（电力系统及其自动化专业论文）35kv微机保护装置的设计.pdf

- 篝 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外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 金目曼互些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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 靴敝储徽黎t 峨 槲瓤弘忙每腾日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些丕堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权合肥 互些盘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) 撇一虢絮叭 签字日期：到f 年辱月z 多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师始肇p 夕 签字日期：夕纠1 年4 月赳日 电话： 邮编： 3 5 k v 微机保护装置的设计 摘要 随着电力系统发展，对微机保护装置的要求也越来越高，传统的以单 c p u 为核心的装置以无法满足系统的需求。本文介绍了一种基于双c p u 架 构的微机保护装置的设计方法。该系统以l p c 2 4 6 8 和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为硬件 核心，以前后台系统和嵌入式操作系统为软件平台。设计了系统每个模块 的硬件原理图，详细介绍了各模块对应的硬件功能。具体阐述了系统总体 的软件设计方法，给出每个模块的软件流程图。 论文特别提出了一种基于c p l d 的双c p u 通信的软硬件实现方法，解 决了传统单c p u 处理速度慢，功能单一的缺点，使保护装置运行更加可靠， 灵敏。同时文章详细介绍了继电保护通信协议i e c 6 18 7 051 0 3 规约的实 现过程。 此外为保证装置可靠运行，本文介绍了装置设计时所采用的软硬件抗 干扰措施及自检方法。 关键词：a r m 微处理器；d s p 微处理器；嵌入式操作系统：微机保护 霹 1 i 撕 ， d e s i g no nm 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 eo f 3 5 k v a b s t r a c t w i t ht h e p o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t ，t h er e q u i r e m e n t s o fu s e rt o m 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 a r ea l s oi n c r e a s i n g t h et r a d i t i o n a ld e v i c e b a s e d0 ns i n g l e c o r ec p ui no r d e rt on o tm e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rp r e s e n t sad e s i g no fm 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 e w h i c hb a s e do nd u a l c p u t h es y s t e mo fm i c r o c o m p u t e rr e l a yp r o t e c t i o nu s e d d s pt m s 3 2 0 f 2 812a n da r ml p c 2 4 6 8 a st h eh a r d w a r ec o r e ，u t i l i z e s f o r e g r o u n d b a c k g r o u n ds y s t e ma n de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m c o s i ia s s o f t w a r ec o r e t h e nt h ep a p e rd e s c r i b et h ef