很重要的地位。美国d l l a s 公司生产的新型高速8 位单片机d s 8 0 c 3 2 0 是一种与8 0 c 3 1 8 0 c 3 2 兼容的高速控制器。 它利用一个重新设计的处理器内核，清除空时钟和存储器周期，从而使每条指令的执行 速度在相同石英晶体速度下都比原来快i 5 - 2 倍，完全能满足继电保护算法对运算速度 的要求。在典型应用中，采用相同的代码和石英晶体，速度可以提高到2 5 倍。 d s 8 0 c 3 2 0 单片机有以下特点 与8 0 5 1 系列单片机的引脚及指令兼容： 有4 个8 位i o 端口； 有3 个1 6 位定时计数器： 2 5 6 字节内部r a m ； 2 6 4 k 字节的寻址范围； 4 个脉冲周期机器周期( 8 0 5 1 为1 2 个) ； 可以达到3 3 m h z 的振荡频率( 8 0 5 1 为1 2 m h z ) ； 在相同工作条件下功耗更低； 双数据指针( 8 0 5 1 只有一个) ； 7 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 可选择的m o v x 指令访问时间，可适应慢速的r a m 外围设备； 掉电复位功能； 可编程看门狗定时器； 掉电预报报警中断： 两个全双工的串行口( 8 0 5 1 只有一个) ； 1 3 个中断源( 包括6 个外部中断源) ； 2 2 装置的硬件总体构成 装置的硬件是由d s 8 0 c 3 2 0 为核心的单片机系统，辅以必要的外围电路组成。整体 机构框图如图2 所示 图2 - 1 整体结构框图 2 3 信号调理电路 电量要送入单片机系统必须经过隔离传感器及一些必要的硬件滤波，我们通常称之 为电量输入调理电路，它是微机保护的重要组成部份。其电路如图2 - 2 所示： 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 图2 2 交流信号调理电路 f i g u r e2 - 2c i r c u i to ft h ea cs i g n a la d j u s t i n g 该电路的作用是将电压互感器、电流互感器二次送入的电压和电流通过电流变换器 ( t a ) 和电压变换器( t v ) 按比例转换成为适应微机系统处理的小电压信号。在经过低 通滤波及双向限幅电路，将降低或转换后的电压信号变成a d 转换芯片所允许的电压， 同时也起到了隔离的作用。 由于本课题自研究发电机电流型保护，所以发电机转子电压、转子电流等直流信号 的调理电路没有画出。 2 4 基于锁相环技术的交流采样电路 对于继电保护装置而言，效掘采集足最基本最重要的工作，微机继f 包保护装西的眭 能如何在很大程度上，取决于装置数据采集系统的设计。采用同步技术进行交流采样时， 提高采样精度的一条途径是提高a d 转换器的位数，另一条是增加一个周期内的采样 点数n 。但在满足以上两点的前提下，真正影响测量精度的是能否将一个测量周期非常 均匀地进行n 等分，也就是使采样周期与信号周期同步。 9 广西大学工程硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的研究 同步采样技术一般可分为软件同步技术和硬件同步技术软件同步技术在软件上需 要c p u 承担信号周期t 的测量及采样周期t n 的计算；在硬件上，需要占用单片机一个 定时器作为采样周期的计数器。简而言之，软件同步技术是需要付出软件和单片机硬件 资源的双重代价，对于5 l 单片机而言这是不值得考虑的方案。硬件同步技术即不需要 单片机参与信号同步的运算，也不占用单片机的任何资源，比较适合速度相对较低，硬 件资源相对较少的5 l 系列单片机。 本装置的数据采集电路采用锁相环硬件同步技术进行数据采集。该电路除了 d s 8 0 c 3 2 0 单片机外，还有c d 4 0 4 6 锁相环、1 2 位模数转换器a d 5 7 4 、接口电路芯片8 2 5 5 等。其主要功能是采集来自交流信号调理电路的交流电信号。 2 4 1 锁相环c d 4 0 4 6 锁相就是相位同步的自动控制，完成两个电信号相位同步的自动控制系统称为锁相 环( 简称p l l ) 。 锁相环c d 4 0 4 6 的引脚如图2 - 4 所示。图中a i n 、b i n 为相位比较器输入端；p c p 、 p c i 、p c 2 为相位比较器输出端；v c i n 为压控振荡器输入；v c o u t 为压控振荡器输出； i n h 为禁止端，当i n h 为“1 ”电平时，禁止v c o u t 输出；c a 、c b 为压控振荡器外接振 荡电容端；r 。