（电气工程专业论文）小水电机组数字式保护装置的研究与实现.pdf

小水电机组数字式保护装置的研究与实现 摘要 我国的水利资源十分丰富，因地制宜合理地开发水利资源、建设小水电站， 不仅利国利民，而且对于加快地区经济发展、缩小地区经济差异起着非常关键的 作用。由于小水电站是小规模的经营体，投资规模小，其自动化部分投资较少， 因此价格因素很重要。其经营主体足农民或农村技术人员，技术水平不高，所配 套的设备必须是易安装、易操作的免维护产品。而且目前从国内到国外，还没有 针对小水电发电机保护特有的产品本文基于以上背景开发一种针对小水电的发 电机保护装置，做到产品成本低、性价比高、安装操作维护简单。 本文对国内外小水电发电机保护装置历史及现状作了较为全面的综述，详细 介绍了小水电发电机保护装置需求特点并确定需要配置的保护功能。围绕装置 保护功能的实现介绍了保护装置的算法及原理，详细分析周期、傅氏算法、三次 谐波过滤器等软件算法在装置中的应用。围绕装置产品工程化分别介绍了装置的 硬件设计，主要分保护c p u 的d s p 硬件平台、人机对话面板的硬件平台及装置 硬件工程化，其中重点介绍了保护的d s p 硬件及面板的l o n w o r k s 平台：介绍 了装置软件设计，分保护软件及面板软件两部分，软件编制采用模块化思想接 下来分别介绍了保护主程序及各保护功能模块，面板程序的菜单显示、键盘操作、 通信处理程序。 最后，对该装置进行了大量的型式实验和动模实验，取得了良好的效果，全 面验证了此装置的设计合理性 关键词：小水电站；电机保护装置；傅氏算法：三次谐波过滤器；d s p ；保护功 能模块 下程硕士学位论文 a bs t r a c t t h ew a t e rr e s o u r c e sa r ee x t r e m e l yr i c hi no u rc o u n t r y p e r m i t t i n gr e a s o n a b l yt o d e v e l o pt h ew a t e rr e s o u r c e sa n dc o n s t r u c tt h es m a l lh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o ni sn o t o n l yu s e f u lf o ro u rc o u n t r ya n dp e o p l e b e n e f i tb u ta l s ot op l a ya ne x t r e m e l ye s s e n t i a l r o l ei ns p e e d i n gu pt h el o c a le c o n o m yd e v e l o p m e n ta n dr e d u c i n gt h el o c a le c o n o m i c a l d i f f e r e n c e b e c a u s et h e s m a l lh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o ni st h es m a l ls c a l e m a n a g e m e n t b o d y , i n v e s t m e n ts c a l ei ss m a l la n di t sa u t o m a t e dp a r t i a li n v e s t m e n ti sl e s s ，t h e r e f o r e t h ep r i c ef a c t o ri sv e r yi m p o r t a n t i t sm a n a g e m e n tm a i nb o d yi st h ef a r m e ro rt h e c o u n t r y s i d et e c h n i c a lp e r s o n n e l b e c a u s et h e i rt e c h n i c a ll e v e li s n o th i g h ，t h e c o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n tm u s tn o to n l yb ee a s yt oi n s t a l la n do p e r a t e ，b u ta l s od on o t n e e dt om a i n t e n a n c ei t m o r e o v e ra tp r e s e n tf r o md o m e s t i ct oo v e r s e a s ，t h e r ei sn o ta u n i q u ep r o d u c tt op r o t e c tt h eg e n e r a t o ro fs m a l lh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n t h i s a r t i c l e d e