u n c t i o no fh a r d w a r e ，d e s i g nt h e s c h e m a t i co fe a c hm o d u l e t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h eo v e r a l ls y s t e ms o f t w a r e d e s i g na n di n t r o d u c et h ef l o w c h a r t so f e a c hm o d u l e e s p e c i l l yt h ep a p e rp r e s e n t sas p e c i a lt w o - c p uc o m m u n i c a t i o nm e t h o d b a s e do nc p l d c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a ls i n g l e c p u ，t h en e w d e v i c eu p g r a d e t h es p e e da n df u n c t i o n ，a n dm o r er e l i a b l ea n ds e n s i t i v e b e s i d e s t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s s o fc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l o f i e c 6 18 7 0 5 1 0 3 i na d d i t i o n ，t oe n s u r er e l i a b l eo p e r a t i o no fd e v i c e s ，t h ep a p e rd e s c r i b e s t h e w a y o f p r e v e n t i n g i n t e r f e r e n c eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n d s e l f - i n t e r f e r e n c em e a s u r e s k e y w o r d s ：a r mm i c r o p r o c e s s o r ；d s pm i c r o p r o c e s s o r ；e m b e d d e d s y s t e m ； 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 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机 会，并衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文写作过程中给予的关怀 和帮助。导师渊博的学识、严谨的治学、开阔的视野、认真的态度使我受 益匪浅。研究生期间，导师在学习和生活上给我很多的关怀、帮助和鼓励， 在此学生表示衷心的感谢和深深的敬意。 此外论文工作得以顺利完成还要感谢实验室朱敏老师、余佳、张玉凤、 石明刚、张韬、丁彦婷、范俊华、张晶晶、陈小飞、王俊、李或、钱梦然 同学给予我的支持和帮助，在此深表谢意。 在整个学习阶段，我的家人给予了我无微不至的照顾，在此对他们表 示诚挚的谢意和最深的感激1 2 0 1 1 年3 月 目录 第一章绪 论1 1 1 电力系统微机保护概述1 1 2 微机保护发展的历史和趋势1 1 3 本论文主要内容及工作任务3 第二章硬件电路设计分析4 2 1 系统硬件总体设计方案一4 2 2 模拟量采集模块5 2 2 1 前端调理电路6 2 2 2 多路开关和模数转换电路6 2 3 开关量输入输出模块9 2 。