基于SEP4020的嵌入式继电保护装置的硬件设计

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1、摘要摘 要电子和计算机技术的迅猛发展对微机继电保护设计产生了深远的影响。微机继电保护装置结构上不断优化，功能上不断增强，应用上更为灵活。微机继电保护和变电站自动化系统的推广，对新型微机继电保护装置的设计与研制提出了许多新的问题和更高的要求。本文在借鉴国内外微机继电保护发展的成功经验基础之上，紧跟与继电保护相关的高新技术，分析并实现了新型继电保护的硬件方案。本文首先介绍了微机继电保护装置的发展现状和趋势，阐述了继电保护的一般性原理、分类以及电力系统对继电保护装置的基本要求。接着通过分析目前比较典型的继电保护硬件平台，确立了基于SEP4020的单核硬件架构。采用“通用”模块化设计方案，选用具有体积

2、小、功耗低、成本低、性能高、实时性好等优点的ARM微处理器SEP4020作为控制芯片，在此基础上进行了继电保护装置的软硬件设计。本文对继电保护装置的CPU核心模块、数据采集模块、开关量开入、开出模块、通信模块、人机接口模块和电源模块给出了具体的硬件实现方案，详细说明了各部分电路的工作原理和PCB实现原则。软件的实现上，微机继电保护装置是以Nucleus为嵌入式实时操作系统来开发的应用程序，给出了软件总体设计框架，介绍了Nucleus系统初始化方式、中断管理流程以及任务调度方式。论述了交流采样算法设计和故障处理设计流程。基于继电保护装置高精度和高可靠性的要求，本文深入分析了保护装置工作环境常见的

3、干扰源及其干扰途径。对保护装置进行了采样回路二阶低通滤波，增设看门狗电路，电气防偷跳、电源系统和PCB抗干扰等措施来提高系统精度和可靠性。最后通过实验对保护装置进行了设置，实验结果表明：保护装置运行稳定可靠，各项保护功能都能准确实现，装置的测量精度和保护精度均以达到了较高的水平。通过对测试和实验结果的分析，为进一步改进继电保护装置设计提供了参考依据。关键词：微机保护；硬件平台；SEP4020；采样精度；抗干扰65ABSTRACTABSTRACTThe rapid innovation in microprocessor and communication technology has dras

4、tically boosted the development in power system protection. The structure of microprocessor-based relay protection device has been continuously optimized, and been more stronger in foundation.The spread of microprocessor-based relay protection and substation automation system bring many new question

5、 and higher demand to new design of relay protection. microprocessor-based relay protection. This thesis analysised and realized a new type of relay protection programme.Firstly, the development status and trend of microprocessor-based relay protection device were introduced. Expatiated the general

6、principle, sort and requirement to relay protection device of power system of relay protection, and then analysised and compared several typical hardware platform of current. Established a single-core hardware framework base SEP4020. Currency and modularization design has been adopted in the thesis,

7、 and used ARM microprocessor SEP4020 as the control chip, the microprocessor is small sized, low power consumption, low cost and high perpormanced.Designed the hardware and software of relay protection device based on the chip. Discussed the main aspects of microprocessor relay protection including

8、CPU, data acquisition and communication module, gived their schematic and PCB design rules. The realization of software of realy protection is developed by Nucleus as embedded RTOS. A general software chart of system and system initialization mode of Nucleus were gived, and the processes of disrupti

9、on management and task scheduling methods. The algorithm design of AC sampling and design flow of fault handing were discussed.To improve the precision of devices, the reliability and anti-jamming of hardware were researched, commom sources of interference and its channels were analysed, several way

10、s like sampling loop filter were used, added watchdog circuit, electric anti-wrong jump,anti-jamming of power system, and PCB anti-jamming to reach the goal of reliability.At the last partment of the thesis, in order to test the foundation and accuracy of the device, using high-precision teser to te

11、st the relay protection device. The results were analysed deeply to offer preference to next design of relay protection.Keywords：Microprocessor-based relay protection; Hardware platform; SEP4020; Precision of data acquisition; Anti-jamming目录目 录摘 要IABSTRACTIII目 录V第一章 绪论11.1 微机继电保护研究的现状和发展趋势11.1.1 微机继

12、电保护发展现状11.1.2 继电保护发展趋势11.2 论文的主要内容及章节安排3第二章微机继电保护基本原理52.1 电力系统继电保护的概念和作用52.1.1 电力系统的各种故障和不正常运行状态52.1.2 电力系统继电保护的概念52.1.3 继电保护的基本任务52.2 继电保护的基本原理和保护装置的组成52.2.1 继电保护的基本原理52.2.3 继电保护的分类62.2.3 继电保护装置的组成62.3 继电保护装置的基本要求72.4 几种典型的微机继电保护硬件平台92.5 本章小结10第三章 微机继电保护装置的软硬件设计113.1 硬件系统框架113.2微机继电保护装置硬件设计113.2.1

