低压数字继电器的硬件设计毕业论文

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1、. . 低压数字继电器的硬件设计毕业论文第1章绪论本章简要介绍了数字继电保护的发展现状,比较了国内外数字继电器的特色,简述了开发低压数字继电器的背景和意义,并介绍了本文所完成的主要工作。 1.1 电力系统继电保护的发展和现状12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到了长足发展,其应用范围越来越广,涉及到高、中、低压等所有电压等级,功能也越来越强大。有的装置增加了通讯接口,通过该通讯接口可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

2、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处理分析。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,从而使综合自动化成为现实。总而言之,继电保护技术未来趋势是向网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化发展。31.2 智能保护继电器简介41.2.1 国外发展现状国外工业发达国家从20世纪80年代末开始开发用单片微处理机控制的电子式保护继电器。美国、德国、日本、韩国等工业发达国家的许多继电器制造公司均投入大量资金和众多科研人员研制出了具有各自特点的智能化保护继电器。

3、智能化电动机保护不仅具有集成电路保护的全部优点,更重要的是可以在不增加硬件的基础上,利用软件去实现各种保护功能,由控制字完成每项保护的投退,这对于开发集多种保护功能于一体的综合式保护或具有相同硬件电路而保护配置不同系列化产品极为便利。例如韩国三和技研株式会社推出3DD、3DI、3DM、FD数显式智能型保护器可实现断相、过载、欠载、三相不平衡、逆相、堵转、漏电、接地和短路等保护功能,并实现与计算机联网,可同时监测96台电动机。国外一些智能化保护继电器产品现已到了实用阶段,一些公司已将产品系列化,但其缺点是价格较贵。 1.2.2 国内发展现状国内科研与开发由于新产品投资较少,科研与设计手段较落后,

4、新技术得不到应用,关键技术研究不够深入,一些单位从20世纪90年代后期才开始研究智能化保护继电器。我国电动机保护装置的发展经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、引进技术、跟踪国外新产品等几个阶段,从热继电器、温度继电器发展到晶体管保护装置,在综合保护的基础上发展了智能化保护器。 国内保护装置低档次的产品较多,高性能、高档次的智能化产品较少。要达到国际先进水平,在提高产品质量、产品开发和产品系列化方面,还有许多工作要做。 1.3 继电器的市场需求分析5根据十一五规划分析,电器行业市场新的增长点应在两网改造、电气化铁道及城市轨运输自动化、电力调度与配网自动化等方面。因此,线路保护和自动化装置类产品将

5、有较大增长。 十一五期间需求：继电器元件、继电保护屏、自动化装置。1.4 继电器行业面临的挑战6我国继电器行业普遍存在以下问题： 1 产品技术水平与世界先进水平相比尚有较大差距。主要表现：军品环境适应性差、可靠性水平低、产品品种少,不能完全满足武器装备发展和高技术条件作战的需求；通用继电器质量一致性和可靠性差、合格率低、品种更新换代较慢,不能满足国内国际市场的需求,也不能完全取代进口。 2 支撑技术薄弱。特别是基础技术,共性技术,如大生产技术、自动化半自动化技术、工艺监控技术、新材料应用研究、自动化综合测试技术、失效分析技术等研究不深不广。 3 自主开发、创新能力较低。4 生产工艺技术落后,自

6、动化水平低。 5 管理水平低,以质量管理为纲观念淡薄,经营模式陈旧。 6 产品开发手段落后,研发周期长,与整机更新换代的要求不相适应,跟不上技术发展步伐。 1.5 本课题的研究背景国内知名继保公司如国电南自、南瑞、东方电子、许继集团等公司均致力于中压、高压、超高压线路保护和设备保护,唯独在低压电力系统保护方面缺少研究, 本课题低压数字继电器的设计,设计中充分考虑了产品的先进性、独创性、经济性等因素。专为实现低压开关柜与低压配电系统自动化而设计,集遥感、遥测、遥信、遥控、遥调和通讯功能为一体,可用于低压开关柜、配电箱等。广泛用于工厂、楼宇 变电所进线柜或其它需显示各种电量参数的电力设备,可取代传

7、统的电流表、电压表、频率表、功率因数表、有功无功表等,还具有电流、电压等多种保护继电器的功能,外型小巧、美观,安装省时、省力、省体积,是用于保护供电线路、电动机、水泵等重要电力设备的理想仪器。 1.6 本课题主要完成的工作本文在分析国内外产品的特点以及国内市场需求的基础上,吸取和综合它们的优点,克服其不足的一面,设计开发了适用于低压电力系统的数字继电器,主要完成了以下工作：1完成了产品功能需求分析以及器件的选型； 2完成了样机的所有原理图设计； 3完成了样机的所有印制电路板PCB设计； 4完成了样机的所有硬件调试； 5完成了数据处理算法的研究； 6完成了样机的所有软件编制、调试以及抗干扰措施；

8、 7完成了样机的通信功能的设计及实现； 8探讨了样机的部分电磁兼容性。 44 / 45第2章硬件系统设计2.1 低压数字继电器的功能描述计量：测量三相电压、三相电流、功率因数、有功功率、无功功率、电度、频率； 保护：短路速断、过流报警、过压报警、欠压报警、反时限保护 ；控制：远程控制断路器的分闸、合闸； 监测：指示断路器的分闸、合闸和故障状态； 通信：RS485通讯组网。 2.2 硬件系统的整体结构设计789硬件电路是实现系统功能的基础,硬件设计的好坏不仅直接影响硬件系统本身功能的实现,而且对后面的软件系统设计与实现有很大的影响。所以,硬件电路的设计不仅要考虑装置系统功能的要求,还要考虑到使系

