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1 引 言 隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的要求也越來越高，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)產(chǎn)品已不能適應(yīng)這些要求，正在被逐步淘汰，各種類型的微機(jī)裝置由于具有諸如反應(yīng)故障速度快、運(yùn)行靈活、無動作死區(qū)等一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用，如由微機(jī)控制的集測量、控制、保護(hù)、遠(yuǎn)動、五防等功能于一體的無人值守變電站的廣泛應(yīng)用就是明顯的例證。 基于這種狀況，為了使現(xiàn)場繼電保護(hù)操作人員和在校學(xué)生盡快掌握微機(jī)保護(hù)裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)會調(diào)試和操作維護(hù)的基本方法，有必要研制一套微機(jī)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)即是為適應(yīng)這一要求而開發(fā)的。其硬件設(shè)計以Atmel公司的AT89C55WD型MCU為核心，外圍電路包括8路交流輸入、8路直流輸入、8路數(shù)字量輸入和8路數(shù)字量輸出，并設(shè)有RS 232串行通信接口。同時充分考慮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，留有足夠的測試點(diǎn)，配有組態(tài)實(shí)驗(yàn)軟件，人機(jī)界面友好，具有能方便進(jìn)行常用繼電保護(hù)原理實(shí)驗(yàn)和不同算法的比較，功能完備，方便實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。 2 繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計 繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由上位機(jī)、繼電保護(hù)測試儀和繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置組成，三者的連接框圖如圖1所示。其關(guān)系為：繼電保護(hù)測試儀為整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號源，他可模擬各種運(yùn)行方式下的故障現(xiàn)象，為 微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置提供所需的各種電壓量、電流量和開關(guān)量信號，上位機(jī)作為人機(jī)交互的窗口，微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置是本文要研究的主體--控制系統(tǒng)。 其中控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，包含以下4個部分：數(shù)據(jù)處理單元，即微機(jī)主系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集單元，即模擬量輸入系統(tǒng)；數(shù)字量輸入／輸出接口，即開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)；通信接口。不僅能實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(包括三相電壓、三相電流等)的實(shí)時采集和處理，還可以控制實(shí)驗(yàn)裝置動作，并可以通過通信模塊與計算機(jī)進(jìn)行通信，將實(shí)時實(shí)驗(yàn)狀態(tài)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示、記錄。 3 微處理器的選擇 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元由AT89C55WD芯片及其外圍電路組成。他是整個單片機(jī)控制系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)保護(hù)參數(shù)的設(shè)定與保存、單片機(jī)地址的譯碼與分配以及故障程序的自動復(fù)位等功能，并對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析、處理、判斷，完成相應(yīng)的繼電保護(hù)功能。AT89C55WD足一個低電壓高性能的CMOS型8位單片機(jī)，片內(nèi)含20 kb／s的可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)89C51和89C52芯片，采用通用編程方式，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大，可提供許多高性價比的解決方案，適用于多數(shù)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。 