13、SEP4020处理器及CPU核心子模块113.2.2 交流信号采集模块133.2.3 通信模块173.2.4 开入开出模块设计193.2.5 人机交互模块213.2.6 实时时钟单元233.2.7 电源243.2.8 继电保护装置的PCB实现243.3 微机继电保护装置软件设计303.3.1 软件框架303.3.2 Nucleus操作系统313.3.3 交流信号采样算法设计343.3.4 故障处理软件设计363.4 本章小结36第四章 抗干扰分析和可靠性探讨374.1 微机继电保护装置电磁干扰374.1.1. 干扰源374.1.2 干扰的作用形式374.1.3 干扰对微机保护装置的影响394.

14、2 提高微机保护可靠性的主要措施394.2.1 信号采集低通滤波394.2.2 看门狗电路414.2.3 电源系统抗干扰措施424.2.4 电路板抗干扰措施474.2.5 电气防偷跳措施484.4 本章小结49第五章 继电保护装置整体实验及结果分析515.1 继电保护试验平台515.2微机线路保护检测试验及结果分析515.2.1 测量值检测525.2.2 保护定值校验535.2.3 过电流反时限保护535.2.4 零序电流检测565.2.5 低周减载测试565.2.6 低压减载功能检测575.2.7 过负荷功能检测575.2.8 PT断线功能检测575.3实验结果总结575.4本章小结58第六

15、章 总结与展望61致 谢63参考文献65攻读硕士学位期间发表的论文67附录A SEP4020电路连接原理图69附录B 继电器控制回路70附录C 微机继电保护装置实物图71第一章 绪论第一章 绪论1.1 微机继电保护研究的现状和发展趋势1.1.1 微机继电保护发展现状我国从上世纪70年代末即已开始了计算机继电保护研究，高等院校和科研院所起着先导作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式微机保护装置。1984年原华北电力学院研制输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获应用，揭开了我国继电保护发

16、展史上新一页。主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机变压器组保护也相继于1989、1994年鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制微机线路保护装置也于1991年鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制正序故障分量方向高频保护也相继于1993、1996年鉴定。至此，不同原理、不同机型微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠继电保护装置。微机保护装置研究，微机保护软件、算法等方面也取了很多理论成果。可以说从上世纪90年代开始我国继电保护技术已进入

17、了微机保护时代。继电保护的原理和结构形式发展如图1-1所示5。图 1-1 继电保护的原理和结构形式发展历史1.1.2 继电保护发展趋势继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。1）计算机化计算机硬件迅猛发展，系统集成度越来越高。单一处理器的处理速度和处理能力不断提高，DSP的处理速度可达40MIPS，东南大学研制的以ARM7为核的SEP4020处理器的工作主频可以达到85MHz。处理速度的不断提高为单一芯片作为微机继电保护技术奠定了基础。南京电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为基础微机线路保护，已得到大面积推广，目前也在研究新一代32位保护

18、硬件系统。东南大学研制微机主设备保护硬件也进行了多次改进和提高。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，更重要是32位微机芯片具有很高集成度，很高工作频率和计算速度，很大寻址空间，丰富指令系统和较多输入输出口。CPU寄存器、数据总线、址总线都是32位，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存(Cache)和浮点数部件都集成CPU内。电力系统对微机保护要求不断提高，保护基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据长期存放空间，快速数据处理功能，强大通信能力，它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源能力，高级语言编程等。2）网络化计算机网络作为信息和数据通信工具已成

19、为信息时代技术支柱，使人类生产和社会生活面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力通信手段。继电保护作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统运行和故障信息数据，各个保护单元与重合闸装置分析这些信息和数据基础上协调动作，确保系统安全稳定运行。显然，实现这种系统保护基本条件是将全系统各主要设备保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置网络化。这在当前技术条件下是完全可能实现的。3）保护、控制、测量、数据通信一体化实现继电保护计算机化和网络化条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能计算机，是

20、整个电力系统计算机网络上一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障任何信息和数据，也可将它所获被保护元件任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。每个微机保护装置可完成继电保护功能，无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。4）智能化近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等电力系统各个领域都到了应用，继电保护领域应用研究也已开始。神经网络是一种非线性映射方法，很多难以列出方程式或难解的复杂非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。1.2 论文的主要内容及章节安排研究目前主流微机继电保护资料，分析各类微机继电保护装