3 1 开入量模块设计一9 2 3 2 开出量模块设计1 0 2 3 3 防跳回路设计1 1 2 4 电源模块12 2 5 人机界面模块1 2 2 5 1 按键设计1 2 2 5 2 液晶设计1 2 2 6c p u 插件1 4 2 6 1c p u 系统介绍1 4 2 6 2 通信模块1 8 2 6 3g p s 对时模块一2 0 2 6 44 2 0 m a 输出模块一2 2 2 6 5 测频电路一2 3 2 6 6 电度测量功能2 3 第三章系统软件设计2 5 3 1a r m 部分软件设计2 5 3 1 1 嵌入式操作系统的移植2 5 3 1 2 系统任务的划分2 7 3 2d s p 部分软件设计2 9 3 3 各模块子程序设计3 0 3 3 1 网络控制芯片d m 9 0 0 0 a e p 的初始化3 0 3 3 2 电能计量模块设计3 1 3 3 3 滤波算法3 4 3 3 4 频率测量部分软件设计3 5 3 3 5 双c p u 通信部分软件设计3 6 第四章i e c 6 1 8 7 051 0 3 规约的设计与实现一4 0 4 11 0 3 规约的网络模型和帧格式4 0 4 1 1 物理层一4 0 4 1 2 链路层4 0 4 1 3 应用层一4 3 4 2 通信流程的实现4 5 4 2 1 复位初始化4 7 4 2 2 总查询4 7 4 2 3 时间同步( 广播方式) 一4 8 4 2 4 遥测4 8 4 2 5 遥信4 9 4 2 6 遥控4 9 4 2 7 通用分类服务5 0 第五章装置可靠性设计5 3 5 1 装置抗干扰设计5 3 5 1 1 电力系统的干扰源5 3 5 1 2 干扰对微机保护装置的影响5 3 5 1 3 装置抗电磁干扰实验5 4 5 1 4 硬件抗干扰措施5 5 5 1 5 软件抗干扰措施一5 6 5 2 装置自检设计5 7 第六章总结与展望5 8 6 1 工作总结5 8 6 2 前景展望5 9 参考文献6 0 插图清单 图2 1 机箱内部结构5 图2 2 系统总体框图5 图2 3 二阶r c 有源滤波电路6 图2 4 多路开关和模数转换电路8 图2 5a d 7 6 5 6 并行工作时序图9 图2 6 开入量原理图1 0 图2 7 开出量出口电路1o 图2 8 防跳回路1 1 图2 9 键盘电路设计：12 图2 1 0 液晶模块接线图1 4 图2 1 l 复位电路原理图1 6 图2 1 2 外扩r a m 接线图1 7 图2 1 3 铁电存储器接线图1 8 图2 14r s 4 8 5 电路19 图2 1 5 以太网控制器d m 9 0 0 0 a e p 连接图2 0 图2 1 6g p s 对时模块电路2 2 图2 174 2 0 m a 电路原理图2 2 图2 1 8 测频电路图2 3 图2 1 9 电能计量模块2 4 图3 1g c o s i i 的软件体系结构2 5 图3 2a r m 部分软件框图2 8 图3 3d s p 部分软件框图3 0 图3 4a d e 7 7 5 8 串行写数据的时序图3 2 图3 5a d e 7 7 5 8 串行读数据的时序图3 3 图3 6 电能寄存器满刻度累加时间3 3 图3 7a d e 7 7 5 8 校验流程错误! 未定义书签。 图3 8 测频软件框图3 6 图3 9d s p 写a r m 读握手信号3 7 图3 1 0c p u 中断接收程序一3 8 图3 1 1c p u 查询发送程序3 8 图4 1 网络模型4 0 图4 21 0 3 规约处理流程4 6 图5 1e m c 检测流程图5 4 表格清单 表2 1 液晶模块与系统接线端子的引脚定义1 3 表2 2 波特率配置表2 l 表3 1 任务划分表2 9 表3 2 双c p u 交换数据类型3 9 表4 1 固定帧长格式4 0 表4 2 可变帧长格式4 1 表4 3 控制方向功能码定义4 2 表4 4 监视方向功能码定义格式4 2 表4 5a s d u 数据格式4 3 表4 6 控制方向a s d u 类型标志分类4 3 表4 7 监视方向a s d u 类型标志分类4 4 表4 8 控制方向信息传输原因一4 4 表4 9 监视方向信息传输原因4 5 表4 1 01 0 3 规约数据类型4 6 表4 1 1 通用分类数据结构5 1 第一章绪论 1 1 电力系统微机保护概述 电能是国民经济的命脉，是工业生产的基础，与社会的发展和人民的生活 密切相关。电力系统安全可靠的运行给国民经济和社会发展提供了巨大的动力 和效益。电力系统在运行过程中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常 见也是最严重的故障是发生各种类型的短路。不正常运行状态是指当电力系统 中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的状态。在电力系统中，除 应采用各种有效措施减少或消除故障发生的可能性外，故障一旦发生，必须迅 速且有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行最有效的方法之一。 微机保护装置就是实现此功能最有力的工具。微机保护装置被称为电力系统的 “保护神 ，对电力系统的安全稳定运行起着至关重要的作用。 