基于微機(jī)的三段式電流保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

**大學(xué)**University畢業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣工程與自動(dòng)化班級(jí)學(xué)號(hào)：電自1002學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：二〇一四年六月**大學(xué)本科生畢業(yè)論文基于微機(jī)的三段式電流保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)TheDesignofThree-stageCurrentProtectionDeviceBasedonMicrocomputer專業(yè)班級(jí)：電自1002班學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：學(xué)院：自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2014年6月

摘要隨著時(shí)代的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)電力的要求越來越高，對(duì)電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)要求也隨之增高。輸電線路作為電力系統(tǒng)中最主要的組成部分，它的工作狀態(tài)對(duì)電力系統(tǒng)有著直接的影響。因此，設(shè)計(jì)出一種性能優(yōu)越的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，將其用來完成線路的保護(hù)是非常有意義的。本文簡(jiǎn)單介紹了微機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展史和當(dāng)前的研究狀態(tài)，并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了匯總。本裝置在設(shè)計(jì)中，對(duì)三段式電流保護(hù)原理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)每一段的作用都進(jìn)行了研究，從而為裝置的保護(hù)設(shè)定值提供參考。在裝置的硬件設(shè)計(jì)方面，基于三段式電流保護(hù)的特點(diǎn)和微機(jī)裝置功能的要求，選用ATMEL公司的AT89S52作為單CPU結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)處理器，數(shù)據(jù)采集方面采用MAXIUM公司的A/D轉(zhuǎn)換器MAX197，以及設(shè)計(jì)了電壓形成回路、人機(jī)接口和通訊等模塊。在軟件設(shè)計(jì)方面，對(duì)幾種常見保護(hù)算法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出了微機(jī)保護(hù)的保護(hù)程序流程圖。最終，完成了完整的微機(jī)三段式電流保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù)；三段式電流保護(hù)；保護(hù)算法

ABSTRACTWiththeprogressoftheera,thesocietyhasmoreandmorerequirementofelectricpower,therequirementofpowersystemrelayprotectionalsosubsequentlyheighten.Thetransmissionlinesisthemainpartofelectricpowersystem,anditsworkingconditionhasadirectimpactonpowersystem.Therefore,thedesignofthesuperiorperformanceofrelayprotectiondeviceisverymeaningfultocompletetheprotectionoftransmissionlines.Thisarticlebrieflydescribesthehistoryofmicrocomputerprotectiondeviceandthecurrentstateofresearch,anditscharacteristicshascarriedonthesummary.Inthedesignofthedevice,theprincipleofthree-stagecurrentprotectionsystemaresystematicallyanalyzed,theroleofeachsectionhavebeenstudiedinordertoprovideareferenceforthesettingofprotectiondevice.Intermsofthehardwaredesignofthedevice,basedonthecharacteristicsofthree-stagecurrentprotectionandthefunctionalrequirementofmicrocomputerdevices,IhavechoosetheAT89S52ofATMELCorporationasthesystemprocessorofsingle-CPUstructure,andtheA/DconverterMAX197ofMAXIUMarechosenindataacquisition.ATthesametime,Ihavedesignedthemoduleoftheloopofvoltageforming,man-machineinterfaceandcommunication.Insoftwaredesign,Ihavestudiedseveralcommonprotectionalgorithmanddesignedtheprotectionprogramflowofmicrocomputerprotection.Intheend,thedesignofthree-stagecurrentprotectiondevicebasedonmicrocomputerarecompleted.KeyWords：MicrocomputerProtection;Three-currentProtection;ProtectionAlgorithmIII段裝在越靠近電源的地方，動(dòng)作時(shí)限越長(zhǎng)；越靠近網(wǎng)絡(luò)末端動(dòng)作時(shí)限越短。