21、置的特点，通过比较验证提出一种基于ARM7的微机保护装置的设计思想。本文主要的工作如下：（1）研究微机继电保护装置的研究现状和发展趋势，从继电保护基本原理出发，比较现今的继电保护装置典型硬件平台，总结各种硬件架构的优缺点，结合东南大学自行研制的SEP4020处理器的优点，提出一种新的微机保护产品设计方案。（2）设计微机继电保护装置硬件电路原理图和PCB，主要包括CPU核心模块电路，数据采集数模转换电路，开入开出量驱动电路，通信电路，人机交换电路的设计。（3）为提高保护装置的精度和抗干扰水平，分析继电保护装置硬件抗干扰原理，并针对保护可靠性要求采取有效的抗干扰措施，提高装置的可靠性。（4）对开发

22、的样机进行系统测试，收集实验数据，并对实验结果进行分析。本文的设计指标如下：设计指标保护功能过电流速断保护实现功能三段电流保护过流反时限保护零序电流保护低周减载低压减载过负荷PT断线告警采样回路精度电流0.2级电压0.2级保护精度电流5%电压5%相位精度1频率偏差0.1Hz跳闸时间延时40ms鉴于以上的要研究问题，本文的具体章节内容安排如下：第一章 绪论：简要介绍微机型继电保护发展概况以及该课题研究的现状和趋势；安排论文的主要章节。第二章 微机继电保护基本原理：介绍继电保护的概念和基本任务，说明了继电保护装置的基本工作原理和组成以及电力系统对继电保护装置的基本要求。第三章 继电保护装置软硬件设

23、计：针对需要实现的保护功能和指标，充分参考现有的微机保护装置成熟产品和已有的技术平台，设计了基于SEP4020的微机保护装置的硬件系统；给出了每个功能模块的电路图并详细分析了其功能及工作原理；对装置各子板的PCB板图的布局布线进行了分析；最后阐述了微机继电保护装置系统的软件设计框架，主要介绍了交流采样算法，以及基本保护任务的软件实现。第四章 抗干扰分析和可靠性探讨：高精度是保护装置的内在要求。保护装置的从干扰的原理着手，分析了影响保护装置精度的原因。围绕抑制干扰源、阻断干扰传播途径及提高设备自身抗干扰能力这三个基本要素，研究了采样回路滤波，增设看门狗电路，电气防偷跳、电源系统抗干扰和PCB抗干

24、扰等提高体统可靠性的措施。第五章 继电保护装置整体试验及结果分析：使用PW30A继电保护测试仪器对微机继电保护装置的功能和性能进行全面而精确的测试，得出了比较可靠的试验结论，并对试验数据进行深入分析。第六章 总结与展望：对全文的论述作最后总结，指出论文的不足指出，提出下一步改进方向。第二章 微机继电保护基本原理第二章 微机继电保护基本原理2.1 电力系统继电保护的概念和作用2.1.1 电力系统的各种故障和不正常运行状态电力系统的故障包括各种短路和断线（单相和两相），其中最常见同时也最危险的故障是发生各种型式的短路。在发生短路时可能产生以下的后果2:(1)通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧

25、，使故障元件损坏。(2)短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。(3)电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。(4)破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。电力系统不正常运行状态指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如：过负荷、频率降低、过电压、电力系统振荡等。2.1.2 电力系统继电保护的概念电力系统继电保护是继电保护技术或继电保护装置的统称。继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等技术构成

26、。继电保护装置是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。2.1.3 继电保护的基本任务继电保护的基本任务包括：(1) 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到 破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。(2) 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件(例如有无经常值班人员)，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。2.2 继电保护的基本原理和保护装置的组成2.2.1 继电保护的基本原理利用正常运行与区内外短路故障电气参数变化的特征构成保护的判据，根据不同的判据就构成不同原理的继电保护。例如：（1）电流增加（

27、过电流保护）：故障点与电源直接连接的电气设备上的电流会增大；电压降低（低电压保护）：各变电站母线上的电压也将在不同程度上有很大的降低，短路点的电压降低到零；（2）电流电压间的相位角会发生变化（方向保护）：正常20左右，短路：6085； （3）电压与电流的比值会发生变化；（4）距离保护或阻抗保护：系统正常运行是负荷阻抗，其值较大，系统短路时Z是保护安装处到短路点之间的阻抗，其值较小；（5）电流差动保护：正常运行时 I入=I出，短路时I入I出；（6）分量保护：出现I2、I0分量。（7）另外非电气量保护：瓦斯保护，过热保护。2.2.3 继电保护的分类（1）按被保护的对象分类：继电保护分为输电线路保护

28、、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：继电保护分为电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：继电保护分为相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4）按继电保护装置的实现技术分类：继电保护分为机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；（5）按保护所起的作用分类：继电保护分为主保护、后备保护、辅助保护等；2.2.3 继电保护装置的组成根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但它们都是由三个基本部分组成，即测量