v e l o p s o n ek i n d p r o t e c t i v e d e v i c e o fg e n e r a t o rb a s e do nt h es m a l l h y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n t h ec o s to fw h i c hi sl o w , b u tt h ep e r f o r m a n c ei sg o o da n d i ti ss i m p l et oi n s t a l la n dm a i n t e n a n c e t h i sa r t i c l eh a sm a d eam o r ec o m p r e h e n s i v es u m m a r yt ot h eh i s t o r yo fg e n e r a t o r p r o t e c t i v ed e v i c eo fs m a l lh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n sf r o mt h ed o m e s t i ct of o r e i g n c o u n t r y t h ea r t i c l ea l s oi nd e t a i li n t r o d u c e st h ed e m a n dc h a r a c t e r i s t i co ft h eg e n e r a t o r p r o t e c t i v ed e v i c e ，a n dd e t e r m i n e st h ep r o t e c t i o nf u n c t i o nw h i c hn e e d st od i s p o s e i n o r d e rt or e a l i z et h ep r o t e c t i v ef u n c t i o n ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ea l g o r i t h ma n d p r i n c i p l eo fp r o t e c t i v ed e v i c e i ta l s oa n a l y z e st h eu s eo fs o f t w a r ea l g o r i t h mo f c y c l e ，f o u r i e ra l g o r i t h m ，t r i p l ef r e q u e n c yf i l t e r a n ds oo ni ni n s t a l l m e n t r e v o l v e dt h e e q u i p m e n tp r o d u c tp r o j e c t t od e c o m p o s e ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ei n s t a l l m e n t h a r d w a r ed e s i g n t h ek e yp o i n ti st h ed s ph a r d w a r ep l a t f o r mo fp r o t e c t i n gc p u ，t h e m a n m a c h i n ed i a l o g u ek n e a d i n gb o a r da n dt h ee q u i p m e n th a r d w a r ep r o j e c t t h e s o f t w a r ed e s i g no ft h ei n s t a l l m e n ti si n t r o d u c e d t h ek e yp o i n ti st h em a s t e rr o u t i n e a n de a c hp r o t e c t i o nf u n c t i o nm o d u l e f i n a l l y , t h ee q u i p m e n th a sb e e nc a r r i e do u tt h em a s s i v ef o r m se x p e r i m e n ta n d m o v i n g m o l de x p e r i m e n t t h eg o o d e f f e c th a sb e e no b t a i n e dw h i c hh a s m 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 c o m p r e h e n s i v e l yc o n f i r m e dt h ed e s i g nr a t i o n a l i t yo ft h i si n s t a l l m e n t k e yw o