這個(gè)缺點(diǎn)決定它只可作后備保護(hù)。2.4電流三段保護(hù)小結(jié)圖2-5為三段式電流保護(hù)的保護(hù)范圍及時(shí)限特性圖。以保護(hù)1為例，線路L1的保護(hù)裝置1的第一段為瞬時(shí)電流速斷保護(hù)，其保護(hù)范圍為線路L1首段一部分，動(dòng)作時(shí)限為，它由電流繼電器和中間繼電器的固有動(dòng)作時(shí)間決定。第二段為限時(shí)電流速斷保護(hù)，它的保范圍為線路L1的整段并延伸至線路L2的一部分，其動(dòng)作時(shí)限為。第一段和第二段保護(hù)共同構(gòu)成線路L1的主保護(hù)。第三段為定時(shí)限過電流保護(hù)，保護(hù)范圍包括線路L1和L2的整段并延伸至線路L3，甚至更遠(yuǎn)，其動(dòng)作時(shí)限為。當(dāng)線路L2的保護(hù)拒動(dòng)或斷路器2失靈時(shí)，保護(hù)1的過電流保護(hù)均起后備保護(hù)，稱遠(yuǎn)后備保護(hù)；線路L1的主保護(hù)即瞬時(shí)電流速斷保護(hù)與限時(shí)電流速斷保護(hù)拒動(dòng)時(shí)，線路L1的過電流保護(hù)也起后備保護(hù)作用，這是近后備保護(hù)。圖2-5三段式電流保護(hù)的保護(hù)范圍及時(shí)限特性

3微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件的基本結(jié)構(gòu)圖3-1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖裝置啟動(dòng)時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始對(duì)外部的保護(hù)線路進(jìn)行信號(hào)采集。裝置主要測(cè)量電力系統(tǒng)線路中的電流、電壓信號(hào)，通過電壓形成環(huán)節(jié)將電力系統(tǒng)的大電流、電壓變成模數(shù)轉(zhuǎn)換器適用的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過低通濾波環(huán)節(jié)將大部分干擾信號(hào)濾除，最后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣處理，轉(zhuǎn)換成微機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)信號(hào)，微機(jī)對(duì)這些得來的信號(hào)進(jìn)行分析、計(jì)算和判斷，并發(fā)出控制信號(hào)完成保護(hù)功能。通過人機(jī)接口可以控制保護(hù)裝置的運(yùn)行，完成人機(jī)交流。通訊接口使微機(jī)保護(hù)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可以集中處理多臺(tái)保護(hù)裝置。電源系統(tǒng)保證整個(gè)裝置的可靠運(yùn)行。3.2數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)3.2.1電壓形成回路微機(jī)保護(hù)裝置主要從被保護(hù)的電力線路的電壓互感器、電流互感器上取得采樣圖3-2電壓變換器原理圖(a)和電流變換器的原理圖(b)信號(hào)，這些互感器的二次側(cè)往往是較大的電壓和電流，而模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓一般為±2.5V、±5V或±10V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)。因此，我們需將這些信號(hào)進(jìn)行處理，使其滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。交流電壓信號(hào)的變換可以采用電壓變換器，而交流電流信號(hào)的變換可以采用電流變換器。圖3-2為電壓變換器和電流變換器的原理圖。上述電壓變換器，工作原理與變壓器相同，作用是將互感器二次側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的弱電壓，二次側(cè)不能短路。電流變換器其工作原理與電壓變換器相同，但它的二次側(cè)不能開路。電流互感器的作用是將互感器二次側(cè)電流轉(zhuǎn)換成與之成比例的弱電流，通過調(diào)節(jié)電阻R的阻值來調(diào)整輸出電壓。采樣電阻R比較小，一般為幾歐到十幾歐。模擬低通濾波器及A/D輸入端等回路的等效阻抗Z較大，在工頻信號(hào)條件下，可達(dá)80KΩ。圖3-3為電流變換器的連接方式。圖3-3電流變換器的連接方式由圖3-3可得式中，n—電流變換器的變比。