29、部分、逻辑部分和执行部分3,其原理框图如图2-1所示。图 2-1 继电保护装置的原理结构图（1）测量部分测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”；“大于”、“不大于”等于“0”或“1”的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。通常这一部分的硬件电路主要由数模转换芯片（A/D）或电压频率变换芯片（VFC）与数据信号处理器（DSP）或控制处理器单元（CPU）组成。（2）逻辑部分逻辑部分是根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并

30、将有关命令传给执行部分。继电保护中常用的逻辑回路有“或”“与”“否”“延时启动”“延时返回”以及“记忆”等回路。这一部分的硬件电路主要是DSP或CPU。（3）执行部分执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所负担的任务。如故障时，动作于跳闸；不正常运行时，发出信号，正常运行时，不动作等。这一部分的硬件电路主要由控制器和由继电器组成的开关部分组成。2.3 继电保护装置的基本要求动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。1）选择性继电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电的范围尽量小，以保证系统中的无故障部分

31、仍能继续工作。电力系统线路保护示意图如图2-2所示。图 2-2 电力系统线路保护示意图当k1短路时，保护1、2动跳1QF、2QF，则满足选择性；当k3短路时，保护7、8动跳7QF、8QF，则满足选择性；若保护7拒动或7QF拒动，保护5动跳5QF（有选择性）；若保护7和7QF正确动作于跳闸，保护5动跳5QF，则越级跳闸（非选择性）。2）速动性快速地切除故障可以提高电力系统并联运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。对继电保护速动性的具体要求，应根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况来确定，例如：(1)根据维持系统稳定的要求，必须快速切除的高压输电线路上

32、发生的故障； (2)1-10kV线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障等； 故障切除的总时间等于保护装置动作时间和断路器动作时间之和。一般的快速保护的动作时间为0.040.08s，最快的可达0.010.02s；一般的断路器的动作时间为0.060.15s，最快的可达0.020.06s。3）灵敏性继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，都能灵敏地正确反应。通常灵敏性用灵敏系数来衡量，表示为Ksen： 反应故障参数增加的保护装置（如电流保护），其灵敏系数： （2.1） 反应故障参数降

33、低的保护装置（如低电压保护），其灵敏系数： （2.2）其中故障参数的最小、最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式、故障类型和短路点来计算的。4）可靠性保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作(拒动），而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该错误动作（误动）。影响可靠性的内在因素包括装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平、内外接线简明，触点多少等；外在因素包括：运行维护水平、调试是否正确、正确安装。以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，也是贯穿全文的一个基本线索。在它们之间，既有矛盾的一面，又有在一定条件下统

34、一的一面。2.4 几种典型的微机继电保护硬件平台目前,继电保护硬件平台种类繁多,有DSP+ARM(advanced RISC machine)架构、CPU(DSP)+FPGA架构、DSP+CPU或者双DSP+CPU(DSP作为协处理器)架构等。61）DSP+ARM硬件平台近年来ARM处理器发展比较突出，利用拥有强大的以太网等外设通信功能的ARM，加上具备高效快速的数据处理能力的DSP搭建而成的主平台,是目前比较流行的一种线路保护硬件架构,如图2-3所示。该架构中ARM处理器可带嵌入式操作系统,通信模块、RAM数据交换、人机交互等应用程序直接在操作系统上编写。图 2-3 DSP+ARM构成的硬件

35、平台2）CPU+FPGA硬件平台由于DSP及微处理器的速度不能完全满足不断出现的新算法和理论的要求,使得越来越多的设计人员转向可编程方式实现。FPGA近几年以惊人的速度发展,片内可以集成高速CPU、存储器和通信接口等,因此也成为微机保护硬件架构的一种很好的选择。如图2-4所示,FPGA完成数据采集、数据处理、保护算法、保护逻辑以及部分通信功能；CPU主要完成管理、通信、人机交互的任务。图 2-4 CPU+FPGA构成的硬件平台该硬件平台中最关键的是FPGA内大量复杂IP核的设计。一个复杂IP核的设计、实现、验证是一项艰巨的任务。另外,FPGA虽具有可编程和可配置模式,但不利于现场故障的再现分析

36、。3）DSP+CPU硬件平台DSP+CPU构成的硬件平台的简单示意图如图2-5所示。主CPU承担模拟量、数字开关量的采集工作,以及所有对外操作命令、故障录波的显示和打印；DSP作为协处理器,主CPU把采集到的原始数据直接写入共享双口RAM中,并以中断方式通知DSP进行信号处理、计算、逻辑判断等,当协处理器产生报告或有数据需传送时,马上申请主CPU进行处理。图 2-5 DSP+CPU构成的硬件平台该平台类似于DSP+ARM平台,但是DSP不负责数据采集,只负责数据计算,然后把计算结果和判断标志反馈给CPU进行后续处理。三种平台既是先进技术的结合的产物也是条件制约的结果。其中，第三种平台为新一代单