r d ：t h es m a l lh y d r o e l e c t r i cp o w e rs t a t i o n ：o n ek i n dp r o t e c t i v ed e v i c eo f g e n e r a t o r ：f o u r i e ra l g o r i t h m ：t r i p l ef r e q u e n c yf i l t e r ：d i g i t i a ls i g n a l p r o c e s s i n g ：p r o t e c t i o nf u n c t i o nm o d u l e i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：罗：礼訇多夏 日期： 1 年乡月2 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 ， 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：夕嚅补訇疆1 日期： 印年乡月2 岁日 导师签名：舀欠凰了林日期：。b 哆年5 月c 2 多日 t 程硕士学位论文 第1 章绪论 本章简要介绍了国内外发电机保护装置的发展、小水电机保护装置的社会需 求、保护特点，本文选题的背景、意义及主要研究内容。 1 1 发电机保护发展现状 电力系统的飞速发展对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， 继电保护技术得天独厚，在4 0 余年的时间里完成了从老式的的继电器保护、晶体 管继电保护、集成电路保护、微机保护四个历史阶段1 3 】l 钔。 水电站的保护与监控作为电力系统中一部分，随着水力发电的快速发展，研 究水电站发电机组保护装置也迎头赶上。发电机组保护装置技术含量相对要求高， 国外只有少数几家著名的电气设备公司有相应产品，如g e c 阿尔斯通的l g p g 型发电机保护装置，a b b 公司的r e g 2 1 6 型发交组保护装置，g e 公司的g e s d g p 型发电机保护，还有西门子公司的7 u m 5 1 1 等系列产品。与国内的机组保护产品 相比，这些保护装置结构紧凑，工艺水平较高，调试软件的功能较完备，人机接 口良好问世较早，具有丰富的现场运行经验。 国内微机发电机组保护装置的研制始于八十年代初【1 2 1 ，主要以东南大学史 世文教授带领的学术梯队为代表。1 9 9 4 年至1 9 9 6 年，先后有四套微机发电机变 压器组保护装置通过鉴定随后，国内几家主要的电气设备公司与东南大学、清 华大学、华中科技大学、华北电力大学等高校合作研制，引用新原理和新的计算 机技术发展成果，进一步改善发变组保护装置性能。现投入市场的有：南自的 w f b z 0 1 和d g t 8 0 l 型发变组保护，许继的w f b 1 0 0 型发变组保护，南瑞的 l f p 9 0 0 系列和r c s 9 8 5 型发变组保护，四方的c s g 3 0 0 a 系列发变组保护。这些 装置在保护新原理的应用以及动作性能上具有一定的优势，也更符合国内的要求 经过数年的运行实践，国内的发电机组微机继电保护装置积累了许多宝贵经 验，同时也暴露出一些不足，例如：保护应该以简单的设计结构来提高其可靠性， 在我国由于电力系统比较薄弱，很多需要由系统解决的问题交由保护来解决，使 得继电保护复杂而且脆弱：机组容量级别多，电压等级多，主接线类型多更使主 设备元件保护复杂化，而且对于同样的一次设备和一次系统，由于保护人员和设 计人员对保护理解的差异，保护配置的内容相差也较大，为此需要开发新的保护 装置以满足结构简洁明晰、性能可靠完备、硬软件模块化、配置更灵活化要求 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 1 2 小水电发电机保护装置的社会需求、保护特点 小水电是可再生能源，而通常的大型水电属于传统能源，而小水电属于新能 源。国家于2 0 0 5 年2 月份颁布的 七 矗 ， 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 l 速断区 衫区 图2 - 6 带比率制动特性的发电机差动保护动作特性 装置设置有差动t a 断线判断功能，当检测出差动t a 断线时，由控制字选择 是否闭锁单相差动保护。为了提高可靠性，当判为单相差动动作且有负序电压时， 开放差动保护。 为了在轻负荷下提前发现差动回路的异常，装置还具有差流越限功能，差流 越限的定值固定为差动最小动作电流的8 0 ，当判出差流越限且经过1 0 s 发差流 越限告警信号。 启动 为了保证差动保护的可靠性，一方面采用启动插件闭锁，另一方面结合后备 电流有突变或后备电流越限以及差动电流辅助起动作为差动的综合启动方式。 说明 机端和中性点电流互感器必须同型号、同变比，而且为零度接线。 发电机差动保护逻辑框图 3 ) 簟相比搴制动茬功 差动动作 l 一：? ：! 三”：_ j 仅 厂晶比翠荔；万 相 动 o 幅比奉差动动作 作 lj 1 再断线闭镇单相差劲礞_ 蠢 ，护笔娄! 