、r 。端则为压控荡器外接振荡电阻端；。 2 4 2 由c d 4 0 4 6 和c d 4 5 2 2 组成的锁相电路 由锁相环c d 4 0 6 4 和计数器c d 4 5 2 2 组成的锁楣环倍频电路可以实现相位锁定和倍频 功能，其结构框图如图2 3 所示。 图2 - 3 锁相环倍频原理图 f i g u r e2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fp l lf r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o n 锁相环由三部分组成：即相位比较器，低通滤波器和压控振荡器。这是一个相位自动跟 1 0 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 踪的负反馈系统。相位比较器将输入的f i 和f o 两信号的相位差转换成脉冲宽度信号经 低通滤波器平滑后成为直流电压信号。压控振荡器就是一种输出振荡频率受直流电压控 制的振荡器。如果f 。和f ，相位差变化可导致压控振荡频率f ，发尘变化。f 。经计数器n 分频后，作为反馈信号f 0 送相位比较器，直到系统稳定。只要电路增益足够大，系统 又稳定工作( 锁定状念) ，f 0 = n f o 准确无误，可实现严格的倍频要求，而且相位上也是 锁定的。 如果周期信号在锁相环的输入端产生一个脉冲信号，输出端就会有n 个脉冲信 号输出，用输出的脉冲信号作为单片机的中断信号去触发a d 转换，就可以实现n 倍频 的整周期采样。这种采样方式与时间无关，称之为空i 日j 采样。实际电路见图2 4 。 图2 - 4 锁相环倍频电路 f i g u r e2 - 4c i r c u i to f p l lf r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o n 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 锁相环的输入脉冲信号由被测交流信号整形而来，整形电路如图2 5 所示。锁相器 的输出接到单片机的p 1 4 引脚，作为启动a d 采样的外部中断信号。倍频器由两片级联 的可预置b c d 同步i n 计数器c d 4 5 2 2 组成，计数器的计数值可以通过两个d i p 拨码开 关设置，即可以通过改变n 的值改变每周期采样的点数。如果每周期的采样点数取1 2 点时，r l 应当取2 4 ，即令i c 2 2 的p 3 ，p 2 、p l 、p 0 管脚状态为0 0 0 1 ，i c 2 3 的p 3 、p 2 、 p 1 、p o 管脚状态为1 1 1 0 。 图2 5 整形电路 f i g u r e2 - 5c i r c u ko f r e s h a p i n g 图2 - 6 是上述电路n = 2 4 时的实测波形。通道1 ( c h l ) 为图2 5 整形电路输入的交 流信号波形；c h i 的交流信号经整形电路2 分频后输出的信号为c h 3 所示的方信号。c h 3 信号经图2 4 的锁相环倍频电路后，输出频率随c h l 输入波形的频率相适应的c h 2 所示 的倍频信号。c h 2 所示的信号作为单片机的中断信号去触发a d 转换，如此便可以实现频 率自适应的交流采样由c h i 、c h 2 的波形可以看到，n = 2 4 时，每周期锁相环输出的方 波为1 2 个，即采样点数为1 2 点。根据乃奎斯特采样定理对采样频率的要求，f i 2 f 。 即采样频率必须不小于输入信号最高频率信号频率的2 倍，由于前置的输入通道已经装 有模拟低通滤波器( a l f ) ，所以1 2 倍的采样频率是完全足够的。 1 2 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 c h l 输入破形 c h 2 锁相输m c h 3 整形输：i i 图2 - 6 实测波形 f i g u r e2 - 6a c t u a lp r o f i l e 由于采用了锁相环技术，无论被测信号的频率如何改变，跟踪锁相电路的输出频率 始终是信号频率的整数倍，以此去驱动采样保持电路和a d 转换电路，使他们能够 协调工作，确保任何周期内的电压和电流信号都能被进行整周期均匀分割。 2 4 3 模拟量转换电路 模拟量转换原理如图2 - 7 所示，由前置运算放大器l , m 3 2 4 、采样保持器l f 3 9 8 、多 路丌关a d 7 5 0 1 及a d 转换芯片a d 5 7 4 、接口芯片8 2 5 5 等组成。