9、统软件设计实现时简单、方便。本保护装置要求集测量、保护、控制、通讯等功能于一体 ,为此单元必须对电压、电流等模拟量进行采样,采集断路器工作状态、就地控制信号等开关量,并输出各种控制和报警信号；同时可以和上位机进行通讯,而且具有良好的人机交互功能。从以上的功能出发,对整个装置的硬件原理设计如图2-1所示：一次的电压信号AC380V直接接在本装置上,电压信号经电压互感器整理送入采集芯片CS5460A。一次的电流信号AC 5A经CT接入本装置,电流信号经电流互感器整理也送入采集芯片CS5460A,微处理器从CS5460A中读出当前的电流、电压、电能等参量送显示。根据整定值和测量值控制输出触点的闭合,

10、还可根据外部状态输入显示外部状态。 从整体结构上划分,本微机保护装置由CPU主板、前面板、电源板、互感器与继电器板等部分组成。其中,CPU主板是整个装置的核心,它接收来自模数转换芯片的数字量、来自前面板和直接来自外接端子的开关量以及来自上位机的通讯数据,处理后向继电器板输出操作信号,通过继电器的动作发出断路器的分合闸信号和其它数字信号；或者通过数码管和LED指示灯输出系统信息；或者向上位机反馈信息。 装置工作电源由专门开关稳压电源供给5V、12V、12V等三组相互独立的直流输出,其中5V供主板CPU 最小系统工作用,一路12V电源供给开关量输出部分工作用,另一路12V电源经7805稳压成5V供

11、主板通讯接口部分工作用。图2-1 低压数字继电器原理框图 2.3 硬件系统各主要部分电路简介2.3.1 CPU最小系统模块CPU 最小系统模块是保护装置智能核心部分,具体任务是完成采集数据的处理、保护逻辑判断、保护故障巡检、开关量输入与输出及人机接口的串行通信等任务。低压数字继电器以微处理器为核心, 微处理器选择ATMEL公司的89系列标准嵌入式单片机AT89C55WD10,它是一种低功耗,高性能的8位微控制器,它的主要特点有：1与MCS-51微控制器的引脚和指令系统完全兼容；2内含20K的FLASH存储器,使程序存储量大大增加,不必外扩程序存储器； 3内部含有256*8位的内部RAM ；4有

12、三个内部16位定时/计数器,其中端口P1.0作为外部计数输入端口, P1.1 作为计数/定时触发端口； 5有6个中断源：T0、T1、T2、INT0、INT2和串行中断； 6程序存储器具有3级加密保护； 7具有与标准8051兼容的全双工UART ；8空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容； 9有四组32条可编程的I/O线；AT89C55WD微处理器与标准8051兼容,编程和开发相对较易,成本低。如图2-2所示,最小系统AT89C55WD的P1.1P1.4口控制X25045的读写；WR、INT0、P1.7引脚分别用于三路采样芯片CS5460A的片选,P0.5、P0.6、P0.7、RD、T1和T0

13、引脚用于CS5460A信号采样；P2.5、P2.6、P1.5、P1.6引脚用于控制分、合闸继电器,短路继电器,故障继电器的输出动作；P0.0、P0.1、P0.2、P0.3引脚用于按键电路；INT1、P2.7引脚用于控制显示驱动电路的片选；RXD、TXD引脚可以与MAX3082芯片组成RS485串行通信电路。 图2-2CPU最小系统模块2.3.2 模拟量输入系统模拟量输入的主要功能就是将单元所需的电压、电流量经电压互感器和电流互感器引入系统,并经电平转换、采样处理和模数转换后变成计算机可以识别的数字信号。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输出给数据采集处理模块,数据采

14、集处理模块对交流信号进行高速A/D转换,得到电压、电流在采样点的瞬时值。在本装置中电流信号的采集使用GCT-203AF型电流互感器,电压信号的采集采用电流型电压互感器GPT-206。利用互感器原理制造的微型互感器,主要功能在于扩程和隔离。适用于1000V及以下电压等级,1mA-100A电流等级的50Hz和400Hz正弦波测量和保护。广泛应用于电子式电度表、电量变送器、电测仪器仪表、智能仪器仪表、智能开关柜、智能电机保护器、电力监控系统、电信监控系统中。该系列互感 器具有以下几点明显的特点： 11 具有3KV高绝缘隔离作用； 主回路无插入损耗； 输出电流信号传输远、抗干扰强； 具有较高的二次负载

15、、通过I/V转换,易与线性放大电路接口 ；小电流下限值1mA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至数千匝,调试后比值差精度达0.1。 技术参数： 匝比：电流互感器：1:2000；电压互感器：1:1线性度：优于0.1 相角差： 5 隔离耐压：3000VAC 副边阻：240电流互感器；160电压互感器 工作温度：-1050比值差：0.1%电流互感器；100%图2-3 电流互感器接线图图2-4 电压互感器接线图本文采用电流变换型电压互感器GPT-206对线路电压进行隔离变换,虽然增加了电路的复杂程度和对空间的要求,但对各种电磁干扰有直接的隔离作用,而且可以获得比较理想的测量

16、精度。根据设计要求,交流取样的互感器电路图如图2-3,图2-4所示。2.3.2.1 模拟信号的转换本装置中使用CRYSTAL公司的专用电能测量芯片CS5460A进行模数转换,模拟信号从一次互感器得到。CS5460A芯片是采用CMOS工艺制造的用于测量能量的单片集成电路芯片,具有两个模拟数字转换器、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的功率/电能芯片,它可以精确测量和计算电能、瞬时功率、电流有效值和电压有效值。采样电路如图25所示,三相电压和三相电流通过三片 CS5460A芯片分别从微分电压正极输入、微分电流正极输入信号,采样电路经过CS5460A芯片的SDO引脚输出电流有效值、电压有效值和