、 l 毒 _ ( 1 a 新境) 。 l 4 ) 差流越限 竺兰篓謦! l 呈塑苎垫越巴j 上 c 相差流麓i l 【一 一一一j 厂l 骥睫曼兰乎f 动动作 蠢魑曝告 图2 - 7 发电机差动保护原理框图 ( 2 ) 复合电压过流保护( 电流可带记忆) 保护原理 复合电压过流保护作为发电机、变压器、高压母线及相邻线路故障的后备保 护。对于自并励发电机，在短路故障后电流衰减变小，故障电流在过流元件动作 出口前就可能已经返回，因此，在复合电压过流保护起动后，过流元件需带记忆 功能，使保护能可靠动作出口，电流是否带记忆功能可通过控制字选择。 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 复合电压过流保护由负序电压或线电压启动的过电流元件组成，复合电压过 流保护设两段定值，第l 段通常动作于缩小故障范围，第1 i 段动作于全停，也可 以通过控制字将两段定值都设置为全停。每段的复合电压元件可分别投退。电流 取自后备用t a ，电压取自机端t v 。当t v 断线时可选择是否退出复压元件。 复合电压过流保护逻辑框图 1 丽葭毓壳件动作) 卜 t 广一 _ ji 过漉i i 颜赢再砑雨j 、一- t - - - - - - - - - - - - - 一 图2 - 8 复合电压过流保护逻辑框图 ( 3 ) 负序过电流保护 保护原理 负序过电流保护设两段定值，第1 段动作于缩小故障范围，第1 i 段全停，也 可以通过控制字将两段定值都设置为全停。负序电流保护用的负序电流元件取自 后备用电流互感器，负序电压元件取自机端t v 。该保护可以和4 3 节的低压过流 t 程硕士学位论文 组成复合过电流保护，即负序过流用于保护不对称短路故障，低压过流保护用于 保护三相短路故障。 保护动作逻辑框图 臣鲣蓝瀛l 段出早 l ? ”：i r = i 二。；_ n 。： 厅墒凌闭镇氟本缸奄 流慑护投入 l 堂譬y z 型旧 t ，1 i - 孬一、f ：她照墅退出p j 图2 - 9 负序过电流保护原理框图 ( 4 ) 定子过负荷和负序过负荷保护 保护原理 定子过负荷保护反应发电机定子绕组的平均发热状况，以保护发电机定子绕 组以免过热，电流取自后备t a 和机端t a 三相电流的最大值。 发电机负序过负荷保护反应定子绕组的负序电流大小，保护发电机转子以防 表面过热。电流取自发电机后备t a 和机端t a 负序电流的最大值。 保护动作逻辑框图 jh 舻鼎卜 t l 定子过负荷保护投入l _ 一 i 殄i f x 卜 负序过负荷保护投入- - 型斟负荷告毒 图2 1 0 发电机定子过负荷和负序过负荷保护原理框图 ( 5 ) 电压保护 过电压保护原理 发电机过电压保护用于保护发电机各种运行工况下引起的定子绕组过电压 保护反应发电机机端电压大小保护设一段一个时限定值。 欠电压( 调相失压) 保护原理 发电机欠电压保护反应三相相间电压的降低，并经外部触点( 一般为自动操 作装置触点) 闭锁。保护设一段一个时限定值。 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 保护动作逻辑框图 露u l 虹m a 盼x u 鬻g yj 卜倒螋幽l i lj 欠电压保护出口 一一一 图2 - 1 1 电压保护原理框图 ( 6 ) 定子接地保护 保护原理 定子接地保护反应发电机定子一点接地故障，针对不同的主接线形式，有两 种不同的原理：一种是基波零序电流定子接地保护，一种是基波零序电压定子接 地保护。保护设一段延时，出口方式可以通过控制字选择既可以是发信，也可以 是全停。 对于基波零序电流定子接地保护，其零序电流选择为发电机定子接地专用零 序电流互感器；对于基波零序电压定子接地保护，其零序电压选择为发电机机端 零序电压互感器。为了提高三次谐波的滤过能力，采用零点滤过器叠加付氏算法， 三次谐波滤过比大于1 0 0 倍以上。保护还设置有机端t v 断线闭锁基波零序电压 定子接地保护功能。 保护动作逻辑框图 3 u o u i s 卜一 产黼芙吲一t 保护投入 l l o d o 卜一 l 。一一一j 基渡零耀罄礤珂 一一保护投入j 厂过流f f 锁基波零哥；门厂 丘 坚堡地缈投型i k h 舻m h j 基波零压定子接地动作 一 基波零压定子接地告警 基波零流定子接地动作 -一 【基波零流定子接地告警 图2 1 2 定子接地保护原理框图 ( 7 ) 转子一点接地保护 保护原理 转子一点接地保护主要反应转子对大轴绝缘电阻的下降。采用“乒乓”式变电 桥原理【26 1 ，其设计思想是：通过电子开关s 1 、s 2 轮流切换，改变电桥两臂电阻 值的大小，通过求解三种状态下的回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。 保护的动作判据为： r 。 u 2 ， 式中：u 吐、u 2 ，分别为机端正序电压的二次谐波分量和整定定值。 保护动作逻辑框图 l ! 亏_ 寰警地动竺卜 i 转于两点强地保护l 控制字投入广一 阳弼j 髓网 压u 1 2 ) u 2 5 l 谚喃接地出且 图2 1 4 转子两点接地保护原理框图 ( 9 ) 失磁保护 根据现场实际情况，及现有失磁保护原理1 2 纠，装置提供三种失磁判据，即：失 磁开入判据、失磁低励判据、失磁阻抗判据。 