電流變換器在設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)參數(shù)應(yīng)滿足的條件是式中，—電流變換器一次電流的最大瞬時(shí)值；—A/D轉(zhuǎn)換器在雙極性輸入請(qǐng)況下的最大正輸入范圍。電壓形成回路不僅能實(shí)現(xiàn)電量的變換，還起著隔離和屏蔽的作用，使微機(jī)保護(hù)電路在電氣上與強(qiáng)電部分隔離，從而阻止來自強(qiáng)電系統(tǒng)的干擾。3.2.2低通濾波電路微機(jī)保護(hù)裝置采集的模擬量主要是電壓和電流，而電壓和電流在線路發(fā)生故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)二階RC低通濾波電路用來濾除高次諧波。模擬量的低通濾波電路如圖3-4所示。其傳遞函數(shù)為此濾波方式有單調(diào)衰減的頻率特性，對(duì)反應(yīng)基波量的保護(hù)上非常適用。并且具有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、濾波的可靠度高、能夠承受得住較大的過載和浪涌沖擊等特點(diǎn)。圖3-4低通濾波電路圖3.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的選擇微機(jī)保護(hù)裝置中的單片機(jī)只能處理數(shù)字量，所以從低通濾波電路傳輸過來的模擬信息，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器使模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，要考慮它的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和重要的技術(shù)指標(biāo)。本裝置選用MAXIM公司生產(chǎn)的12位逐次漸進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器MAX197。與常用的12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574相比，MAXl97的優(yōu)點(diǎn)如表3-1所示：表3-1MAXl97與AD574的特點(diǎn)比較MAX197AD574供電方式單+5V電源供電+5V及土15V供電模擬量輸入通道數(shù)8通道單通道轉(zhuǎn)換時(shí)間6us25us本裝置采集的信號(hào)有各相的電流、電壓信號(hào)以及零序電流信號(hào)，它需要七個(gè)模擬量輸入通道，所以選擇八通道模擬量輸入可以滿足這一要求。MMAXl97的性能特點(diǎn)：①12位分辨率，誤差為±(LSB)。②單+5V供電。③可用軟件選擇的輸入量程，±10V，±5V，0～10V，0～5V。④轉(zhuǎn)換器的輸入過壓容限為16.5V。⑤8路模擬輸入通道。⑥6us轉(zhuǎn)換時(shí)間，100kbs采樣率。⑦可通過軟件選擇內(nèi)部或者外部的采集模式⑧可通過軟件選擇內(nèi)部4.096V或外部基準(zhǔn)。⑨可通過軟件選擇內(nèi)部或外部時(shí)鐘。圖3-5MAXl97的管腳圖MAXl97的管腳圖如圖3-5所示，從圖中可以看出，MAXl97為28管腳的DIP(窄形)封裝，其中CH0～CH7為模擬量輸入通道，D0～D11為輸出數(shù)據(jù)線；CS為片選端，低電平有效；WR為寫控制端，在CS低電平有效時(shí)，在內(nèi)部采集模式，由WR的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并發(fā)出一個(gè)采集脈沖；在外部采集模式，由WR的第一個(gè)上升沿啟動(dòng)一次采集，由WR的第二個(gè)上升沿結(jié)束第一次采集并開始進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換；RD為讀控制端，在CS為電平的情況下，由RD的下降沿對(duì)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一次讀操作；CLK為時(shí)鐘輸入，在外部時(shí)鐘模式下，輸入與ITL/CMOS相匹配的時(shí)鐘脈沖，在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，從CLK管腳接一個(gè)電容至地，設(shè)置內(nèi)部時(shí)鐘頻率，當(dāng)C=100pF時(shí)，時(shí)鐘頻率的典型值為1.5MHZ；INT為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，INT信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)換為低電平；HBEN為12位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出選擇端，當(dāng)HBEN=1時(shí)，高4位輸出；HBEN=0時(shí)，低8位輸出；SHDN為省電控制端，SHDN=0時(shí)，MAXl97進(jìn)入省電模式；REFADJ為帶隙電壓基準(zhǔn)輸出外部調(diào)整端，可連接一個(gè)0.01uF的電容旁路至地，當(dāng)采用外部基準(zhǔn)電壓時(shí)，REFADJ管腳連到VDD上；REF為基準(zhǔn)緩沖輸出，ADC的基準(zhǔn)輸入，在內(nèi)部基準(zhǔn)電壓模式下，基準(zhǔn)緩沖器提供4.096V的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓，可在REFADJ管腳微調(diào)，在外部基準(zhǔn)電壓模式下，通過把REFADJ接到VDD使內(nèi)部緩沖器無效；DGND為數(shù)字地；AGND為模擬地。