17、电能等。图2-5CS5460A信号采样电路 CS5460A简介12131、特性 能量数据精确度：在1000:1动态范围内精确度为0.1。 芯片功能: 可以测量电能,I,U,IRMS和URMS,具有电能与脉冲转换功能。 通过串行E2PROM实现智能自引导,不需要微控制器。 AC或DC系统校准。 可驱动机械计度器/步进马达。 具有相位补偿。 芯片上带2.5V基准电压。2、内部结构CS5460A内部结构如图2-6所示,包含了一个增益可编程的放大器、两个模数转换器、两个高速滤波器,具有系统校准和功率计算功能,以计算电能、IRMS、URMS和瞬时功率。 CS5460A可以用于各种功率测量装置,它适合与分

18、流器或电流互感器相连来测量电流；与分压电阻或变压器相连来测量电压。为了与输入电压的不同量程相匹配,电流通道集成有一个增益可编程放大器,使信号满量程幅值为150mVRMS和30mVRMS可选择。CS5460A包含两个高速滤波器,它以/1024的字输出速率输出数据。电压和电流通道各有一个高通滤波器,该滤波器工作时可以在能量计算前将输入信号的直流分量滤除。 CS5460A规定VREFIN和VA间所用基准电压为+2.5V。将VREFIN和VREFOUT连起来就可以使用变换器内部的2.5V基准电压。如果需要更高的精确度/ 稳定性,可以使用外部基准电压。 图2-6CS5460A原理图3、工作原理 CS54

19、60A可以在单一5V电源或在2.5V电源下运行。电流通道输入范围30mVRMS或150mVRMS可选择,电压通道输入范围150mVRMS。在单电源供电时,CS5460A可以承受范围为-0.25V到VA+的共模信号。CS5460A可以测量瞬时电流、瞬时电压、瞬时功率、电能、电流有效值和电压有效值。测量结果以表示成相对满量程百分比的24位有符号或无符号数据的形式输出。当CS5460A接收到一个开始转换命令时,测量开始进行。电能和RMS寄存器每N次变换更新一次,N是变换次数寄存器的内容。若中断未被屏蔽,则INT管脚被激活,数据就绪标志置位,此时就可以从CS540A的内部寄存器中读取结果,再转换成相应

20、的数据,CS5460A数据流图如图2-7所示。 在从CS5460A读取数据的时候,需要利用其提供的三线串行数据接口。 CS5460A串口包括4条控制线：CS、SDI、SDO和SCLK。一次数据的传输总是从向串口发送有效的8位命令开始的。接着,再从SDI脚输入24位数据。这样,就可以通过串口完成对CS5460A的读写操作,从而使电路设计和程序编制都变得很简单。 图2-7 CS5460A数据流图 本文设计的低压数字继电器充分利用CS5460A芯片的优越性能,电压信号、电流信号经CS5460A的计算实际上是个交流采样的过程,产生电能、功率、电流有效值和电压有效值,其结果保存在CS5460A内部寄存器

21、中,经过微控制器 AT89C55WD的读取、计算,最后通过显示电路显示出结果。具体的过程是通过程序对CS5460A的操作实现。在对CS5460A操作之前,要对芯片进行初始化或复位。此时,串口被初始化为命令方式。初始化需要写入三个或更多为OxFF的命令字节,紧跟着写入一个为0xFE的命令字节。这个序列使芯片进入命令模式,并等待有效的命令。CS5460A提供了启动转换、SYNC0、SYNC1上电/停止控制、省电控制、校准控制、寄存器读写等只写的命令,这些命令都是8位长。利用这些命令可以对CS5460A进行启动、省电、校准、读写寄存器等操作。另外,CS5460A还提供配置寄存器、偏移寄存器、增益寄存

22、器、变换次数寄存器、脉冲速率寄存器、带符号结果输出寄存器、无符号结果输出寄存器、时基寄存器、状态寄存器、屏蔽寄存器、控制寄存器、功率偏移寄存器等,这些寄存器都是24位。通过读写这些寄存器,可实现对电压、电流、功率、电能等测量。 2.3.3 开关量输入输出系统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。本装置具有两路开关量输入及4路开关量输出, 考虑到开关量输入、输出和内部电路之间的抗干扰问题,采用光电隔离器TP521系列产品,有效隔离外部干扰,提高系统的稳定性。 本单元输入开关量有两个：分/合闸信号输入和故障信号输入。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

23、离输入给单片机,电路如图2-8所示。图2-8 开关量输入 开关量输出主要用来驱动中间继电器,通过继电器控制断路器的开合 。继电器选用MIT-SH-112LM型继电器,该继电器的电气寿命为1000万次, 触点和线圈之间的绝缘强度高达5000V。本装置中的开关量输出包括异常报警继电器、跳闸继电器等 4路继电器输出,分别用作短路速断、过流报警、过压报警、欠压报警。电路图如图2-9所示。 图2-9 开关量输出 2.3.4 人机接口利用单片机开发应用系统,其中必不可少的部分是键盘和显示接口。在设计中,常常需要自己设计LED数码管和键盘部分的电路。为了减少键盘显示部分占用的单片机I/O口的数目,本装置采用

24、了一个简单的键盘显示专用芯片Zlg7289A14。接口芯片Zlg7289A是一片具有串行接口,可同时驱动8位共阴式数码管或64只独立LED 的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵, 单片即可完成LED显示键盘接口的全部功能。相对于常用的Intel8279可编程键盘、显示接口芯片来讲,具有以下特点：Zlg7289A内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码并同时具有2种译码方式。此外还具有多种控制指令如消隐闪烁左移右移段寻址等。Zlg7289A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。Zlg7289A 采用串行方式与微处理器通讯,如图2-0所示,整个显示

25、电路由两片数码管和两个驱动接口芯片组成。串行数据从DIO引脚送入芯片并由CLK端同步,当片选信号U1_CS变为低电平后DIO引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入Zlg7289A的缓冲寄存器。Zlg7289A需要一外接晶体振荡电路供系统工作,如果芯片无法正常工作请首先检查此振荡电路。Zlg7289A的RESET复位端在一般应用情况下可以直接和VCC相连。数码管选择国内同类产品广泛采用的7段数码管和发光二极管。数码管较为醒目,显示电路和驱动接口简单,价格低廉。图2-10 显示驱动电路2.3.5 RS-485总线通信接口设计15161718在自动化领域为了扩展应用范围,EIA在RS-422的基础上