众所周知，微机保护装置所需满足四个基本要求：选择性、速动性、灵敏 性、可靠性。选择性是指电力系统中发生故障时应由距故障点距离最近的保护 装置动作，切除故障。速动性是指电力系统中出现故障后，微机保护装置应能 迅速动作，切除故障，以减少故障所带来的损失。灵敏性是指微机保护装置在 保护范围内对任何类型的故障或者不正常运行状态，都能够迅速反应。可靠性 是指微机保护装置在故障的时候能够准确动作，在正常运行状态下不应该误动 作。 这些要求之间既相辅相成，又相互制约。微机保护装置不仅要满足测量的 精度，而且要在电力系统中任何复杂的情况下满足上述四个基本要求，不误动 不拒动及时有效的切除故障。微机保护装置能否投入运行，主要取决于以下几 个方面：合理的软硬件设计，成熟的保护原理，高质量的生产过程，以及科学 的使用管理等。 1 2 微机保护发展的历史和趋势 微机保护起源于上世纪6 0 年代，由英国、德国和澳大利亚的学者首先提出。 早在5 0 年前，最早由美国的工程师j lb l a c k b u r n 提出使用小型计算机实现继 电保护的功能，与此同时英国剑桥大学p g m c l a r e n 等提出利用采样技术来实 现输电线路的距离保护，澳大利亚的学者f m o r r i s o n 预测了将计算机用到输 电线路和变电站继电保护的前景，揭示了它的巨大发展潜力，引起了世界各地 继电保护工程师的兴趣。到了7 0 年代中期，微机保护的工作者主要在做理论探 索，少数的工程师做了一些现场试验，如美国西屋公司对具体保护装置进行了 设计，同时发表了该样机的运行原理、结构以及现场运行结果等数据。但是由 于当时计算机的价格较高，同时无法满足继电保护高速的要求，最终没有应用 到实际工程中，但是却对继电保护的理论计算方法和程序结构做了很多研究， 为微机保护后来的发展奠定了基础。7 0 年代后期随着大规模集成电路和数字电 路技术的飞速发展，微型计算机和微处理器大量运用到工业领域，这一时期各 大电力设备厂商先后推出各种微机保护设备。如1 9 7 6 年由英特尔公司推出的 m c s 4 8 系列微机保护装置，1 9 8 0 年该公司又推出的m c s 5 1 系列微机保护装 置。 我国微机保护装置发展于上世纪8 0 年代。起初，由华北电力大学、华中理 工大学、西安交通大学、天津大学等高等院校和南京自动化研究所的继电保护 研发人员在吸取国外先进研究成果的基础上，研制了不同形式、不同原理的微 机保护装置。1 9 8 4 年4 月由华北电大的杨奇逊教授主研的以m c s 6 8 0 9 单片机 为核心的线路距离保护装置，通过鉴定正式运用于电力系统。19 8 6 年、19 8 9 年，华北电力大学研发的w x b 0 1 、w x b 一0 2 型微机保护装置通过鉴定，批量 生产。19 9 0 年华北电力大学研发成功的以m c s 5 1 芯片系列中的8 0 31 为核心 处理器的w x b 1 1 型微机保护装置，正式投入生产。而在主设备保护方面，华 中理工大学和东南大学研发的发电机失磁保护、发电机保护以及发电机一变压 器组保护也相继于1 9 8 9 、1 9 9 4 年投入运行。进入2 1 世纪，以南瑞继保为代表 的专业公司研发水平已达世界先进行列，南瑞研发的r c s 一9 0 0 0 微机保护装置 集保护、测控、监视以及其他自动化功能为一体，大规模运用于电力系统中【l 】。 目前，微机保护技术已经趋于成熟，各种类型的微机保护装置已在全国各 大电网中投入运行。近年来社会经济飞速发展，电力系统运行情况越来越复杂。 随着集成电路和计算机技术的飞速发展，以及嵌入式应用的日益广泛，微机保 护装置将向着以下几个方面发展【2 】。 ( 1 ) 计算机化，从以8 位单c p u 为核心的保护装置发展到以3 2 位数字信 号处理器( d s p ) 为核心的保护、测控、监视以及通信一体化的综合微机保护装置。 此外随着保护原理的日趋复杂，保护装置的c p u 从单一的c p u 发展到多c p u 结构，各c p u 分工合作，共同完成保护功能。 ( 2 ) 网络化，在我国大量的保护装置只反应保护安装处的的电气信息，装 置的功能仅限于切除故障，缩小故障范围。而在国外早已提出系统保护的概念， 保护装置不仅能切除故障元器件和限制事故范围，而且能够保护整个系统的安 全可靠运行，这就要求各装置能够共享系统运行和故障信息并且每个保护元件 要实时的将自身的相关信息上传给上级服务器，以便于运行人员分析判断。实 现这点就必须将保护装置网络化，除了利用传统的现场总线技术例如4 8 5 、c a n 总线外，以太网技术也将大大的运用的微机保护装置中。