MAXl97的工作方式等是通過它的控制字決定的，MAXl97的控制字格式如表3-2所示:表3-2MAX197控制字格式其中PD1、PD0用于選擇時(shí)鐘和工作模式，根據(jù)PD1、PD0組成的二進(jìn)制數(shù)來選擇(分別為00、01、10、11)，為00時(shí)：正常工作，外部時(shí)鐘模式為01時(shí)：正常工作，內(nèi)部時(shí)鐘模式為10時(shí)：省電模式，時(shí)鐘模式無影響為11時(shí)：全省電模式，時(shí)鐘模式無影響B(tài)IP、RNG為輸入電壓極性和量程的選擇，同樣是根據(jù)它們組成的二進(jìn)制數(shù)來選擇，為00時(shí)：0～5V為01時(shí)：0～10V為10時(shí)：-5V～+5V為11時(shí)：-10V～+10V在設(shè)計(jì)中，我們選擇了-10V～+10V的量程；ACQMOD用于選擇采集方式，ACQMOD=0表示內(nèi)部采集方式，ACQMOD=1表示外部采集方式；A2、A1、A0為模擬量通道的選擇，一共有8通道輸入，從000～111，當(dāng)A2、A1、A0為000時(shí)選擇通道0，當(dāng)A2、A1、A0為111時(shí)選擇通道7。3.2.4電壓和電流的采集電路設(shè)計(jì)如圖3-6所示，為系統(tǒng)中電壓、電流信號(hào)采集電路接線圖。電流互感器通過R1將電流信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，電壓信號(hào)通過由R1、R2、C1、C2組成的二階低通濾波電路濾除高頻干擾，D1和D2組成的保護(hù)電路，用于鉗住大于+10V和小于-10V的電壓信號(hào)，電壓最終輸入MAX197模擬量輸入通道。圖3-6電壓、電流信號(hào)采集電路3.3單片機(jī)的選擇本裝置以單片機(jī)作為控制核心，選用時(shí)要根據(jù)本裝置的功能和單片機(jī)的性價(jià)比、控制能力進(jìn)行選擇。本裝置工作時(shí)，要處理的信息不是太大，對(duì)信息的處理速度要求也不少特別高，通過比較選用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機(jī)作為核心CPU。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗高性能的CMOS8位微控制器，內(nèi)置8KB可在線編程閃存。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80C51指令集兼容。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過SPI串行口改寫或用同用的非易失性存儲(chǔ)器改寫。通過把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個(gè)芯片上，AT89S52便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)。它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問題，且成本較低。AT89S52芯片引腳如圖3-7所示。AT89S52芯片的主要性能：與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；8K字節(jié)在線系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，1000次擦寫周期；4.0V-5.5V工作電壓，全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz；三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，八個(gè)中斷源；256*8字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32個(gè)可編程I/O口線；全雙工UART串行通道；低功耗空閑和掉電模式，掉電后中斷可喚醒；看門狗定時(shí)器，雙數(shù)據(jù)指針，掉電標(biāo)識(shí)符，快速編程周期；靈活I(lǐng)SP編程。圖3-7AT89S52芯片引腳圖3.4開關(guān)量輸入輸出電路3.4.1開關(guān)量輸入電路微機(jī)繼電保護(hù)裝置中開關(guān)量輸入分為兩類：內(nèi)部開關(guān)量輸入和外部開關(guān)量輸入。外部開關(guān)量輸入電路主要包括斷路器和隔離開關(guān)的輔助觸點(diǎn)、保護(hù)投退壓板、重合閘方式選擇開關(guān)的觸點(diǎn)等輸入電路，內(nèi)部開關(guān)量輸入主要是微機(jī)繼電保護(hù)裝置面板上的切換開關(guān)、按鈕、鍵盤等觸點(diǎn)的輸入。對(duì)于裝在微機(jī)繼電保護(hù)裝置面板上的內(nèi)部開關(guān)觸點(diǎn)可直接接至微機(jī)的并行口，如圖3-8（a）所示。它的工作原理是：在系統(tǒng)初始化時(shí)設(shè)置圖中的并行口的PI0為輸入端，則CPU就可以通過軟件查詢，隨時(shí)獲取開關(guān)量K狀態(tài)。對(duì)于外部引入的觸點(diǎn)，保護(hù)裝置是弱電控制部分，而外部開關(guān)量的輸入是強(qiáng)電控制部分，因此，開關(guān)量要經(jīng)過光電隔離電路，目的是從電路上把干擾源和容易干擾的部分隔離開來，使微機(jī)保護(hù)裝置和現(xiàn)場(chǎng)僅僅保持光信號(hào)的聯(lián)系，而不產(chǎn)生電信號(hào)的聯(lián)系，如圖3-8（b）所示。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。