37、核平台的应用提供了实现的可能。当ARM运算能力和功能足够强大的话，便可以使用ARM芯片单独实现对采集数据的计算。这依赖于集成电路技术的飞速发展，东南大学最新研制的ARM芯片SEP4020为实现这种平台提供了可能。2.5 本章小结本章首先介绍了微机继电保护的概念，基本原理，然后系统阐述了继电保护装置的组成；接着介绍了电力系统对继电保护的基本要求；最后比较分析了目前继电保护装置几种典型的硬件平台。本章的分析使得本文目标明确，设计思路清晰，为微机继电保护装置的实现奠定了理论基础。第三章 微机继电保护装置的软硬件设计第三章 微机继电保护装置的软硬件设计3.1 硬件系统框架微机继电保护的系统框架如图3-

38、1所示：图 3-1 微机继电保护系统框架图本装置的硬件部分按功能可分成六个模块，其中，信号采集模块负责将电网来的大电压大电流信号转换为系统可以接受的小电压信号，并且将数字量转化为模拟量，供处理器进行信号处理；人机交互模块承担着人与机器交互的任务，主要是指键盘和液晶显示；存储系统由FLASH和SDRAM组成，负责存放代码和数据；通信模块由串口和以太网口组成，负责远程通信、控制和组网；出口继电器模块是保护的动作出口，实现对电网的保护控制；电源系统负责对其它模块进行供电，将220V交流电转换成各个模块所需的直流电。3.2 微机继电保护装置硬件设计3.2.1 SEP4020处理器及CPU核心子模块控制

39、芯片是系统的核心控制单元。目前的继电保护和测控系统不仅需具备传统的继电保护和测控系统的功能，而且正在向智能化、信息化方向发展。其中的实时谐波分析、谐波检测、以及一些复杂的故障检测算法，计算量都很大，普通的CPU很难胜任、表现为实时性差，而且由于保护的运行速度很大程度上取决于CPU的运行速度。目前常用的微处理器有单片机，DSP，ARM等。其中，单片机应用范围广，应用资料众多；DSP具有运算速度快，多应用在数据处理；ARM的运算速度快，代表着未来的发展趋势，其高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂运用。同时由于芯片在价格上相差不大，ARM在其指令系统、总线结构、调试技术、功耗及性价比上远远超过了传

40、统的51系列单片机。而且ARM内部集成了大量的片内外设，使其功能和可靠性大大提高。因此系统设计采用ARM作为装置的微处理器。本文使用东南大学自行研制的32位处理器SEP4020，采用单一芯片架构，承担数字信号处理，系统保护，系统测控与通信等任务。SEP4020由东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心研制，采用0.18m标准CMOS的工艺设计，内嵌ASIX CORE（32位RISC内核，带8KB指令数据Cache）。SEP4020内核兼容ARM720T，在80MHz系统时钟下稳定工作。具备ARM核低功耗高性能的特点。12SEP4020芯片中拥有零等待访问的64K的高速片上RAM，该片上RA

41、M可以用于存放关键区域程序代码，因而可以大大提升关键代码的执行速度。而且SEP4020外设丰富，拥有最多91个GPIO复用口，因此可以大大减少扩展接口的可能。装置的CPU核心子模块由CPU和外部存储构成。SEP4020拥有外部存储接口模块10(EXTERNAL MEMORY INTERFACE，简称EMI)，它的功能是为外部存储器提供读写接口。它支持地址的REMAP功能，即两个逻辑地址指向同一个物理地址，且支持从外部NOR FLASH启动以及从NAND FLASH启动。SEP4020处理器支持的片外存储器包括：SRAM、ROM、NOR FLASH(INTEL时序)、SDRAM(不支持DDR S

42、DRAM或者Rumbus DRAM)及NAND FLASH，6个可配置的片选信号，每个片选支持的最大寻址范围为64MByte，每个片选起始地址（基地址）可配置，并且可以配置为REMAP（内存映射）。图 3-2 外部存储器硬件连接图如图3-2所示，继电保护装置的外部存储器由一片8M字节的SDRAM和一片2M字节的FLASH组成，FLASH选用的是16位宽的SST39VF1601芯片，用于存放程序代码、故障波形数据、告警信息和装置的整值，占用从0x20000000开始的2M地址空间。SDRAM选用Winbond公司的16位宽的W981216BH，占用从0x30000000开始的8Mbytes地址空

43、间。W981216BH是一款高速同步动态随机存取存储器，其容量为8MByte，采用了0.17m工艺，具有自刷新功能，读写访问速度高于SEP4020微处理器的典型工作时钟80MHz，从而消除了存储器访问瓶颈。系统的启动方式为NorFlash启动，Flash中存放有启动代码(Bootloader)和保护程序代码。装置上电后，从NOR FLASH的首地址开始执行启动代码，启动代码的任务是将保护程序代码搬移到SDRAM中，搬移完毕后，从SDRAM中读取代码并执行。选用NOR型FLASH的原因是基于保护系统的实时性要求，因此要考虑FLASH芯片的擦写速度，以及擦除块的大小。SST39VF1601的擦写是