全球卫星定位系统 ( g p s ) 和光纤通信技术也将运用到电力系统微机保护中。 ( 3 ) 保护、测控、通信一体化，如今的保护装置不仅仅要满足基本的保护 功能，还要求装置具有测量、控制、通信等功能。 ( 4 ) 智能化，近年来人工智能技术例如模糊理论、神经网络、遗传算法、 2 小波理论都在微机保护装置中得到运用。 1 3 本论文主要内容及工作任务 随着电力网络的日趋庞大，尤其是算法的日趋复杂，一般的微型计算机很 难满足速度上的要求，此外随着电力系统自动化水平术的提高，与网络的通信 和前沿的监测都需要保护装置来承担从而对保护装置的c p u 要求越来越高。本 文将介绍一种基于d s p 和a r m 的双c p u 架构的微机保护平台，详细介绍了系 统各模块的硬件平台、软件框图以及抗干扰措施等。该保护装置将d s p 强大的 数据处理能力和a r m 出色的控制能力结合起来，运行可靠，功能齐全，界面 友好，已通过形式鉴定，准备试运行。本系统是在统一的硬件平台基础上根据 应用场合和使用元件的不同又可分为变压器保护，电动机保护，线路保护等保 护装置。 以下为本文的内容和章节安排： 第一章绪论：概括的介绍了微机保护装置的作用，简要介绍了国内外微 机保护发展的情况。明确文章介绍的内容。 第二章硬件电路设计分析：设计了微机保护装置的硬件平台，具体介绍 了装置内部各模块的硬件组成及设计方法，给出了各模块的原理图和工作原理。 第三章系统软件的设计：对系统整体软件进行设计，给出各子模块的软 件设计框图以及程序设计中应注意的问题。 第四章1 0 3 规约的实现：10 3 规约作为保护装置与变电站之间的通信协议， 是系统不可或缺的组成部分，该章节主要介绍1 0 3 规约的实现过程。 第五章系统可靠性的设计：分析系统的干扰源，分别对系统采用的软硬 件抗干扰措施进行设计，设计系统的自检措施。 第六章对全文进行总结：提出需要进一步解决的问题，对未来技术的发 展进行展望。 第二章硬件电路设计分析 硬件电路是保护装置设计的基础，科学的硬件设计，是保护功能得以实现 的前提。在本章中将介绍该保护装置的硬件设计，给出每个硬件模块的原理图， 分析其功能和实现原理。 2 1 系统硬件总体设计方案 微机保护的硬件一般包括以下三大部分【3 1 ： ( 1 ) 模拟量采集系统：电压电流信号经过互感器，滤波电路，通过模数转 换器等功能块，将模拟信号转换成微机能够识别的数字信号。 ( 2 ) 微型机主系统：包括处理器，存储器，实时时钟，通信接口等，主要 通过对采集的模拟量进行判断分析，处理和控制等功能。 ( 3 ) 开关量输入输出系统：开关量输入输出有微型机的输入输出接口、光 电隔离及一些继电器等组成。以完成保护的动作出口，信号出口以及外部信号 的接入，人机对话等功能。 目前电力系统投入运行的微机保护设备硬件设计上一般具有以下共同点： ( 1 ) 多c p u 设计：使微机保护装置功能上更加完善，可靠。 ( 2 ) 硬件一般采用模块化设计：有利于装置的生产、维护和升级，只需要 在软件上做些改动即可。 ( 3 ) 可靠性设计：电源插件采用隔离屏蔽，一般选用独立的电源模块，输 入电压电流互感器一般都具有隔离功能；开关量输入输出采用光电隔离器件， 从而避免微机保护装置与外部设备在电气上电的连接，增强了装置的抗干扰性 能。 ( 4 ) 简洁性设计：选用高集成度的多功能c p u ，简化硬件设计，提高可靠 性，利用软件灵活方便的特点，来代替硬件功能。 ( 5 ) 系统性设计：新型的微机保护装置不仅完成传统的保护功能，而且将 保护、控制、测量、通信等功能集为一体。 结合以上几点本装置在外观上采用插件式结构，各插件之间实现电气联系， 显示面板与c p u 插件通过插座连接。装置共有四块插件，分别是模拟量输入插 件、开入及电源模块插件、c p u 插件以及开出量插件，它们之间的连系如图2 1 所示 4 1 5 1 。 4 电源与 c p u 开出模拟量 开入板板板输入板 上0：0 背板 ， 面板 图2 1 机箱内部结构 系统内部采用d s p + a r m 的双c p u 架构，将d s p 强大的数据处理能力和 a r m 出色的控制能力结合起来共同完成保护的相关功能。主要用于3 5 k v 变电 站及其以下电压等级的厂站系统，实现保护、测量、控制、通讯监控等功能。 系统硬件总体设计框图如2 2 所示【6 】【7 】【8 】。 意 jl 图2 2 系统总体框图 翮 蕊i 一，、变电站 2 2 模拟量采集模块 模拟量采集模块，可最多采集1 2 路模拟量，高电压大电流经过互感器后转 换成大小适中的小信号，然后经过调理滤波电路，通过多路转换开关将信号输 入模数转换器a d 7 6 5 6 ，将模拟信号转换为数字信号。