其工作原理是：當(dāng)外部接點(diǎn)接通時(shí)，光耦合的二極管導(dǎo)通，管耦合器的晶體管也導(dǎo)通，其集電極輸出低電位，當(dāng)外部觸點(diǎn)斷開，光耦合器的二極管不導(dǎo)通，于是晶閘管截止，集電極輸出高電位。圖3-8開關(guān)量輸入電路3.4.2開關(guān)量輸出電路在微機(jī)繼電保護(hù)裝置中設(shè)有開關(guān)量輸出電路，用于驅(qū)動(dòng)各種繼電器，如跳閘出口和重合閘出口繼電器、裝置故障告警繼電器等。根據(jù)保護(hù)裝置的需要可自行設(shè)置開出量的路數(shù)。對(duì)于保護(hù)跳閘信號(hào)及中央顯示信號(hào)等開關(guān)量輸出，可采用如圖3-9所示的電路。當(dāng)軟件使并行口的PB0輸出為“0”，PB1輸出為“1”，便可使與非門輸出低電平，光敏晶體管導(dǎo)通，繼電器K被吸合。在初始化和要使繼電器K返回時(shí)，應(yīng)使PB0輸出為“1”，PB1輸出為“0”。該電路采用由兩根并行口輸出線及與非門電路來控制開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路，一是并行口帶負(fù)載能力有限，使用邏輯門電路提高驅(qū)動(dòng)能力，二是因?yàn)椴捎门c非門后滿足兩個(gè)條件才能使K動(dòng)作，增加了抗干擾能力。圖3-9開關(guān)量輸出電路3.5鍵盤和顯示電路3.5.1鍵盤電路設(shè)計(jì)鍵盤在裝置中的作用是完成向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)和傳送命令等功能。鍵盤是一組按鍵開關(guān)的集合，它在輸入的過程中可能會(huì)抖動(dòng)，所以必須采用軟件來消除抖動(dòng)。一般是在按鍵按下（或松開）時(shí)，執(zhí)行一段10ms的延時(shí)子程序。本裝置鍵盤采用靈活性大、軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的獨(dú)立式鍵盤。鍵盤由三個(gè)鍵組成，分別完成，向下、向上、確認(rèn)功能，如圖3-10所示。其工作方式采用中斷工作方式。3-10鍵盤電路圖3.5.2液晶顯示電路設(shè)計(jì)本裝置從電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低、價(jià)格便宜等方面出發(fā)，選用日本OPTRFX公司生產(chǎn)的DMF50174NT3-FW型液晶顯示器。它是由320*240點(diǎn)陣構(gòu)成，還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、分辨率高、接口方便等優(yōu)點(diǎn)。它的點(diǎn)陣顯示屏具有多種供用戶選則的擴(kuò)展功能，大大方便了用戶使用，提高了系統(tǒng)的集成高度性和實(shí)用性。該顯示器的內(nèi)嵌控制器選用SED1335控制器，它有非常豐富的指令系統(tǒng)，較強(qiáng)的I/O緩沖區(qū)。SED1335液晶顯示控制器是同類液晶顯示控制器產(chǎn)生中功能較強(qiáng)的一個(gè)。它的主要特點(diǎn)有：(1)較強(qiáng)功能的I/O緩沖器。(2)豐富的指令，可并行發(fā)送的四位數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)能力最大為640*256點(diǎn)陣。SED1335硬件結(jié)構(gòu)由MPU接口部、內(nèi)部控制部、驅(qū)動(dòng)部組成。接口部具有較強(qiáng)功能的I/O緩沖器。SED1335控制板上有J1和J2兩個(gè)接口，J1為單片機(jī)控制板接口，J2為液晶顯示器接口。其與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接口的引腳功能說明，如表3-3所示。SED1335與AT89S52的接線如圖3-11所示。3.6通訊接口電路考慮到現(xiàn)實(shí)中，有時(shí)工作地點(diǎn)和控制在不同的地點(diǎn)。本裝置設(shè)計(jì)時(shí)添加了通訊部分，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊和控制。本部分為遠(yuǎn)距離通訊預(yù)留了通訊接口，信息傳輸采用串行方式。如圖3-12所示。圖3-12通訊模塊電路圖通信模塊電路如上圖所示，下側(cè)通信接口可直接以插口的形式與上位機(jī)連接，上側(cè)通過MAX232與單片機(jī)分別實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)的輸出與輸入。本裝置選用RS-232通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，其具有通訊距離長(zhǎng)，可靠新高，擴(kuò)展性能好等優(yōu)點(diǎn)。3.7時(shí)鐘與復(fù)位電路設(shè)計(jì)本裝置使用內(nèi)部時(shí)鐘，定時(shí)元件采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。本裝置晶振頻率選用24HZ的晶振和30pF電容。時(shí)鐘電路如圖3-13所示。圖3-13時(shí)鐘與復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)或系統(tǒng)處于死循環(huán)狀態(tài)等情況時(shí)，用復(fù)位電路使機(jī)器重啟。復(fù)位電路如圖3-13所示。3.8告警電路當(dāng)裝置發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)，LS進(jìn)行報(bào)警提示工作人員檢修。電路如圖3-14所示。