44、以块为单位，块擦除的典型速度为18ms，片擦除速度为40ms，可以满足系统要求。而且，SST39VF1601可以支持段（2KWord）擦除和块（32KWord）擦除两种方式，所以可以根据实际应用，灵活的使用段或块擦除方式，优化使用FLASH存储。与NOR FLASH存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其操作都是由时钟作为同步，存取速度大大高于FLASH存储器，数据吞吐率更大，且具有读/写的属性，因此，SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。SDRAM的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新（充电）。因此，要在系统中使用SDRAM

45、，就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新逻辑控制电路。此外，SDRAM容量较大还可以用于暂时存储大量的故障波形数据，配合FLASH芯片可以实现故障录波功能。基于SEP4020的核心模块是整个系统的基础与核心，也是影响整个系统的关键。经过多次严格测试，这部分电路能够稳定、可靠的工作。SEP4020的详细设计电路见附录A。3.2.2 交流信号采集模块A/DCPU图 3-3 交流信号采集模块框图如图3-3所示，信号采集模块主要由3个部分组成：互感器、低通滤波器和A/D转换芯片。微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得电气量信息，但这些互感器二次侧数

46、值的变化范围与微机保护装置硬件电路并不匹配，故需要降低或变换。对于电压变换可采用小的降压变压器，如图3-4（a）所示。对于电流变换则可采用电流变换器如图3-4(b)所示。 （a） (b) 图 3-4 电压、电流变换电路电流变换器最大的优点是只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同相，即它的转变可使电流变换不失真。这点对微机保护具有重要意义，因为只有在这种条件下作精确的定量分析才有意义，提取或抑制某些分量，才可以容易地通过软件实现。采用电流变换器时，连接方式如图3-7(b)所示，其中Z为模拟低通滤波器和A/D等回路构成的负载阻抗，在工频条件下，该负载

47、阻抗可达80kW以上；RLH为电流变换器二次侧的并联电阻，数值为几欧姆到十几欧姆，远远小于Z，因为RLH与Z的数值差别很大，所以由图3-7(b)可得： （3.1）于是，在设计时，应满足下列条件： （3.2）式（2-1）和式（2-2）中，为并联电阻；为电流变换器的变比；为电流变换器一次电流的最大瞬时值；为A/D的输入范围的最大值。本文选用的是南京择明高精度超小型精密电流电压互感器。CT的变比为2000:1，精度达到0.2级，线性度为千分之一，可以满足装置采样的精度要求。互感器及滤波电路如图3-8和图3-9所示。图 3-5 电流转换电路图3-5中T1是电流互感器，用于将电网来的大电流信号转换成微机

48、保护装置可以接受的小信号，R2、C1、R3、C2构成了二阶无源低通滤波网络，D1和D2组成保护电路，用于用于钳住大于5V和小于0V的信号。图 3-6 电压转换电路面3-6电路中T9是电压互感器，用来将电网的电压信号转换成微机继电保护装置可以接受的小信号。R19是限流电阻，R20是采样电阻。其余部分和电流转换电路相同。图3-5和图3-6中的输出信号AIN接A/D转换器的模拟量输入端口，由于本装置采用的A/D转换器电压的输入范围在05V。为了确保进入A/D的信号是正电压且具有最大的输入范围，需要将输入的电压抬升至2.5V，所以在互感器的输出端接一个VREF=2.5V的基准电压来抬升从电网采集来的信

49、号。A/D转换器电路是数据采集系统前向通道中的一个重要环节，也是微机保护的关键功能。它实现了将一个或多个采集的模拟信号转换成数字形式，以便计算机能对其读。A/D选择的技术指标主要有：1）分辨率分辨率是指A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量。设A/D转换器的位数为n，满量程电压为FSR，则A/D转换器的分辨率定义为：分辨率= (3.3)可以看出，A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少，因此，目前一般都简单的用A/D转换器的位数n来间接代表分辨率。2）精度要注意的是精度和分辨率是两个不同的概念。精度是指转换后所得的结果相对于实际值的准确度；分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。

50、分辨率很高的A/D转换器，可能因为温度漂移、线性不良等原因，并不一定具有很高的精度16。3）转换时间和转换速率逐次逼近型A/D转换器，其转换时间只取决于转换器的位数，因此转换时间是恒定的。转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒钟转换的次数。图 3-7 AD7490接口原理图由于继电保护需要采集多通道的电流、电压值，所以所选A/D应具备多通道信号采集能力，本文采用的A/D转换器为AD7490，它是12位16通道、高速高精度的串行数模芯片。其最高转换速度达到1MSPS，可以满足电力系统KHz级别的采样率要求。其接口电路如图3-7所示，AD7490转换后的数据是串行传输的，其与SEP4020