失磁保护开入判据 失磁保护采用直流励磁电压低外部开入( 采用三取二方式) 保护原理，为了 提高失磁保护的可靠性，结合逆无功元件识别失磁故障。保护动作于停机 直流励磁电压低外部开入除了常规的开入监视外，增加当直流励磁电压低开 入三取二动作时，但逆无功元件不动作时，表明直流励磁回路出现异常，给出告 警信息，提醒运行人员进行处理。 失磁保护低励判据 失磁保护低励判据主判据采用转子励磁电压。为了提高失磁保护的可靠性， 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 结合逆无功元件识别励磁故障。保护动作于停机。 装置具有直流励磁回路正常与否的监视功能，即判别直流励磁电压低于8 v ， 但无功不反向，经延时1 0 s 报直流励磁电压回路异常告警，提醒运行人员处理。 失磁保护阻抗判据 失磁保护阻抗特性可选为园特性或苹果园特性。阻抗特性在复平面上的位置 可任意，用户可根据静稳边界或异步边界进行整定。阻抗动作方程为： ( x 。一x o ) 2 + ( 石0 一x o ) 2 r 2 式中：x m 、r m 分别为机端测量阻抗的电抗和电阻分量；x 0 、r 0 分别为圆 心向量；r 为圆半径。 为了防止在其他非失磁情况下的测量阻抗进入动作特性内造成失磁保护误 动，设有相应的闭锁措施。为躲过系统振荡的影响，设有t 6 时限。 失磁保护原理逻辑框图 1 ) 失磁开入判据 r 一1r - - 1 逆无功 qi 一 赢匿翻嘧运罚 t r 丘 囤失磁保护开入判据出马 一功元，牛起动广 傩保护不疑逆 i 珏厶三躯三动佳i 孽粕 一， 路异节告警 图2 1 5 失磁保护原理框图 t 程硕十学位论文 第3 章装置硬件系统设计 发电机保护装置是电力系统最重要的电力设备之一，运行工况复杂，配套设 备多，相对事故频率高，使故障的分析、判断很困难，要求保护装置具有良好的 实时性、快速性和稳定性【l 引。近年来m o t o r o l a 推出的新一代的高性能、低价位的 1 6 位定点d s p 5 6 8 0 0 系列1 5 1 l ，除具有通用d s p 的特点外，还兼具单片机的所有 功能，片内集成了相当容量的f l a s h ，r a m 以及丰富的i o 模块，单芯片便可运 行。基于m o t o r o l a 的d s p 5 6 f 8 0 7 的特点，本装置首次将其应用在继电保护装置 中，并取得了良好的运行效果。 3 1 系统结构 发电机保护装置的总体结构如图3 - 1 所示，系统由1 2 块插件和面板( m m i ) 组 成，这1 2 块插件分别是：i # c p u 板、2 # c p u 板、3 # c p u 板、i # a c 插件、2 # a c 插件、电源插件、跳闸逻辑插件、信号插件、l 带直流插件、2 襻直流插件、本体跳 闸插件、跳闸出口插件这些插件组合在一起即可达到继电保护装置必须的三个 要求：输入信号、信号采集及处理、信号输出i # a c 插件、2 # a c 插件负责转换 实现发电保护功能所必须的电流、电压，将其转换为控制器能接受的模拟量信号； 1 撑直流插件、2 襻直流插件主要完成接地电阻计算所必须的电信号转换。i # c p u 板、 2 # c p u 板、3 # c p u 板将采集的的模拟量进行d 转换、数据分析后分别完成启 动、主保护、后备保护功能，结合开入量作出各种算法分析及处理；其它插件主 要完成信号的输出：跳合闸、发信等：面板主要完成人机对话及装置通信功能。 为了更详细的了解此装置，接下来分别介绍每个插件的具体功能及设计说明。 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 o 3 s v 电且 o 一一3 5 v 电压 2 4 v 开j , ( 每c p u e y m ) , , 1 6 路) a c d c 2 2 0 v 电源插件 3 2 插件功能及设计 3 2 1c p u 板 + 5 v + 1 5 v 1 5 v + 2 4 v m m i 饵h 匠 fl 黜一信 c p u i 插件( 慑 护启动) c i p l j 2 插件( 主 佩护) c p u 3 插件( 蜃 j i 保护) 生控捆l 件 图3 1 系统结构图 日 跳闸逻辑插件 1 5 路 俞出) 耽闸出口插件( 路出口) 圉 ( 1 ) 功能介绍 系统核心采用3 块c p u 方案，c p u l 启动c p u ，作为差动启动，后备启动， 零压启动，零流启动，过电压启动，失磁启动( 无功) ；c p u 2 主要完成发电机差 动，转子一点接地，转子两点接地，过电压，调相欠电压：c p u 3 主要完成完成 复压过流保护( 电流带记忆) ，负序过流保护，过负荷保护，负序过负荷保护，零 流型定子接地保护，零压型定子接地保护，失磁保护，逆功率保护，低压过流切 换励磁保护。正常情况下，启动c p u 负责启动判断，2 、3 号c p u 负责出口判断， 但在启动c p u 发生故障时，2 、3 号c p u 本身完成启动与出口判断功能。