圖3-14報(bào)警電路3.9電源電路設(shè)計(jì)微機(jī)保護(hù)裝置的電源電路如圖3-15所示，其中有3組穩(wěn)壓電源：給各保護(hù)CPU等芯片供電的+5V電壓，給運(yùn)算放大器及數(shù)模變換芯片供電的±15V電壓，給起動(dòng)、跳閘、信號(hào)、告警繼電器供電的+24V電壓。這三組穩(wěn)壓逆變電源均不共地，采用浮空方式，其外殼也不相連，且輸入正、負(fù)220V各采用雙LC濾波措施，增加了其抗干擾的能力。圖3-15保護(hù)裝置電源電路圖3.10裝置的硬件抗干擾措施微機(jī)保護(hù)裝置通常工作在比較惡劣的環(huán)境中，現(xiàn)場(chǎng)的干擾來源很復(fù)雜，所以在本裝置的硬件設(shè)計(jì)中，為了增加裝置的抗干擾的能力，采用以下幾種抗干擾措施：接地處理：將裝置的金屬外殼接大地，以增強(qiáng)裝置的金屬外殼對(duì)外部干擾的屏蔽作用，同時(shí)保障人身安全。為了有效地抑制共模干擾，將保護(hù)裝置內(nèi)部的零電位全部都懸浮起來，即不與裝置外殼相連。同時(shí)盡量提高零電位與裝置外殼之間的絕緣強(qiáng)度，以及減少分布電容。為此，可以將印制板周圍都用地線和5V線封閉起來，以減少印制板上的電路元件與裝置外殼之間的耦合。光耦隔離：微機(jī)保護(hù)裝置主要工作在電壓和電流都比較大的工業(yè)控制系統(tǒng)中，開關(guān)量的輸入和輸出的環(huán)境又都是大功率的場(chǎng)合，而單片機(jī)是在弱電環(huán)境下工作，因此必須從電路上把干擾源和易于擾部分隔離開來。本裝置中，在開關(guān)量的輸入和輸出電路部分都采用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)了光電隔離，使單片機(jī)和外圍器件之間完全隔斷了電氣聯(lián)系，通過光的聯(lián)系來傳遞信息，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。濾波與去耦：在本裝置設(shè)計(jì)中，采用最常見的RC電路作為低通濾波器，電路很好的抑制了信號(hào)傳輸線路中的噪聲和干擾，起到很好的抗干擾作用。采用外部電源作為半導(dǎo)體芯片內(nèi)部電源時(shí)，正電源和地線上并聯(lián)一個(gè)0.1μF的去耦電容。在總線板與各插件接口處的正電源和地線之間并聯(lián)兩個(gè)電容（容量分別為47μF和0.1μF），分別用來抑制低頻和高頻干擾。

4微機(jī)繼電保護(hù)算法的研究與選擇經(jīng)過數(shù)字濾波后的信號(hào)，并不能直接用來判斷裝置是否發(fā)生了故障，必須對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的分析、處理和判斷，然后裝置才能根據(jù)所得的信息實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能。這種對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和判斷，以便實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的方法就叫做算法。下面對(duì)幾中常見算法進(jìn)行研究和比較，選用出最優(yōu)越的算法作為本裝置的算法。4.1正弦函數(shù)模型算法假定輸入為正弦量的算法是基于提供給算法的原始數(shù)據(jù)為純正弦量的理想采樣值。以電流為例，可表示為（4-1）式中,ω—角頻率；I—電流有效值；—采樣時(shí)刻；—n=0時(shí)的電流相角。4.1.1兩點(diǎn)乘積算法以電流為例，假設(shè)和分別為兩個(gè)相隔為的采樣時(shí)刻和的采樣值（如圖4-1所示），根據(jù)式（4-1）有：(4-2)(4-3)式中為采樣時(shí)刻電流的相角，其可能為任意值。將式（4-2）和式（4-3）平方后求和，即得：(4-4)再將式（4-2）和式（4-3）相除，得：(4-5)式（4-4）和（4-5）可知，只要知道任意的兩個(gè)相隔正弦量的瞬時(shí)值，就可以計(jì)算出該正弦量的有效值和相位。圖4-1兩點(diǎn)乘積算法的采樣示意圖同理，只要同時(shí)測(cè)出和時(shí)刻的電壓和，即可求得電壓有效值U以及在時(shí)刻的相角，即：(4-6)(4-7)由式（4-4）和式（4-6）可求出阻抗的模量Z和幅角(4-8)(4-9)在實(shí)際應(yīng)用中，求出視在阻抗的電阻分量R和電抗分量X即可。將電流和電壓寫成復(fù)數(shù)形式：參照式（4-4）和（4-5），有：于是，(4-10)將式（4-10）的實(shí)部和虛部分開，其實(shí)部為R，虛部為X，所以：(4-11)(4-12)由于式（4-11）和式（4-12）中用到了兩個(gè)采樣值的乘積，所以稱為兩點(diǎn)乘積算法。上面所述兩點(diǎn)乘積算法運(yùn)算時(shí)收集了相隔的采樣值，因而這種算法比需等到周期基波周期才能完成。4.1.2導(dǎo)數(shù)算法導(dǎo)數(shù)算法是基于正弦函數(shù)的導(dǎo)數(shù)為余弦函數(shù)原理，從而求出采樣值的幅值和相位的一種算法。設(shè)正弦電壓和正弦電流在時(shí)刻的值為(4-13)(4-14)(4-15)(4-16)由（4-13）、（4-14）、（4-15）、（4-16）可得為了求得導(dǎo)數(shù)，可取的兩個(gè)相鄰采樣時(shí)刻n和n+1的中點(diǎn)，如圖4-2所示。利用差分近似求導(dǎo)，則有和式中，為采樣周期。圖4-2導(dǎo)數(shù)算法采樣示意可見使用連續(xù)的3個(gè)采樣值，采用導(dǎo)數(shù)法可以計(jì)算出電流、電壓的幅值和相位等電量。該算法只需兩個(gè)采樣間隔時(shí)間就可以運(yùn)算，計(jì)算公式與兩點(diǎn)乘積法相比也不是特別復(fù)雜，運(yùn)算速度相對(duì)比較快，但對(duì)于高頻分量極其為敏感，要求采樣頻率比較高。