51、通信是通过SPI总线进行传输的。AD7490与SEP4020的SPI接口总共有四根信号线SSI_CS0、SSI_CLK、SSI_IN以及SSI_OUT，分别对应SPI选通线、时钟线、数据接收线、以及数据发送线。在CPU选通AD7490工作时，就可以通过SSI_ IN线在SSI_CLK的时钟作用下向AD7490传送寄存器设置命令，同时在模数转换完毕之后SEP4020通过SSI_OUT线接收采样值数据18。AD7490需要提供一路参考电压VREF作为A/D转换器的比较电压，CPU将模拟量输入值与此做比较便能计算出实际输入的模拟量的值。所以要求参考电压的值也要比较精确和稳定输入。设计通过AMS111

52、7-2.5电源芯片产生稳定的2.5V电压提供给A/D7490。3.2.3 通信模块随着继电保护向着网络化，智能化的方向发展，本文为继电保护提供了两种类型的通信方式，一种是由串口组成的RS-485/232通信方式；其中，RS-232口用于保护软件系统测试与升级。另一种是由以太网控制芯片组成的以太网通信方式。RS-485的总线采用差分电平方式传送数据，通信一般采用Modbus协议，其接口则采用平衡驱动器和差分接收器的组合，因此是一种抗干扰能力非常好的串行通信方式。RS-485接口的最大传输距离可达3000米，传输速度可达10Mbp，且其差分总线上最多可挂128个终端，因此非常适合于组网应用。为了保

53、证通信的可靠性，本文选用带静电保护电路的75LBC184芯片。RS-485串口通信的接口电路如图3-8所示。图 3-8 RS485串行接口电路图在使用75LBC184芯片时，A/Y、B/Z两端必须加上拉和下拉电阻，因为在空闲状态下，总线则处于高阻态，两条总线的电压差不确定。另外，由于SEP4020外设电平为3.3V而75LBC184使用5V供电，因此需使用光耦进行电平转换。继电保护装置设置了双485、双以太网接口。其中一套作为备用通信口。在通信时，如果一个通信接口的坏了，主站可以切换到备用通信口继续进行通信，保证了电力系统的可靠性要求。以太网通信的两组以太网模块一个由单独RTL8019as网卡

54、芯片构成，如图3-9所示。另外一个则由SEP4020自带的MAC控制器外加一片PHY(DM9161物理层芯片)构成,如图3-10所示。通过以太网设备，利用TCP/IP协议可以使继电保护装置真正的实现遥控、遥测、遥信以及遥调功能。图 3-9 RTL8019as网卡接口电路RTL8019AS是一种全双工即插即用的以太网控制器，它在一块芯片上集成了RTL8019内核和一个16KB的SDRAM存储器用于收发缓冲。它兼容RTL8019控制软件和NE2000 8bit或16bit的传输，支持UTP，AUI，BNC和PNP自动检测模式，支持外接FLASH存储器读写操作，支持I/O口地址的完全解码，具有LED

55、指示功能。其接口符合Ethernet2和IEEE802.3（10Base5，10Base2，10BaseT）标准。允许4个诊断LED引脚编程输出。RTL8019AS内部有2个RAM区：1块16KB，地址为0x40000x7fff；1块32B，地址为0x00000x001f。RAM按页存储，每256B为一页。RTL8019AS与主机有三种接口工作模式：（1）跳线方式，网卡的I/O和中断由跳线决定；（2）免跳线方式，网卡的I/O和中断由外界的93C46芯片里的内容决定；（3）即插即用方式，由软件进行自动配置。本文采用第1种方式即跳线方式，即通过设置RTL8019AS的第65脚JP为高电平(接到VC

56、C或通过一个10k的上拉电阻)来实现。同时，本文也预留了93C46的接口。网口连接器采用自带变压器、带指示灯的RJ-45接口，简化了电路设计。图 3-10 PHY接口电路SEP4020本身带有以太网控制器，兼容IEEE802.3协议标准，具有对网上数据帧的控制功能，提供MII（Media independent interface）标准管理通信接口。但由于它本身不具有直接从网上收发数据的能力，必须结合物理层进行数据传输，所以用DM9161来完成对网上数据的接收解码和数据帧编码发送任务。3.2.4 开入开出模块硬件平台的开入开出模块包含开关量输入回路和开关量的输出回路两部分，其中，开关量输入主要