26、制定了RS-485标准,增加了多点、双向通信能力,通常在要求通信距离为几十米至上千米时,广泛采用RS-485收发器。 RS-485收发器采用平衡发送和差分接收,即在发送端,驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出；在接收端,接收器将差分信号变成TTL电平,因此具有抑制共模干扰的能力,加上接收器具有高的灵敏度,能检测低达200mV的电压,故数据传输可达千米以外。在低压数字继电器中,选用由MAXIM公司生产的MAX308219。该芯片是用于RS-485/RS-422通信的高速接口芯片MAX3080-MAX3089系列中的一种,它被用于多节点总线传送线上的双向数据通信。可提供失效保护、低电流关闭模式

27、,通过提高回转率限制使无错数据传送能力更强,理论上允许总线上最多有256个收发器,它要求电缆长度不能超过4000英尺。图2-11 RS-485通信接口电路由MAX3082组成的RS-485通信接口电路如图2-11所示,它是一个半双工接口, 收发由RE、DE控制,由于这两个引脚要求有效电平是反向关系,所以设计中只用 P1.0一个引脚控制收发即可,它可以将A、B引脚上的RS485电平信号转换为RO引脚上的TTL电平信号,也可将DI引脚上的TTL电平信号转换为RS485电平信号。故MAX3082的DI引脚接单片机的TXD引脚,RI引脚接单片机的RXD引脚。通过A、B挂接在485母线上就能实现通讯。在

28、总线上接一个终端阻抗匹配电阻,阻值为120-200左右,可以抑制较大的反射信号或干扰信号。 由MAX3082组成的RS-485通信网络是一个总线型主从式网络,由一台主机和多台从机低压数字继电器单元挂在串行总线上。主机负责对从机发来的数据进行处理、分析、显示,并向从机发布各种控制命令。为避免多机同时在总线上发 送信息而发生冲突,主机采用轮巡的方法依次同各从机通信。RS-485网络是采用半双工方式进行通信的,每次只有和主机指定的从机进行通信, 其他从机只监听总线,直 到主机要和它通信时。 微控制器的串行口有多种工作方式,其中方式3是11位异步接收/发送方式,它的波特率由定时器1的初值确定。一帧信息

29、为11位组成,即1位起始位,8位数据位低位在先,1位可编程位第9数据位和一位停止位。发送时可编程位TB8根据需要设置为0或1TB8即可作为多机通讯中的地址数据标志位也可作为数据的奇偶校验位,接收时,可编程位被送入SCON中的RB8。为实现多机通信,在这里第9位为地址/数据标志位。当单片机发送地址帧时将它置1,发送数据帧时将它置0,微控制器的串口控制器SCON中有一多机操作位：SM2位,当SM2=1时,若单片机收到地址帧第9位为1时,则将数据放入SBUF寄存器,并置RI=1,向CPU发中断请求,若收到数据帧第9位为0时,则将数据丢失,不产生中断标志；当SM2=0时,无论收到的是地址还是数据帧,均

30、能将数据放入SBUF中,并产生中断。 2.3.6 看门狗及掉电保护电路2021看门狗用以保证系统因受干扰失控以后能自动复位。看门狗即自动启动电路,它的工作是靠软件来策应的。当程序跑飞或进入到一个临时构成的死循环中时,系统将完全瘫痪。看门狗可自动复位使CPU弹飞状态或从死循环中进入 正常的程序流程。美国Xicor公司的可编程看门狗监控E2PROM芯片X25045集成了看门狗定时器、电压监控和E2PROM三种常用的功能,从而大大降低了成本并节约了电路空间。X25045看门狗的工作原理是,每隔一段时间我们编程设置的是1.4秒单片机要通过CS对X25045发出复位信号,否则就表明单片机进入死循环或程序

31、不能正常运行,X25045就对单片机发出信号使其复位,重新开始运行。X25045还带有5128位的非易失串行ROM,这对仪表保存一些重要数据非常重要如参数设定,即使掉电也不会丢失。如图2-12所示,单片机对X25045的读写是分别通过写端口SI、读端 口SO和时钟端口CLK按照一定的时序配合来实现的。图2-12 看门狗及掉电保护 第3章软件系统设计和保护功能实现软件是整个控制系统的灵魂,一套好的软件不仅能增加控制系统的灵活性,充分发挥微处理器在数据处理上的优势,而且能在不增加硬件的基础上更好的发挥系统的各项功能和提高系统运行的可靠性。为了增强软件的可维护性,尽量延长软件的生命周期,走标准化、工

32、程化的软件设计之路,一般来说,软件的编制要符合以下的基本要求：221理解性、易维护性。通常是指软件系统容易阅读和理解,容易发现和纠正错误,容易修改和补充。为了便于他人的阅读理解,往往要采用模块化的结构设计方案,使得程序流程清晰明了。 2实时性。实时性是电力系统自动化的普遍要求,即要求系统及时响应外部事件的发生,并及时给出处理结果。近年来,由于硬件集成度与运算速度的大幅度提高,在配合响应的软件,实时性容易满足要求。在软件设计中,采用汇编语言比采用高级语言更具有实时性；但编写大的软件,汇编语言的工作效率又很难达到要求,因此越来越多的技术人员采用C语言来进行软件的开发。 3可测试性。 这主要包括两个