計(jì)算中采用了近似計(jì)算，所以存在一定的誤差。4.2傅里葉算法傅里葉算法是在傅里葉級(jí)數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它是運(yùn)用正余弦函數(shù)的正交函數(shù)性質(zhì)來濾出信號(hào)中某一項(xiàng)頻率的分量。當(dāng)微機(jī)保護(hù)裝置采集來的模擬信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間周期性變化的模擬量，則可以表示成傅里葉級(jí)數(shù)形式式中，=0,1,2,3…表示諧波分量次數(shù)的自然數(shù)；為次諧波的余弦項(xiàng)；為次諧波的正弦項(xiàng)；為基波角頻率。由上式可知，的第次諧波分量為式中，為第次諧波分量的有效值；為第次諧波的初相角。利用正、余弦三角函數(shù)關(guān)系，將展開，與上式對(duì)比的得到于是，可以由和的計(jì)算公式導(dǎo)出第次諧波分量的有效值，以及第次諧波分量的相角依據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)的逆變公式，可以得到和，即但在微機(jī)計(jì)算中，和通常采用梯形求和的方式替換積分法。，，則式中，—一個(gè)采樣周期中采樣的點(diǎn)數(shù)；—第k個(gè)采樣值；—諧波次數(shù)。上式的計(jì)算量相當(dāng)大，為了提高工作效率，常采用遞推的傅里葉算法。設(shè)保護(hù)裝置每個(gè)采樣周期采樣的點(diǎn)數(shù)為，兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，則在一個(gè)基波周期后的（>）采樣時(shí)刻的計(jì)算值為式中，和分別為時(shí)，第次諧波分量的正、余弦項(xiàng)的幅值；為（=1,2,3,…,)時(shí)刻的采樣值。與采樣值只差和兩項(xiàng)。因此，有公式綜上所述，傅里葉算法原理通熟易懂，計(jì)算精度比較高，具有較強(qiáng)的濾波功能，但其完成參數(shù)的運(yùn)算需要一個(gè)基波周期的時(shí)間，保護(hù)速度收到了影響，但采用改進(jìn)的措施可以解決這些問題。4.3微分方程算法微分方程算法是一種直接利用電流、電壓經(jīng)過一系列計(jì)算，從而求出電阻R和電抗X的方法。當(dāng)被保護(hù)覆蓋的線路中的電容非常小時(shí)，輸電線路可以等效為如圖4-3所示。圖4-3輸電線路R—L示意圖短路時(shí)有式中，、為事故發(fā)生的位置到保護(hù)裝設(shè)地點(diǎn)線路的正序等效電阻和電感；、為保護(hù)裝設(shè)地點(diǎn)的電壓、電流。、、均可以通過測(cè)量和運(yùn)算得到，要求的是和。如果分別在和時(shí)刻測(cè)出、、，就得一個(gè)到方程組，即式中，、分別表示和時(shí)刻的；、分別表示和時(shí)刻的電流值；、分別表示和時(shí)刻的電壓值。由上述方程組可求得在運(yùn)算中，利用連續(xù)3次采樣值、、、、、，采用差分運(yùn)算替換微分運(yùn)算的方式有聯(lián)立即可求得和。綜上所述，微分方程算法與兩點(diǎn)乘積算法相比計(jì)算量也比較小，數(shù)據(jù)窗相對(duì)更小，可以直接通過采樣電流和電壓值直接求得和，但通過差分替代微分的方式處理數(shù)據(jù)，所以存在誤差。4.4算法選擇每個(gè)算法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，如表4-1所示。本裝置采集來的信號(hào)時(shí)來自電網(wǎng)中的電流、電壓信號(hào)，采集時(shí)常常伴隨各種干擾信號(hào)，所以從算法的采集運(yùn)算數(shù)據(jù)的時(shí)間、運(yùn)算量、誤差的大小、濾波功能等方面考慮，本裝置采用全波傅里葉算法。表4-1各個(gè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)

5微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)離開了軟件部分，微機(jī)保護(hù)裝置就算有最好的硬件也是無法工作。它必須與軟件配合使用，好的硬件系統(tǒng)為裝置的運(yùn)行提供平臺(tái)，而好的軟件系統(tǒng)則為實(shí)現(xiàn)各種繼電保護(hù)功能提供處理方式。所以軟件的設(shè)計(jì)必須合乎保護(hù)功能的需要，且能與硬件相配合，才可以實(shí)現(xiàn)裝置的各項(xiàng)保護(hù)。5.1微機(jī)繼電保護(hù)裝置的保護(hù)主程序本裝置保護(hù)系統(tǒng)的主程序包括初始化、系統(tǒng)自檢、中斷的開放、故障檢測(cè)與報(bào)警顯示、循環(huán)自檢。在電或復(fù)位時(shí),裝置進(jìn)行系統(tǒng)初始化和自檢,此過程中采樣中斷和串行口中斷都關(guān)閉。完成自檢后，自檢出現(xiàn)問題時(shí)，立即發(fā)出告警信號(hào)，反之就開放采樣中斷和串行口中斷,進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換,以及一系列數(shù)據(jù)計(jì)算工作。最后根據(jù)采集處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)判斷，如果出現(xiàn)故障，則發(fā)出告警和跳閘信號(hào)，并在顯示界面中顯示，反之，繼續(xù)循環(huán)自檢。主程序的流程圖如圖5-1所示:5.2數(shù)據(jù)采樣中斷程序該程序主要是用來完成對(duì)電壓信號(hào)和電流信號(hào)的同時(shí)采樣，以及指揮A/D轉(zhuǎn)換器的工作。