57、是接点状态(接通或断开)的输入信号；开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等。一般开入和开出回路是分开设计的，开关量信号流程如图3-11所示。图 3-11 开关量I/O子板系统信号流程1）开关量输入回路开关量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接接点输入，外部装置闭锁重合闸触点输入，轻、重瓦斯继电器接点输入，还包括装置上连接片输入等回路。对于微机保护装置的开关量输入，即接点状态的输入可以分为以下两类。一类是本装置上的接点，例如面板上切换开关或本装置的继电器接点；另一类是装置外部经过端子排引入装置的接点，例如断路器辅助接点。这两类接点可分别按图3-12(a),(b

58、)所示输入开关量。图3-12(a)是用+5V将装置上的接点直接上拉至CPU的并行接口。而更常用的输入开关量回路如图3-12(b)所示，通过光电隔离器件输入，光敏三极管的导通和截止完全反映外部接点状态。（a）装置内接点输入回路 （b）装置外接点输入回路图 3-12 开关量输入电路原理图本文所有的开入量(外部接点)输入均设计为采用24V直流供电，相对于装置的控制部分24V是强电信号，为了可靠性，将强弱电隔离。隔离的目的在于一方面需要降低引入的电压范围至CPU可正常接收的程度，通常需要从24V要降低到5V甚至更低；另一方面可以大大的降低外界干扰信号对核心控制部分的千扰。常见的隔离方式有光耦隔离和电磁

59、隔离两种，和后者相比，光耦隔离的灵敏度较高，同时隔离元件的体积较小，因此本文采用前者实现。光电隔离电路如图3-13所示。图 3-13 开关量采集电路电路中的二极管D是一个反向钳制电压二极管，主要作用是防止24V侧产生的反向电压使光敏二极管击穿，因为光敏二极管的反向耐压值比较低。2）开关量输出回路开关量的输出控制可以直接驱动外部继电器或开关的动作，微机系统输出的开关信号是芯片给出的低压直流，一般不能直接驱动外设，而需要经过接口转换等处理后才能用于外部设备的开启和关闭。现在一般是采用继电器方式，一般在驱动大型设备时，往往利用继电器作为测控系统中输出到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器

60、的输出，可完成从低压直流到高压交流的转换。开关量输出的原理图如图3-14所示。图 3-14 开关量输出回路示意图从可靠性设计来考虑，开关量的输出要在硬件上做冗余设计，处理器的输出需要两个控制线来控制输出。如图3-17所示，在出口跳闸时，CPU的二行口PB0和PB1安排不同的电平输出，PBO输出“0，PB1输出“1”，使与非门输出“0，驱动发光二极管。这样做可防止在拉合直流电源过程中继电器J的短时误动。因为在拉合直流电源时，PB0和PB1都是相同的电平输出，不可能驱动发光二极管，从而防止了误动。当跳闸时，程序令CPU的并行PBO口输出“0”,PB1口输出“1”时，以反相器B和与非门&电路驱动发光

61、二极发出光脉冲，光敏三极管随之导通，出口继电器KCO励磁。在实际保护装置中应考虑出口的闭锁，以防止保护误动作，因此光敏三极管的集电极必须经启动继电器接点接正电源，形成保护出口的闭锁回路。本文开出量回路如图3-15所示。图 3-15 开关量输出电路图中OUT_EN0是使能，OUT0是SEP4020的GPIO口输出的电平(0V-3.3V)，经光耦隔离后控制继电器输出。3.2.5 人机交互模块人机交互模块是微机继电保护装置同操作者之间联系的纽带，操作人员和装置之间信息的传递由人机交互模块完成。人机交互模块由键盘、LED（发光二极管）和液晶显示组成。键盘主要负责操作人员对装置的信息输入，将控制信息等传

62、递给装置。LED能直观的指出装置的工作状态，如告警，运行，跳闸，通信。液晶显示用来显示实时的电信号，装置状态，控制字等。人机接口控制电路如图3-16所示。图 3-16 人机接口控制电路为了减少显示模块和主模块的硬件连线，人机接口控制电路采用键盘和显示复用的方式。设计通过两片74HC244三态缓冲器分别控制LCD、LED和控制键盘的输入。U1用于控制LCD和LED，U1、U2同时控制键盘，1OE、2OE是使能端，控制由A端到Y端的输出使能。从SEP4020来的7路控制信号交替输出低电平，使两片74HC244交替工作，实现键盘和显示的复用。1）LED指示灯电路LED指示灯电路由74HC595和发光二极管组成。74HC595是串行输入转并行输出的移位寄存器，用于将从SEP4020来的串行LED控制信号转换成并行信号输出。LED信号输出高电平时指示灯亮。2）显示电路本装置从电路设计简单、减小功耗、能显示多种字符的想法出发，选用点阵式液晶显示模块JM12864G，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(1616点阵)、128个字符(816点阵)及64256点阵显示RAM(GDRAM)。JM12864G具有串行显示和并行显示两种显示接