33、方面的含义：一是指比较容易地制定出测试标准,并根据这些标准对软件进行测定；二是指软件设计完成后,首先在模拟环境下运行,经过静态地分析和动态地仿真运行,证明准确无误后才可投入实际运行。 4准确性。这一点对电力系统自动化有着重要的意义。系统中要进行大量的计算,算法的正确性与精确性问题对控制结果有着直接的影响,因此在算法选择方面要适合要求。 5可靠性。可靠性是控制系统软件最重要的指标之一,它要求两方面的意义：一是运行参数环境发生变化时,软件都能可靠运行并给出正确结果,也就是软件具有自适应性；二是工业环境恶劣,干扰严重,软件必须保证在严重干扰条件下也能可靠运行,这对电力系统自动化尤为重要。 经过多方面

34、方案论证,本文采用了新的保护软件设计思想,完成测量、控制、保护、通信等综合功能。3.1 软件总体结构设计232425本文以功能字模快为基本单位,引入嵌入式实时多任务机制组织各个字模快,形成了一种高度可靠的微机保护系统程序结构。多任务本质上借助于时钟中断将CPU运行时间划分成系统时间片,在每个时间片的开始任务调度程序开始取得控制,将当前系统时间片分配给各任务模块。本文中主程序的总体框架用了一个大的循环主循环26,如图31所示。要实现对保护装置的电参数的测量与监视,就必须实时地收集与处理电量、开关量状态等参数。由于装置对测量的精确性,保护动作的可靠性、迅速性、安全性都有很高的要求,为了测量达到一定

35、精度,就必须在测量点数上保证一定密度；为了使保护动作安全可靠,就要求保护的算法必须做到完整可靠,这样又会减慢装置的响应速度。因此,在单片机上实现多种功能,软件的设计必须对实现功能占用CPU时间的分配上,作到有主有次,既要保证功能的完整性,又要保证实时性。低压数字继电器采用实时多任务的调度方法,完成采样、A/D转换、显示、保护等功能。 软件的整体结构如下： 初始化：初始化各种变量,常量,中断等。 任务调度：进行任务的调度算法和任务的调度。 通讯中断：进行通信的发送和接收。 采样中断：进行A/D转换和有效值, 基波值的计算。保护任务：最高级任务,完成电流保护,电压保护的判断。 显示任务：最低级任务

36、,完成LED的显示。 测量任务：完成测量计算的功能。 软件采用C51开发27,用模块化结构。程序开始首先进行单片机的初始化,主要初始化中断优先级、定时器的设置,并打开定时器、串行通讯中断,启动定时器T0和T2；接着进行参数初始化,主要是从X25045相应字节读出数据。显示函数主要是把采样处理的数据换算成 数码管所需要的显示码,以供定时扫描显示的中断程序使用；按键检测和处理模块完成按键的检测实现按键相应的功能；采样模块主要启动CS5460A进行A/D转换和进行电流电压有效值与基波值的计算。op图31 软件设计总体结构 3.2 主要保护流程图3.2.1 初始化过程流程图图3-2 初始化过程 3.2

37、.2 任务调度流程图图3-3 任务调度 3.2.3 采样过程流程图图3-4 采样中断 3.2.4 通讯中断流程图图3-5 通讯中断 3.2.5 保护任务流程图以三段式电流保护、反时限保护为例。如图3-6所示。图3-6保护任务流程图3.3 保护功能的逻辑实现3.3.1 三段式电流保护282930线路相间短路的电流保护有三种：无时限电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护,分别称为相间短路电流保护第、和段,统称为线路相间短路的三段式电流保护。无时限电流速断保护的作用是保证在任何情况下,只切除本线路上的故障。无时限电流速断保护只能保护线路的一部分,而该线路剩下部分的短路故障必须依靠带时限电

38、流速断保护电流保护第段来可靠切除。线路上的电流保护第段和第段共同构成整个被保护线路的主保护,它能以尽可能快的速度,可靠并有选择性地切除本线路上任一处,包括被保护线路末 端的相间短路故障而定时限过电流保护的作用是作本线路主保护的后备保护,即近后备保护,并做相邻下一线路或元件的后备保护,即远后备保护。因此它的保护范围要求超过相邻线路或元件的末端。反映三段式电流保护的逻辑图如图3-7所示。图3-7 三段式电流保护逻辑图 在保护压板投入时,当任一相电流I大于整定值时,保护动作IIzd1,保护无时限动作,跳开断路器；IIzd2Izd3,保护经过时间T2T3后动作,跳开断路器；如过流保护压板未投则过流保护

39、动作于报警。速断、限时速断为线路的主保护,定时过流保护为本线路的近后备保护和下一条线路的远后备保护。3.3.2 欠压、过压保护图3-8为欠压、过压保护逻辑图,当三个线电压Uab、Ubc、Uca同时低于欠压整定值ULzd且线路无电流,如欠压保护投入则保护经延时TL动作于跳闸。同理,当任一线电压U大于过电压整定值Uhzd时,如过电压保护投入则保护经延时Th动作于跳闸。图3-8 欠压、过压保护逻辑图 3.3.3 反时限过流保护313233近年来,随着集成电路技术和微机技术发展,反时限保护以其更优良的保护特性在我国已逐步得到应用。 通常采用的时间电流反时限特性：如图3-9所示1式中,Ip表示故障电流相

40、对起动电流的倍数。对于不同的使用范围和场合,式中的r应取不同的值。一般在被保护线路首端和末端短路时电流变化较小的情况下,常采用定时限过流保护,定时限可以认为是一种特殊的反时限特性,即r=0；而在线路首末端短路时电流变化较大的情况下,则采用非常反时限特性,即r=1；通常输电线路采用一般反时限特性,即0r1；对于反应过热状态的元件如电缆及电动机等,则采用特别反时限特性,即r=2 。式所表示的反时限特性具有更通用的表达式：2式中I为实测的故障电流；Ie为起动电流定值；K为继电器设计常数；tk是时间整定常数由用户整定,范围为01；为曲线移动常数。图3-9 反时限特性曲线3456令Ip=I/Ie,Ip为