本裝置設(shè)計(jì)時(shí)采用了單片MAX197芯片進(jìn)行采樣，可同時(shí)采樣多路信號(hào)。為保證數(shù)據(jù)采樣的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，在數(shù)據(jù)采樣時(shí)不能被干擾，所以此程序必須為最高優(yōu)先級(jí)。數(shù)據(jù)采樣中斷程序的流程圖如圖5-2所示:5.3故障處理程序故障處理模塊的功能是將系統(tǒng)中得到被處理過的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷，最終確定是否對(duì)故障進(jìn)行處理。在本裝置中，故障處理模塊主要由三段式電流保護(hù)模塊組成。其流程圖如圖5-3所示。由流程圖可見，在進(jìn)入保護(hù)模塊后，先對(duì)這種保護(hù)是否投保進(jìn)行判斷，如果保護(hù)功能投入了，將系統(tǒng)得到的結(jié)果與保護(hù)整定值進(jìn)行對(duì)比，小于保護(hù)的整定值時(shí)，進(jìn)入下一模塊保護(hù)，反之則會(huì)起動(dòng)動(dòng)作程序。

5.4系統(tǒng)的監(jiān)控程序監(jiān)控程序完成對(duì)按鍵和液晶顯示器的控制，按鍵采用的是簡(jiǎn)單的3個(gè)按鍵，液晶顯示屏上的光標(biāo)由按鍵控制其移動(dòng)以及選擇，同時(shí)可以通過按鍵完成對(duì)參數(shù)整定值的調(diào)整，調(diào)整完畢通過發(fā)送按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)整定值的存儲(chǔ)和發(fā)送。為了確保顯示的可靠性和準(zhǔn)確性，在每一次進(jìn)行翻頁或修改整定值之前都要預(yù)先執(zhí)行清屏操作，監(jiān)控系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5-4所示。從圖5-4中可以看出，在監(jiān)控系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)中，首先執(zhí)行初始化，初始化程序包括，液晶顯示驅(qū)動(dòng)的初始化、光標(biāo)定位和清屏操作，初始化完畢就開始進(jìn)入查詢狀態(tài)，一旦檢測(cè)到I/O口上出現(xiàn)低電平，首先進(jìn)行一個(gè)軟件去抖動(dòng)的過程，然后進(jìn)入按鍵處理子程序中，處理完畢后，程序返回到查詢狀態(tài)，繼續(xù)等待循環(huán)判斷是否有按鍵按下。5.5裝置的軟件抗干擾措施外界干擾在進(jìn)入微機(jī)裝置的過程中，大多數(shù)都被硬件部分屏蔽和消除，但還有一些干擾逃過硬件的抗干擾措施，而存在于系統(tǒng)中。所以，對(duì)于這些干擾只能通過軟件部分去抑制和消除。以下為幾個(gè)軟件抗干擾的措施：在信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)的過程中，可以利用數(shù)字濾波器濾除干擾信號(hào)，而數(shù)字錄波器的功能的好壞由保護(hù)算法直接影響。通過對(duì)算法的比較，由于全波傅里葉算法計(jì)算精度高，且可以濾出任意次諧波分量所以被采用。這樣的數(shù)字濾波器通過對(duì)程序?qū)Σ蓸舆^來的信號(hào)進(jìn)行處理，從而降低了干擾在輸入信號(hào)中的比重。在保護(hù)的過程中開關(guān)量有時(shí)會(huì)誤操作，軟件通過設(shè)置一個(gè)重復(fù)執(zhí)行措施，保護(hù)動(dòng)作的正確性。一般開關(guān)量信號(hào)至少重復(fù)讀入兩次才能被使用，而機(jī)械按鍵類信號(hào)必須設(shè)置一個(gè)延時(shí)才能正確讀入，防止由于抖動(dòng)而產(chǎn)生的干擾。而對(duì)于輸出的信號(hào)，應(yīng)在輸出的時(shí)，同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較分析，以保證輸出正確的信號(hào)。有時(shí)微機(jī)保護(hù)中系統(tǒng)RAM中的數(shù)據(jù)可能損壞，從而使運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，采用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。數(shù)據(jù)冗余就是把同一份數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)在不同的地方，當(dāng)需要調(diào)用RAM中的數(shù)據(jù)時(shí)，將原數(shù)據(jù)與與備份的數(shù)據(jù)對(duì)比，如果出現(xiàn)不同則認(rèn)為數(shù)據(jù)已經(jīng)損壞。該技術(shù)占用了存儲(chǔ)空間，并有時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度，所以一般只對(duì)保護(hù)動(dòng)作的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。

結(jié)論本裝置結(jié)合已學(xué)的專業(yè)課程，通過對(duì)專業(yè)知識(shí)的進(jìn)一步探究，完成了電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置的硬件、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在硬