另外启 动c p u 与其他两块c p u 采用不同的算法和判据，以保证整个装置的正确动作， 降低误动、拒动发生的可能，各c p u 还提供自检和互检功能。c p u 插件的功能 组成如图3 2 功能框图所示。 擎二至 圉囝 t 程硕士学位论文 模入 开出 开入 图3 2c p u 插件功能框图 ( 2 ) 设计说明 通用d s p 硬件平台说明 系统的主处理器采用m o t o r o l a 公司的数字信号处理器( d s p ) 测6 f 8 0 7 1 5 1 l ，具 有丰富的，o 口和多种外围设备，同时具有6 0 k x l 6 位的程序f l a s h 存储器、2 k 1 6 位的程序r a m 存储器、8 k x1 6 位的数据f l a s h 存储器、4 k x1 6 位的数据 r a m 存储器；其中还有a d 公司的1 4 位州d 转换器以及开关量输入、输出 7 正 ：- 瞄s - i 慵。 豫何阶l o o t 荔f i l l ，_ 口 j丽瓣 1曩 5 之弋等汝冀汝 _ c u ”一s f “- - 一 囊 ：0 目f n d t ，* i 裟l 喇呐 o 口 ；脚 o c a ，c - l 。一ii 蝴i 荔 怒 d c 81 曩j 淼嚣 r1r i d 。l培。锵背二日 垆 知：c o * 蕊l i - m_ _ - ：h d t 4 _聃t w o 铀l l g - l m 2 臻譬挈 o - v tt 。 l r - j 7 己 0 r - 舳o 叮m h e l +5 ，0 ，d f h 啪 o at m * 2 c 4 e 一1 es 二-1p 勺一 一l 脚c - a - l t 一垆 o at p 槲0翟v 怫f _ 5 x d b 2 f 眦 向 c m 2 3 ， o _ _ q ” 2 _ t e ” 奄c 田 o - e s 兄 二 尹a p i o z j p 。 坩t e r ，也f | t c o n t r o l s 日| c n ：。一：一 01 2：0 鼍 ，e w b ，7 0 0 h n 毫一 咿j 尹 0 哟 耋i i 意溢。墨l n l 取 e _ h n h h 0 抽e o 犍 一“ 移p t i c 鲁娃讲卜 d 粼奢9 蛐协mj6 叫一eu 哺垆 ， j 驰m 够 0 g 叼 尊m e m o r y 鲞： “ 鼍 b 一 c r 0 ：p _ 柚h e r a l & o 蚍油枣蜘；1 c a _ 图3 3d s p 功能视图 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f 8 0 7 主要特点如下： ( 1 ) 超高速的处理能力，在8 0 m h z 时钟频率下可达到4 0 兆条指令s 的指令 执行速度； 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 ( 2 ) 关键部分采用双哈佛结构，支持并行处理； ( 3 ) 支持1 5 种不同的寻址方式； ( 4 ) 单指令周期可以完成1 6 位1 6 位的并行乘一加运算； ( 5 ) 支持可由用户灵活定义的多级中断优先级； ( 6 ) 具有3 条内部地址总线、4 条内部数据总线和各i 条外部地址总线和数 据总线； ( 7 ) 高效的c 编译器，支持局部变量； ( 8 ) j t a g o n c e 程序调试接口，允许在系统设计t 程中随时进行调试，并 可对软件进行实时调试等。 m o t o l o l a 提供了两个有力的软件开发工具：一个是c o d e w a r r i o r 集成开发环 境，是一种可靠的用于交义汇编、交叉c 编译、链接和调试的开发工具；另外一 个是软件开发工具e m b e d d e ds d k ，提供了各种外设模块的驱动程序和接口。 c o d e w a r r i o r 集成开发环境包含了一个可视化的工程创建和管理系统，对源代 码文件和库进行全面的管理，降低了丁程的复杂性它带有一个代码编辑器，采 用习惯的拼写风格，是建立和修改源代码的理想工具。它还带有一个c 源码级的 调试器，提供基于w i n d o w s 的代码调试功能，可视化地显示复杂的数据结构和表 达式的内容，大大加快了系统开发的速度。总之，c o d e w a r r i o ri d e 允许设计人员 可视化的进行代码编译、链接、调试和内核仿真等多种操作；另外，它可以支持 各种硬件评估平台，对于开发人员来讲，不需要任何其他工具就可以完成d s p 的 应用开发。 c p u 插件设计说明 每个c p u 插件的硬件完全一样，主要电路包括以m o t r o a l 公司的d s p ( d s p 5 6 f 8 0 7 ) 接口电路、a d 转换电路、开入开出电路、r s 2 3 2 通信电路、看门 狗复位电路。主要资源如下：1 2 路模拟量输入，1 4 位a d 分辨率，提供自检手段； 1 6 路光电隔离开关量输入通道( 含双路电度脉冲输入通道) ；1 6 路光电隔离开关 量输出通道，提供自检手段；2 路测频脉冲输入通道；串口通信用到t x d o 、r x d o 。 d s p 接口电路 工程硕士学位论文 - - - 1，。