以下是这些器件的简单介 绍，实际电路见图2 - 8 。 运算放大器l m 3 2 4 作电压跟随器使用，负载能力很小的精密互感器副边可以直接接 入输入阻抗很大的运放输入端。另外构成电压跟随器的输出可以认为是理想的电压源， 利于测量。 尽管a d 转换的时问很短，但是每个采样周期进行6 路模拟量转换的时问不足同时 进行的，所以如果测爷信号直接接入多路丌关，那么每个采样周期的粟到的数掘就不足 同一时刻的数掘。为了保证在每个采样周期采到的各路输入数掘是同一时刻的，在硬件 电路v e j j n 设采样保持器l f 3 9 8 ，由单片机通过8 2 5 5 完成对其的采样、保持控制。由于保 持电容为1 0 0 0 p f ，所以要求采样、保持指令的脉冲宽度要大于l o u s 。 d 7 5 0 1 为8 选1 多路模拟开关，传送使能端e n 直接接n + s v 电源，o u t 到低与输入 端s l s 8 的哪一个相通由a o 、a 1 ，a 2 决定。选通操作由单片机通过8 2 5 5 完成。 1 3 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 a d 5 7 4 是美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ) 生产的1 2 位逐次逼近型快速a d 转 换器。转换速度最大为3 5us ，转换精度o 0 5 ，可直接与各种典型但位或1 6 位的微处 理器相连，且能c m o s 及t t l 电平兼容。片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，这 使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切a d 转换的功能，应用非常方 便。其基本引脚功能介绍如下 d b l l d b o 为1 2 位数据输出线。 1 2 8 为数掘模式选择引脚，该引脚接高电平时，1 2 位数据并行输出，当该引脚 接高电平时，与引脚a o 配合，把数据分两次输出。本装置将该引脚直接接地。 a o 引脚有两个功能，其一是决定转换结果是1 2 位还是8 位，与其他管脚配合， 若a o = o ，结果是1 2 位；若a o = i ( 高电平) ，结果是8 位。另一个工能是决定输 出数据是决定输出数据是高8 位还是低4 位，与其他管脚配合，若a o = o ，输出 高8 位；若a o = i ，输出低4 位。 r c ( 读写转换选择) 当r c = 1 时，允许读取结果，当r c = o 时，允许转换。 s t s ( 状态信号) ：s t s = i 表示正在进行a d 转换，s t s = o 表示转换已完成。 l o v 。( i o v 量程输入端) ：单极性信号为l o v 量程的模拟量信号输入端，对双极 性信号为5 v 模拟量信号输入脚。 r e f i n ( 基准电压输入) ：只有把“r e f o u t ”脚的基准电压引入到此管脚，才能 进行正常的a d 转换。 r e f 叫t ：基准电压输出 b i po f f ( 双极性补偿) ：此引脚适当连接时，可实现单极性或双极性输入 1 4 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 i n l i n 2 i n 3 i n 4 i n 5 i n 6 j 皇m f ) i多 s 1 a t u s 算 4 保持 _ s 2 路 + 放 - s 3 开 大 - - - - l * - s 4 关 l f 3 9 8 器 s 5o u t + s 6 + - + b 7 7 + a o b 4 a l b 5 a 2e n b 6 1 2 8 1 。，ttg n 图2 - 7 模拟量转换原理图 f i g u r e2 - 7s c h e m a t i cd i a g r a mo f a n a l o gq u a n t i t yc o n v e r t & r 图2 8 中，a d 5 7 4 通过r 1 、r 2 两个电位器的连接可以实现双极性输入，其中r 1 用 于调节增益，r 2 用于调整双极性输入电路的零点。因为输入引脚接1 0 v 。，所以量程为 5 v 。a d 5 7 4 输出的数字量为无符号二进制码，即一5 v + 5 v 对应着o 4 0 9 6 ，计算公式为： d = 2 0 4 8 v 。