他有40個引腳，32個外部雙向輸入／輸出(I／O)端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，工作頻率可以達(dá)到33 MHz，完全滿足系統(tǒng)的分辨率、精度和速率要求。 4 外圍電路設(shè)計 4.1 A／D轉(zhuǎn)換單元 由于A／D轉(zhuǎn)換器與整個系統(tǒng)的測量范圍和精度有關(guān)，因此，A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。本裝置對8路模擬信號進(jìn)行采樣，每周波采樣12點(diǎn)，即每一個周波要完成256次轉(zhuǎn)換，而每個周波為20 ms，因此要求轉(zhuǎn)換速率約為78μs。考慮到每個通道的采樣時間包括多路開關(guān)的開關(guān)時間、采樣／保持器的采樣和建立時間、A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間以及測量傳感器的建立時間等，決定選用轉(zhuǎn)換時間較少的逐次比較型的A／D轉(zhuǎn)換器。對于8位的A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率能達(dá)到1／28或滿刻度的0.392％，顯然不能滿足本裝置所要求的0.2級(0.2％)精度；而10位的轉(zhuǎn)換器能夠達(dá)到的精度為0.09％，能夠滿足本裝置的精度要求，所以本裝置采用10位的MAX1060型芯片A／D轉(zhuǎn)換器用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。 MAX1060為10位低功耗逐次逼近型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換速度為2μs，具有內(nèi)部時鐘、+2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)和高速單字節(jié)并口等特性，可工作于單+5 V模擬電源，獨(dú)立的VLOGIC引腳允許與+2.7～+5.5 V的數(shù)字邏輯直接接口。在400 kS／s的最大采樣頻率下，功耗僅為10 mW。提供兩種軟件可編程的關(guān)斷模式，可以使MAX1060在轉(zhuǎn)換操作之間處于關(guān)斷狀態(tài)，一旦訪問并口，便使其返回到正常工作模式，且在低采樣率下，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之間的關(guān)斷模式能夠?qū)㈦娫措娏鹘抵?0 μA以內(nèi)。轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。 4.2 開關(guān)量輸入／輸出單元 4.2.1 開關(guān)量輸入單元 本系統(tǒng)共有8路開關(guān)量輸入，如圖3所示。由于儀器模擬的運(yùn)行現(xiàn)場環(huán)境惡劣，存在電、磁、振動、噪聲等各種干擾，TTL電平直接接口可能會造成錯誤輸入。因而本裝置采用光電隔離型輸入方式，其主要優(yōu)點(diǎn)： (1) 輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力強(qiáng)； (2) 無觸點(diǎn)、耐沖擊、壽命長、可靠性高； (3) 響應(yīng)速度快，易與邏輯電平配合使用。 從外面引入微機(jī)保護(hù)的開關(guān)量，如開關(guān)位置輔助接點(diǎn)、收發(fā)信機(jī)的收發(fā)信狀態(tài)觸點(diǎn)等都是由"開關(guān)量輸入"回路中的光電隔離技術(shù)處理后，將信息送至中央處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)中8路開關(guān)量輸入量分成兩類：第一類的6路由MCU通過查詢方式獲知系統(tǒng)的工作狀態(tài)；第二類的2路直接接到MCU的外部中斷口上，一旦開關(guān)量有變化時可以產(chǎn)生一個中斷，MCU可以及時處理。這樣就使得裝置的工作非常靈活。 撥碼開關(guān)是為了方便實(shí)現(xiàn)繼電器接點(diǎn)和按鍵接點(diǎn)的模擬，便于通過手動模擬外部的短路或斷路等工作方式。 4.2.2 開關(guān)量輸出單元 在線路發(fā)生故障時，微機(jī)保護(hù)主要是通過各種開關(guān)量輸出來完成對線路中各斷路器和繼電器的控制，從而使發(fā)生事故的線路被隔離，其他線路能夠最大程度地得到保護(hù)。具體的說，從微機(jī)保護(hù)送出的開關(guān)量，如跳閘命令、告警信息等，是經(jīng)"開關(guān)量輸出"回路中的光電隔離技術(shù)處理后，將中央處理系統(tǒng)的判斷結(jié)果送出，并實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。 本系統(tǒng)用8路信號開關(guān)量輸出來模擬故障狀態(tài)，其中7路接繼電器，同時并接發(fā)光二極管LED。在有故障信號而使繼電器動作時，相應(yīng)的二極管也發(fā)光顯示；另外1路接揚(yáng)聲器，收到故障信號后，發(fā)聲報警。