嚣彀，c 。 嚣i z - c 1 圈棼奁蚕 苗丛凸遵工一釜蔷主 亘毛一寻；昌 ， - _ 已一v t d 翻难溉 幽差兰嬲； 1 ) op - 王2 + 二k 3 v 僦e j 兰豳之 涟：= 。一 黧= ，- - - - 鸢a m c a a a a b l u d 图3 4d s p 接口电路 由图上可以看出，d s p 5 6 f 8 0 7 芯片上集成了通用的1 1 0 模块g p i o ( 最大可用 g p i o 引脚3 2 根) 、2 个异步通讯模块s c i 、1 个同步串行外设模块s p i 、1 个控制 器局域网c a n 2 0 b 、4 x 4 路d 变换模块、用于各类电机控制的多路脉冲宽度调 制6 通道p w m 模块、4 个定时器模块t i m e r 等外设模块实现了完全的单片化。 我们在实际应用中采用了灵活的设计方法，根据实际控制的要求，某些模块被当 作简单的i o 使用，例如；将p w m 模块及一部分定时器接口用作部分出口控制 ( d o ) ，将自带的a n g 模拟量接口用作开入采集( d i ) d 转换电路 3 1 霎量鐾誊蠡黧挲鬻黧黯莲蓬萋蓬 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 图3 - 5 a d 转换电路 该系统采用m a x i m 的单片4 通道1 4 b i ta d 转换器m a x l 2 5 1 5 2 1 来实现对1 8 路模拟信号的采集。它是内部带用同步采样保持器的高速多通道1 4 位数据采集：醛 片，芯片内部包含一个1 4 位、转换时间为3 u s 的逐次逼近型模拟数字转换器，一 个+ 2 5 v 的内部电压基准，一个经过缓冲的内部基准输入端，一个内部1 6 m h z 的 时钟，一组可以同时对4 路输入信号同步采样保持电路。m a x l 2 5 每一个采集 保持电路( t h ) h i j 面有一个2 选1 的转换开关，共可有8 个输入信号。而且m a x l 2 5 的总线电平和d s p 5 6 f 8 0 7 的完全一致，故不需加任何总线电平转换芯片。另外 采集模块还设计了自检电路，可实现对m a x l 2 5 的实时监控，一旦芯片发生故障， 便开出告警信号。 开入开出电路 图3 - 6 开入电路 3 2 图3 7 开出电路 工程硕十学位论文 开入开出均采用光电隔离，提供了系统的稳定性、可靠性。 r s 2 3 2 通信电路 图3 8通信接口电路 r s 2 3 2 通信经光电隔离，才与外界相接，对d s p 也启到了个很好的保护作用。 看门狗复位电路 丁，p m 兀孙缸暇 图3 - 9 夏位电路 m a x 7 0 5 是一组c m o s 监控电路，能够监控c p u 的工作状态。当程序运行时， 通过在w d i 信号上产生一个脉冲电平，此复位电路开始工作，它要求程序在执行 时1 6 s 内必须在此引脚上产生一个不小于5 0 n s 的脉冲，我们简称为。喂狗一如 果程序“跑飞一或进入死循环，没有在规定的时间内没有执行此操作，则在r e t 会向外部输出一个低电平的复位信号，引起装置复位。 3 2 2 面板 ( 1 ) 功能介绍 人机对话插件由主控制器、神经元芯片、双绞线网络变换器、键盘和液晶、 信号指示灯、时钟、复归按钮等构成。主功能如图3 1 2 面板功能框图所示：主要 能完成键盘响应、菜单操作、大屏汉字液晶显示、4 个信号灯指示、按键操作、 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 计算机r s 2 3 2 调试接口、c p u 与面板通信、l o n w o r k s 远方通讯。 li 神经元芯lil o n w o l 键盘 i 片ll 膦通信l i l液晶 i i 信号 主控制器 i i l时钟 i l i il i 一一 l 复归 i 隔离h 答伽 il 图3 - 1 0 面板功能框图 ( 2 ) 设计说明 为了实现以上功能，面板采用了两个c p u ，个是a t e m l 公司的8 位单片 机a t m e g a l 2 8 ，一个是e c h e l o n 公司的神经元：醛片n e u r 0 3 1 5 0 a t m e g a l 2 8 主要完成与精电蓬远公司的m g l l 6 0 8 0 型点阵式液晶的显示、 四方公司专用键盘的操作、平面发光管的指示、读写时钟：吝片d s l 3 0 2 的时钟、 通过隔离与底层c p u 进行通信，从而交换数据。它有1 2 8 k 字节的程序存储器和 4 k 字节的r a m 存储器和4 k 字节的e e p r o m 存储器，有6 个8 位通用i o 口， 运行于a v r r i s c 指令集，具有很高的运算速度。i c c 公司为其配有c 语言编译 器，支持c 语言编程。j 卷片可在线下载，便于调试和生产。 n e u r 0 3 1 5 0 芯片【5 0 l ，主要负责l o n 网络与串口数据之间的转换。它内嵌3 个c p u ，在处理速度方面相当于8 0 5 1 单片机3 倍的处理速度，采用面向对象的 高级语言编程( n e u r oc ) ，使得系统可移植性强，开发周期短。