( 1 + v 。v 、) ( 2 - 1 ) 或v 。= ( d 2 0 4 8 一1 ) v 。2 ( 2 - 2 ) 其中v 。输入的模拟量 v ，f 一满量程，即1 0 v 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 图2 - 86 路模拟量转换电路图 f i g u r e2 - 8c i r c u i to f 6c h a n n e l sa n a l o gq u a n t i t yc o n v e r t 整个模拟量采集电路工作原理： a 发电机的电流和电压信号由i n l i n 6 输入到由运放构成的电压跟随器后，进入到 l f 3 9 8 采样保持器。 b 单片机在接收到锁相环来的锁相脉冲后便进入采样中断服务子程序。 c 在采样中断服务子程序中，c p u 首先令8 2 5 5 的p b 7 置“1 ”，即给l f 3 9 8 发“采样” 令，经过适当延迟后( l f 3 9 8 采样时间为l o u s ) ，再令8 2 5 5 的p b 7 置“0 ”，即给l f 3 9 8 发“保持”令。 1 6 广西大学工程硕士学位论文 发电机微机继电保护教学实验装置的研究 d 选通7 5 0 1 的s 1 ( 即选通i n l ) 。 e 给a d 5 7 4 发转换令( 令r c = o ) ，此时a d 5 7 4 的管脚s t s = i 。 f 当单片机的p 3 4 管脚检测到a d 5 7 4 管脚s t s 状态由1 变0 时，读取并存储数 据。 g 然后选通a d 5 7 4 的其他通道，重复e g ，直到6 路输入信号全部采集完毕。 h 返回。 2 5 开关量输入、输出通道 装置除了输入模拟量( 交流电压交流电流) 外，还要处理输入输出的丌关量信号， 我们称之为开关量输入、输出通道。开关量输入输出通道由接1 3 电路8 2 5 5 、光电隔离芯 片t l p 0 2 1 - 4 、继电器等构成。装置的开入量主要有按键、发电机开关辅助接点；开出量 主要有信号指示灯、保护出口等。具体电路介绍如下： 1 ) 、丌关量输入通道 开关量输入的接1 3 方式一般是t t l 电平直接接口型和光电隔离型。由于运行现场环 境恶劣，存在电、磁、振动、噪音等各种干扰，t t l 电平直接接口型可能会造成错误输 入或器件损坏。 本装置采用光电隔离型输入方式，其优点有： ( 1 ) 输入输出电气隔离，抗干扰能力强； ( 2 ) 无触点、耐冲击、寿命长、可靠性高； ( 3 ) 响应速度快，易于与逻辑电平配合使用。 图2 - 9 为装罟的丌关量输入电路图，a j i a j 4 是安装在装置内部的按键( 分别被定 义为“增”一i n c 、“减”一d e c 、“确认”e n t 、“复归”一i e t ) 与外部电路没有联系，可以 直接接至8 2 5 5 的输入口。1 1 1 4 为光电隔离型输入1 3 ，作为外部丌关位置信号的输入 口。由于外部丌关触点有接点氧化接触不良的情况，所以一般每个丌关的位置信号都引 一个常开点和一个常闭点，当c p u 检测到位置信号矛盾时，报接点接触不良信号。装置 将1 1 、1 2 作为发电机出口断路器开关位置信号输入点；1 3 、1 4 作为发电机灭磁开关位 置信号的输入口。8 2 5 5 的p a 口作为上述8 路开关量信号输入口。 1 7 广西大学工程硕士学位论文发电机微机继电保护教学实验装置的研究 专。i) 0 0 00 0 0 i】根 去 d 0 l “l h ”nh il 一。i ) 璋l ， l i 。1 ) 璋i 。1 ) f 璋i 。 。i ) 1 卓i 。 i i 黧 。：嚣 。r ，。 i 如i 扩 。u1 7 1 71 4 图2 - 9 开关量输入电路图 f i g u r e 2 - 9c i r c u i t o f s w i t c h v a r i a b l e i n p u t 开关量的输出一般包括保护出口、合闸出口、本地中央信号等。微机继电保护输出 的丌关量信号是芯片的电压直流信号，一般是t t l 电平信号，这种信号是无法直接驱动 外部设备的，需经过接口电路转换后才能用于外部设备的开启和关闭。常用的方法有两 种： ( 1 ) 继电器方式的丌关量输出，它是目前比较常用的方式。 ( 2 ) 固态继电器( s s r ) 是近年来发展的一种新型电子继电器，其输入控制电流 小，可以直接t t l 电平驱动。由于本装置要求输出与内部电路完全隔离，且 固态继电器的体积大、价格贵，故没有