41、故障电流倍数,让Ip从1.1到20之间变化,取步长为 0.01,分别计算出式的值,并存入EPPOM中。在故障处理程序中,根据实测的故障电流,计算出Ip。再进行查表,查出式的值,然后根据用户整定的tk,由式计算出时间t。对于式、,按上述同样的方法处理,当然也可直接计算出t。生产实际中,电动机的不正常工作状态主要是过负荷运行。考虑到一般电动机都有一定的过载能力, 通过的过载电流越小,允许的时间越长,电动机过载电流与允许工作时间为反时限特性,故本装置设有反时限过流保护。软、硬压板任一投入,装置设置了启动延时功能,当延时压板投入时,电动机启动Ty时间后反时限保护才会投入。图310 反时限保护逻辑图第4

42、章电磁兼容性分析电磁兼容EMC-Electromagnetic Compatibility是相对于电磁干扰EMI-Electromagnetic Interference而言的。电磁兼容是指设备或系统在包围它的环境中能不因干扰而降低其工作性能,也不会使同一电磁环境中的其它设备系统、分系统因受其电磁发射而不能正常工作,即相互之间不干扰,各自完成各自正常功能的共存状态。当敏感设备上出现了不希望的电压或电流并影响到它的正常性能时,则称之为电磁干扰。电磁干扰的传播方式主要有两种：1辐射：电磁干扰的能量通过空间的电场、磁场或者以电磁波的形式使干扰源与受干扰体之间产生耦合。2传导：电磁干扰的能量通过电源线

43、和信号电缆以电压或电流的方式传播。 在电力系统中形成电磁干扰的原因有许多方面。同一电力系统中的各种电器设备通过电和磁的联系紧密相连,相互影响,由于运行方式的改变、故障、开关设备的操作等引起的电磁振荡会波及很多电器设备,使它们不能正常工作甚至遭到破坏；此外,由于电网的容量和等级的提高,以及直流高压输电的出现,大量的电子设备如大功率可控硅整流器件、不间断电源、软启动器、电动机变频调速器等的使用,非线性负载及负载切换等,都使得电网中的谐波干扰变得日益严重； 近年来随着二次设备的微机化、数字化程度的提高,这些以微电子技术为基础,由大量集成电路和微处理器构成的继电保护装置、自动装置、通信和远动装置等,增

44、加了二次设备对暂态干扰的敏感性,使暂态干扰 断路器动作、雷击、一次系统短路等和高频辐射开关断开时的电弧放电、接触不良产生的火花放电等等影响的二次设备正常工作的问题越来越 突出。由于干扰而造成的信号疏漏、计量不准、计算机出错、控制失误、断路器误动等事件在国内外都有发生；特别是在分布式控制系统中,前置单元被下放到保护环境极为恶劣的保护现场, 甚至紧挨着干扰源,这就使得EMC问题变得更加突出了。因此,在装置的设计过程中,我们从硬件和软件上都采取了很多措施。 国际电工委员会推出电气与电子设备的电磁兼容性第四部分：测试技术,包含了对设备本身所产生电磁干扰特性及设备的抗干扰性能两方面的测试。我国大部分EM

45、C国家标准从结构上也分为4类：基础标准、通用标准、产品类标准和专用标准,但目前我国尚未制定专用产品EMC国家标准 。 电磁兼容性设计主要遵循下列三个原则 ：451抑制噪声源,直接消除噪声产生的原因。2切断电磁干扰传播途径,或者提高传播途径对干扰的衰减作用,以减少噪声源和受扰设备之间的噪声耦合。3加强受扰设备抵抗电磁干扰能力,降低其噪声敏感度。 电磁兼容性设计的基本内容是：元器件指标的合理要求及正确选择,局部及整体电路的抗干扰控制,元器件及印刷板的布局及配线,局部及整体的屏蔽、滤波及接地技术的应用等。总体来说可分为硬件和软件两个方面。 4.1 本装置硬件的电磁兼容性设计4647本装置是二次保护装

46、置,由于自身的工作电压低,内部信号多为数字信号,不会在装置周围产生较强的电场、磁场或高频信号而影响其它二次设备的正常工作。因此主要考虑从一次侧耦合过来的干扰,以及其它二次设备对装置本身的干扰。通过对装置的运行环境、电网结构和保护对象的分析,总结出单元将会遇到的主要干扰有： 低频干扰： 低压电网中的谐波； 低压电网中的信号电压； 电网电压跌落与短时中断； 电网中的三相电压不平衡和电网频率的变化； 交流电网中的直流成分。 传导性质的瞬变及高频干扰： 20kHz/100kHz以上的电压/电流浪涌 由于低压电网中因大容量熔断器熔断所产生；这类瞬变的持续时间长、能量大,尽管幅度较低,也能使电子设备特别是

47、灵敏度高的设备的工作遭受影响,甚至造成损害。主要有以下原因引起：电网中的开关操作如投切电容器组、电网中的故障、雷击等。快速瞬变脉冲群：由开关操作及操作过程中的触头弹跳引起。 衰减振荡波等 静电放电干扰： 主要来自雷电、操作者、领近带电物体对设备的放电。 磁场干扰： 由工频电流或变压器泄漏所造成的工频磁场干扰； 由雷击引起的脉冲磁场干扰；4.1.1 静电放电干扰普通人身体和周围带有很高的静电电压,通常为几百伏至几万伏。特别是在干燥的季节脱衣服或用手去触摸金属体时会产生电击感,此时人的身体所带静电达几千伏至几万伏以上。直接或间接的静电放电可能会影响装置的正常工作或对装置造成损坏。 消除静电干扰最有

48、效的方法是让设备的外壳与大地良好的接触,因此对本装置的金属屏蔽外壳保持良好接地可以消除静电干扰。4.1.2 电网电压跌落和短时中断电压跌落是指电压偶然跌落到大于10%15%,持续时间为0.5周50周的电压变化；短时中断是指100%的电压跌落。上述现象可能是高压、中压和低压电网中偶尔产生的短路或接地故障所造成的；电压中断则可能是故障情况下的连续快速重合闸造成的,持续时间可能低于0.5秒。电压跌落和短时中断会造成系统电源不能正常工作、断路器误动和丢失实时数据等。 本装置采用在装置电源后加入储能电容电感的方法。在电压跌落或短暂中断后,储能电容和电感开始放电以维持系统短时内的正常工作；同时本装置增加对