此外，还有6 路模拟量 通过测量互感器和调理电路后，直接输入a d e 7 7 5 8 用于测量电度和功率。 2 2 1 前端调理电路 由于互感器出来的电压信号有可能含有大量的高次谐波，使输入信号频率 变大，不满足香农采样定理( 采样频率大于输入信号频率的2 倍) ，从而造成频 域混叠现象。可以使用低通滤波器来滤除高频信号【9 】。 本系统采用二阶r c 有源滤波，如图2 3 所示。在滤波电路中运放不宜接 成放大器，因为运放出来的信号不是直接进入a d ，而是通过多路转换开关转 换后再进入a d 。如果接成放大器，就会加强转换开关转换造成的噪声。此外 为了防止过高电压对多路转换开关造成冲击，在信号输出端与模拟地之间接一 对背靠背的稳压管d 2 5 、d 2 6 ，该稳压管击穿电压为5 v ，从而把输入多路转换 开关的电压限制在5 v 范围内。 图2 3 二阶r c 有源滤波电路 2 2 2 多路开关和模数转换电路 该电路如图2 4 所示，本保护测控装置采用a d 7 6 5 6 作为模数转换器，系 统要求最大采样1 2 路模拟量，考虑到生产成本和p c b 制版因素，需用两片多 路转换开关c d 4 0 5 3 来切换信号。c d 4 0 5 3 有三对二选一开关，工作电压为 7 5 v ，两片c d 4 0 5 3 的a 、b 、c 三引脚连到一起共同接d s p 的一个i o 口，i n h 引脚接d s p 的一个i o 口来控制开关的开断，在i n h 引脚输入低电平时，a 、 b 、c 引脚输入低电平，x 通道开通；a 、b 、c 引脚输入高电平时，y 通道导 通。 a d 7 6 5 6 是由美国a d 公司生产的低功耗逐次逼近型模数转换器，具有6 6 个输入通道，输入带宽大，最大吞吐率为2 5 0 k s s ；供电电压范围为4 7 5 v 到 5 2 5 v ；信噪比低；芯片内部有2 5 v 基准电压源。芯片可以通过并行或串行接 口方式与控制芯片相连，支持s p i 、q s p i 、u w i r e 等高速串行接口；可通过硬 件或软件两种方式设定输入信号的范围；采用i c m o s 技术，q f p 封装。 至于a d 7 6 5 6 引脚的接法可参照图2 4 【l 。其中r e f c a p a 、r e f c a p b 、 r e f c a p c 是参考电压引脚，这三个引脚应该分别接一对去耦电容以减小每个 模数通道参考缓冲器的衰减，r e f i n o u t 为参考电压输入引脚，本装置通过一 片t p s 7 6 8 2 5 q 来产生2 5 v 电压作为a d 的参考电压。v 1 v 6 是模拟输入的6 个通道，每个通道的输入范围取决于r a n g e 引脚的状态，在本装置中r a n g e 引脚接高电平，所以模拟量输入范围为5 v ，如接低电平，模拟量输入为l0 v 。 v d r i v e 是逻辑电源输入，本装置中我们采用的是外部参考电压，所以悬空不 接。c o n v s t a b c 是启动a d 的逻辑输入，由于本装置中6 路信号同时采集， 所以该引脚共同接到了d s p 的一个输入输出口上。c s 是片选信号，低电平有 效，本装置中连接到d s p 的c s 2 引脚。r d 是读信号，逻辑低电平有效。调试 时需要根据a d 的读写时序来改变d s p 外围接口控制寄存器的设置。 w r r e f e n d i s 是写数据参考使能二l l z 使能多功能复用引脚。b u s y 是忙信号 输出，在本装置中通过下拉电阻接地，即从a d 数据开始转换到转换结束前， 该引脚一直保持低电平，直到转换结束该引脚输出高电平。d s p 检测到高电平 后读走数据。s e r p a r 引脚用来选择a d 7 6 5 6 与c p u 的接口方式，h s s e l 是 硬件软件选择输入引脚，本系统中这两个引脚接地，采用硬件模式，数据并行 输出的形式。 r e s t 是复位信号，高有效，无论a d 7 6 5 6 工作在何种模式下，装置上电 时都应对其复位。w b 是字或字节模式选择，本系统选用字模式。引脚 d b 0 一d b 1 5 】在并行接口模式下作为1 6 位数据输出口【】。 此外由于多路模拟开关c d 4 0 5 3 在接通时，存在较大的通态电阻r o n ，若 电压信号直接进入a d 转换器，r o n 将会分压，这样信号就会衰减，造成测量 精度降低。所以在多路转换开关和a d 输入通道之间加一个电压跟随器，由于 电压跟随器的运放输入阻抗高输出阻抗低，因此转换开关的通态电阻可以忽略 不计，降低了输入信号的偏差，提高测量精度。 