開關(guān)輸出量既可以用來模擬故障動作，還可用繼電器接外部設(shè)備來形成一個完整的保護(hù)系統(tǒng)，輸出結(jié)構(gòu)如圖4所示。微機(jī)系統(tǒng)輸出的開關(guān)信號是芯片給出的低壓直流，不能直接驅(qū)動外設(shè)，而需要經(jīng)過驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)換等處理后才能用于完成對外部設(shè)備的開啟和關(guān)閉，本裝置的開關(guān)量采用繼電器輸出方式輸出。 4.3 頻率測量單元 本系統(tǒng)使用單片模擬集成鎖相環(huán)電路NE564進(jìn)行測頻，該芯片采用單5 V電壓供電，最高工作頻率可達(dá)50 MHz，外部可調(diào)節(jié)環(huán)路增益，數(shù)字量輸入輸出兼容TTL電平。另外裝置還使用了一片計數(shù)器集成電路74HCT4520，接成一個256分頻器，把NE564的VCO輸出進(jìn)行256分頻后，送入NE564的鑒相器與輸入的50 Hz工頻信號進(jìn)行相位比較。這樣，50 Hz的工頻信號就在256倍頻后送進(jìn)MCU進(jìn)行頻率測量。通過上述電路，就可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整采樣間隔，在A／D轉(zhuǎn)換中采用跟蹤頻率變化的變步長對輸入信號進(jìn)行采樣，以使本系統(tǒng)具有較好的測量精度。此外，還采用常用的過零比較器進(jìn)行測頻，把正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，完成測量頻率的功能，如圖5所示。 考慮到計算機(jī)接口的合理利用問題，采用最常用的RS 232通信接口來完成與計算機(jī)的之間的數(shù)據(jù)的傳輸，從而可以實(shí)現(xiàn)對計算機(jī)接口的合理分配與利用，達(dá)到更好的使用效果。 RS 232作為一種通信標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在微機(jī)串行通信接口中廣泛應(yīng)用。傳輸距離小于15 m，遠(yuǎn)距離通信時一般要加調(diào)制解調(diào)器Modem；近距離通信時不采用調(diào)制解調(diào)器Modem，雙方可以直接連接。由于本實(shí)驗(yàn)裝置與上位機(jī)可以直接相連，只需要3根信號線(發(fā)送線TXD、接收線RXD、信號地線SG)便可以實(shí)現(xiàn)全雙工異步串行通信。然后采用MAX232來完成RS 232與TTL電平的轉(zhuǎn)換，如圖6所示。 另外還有鍵盤與顯示單元、時鐘單元和抗干擾單元等，由于篇幅所限，不再贅述。 5 軟件實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)中采用AT89C55WD的8位單片機(jī)為CPU，采用KeilC51結(jié)構(gòu)化編程語言編程，采用模塊化設(shè)計，使系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)清晰，易于理解，便于調(diào)試、連接、修改和移植。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計和一般的程序設(shè)計不同，既有各種計算程序設(shè)計，還要結(jié)合具體的硬件電路進(jìn)行各種輸入輸出程序沒計。軟件設(shè)計必須在硬件、軟件功能劃分基礎(chǔ)上進(jìn)行。本系統(tǒng)軟件由主程序和人機(jī)接口、數(shù)據(jù)采集、計算、故障處理、記錄和通信等幾個子程序組成。數(shù)據(jù)采集單元將采集的數(shù)據(jù)通過12點(diǎn)快速傅里葉變換，計算出電壓、電流值，冉進(jìn)一步求出有功功率、無功功率、功率因數(shù)等，所得參數(shù)可顯示并上傳給上位機(jī)，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量、人機(jī)接口及通訊等輔助控制功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。 6 結(jié) 語 運(yùn)行表明，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可模擬各種運(yùn)行方式下的故障現(xiàn)象，省去了傳統(tǒng)測試方法中所需的移相器、調(diào)壓器等多臺用于調(diào)整電壓、電流的較為笨重的一次設(shè)備，避免了由此引起的易接錯線、功能單一等不足，可大大提高實(shí)驗(yàn)測試水平。由于裝置硬件通用性強(qiáng)，可通過在同一硬件平臺上下載多種不同的保護(hù)程序運(yùn)行，來完成多種不同類型的保護(hù)功能實(shí)驗(yàn)，突破了傳統(tǒng)的一套保護(hù)裝置只實(shí)現(xiàn)一種保護(hù)功能的局限，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就可以仿真現(xiàn)場的故障現(xiàn)象，且價格低廉，有效地解決了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)生產(chǎn)一線與教學(xué)之間的銜接問題，具有較大的推廣前景。 |