49、电源供电的监视,如果装置失电,继电器会发出报警信号通知运行人员。 4.1.3 电压/电流浪涌干扰最常见的是雷电浪涌电流和开关浪涌电压。这类干扰的主要特点是 ：1单极性的脉冲或迅速衰减的震荡波；2持续时间长波形上升沿的 50%点至波形下降沿的50%点上所占的时间为10ms以上；3单极性脉冲的上升时间较长从脉冲上升沿的10%至90%点上所用的时间长达200us以上；4幅度低,仅为额定电压的2-3倍；5能量大。由于这类瞬变的持续时间长,能量大,尽管幅度较低,也能使设备特别是灵敏度高的设备的工作遭受影响,甚至造成损坏,尤其当浪涌电压转换为浪涌电流后危害性更大。 浪涌信号最易通过电源线、端子排进入装置的

50、内部,因此为保护单元免受浪涌的袭击,采取如下措施：在电源滤波器前并接了浪涌吸收器压敏电阻,并在电源的输出端加入瞬态电压抑制器TVS。为增强模拟通道的抗浪涌干扰能力,在互感器一次侧加接了高频性能好的瓷片电容以不同的线路方式抑制差模和共模信号；在互感器的二次侧加入瞬态电压抑制器进行过压保护。另外,在放大电路后面号串入了铁氧体瓷环和低通RC滤波电路,进一步防止高频信号干扰。对于开关量输入输出电路,本装置都采用了光电耦合对以强电形式输入的信号进行了绝缘隔离传输的方法来抑制各种干扰和防止与强电相连。对开关量输入电路,与模拟输入一样,在开关量输入电路上也加入了瓷片电容、铁氧体瓷环和TVS等抗干扰措施。 4

51、.1.4 快速瞬变脉冲群干扰这种脉冲群的产生原因有：对小电感性负载如继电器、接触器 的切换传导干扰；对高压开关如六氟化硫开关和真空开关的切换辐射干扰。这些瞬变的主要特点是上升时间快、持续时间短、能量小,但重复率高。它对电子设备造成干扰,但通常不造成损坏。快速脉冲群的频率一般为 5KHz10KHz,脉冲周期在50us以内,重复周期为101000ms。由于脉冲群的频率远远高于系统的正常工作频率,因此滤波是最有效的方法。装置在易受到干扰的电源输入端、模拟量输入通道、主要芯片的电源输入端、数据总线、信号控制线和I/O输入及输出通道都采取了相应的措施。 装置的工作电源最易受到干扰,干扰信号会沿着电源线进

52、入装置内部,通过辐射或传导耦合的方式干扰其他信号或元件的正常工作,造成的后果会十分严重。为此,在装置的电源输入端安装了高品质的无源滤波器,以最大限度的将干扰信号阻隔在装置的外部。作为电源滤波器应同时考虑共模干扰和差模干 扰：共模干扰出现在电源线与地线之间,通常是由于地电位升高引起的；差模干扰常产生在相线之间及相线和中线之间。4.1.5 电路板本身的抗干扰措施48在印制板上,器件与器件之间的连线、电源线、地线等均用印制铜线条来实现。随着电子器件向低功耗低电压方向发展,各种电子装置的体积越来越小,印制板上的元器件安装密度越来越高,印制线条越来越细,其间的距离也越来越小, 这就增加了印制线条本身的阻

53、抗和相互之间的感应耦合。在本装置 中,电子线路采用的都是印制板装配方式,在设计和制作印制板时从下列几个方面加以考虑。 在结构布局上,数字电路、模拟电路和噪声源器件等分开放置。对于频率很高的CPU时钟电路,尽量靠近管脚放置,使时钟线尽量短,同时采用地线将整个电路圈起来。另外,在布线层也采用了地线大面积铺铜,在每两根印制线之间尽可能地加入一条地线进行静电屏蔽；同时使印制线之间的距离尽可能的大；使顶层和底层的布线相互垂直,从而最大限度地减小印制线之间的耦合干扰。尽量加粗各种印制线,减小印制线本身的阻抗。 印制线路板结构对电磁兼容性也起着不可忽视的作用,曾经有人做过试验,四层板的抗浪涌能力至少比两层板

54、高出500V 。四层板在中间两层上全部铺铜分别用作电源层或地线层。这样做带来的好处：一是电源层和地线层之间形成了一个比较大的电容,增强了电源抑制电压波动的能力；二是所有器件的地线引脚直接连到地线层,最大限度的减小公共阻抗引起的干扰；三是由于中间地线层的存在,减小印制线之间的电容,从而减小印制板上同层印制线之间因电容性耦合噪声而引起干扰,同时地线层也减小不同层印制线之间耦合干扰。 在每块印制板上,充分使用去耦和充放电电容。数字集成电路在输出状态翻转时,其工作电流变化很大,从而形成含有高频成分的冲击电流,它在印制线的阻抗上产生尖峰噪声电压引起电压波动。如果集成电路的规模很大,在印制板上的密度很高,

55、这种冲击电流将会很大,尖峰噪声电压也会很高。而且,对于这种电流变化,一般的稳压电源是无能为力的,因而就有可能影响整个电路的正常工作。在本装置中,在每个一般的集成电路芯片的电源端都加接了一个0.01F的旁路电容,在冲击电流比较大的存储器芯片的电源端加接一个0.1 F的电容来抑制这种电流突变引起的电压波动,这个电容同时也起去耦的作用。另外在每一块印制板的电源输入处,旁接了一个100F的电解电容来抑制电流突变的影响。 4.2 装置软件的抗干扰设计49504.2.1 抗干扰防系统死机程序的设计51装置死机是指在受到外界干扰诸如强电磁辐射和传导干扰等影响时,系统CPU的地址寄存器中的数据地址指针发生错乱