现场总线 l o n w o r k s 是用于现场仪表与控制装置和控制室之间的一种全分散、全数字化、 智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通讯系统。可靠性高、稳定性好、抗 干扰能力强，系统安全符合环境要求，造价低廉，维护成本低。 面板设计电路入要由如下四部分组成：a t m e g a l 2 8 接口电路、通信及信号 接口电路、l o n 接口电路、液晶显示接口电路。 a t m e g a l 2 8 接口电路 t 程硕十学位论文 图3 1 1a t m e g a l 2 8 接口电路 如上图3 1 1 所示，a ：r m e g a l 2 8 c p u 的r x d 、t x d 引脚与底层d s p 进行串 行通信；s p i 接口实现对d s l 3 0 2 进行时钟读写；通用i o 日( p f ) 与6 根键盘线 进行接口；地址总线通过1 片7 4 h c 5 7 3 扩展与字库芯片2 9 c 0 1 0 进行接口，一片 7 4 h c 5 7 3 扩展为控制信号；其它通用i o 口( p d 、p e ) 作为控制信号 通信及信号接口电路 图3 1 2 通信及信号接口电路 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 如图3 1 2 所示，此图主要功能有三部分，一部分为灯光指示、一部分为通信 接口、一部分信号电气连接。 面板灯光指示由五个灯组成，分别为：保护运行、保护动作、备用、保护发 信、告警、装置故障，其中“保护运行”灯为绿色，其它5 个灯均为红色，当差动 保护和后备保护动作时，“保护动作”灯亮；当定子过负荷、负序过负荷、失磁发 信等保护告警时，发出“保护发信”灯：当t a 断线、t v 断线、巡检中断时，“告 警”灯亮：当装置异常时，“装置故障”灯亮。这些灯光信号为自保持触点，需要运 行人员复归。 通信接口有二部分，一部分为d s p 与面板a t m e g a l 2 8 的通信的接口t x d 、 r x d ，一部分a t m e g a l 2 8 通过t x 、r x 隔离后与计算机r s 2 3 2 口相连。 l o n 接口电路 图3 1 3l o n 接口电路 如图3 1 3 所示，此图主要包括三部分，一部分为控制c p u ( n e u r 0 3 1 5 0 ) 、 一部分外扩程序芯片、一部分为l o n 网络收发器( f 1 限l o ) 。 液晶接口电路 图3 1 4 液晶接口电路 如图3 1 4 所示，液晶电路主要包括8 位数据接口、读写数据线r d w r 、背 光控制线。 3 2 3 交流插件 ( 1 ) 功能介绍l 交流插件主要将采集的大电流、高电压转为0 3 5 v 的电压信号装置设置 a c l 、a c 2 两块交流插件，i # a c 插件主要采集机端三相电流( 差动电流) i a 、 i b 、i c ，中性点三相电流( 差动电流) i a 、i b 、i c ，三相后备电流i a 、i b 、i c ，三 相机端电压u a b 、u b c 、u c a 。2 # a c 插件主要采集三相测量电流c i a 、c i b 、c i c ， 定子接地零序电流i o ，定子接地零序电压u 0 。 ( 2 ) 设计说明： 交流插件由电压、电流变送器和滤波电路构成。电压输入元件由电压变换器 构成，其输入为交流1 2 0 v 时输出为3 5 v 线性范围为1 v - 1 2 0 v 电流输入元件 由电流变换器和并联电阻构成，有两种规格：6 a 3 5 3 v 与1 0 0 a 3 5 3 v 。 茎兰 小水电机组数字式保护装置的研究与实现 图3 1 5 交流插件变换电路 3 2 4 跳闸逻辑插件 ( 1 ) 功能介绍： 提供跳闸逻辑，输入信号有启动、全停输入、缩小故障范围输入、启动通风， 启动扩展输出有：保护动作信号、启动节点测试、启动动作信号输出、跳发电机 出口断路器、跳灭磁开关、水机停机、跳主变出口断路器、跳近区变断路器、跳 厂用变、启动通风备用。 ( 2 ) 设计说明： 由图3 1 6 跳闸逻辑插件电路可以看出，插件主要由1 0 个松下的d s p i a 2 4 v 继电器组成。由c p u 板输出保护及启动高电平，驱动继电器t j l 0 、c x j l 、q d j 动作，发出全停命令及全停信号；备用输出：由c p u 板输出保护及启动高电平， 驱动继电器动作，发出备用命令及备用信号；保护发信：由c p u 板输出高电平， 驱动继电器c x j 6 动作，发出信号命令；总告警：由c p u 板输出保护及启动高电 平，驱动继电器g j 4 动作，发出告警信号；装置故障：由c p u 板输出高电平， g j 5 继电器动作，g j l 1 闭合g j l 自保持，g j l 2 闭合g j 2 动作，g j 2 1 闭合发告 警信号，g j l 3 断开，切断c p u 板的2 4 v 电源；复归：输入高电平，f j 继电器 动作，f j 1 断开，g j l 返回，f g - 2 闭合，t x j 、h x j 、g j 2 返回。 工程硕