7 图2 4 多路开关和模数转换电路 8 图2 5 是a d 7 6 5 6 在并行工作模式下的时序图。首先，d s p 控制c o n v s t 的i o 口输出高电平，启动转换，并保持高电平不变。a d 7 6 5 6 在接收到启动电 平时，将会输出b u s y 信号，b u s y 信号为下降沿时表示转换结束，d s p 检测 到该下降沿后读走数据并把c o n v s t 信号变低。 图2 5a d 7 6 5 6 并行工作时序图 2 3 开关量输入输出模块 2 3 1 开入量模块设计 开入量是微机保护中极为重要的组成部分，本装置具有16 路开入量回路， 其中有1 2 路外部开关量，4 路内部开关量。采集的开关量信息包括隔离开关的 状态、断路器的状态、手跳手合状态等。其具体原理图如图2 6 所示。外部开 入量的输入一般都是从现场1 10 v 、2 2 0 v 直流母线上引入的信号，内部的开入 量一般从开出回路引入的信号，供电电压为2 4 v ，对于保护装置这种弱电控制 的电路，需要考虑电阻的匹配。所有开入量回路均采用光耦隔离，从电路上把 干扰源和容易干扰的部分隔离起来，保证外部电路和装置内部电路只有光的联 系而没有电的联系。此外光耦的输入与输出端之间有很高的耐压值，因此具有 一定的安全保障作用。图中l 3 是一个磁珠，d 3 是一个稳压管，其反向击穿电 压为1 8 0 v ，用来限制光耦的输入电压，d 4 是一个反向二极管，其导通电压为 o 7 v ，用来钳位光耦输入端电压，防止光耦被反向击穿。r z l 为一个压敏电阻， 压敏电阻是一种非线性的电阻元件，其阻值随着两端电压的变化而发生变化。 在正常情况下，压敏电阻呈现高阻状态，仅有极小的漏电流，相当于断路；但 当回路中出现高电压时，压敏电阻阻值会迅速降低，回路中电流急剧上升，相 当于电压源被短路。利用压敏电阻的这种特性可以吸收开入端口的各种干扰信 号，保证微机保护装置的安全。光耦的输出端接可编程逻辑控制器，由d s p 定 时读取开入量【l 引。 9 柚 钳 a 懈 鲫 嚣| 盆 眦 noc 图2 6 开入量原理图 2 3 2 开出量模块设计 开出量输出主要包括跳闸出口、合闸出口、本地和远方控制出口、信号以 及备用出口等。本装置共有8 路开关量输出，用户可以根据具体情况选用。其 原理图如图2 7 所示。 图2 7 开出量出口电路 开出量出口电路分为两个部分，动作出口和装置自检回路。开出量由d s p 判断产生，然后由c p l d 输出，考虑到开出量易受到干扰，特用两个输入输出 口控制一路开关量，如上图的所示。开出回路作为装置和外部联系的电路，和 开入回路相似。选用光耦器件进行隔离，此处装置选用光耦t l p 1 2 7 ，光耦内 部是达林顿结构，驱动能力强可以可靠的驱动继电器。j 1 4 为继电器的线圈， 二极管d 2 2 、d 2 3 ，用在这里作用是为了在装置自检时不影响动作出口，使出 口回路和自检回路相互独立互不干扰。二极管d 2 1 主要是作为续流回路防止反 向电压冲击继电器的线圈，起保护作用。 为了防止装置误动，装置设有开出量自检回路。在d s p 的采样间隔，对开 出回路进行自检。如上图所示，开出量输出的同时，又反馈回c p u 检测。这样 可以检测出光耦异常导通以及光耦不能导通等情况 1 3 儿1 4 】。此外在检测到开出回 1 0 路发生故障时，装置应采取以下措施： ( 1 ) 退出所有的保护功能。 ( 2 ) 利用面板上的l e d 告警并将故障信息上传。 ( 3 ) 装置在液晶屏上显示故障信息。 2 3 3 防跳回路设计 在微机保护装置的操作回路中防跳回路是必不可少的。防跳回路的作用： ( 1 ) 防止运行人员没有松开开关或者断路器触点粘合等，使断路器不能够 及时返回，而导致断路器正好合闸在线路或者电气设备发生故障时，造成断路 器开关连续开闭现象。 ( 2 ) 避免断路器辅助触点变位过慢，导致断路器烧毁。 图2 8 是本装置设计的防跳回路，采用电流启动，电压保持。图中j 3 0 a 、 j 3 0 b 分别为防跳继电器的电流线圈t b j 和电压线圈t b j v 。当保护装置跳闸或 者本地运行人员跳闸或者远方运行人员跳闸时，儿4 b 或j 1 3 b 或j 2 7 b 闭合，t b j 带电，其常开触点j 3 0 c 和j 3 0 d 闭合，电流线圈t b j 自保持，同时电压线圈 t b j v 带电。电压线圈的常闭触点j 3 0 e 打开，从而断开合闸回路。当断路器断 开时，各触点返回。