56、,造成程序跑飞,系统死循环或停机。这种情况轻则影响系统正常运行,重则导致装置发生不可预见的危险情况,因此,防止死机是对在线运行的微机保护装置非常重要的要求。一个有效的防死机的方法是设计完善的系统死机唤醒电路,即看门狗电路,使系统在死机后重新启动回到正常的状态下运行。看门狗硬件一般采用专用的集成器件本装置采用X25045芯片,其作用关键在于软件程序,它的严谨与否直接关系到系统整体的可靠性。因此不仅要研究干扰对系统造成影响产生的结果,还要分析这种结果可能产生程序的走向的变化,这是进行软件系统抗干扰设计的重点。 看门狗硬件电路设计的重点在于避免其非正常失效。所谓非正常失效故障是指看门狗电路本身与CP

57、U连接正确,系统不受干扰时,CPU能正常执行监控程序,而干扰严重时,却因发生程序跑飞,看门狗无反应,导致系统死机。非正常失效的根本原因在于程序跑飞后,看门狗电路仍不断接收到不应再有的定时复位信号脉冲喂狗信号。 因此系统监控程序应设计成不论程序运行至何处走飞、走飞至何处及走飞前后对内存和寄存器产生何种破坏,均应停发定时复位脉冲,这是正常的看门狗电路不发生非正常失效的唯一的和根本性的条件,也是评价其应用有效与否的根据。本装置在进行软件设计时,通过采用以下几种措施,防止看门狗电路非正常失效故障的发生。 1在各中断服务子程序中均不应加看门狗定时器复位指令。 因为CPU运行到何处走飞、走飞到何处及干扰对

58、内存的破坏情况等均有很大的随机性,而只有CPU片内中断允许控制寄存器不受破坏,则不论程序走飞到什么地方,CPU仍能象正常运行一样响应和执行中断服务子程序。 2避免在局部循环圈内加看门狗定时器复位指令。 如此,即使出现程序走飞后,非正常进入循环圈且使循环条件或标志没有置成规定状态,而在此出现死循环的情况,也会由于看门狗定时器得不到定时复位脉冲,很快会由于溢出而迫使CPU自复位,从而使装置恢复正常工作。 3消除看门狗电路非正常复位隐患的存在。 程序跑飞的原因在于程序计数器PC值被破坏变成一个新的随机值,而此随机值不一定正好是监控程序中的某一条指令的第一个字节地址,因而此时 CPU执行的可能是与原程

59、序完全错位的、面目全非的异化程序。如果构成死循环,而此循环内恰又因机器码错位构成新的看门狗定时器复位指令,这就会使看门狗电路发生意想不到的失败。为防止此种隐患发生,采用如下检查方法： 1抓住关键代码, 用查找的办法以一条或几条新的指令代替可能会引起看门狗定时器复位的指令。 2程序的数据表格、字符表格中若有该字符机器码的,可用一个数据表格中不可能出现的字符代替,在程序读入此应用字符时,当作该代码处理即可。4.2.2 软件抗干扰的容错设计52为增加整体抗干扰能力,应适当加大软件功能。本文采取的容错设计可使装置即使受干扰发生程序执行方面的错乱,也不致系统死机或执行错误的工作,而是使系统自动回到正常运

60、行状态,从而提高整个系统稳定性和安全性。 1设置错误陷阱 进行程序设计时,通常RAM、EPROM都有一定的空闲空间,程序块、数据块应尽量的分散于不同的空间地址。对RAM可减少成片数据改写错误,对EPROM可以在空闲的地址里写入空操作指令NOP,最后再写入长转移指令LJMP ERROR。加入长跳转指令后,即使程序走飞落入空闲地址,也会遇到所设陷阱,转到出错子程序处理,重新正常运行。 2指令间加入空操作指令 不用地址的空间全用NOP空操作指令填充,在程序块中,每隔若干条指令也插入两条NOP指令,使后面的指令不易出现胡乱拼凑的情况,减少改写 RAM数据的可能及其他对外输出错误。 3设立标志判断 可用

61、某存储单元作为判断标志。在主程序中,开始把该单元的值设为某个特征值,然后在主循环体的末尾判断该单元的值是否仍为该特征值,若不是则说明有误,程序转入错误处理子程序ERROR进行处理。根据该单元的值判断,可知从哪一个中断子程序走飞而设计不同的错误处理模型。 在中断子程序的开头,把标志单元置为某一特征值,在中断子程序的末尾判断该标志单元的值是否仍为该值,若不是则说明非正常进入中断子程序,而转到相应的错误处理子程序。因为若程序运行时走飞进入中断子程序,就会因多执行返回RET指令等造成程序指针错误；若程序运行从中断子程序中飞入 主程序,则会因少执行了开中断指令及RET指令,造成中断丢失和程序计数器指针错

62、误。在错误处理子程序中,根据预先设定错误的处理模型,进行相应的容错和纠错处理,增强程序的可靠性和装置整体的稳定性。 提高系统的容错性软件设计上还可以考虑在有用程序和数据区外的所有内存单元中填入无条件转移指令字节,当系统受到干扰而使程序走飞进入这些区域时,CPU便会自动执行这一指令而跳到系统正常工作所进行的循环中。4.3 电磁兼容技术指标本装置电磁兼容性试验设备选用电源跌落测试仪、高压静电测试仪、继电保护测试仪、雷击浪涌测试仪和快速瞬变脉冲群测试仪,试验标准依据 IEC61000-4进行。试验环境选择在EMC实验室,装置放在测试仪不超过30cm、距试验平台表面10cm的绝缘物体上。表4-1 电磁兼容技术指标项目测量部位指标参数快速瞬变试验交流回路、电源回路2KV、2KV