j 2 4 a 和j 2 8 a 分别为合位继电器和跳位继电器，均为电压 启动与断路器的线圈开关串联。当断路器开关闭合时t w j 线圈导通，当跳闸时 该线圈断电，触点状态发生变化。注意：根据使用继电器的不同，要注意动作 出1 3 回路与信号回路电阻的匹配【1 5 】【1 6 】。 图2 8 防跳回路 2 4 电源模块 电源模块把交流电源转换成供装置使用的直流电压。通过电源端子输入 a c 2 2 0 v ，经过一系列抗干扰和滤波回路后进入电源模块，然后输出两路+ 5 v 电压，以及7 5 v 和+ 2 4 v 电压。为避免一些对外通信端口对板内器件带来干 扰，两路5 v 电压一路经芯片a s l l17 m 5 3 3 和a s l1 17 m 5 1 8 转变成3 3 v 和 1 8 v 供c p u 等芯片使用，另外一路供外部通信端口使用，例如4 8 5 、c a n 等， 以避免外部干扰信号通过电源干扰内部芯片的运行。7 5 v 用于模拟量回路， + 2 4 v 则用于开入开出的电源输入、脉冲输出以及继电器驱动等。四组电压采用 浮地方式，模拟地和数字地不共地，不与外壳相连。此处设计时因考虑到电源 模块的输出电流应与系统各芯片总的输入电流相匹配。 2 5 人机界面模块 2 5 1 按键设计 i 图2 9 键盘电路设计 该装置的人机界面由按键、l c d 和l e d 灯组成，运行人员通过按键对装 置进行设置，l c d 显示装置内部各种信息，包括潮流图、时间、通信端口参数 以及定值设定等，利用l e d 来显示装置的工作状态，包括跳闸、合闸、运行、 跳位、合位以及告警 1 7 】。 2 5 2 液晶设计 本装置的液晶模块采用北京迪文公司的m t 3 2 2 4 0 t 0 3 5 液晶模块，显示器 尺寸为3 2 0 2 4 0 ；该液晶模块的主要特点包括： ( 1 ) 通过串行接口与c p u 连接，接口简单。 ( 2 ) 指令集统一，编程简单，便于用户操作和升级。 ( 3 ) 支持t t l 、c m o s 等多种电平。 ( 4 ) 3 2 m b 字库空间，支持多种语言和字体，字库下载方便，操作简单。 ( 5 ) 9 6 m b 图片存储空间，可存储2 5 6 张图片，设置操作界面简单灵活， 1 2 极大的简化了界面的设计。 ( 6 ) 3 2 m b 用户数据库，数字处理方便，有利于产品的升级。 表2 1 为液晶模块与系统接线端子的引脚定义。 表2 1 液晶模块与系统接线端子的引脚定义 p i ni o描述 1i n供电电源输入 2 3o u t串口输出缓冲区满信号 4o u t串口输出t x d 5i n串口输入r x d 6 7p a s s i v e地 8 d m t 3 2 2 4 0 t 0 3 5 液晶模块串口电平可以通过跳线设置为3 3 vt t l c m o s 电平或者r s 2 3 2 电平，本装置采用的是后者，在设计中考虑到降低功耗的要求， 可以通过引脚l c ds w i t c h 对液晶显示模块的接地端口进行控制，使其在长 时间不工作的情况下将电源切断，以此达到降低功耗的作用，其连接电路如图 2 1 0 所示，当l c ds w i t c h 引脚为高时三极管不导通，7 、8 引脚悬空，当该 引脚为低时三极管导通，7 、8 引脚接地，电源形成回路，液晶可以正常工作。 l c d 州 图2 1 0 液晶模块接线图 此液晶模块含有一个2 4 帧的通信帧缓冲区，通信帧缓冲区为f i f o 结构， 只要通信缓冲区不溢出用户可以连续传数据给h m i 。该模块有一个硬件引脚 ( l c db u s y ) 指示了f i f o 缓冲区的状态，初始化时该引脚为高电平( r s 2 3 2 电 平为负电压) ，当f i f o 缓冲区只剩下一个帧缓冲区时，b u s y 引脚就会立即变 低( r s 2 3 2 电平为正电压) 。在本系统中为了避免丢帧现象出现，c p u 在发送每 一帧命令时都会检测此引脚的状态，只有在该引脚为高电平时才发送命令。 2 6c p u 插件 2 6 1c p u 系统介绍 本系统采用d s p + a r m 的双c p u 结构，d s p 控制采样、计算、逻辑判断 以及动作出口，a r m 用来实现通信、人机接口以及电度测量等功能。除此之外 c p u 系统还包括一片可编程逻辑控制器，外扩存储单元以及看门狗等器件。 ( 1 ) d s p 简介【】9 】 d s p 采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。该芯片采用采用高性能的静态c m o s 技术。 1 4 在内核电压1 8 v 时主频可达到1