1 引 言

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)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(dòng)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(cè)量、控制、保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、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(chǎng)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(huì)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(jì)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(shí)充分考慮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，留有足夠的測(cè)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(jì)

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(cè)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(cè)試儀為整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)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(hào)，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(gè)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(shí)采集和處理，還可以控制實(shí)驗(yàn)裝置動(dòng)作，并可以通過通信模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，將實(shí)時(shí)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(gè)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(dòng)復(fù)位等功能，并對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析、處理、判斷，完成相應(yīng)的繼電保護(hù)功能。AT89C55WD足一個(gè)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(chǔ)器和256 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），采用高密度、非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，可提供許多高性價(jià)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(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入／輸出（I／O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)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(jì)

4.1 A／D轉(zhuǎn)換單元

由于A／D轉(zhuǎn)換器與整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)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(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，每周波采樣12點(diǎn)，即每一個(gè)周波要完成256次轉(zhuǎn)換，而每個(gè)周波為20 ms，因此要求轉(zhuǎn)換速率約為78μs?？紤]到每個(gè)通道的采樣時(shí)間包括多路開關(guān)的開關(guān)時(shí)間、采樣／保持器的采樣和建立時(shí)間、A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間以及測(cè)量傳感器的建立時(shí)間等，決定選用轉(zhuǎn)換時(shí)間較少的逐次比較型的A／D轉(zhuǎn)換器。對(duì)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(jí)（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(shí)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(chǎng)環(huán)境惡劣，存在電、磁、振動(dòng)、噪聲等各種干擾，TTL電平直接接口可能會(huì)造成錯(cuò)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(hào)與輸出信號(hào)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(shí)可以產(chǎn)生一個(gè)中斷，MCU可以及時(shí)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(dòng)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(shí)，微機(jī)保護(hù)主要是通過各種開關(guān)量輸出來完成對(duì)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(hào)開關(guān)量輸出來模擬故障狀態(tài)，其中7路接繼電器，同時(shí)并接發(fā)光二極管LED。在有故障信號(hào)而使繼電器動(dòng)作時(shí)，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(hào)后，發(fā)聲報(bào)警。開關(guān)輸出量既可以用來模擬故障動(dòng)作，還可用繼電器接外部設(shè)備來形成一個(gè)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(hào)是芯片給出的低壓直流，不能直接驅(qū)動(dòng)外設(shè)，而需要經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊轉(zhuǎn)換等處理后才能用于完成對(duì)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(cè)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(cè)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(jì)數(shù)器集成電路74HCT4520，接成一個(gè)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(hào)進(jìn)行相位比較。這樣，50 Hz的工頻信號(hào)就在256倍頻后送進(jìn)MCU進(jìn)行頻率測(cè)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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，以使本系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度。此外，還采用常用的過零比較器進(jìn)行測(cè)頻，把正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，完成測(cè)量頻率的功能，如圖5所示。

4.4 通信單元

考慮到計(jì)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(jì)算機(jī)的之間的數(shù)據(jù)的傳輸，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)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(shí)一般要加調(diào)制解調(diào)器Modem；近距離通信時(shí)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(hào)線（發(fā)送線TXD、接收線RXD、信號(hào)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(shí)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(jì)，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(jì)和一般的程序設(shè)計(jì)不同，既有各種計(jì)算程序設(shè)計(jì)，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(jì)。軟件設(shè)計(jì)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(jì)算、故障處理、記錄和通信等幾個(gè)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(jì)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(cè)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(cè)試方法中所需的移相器、調(diào)壓器等多臺(tái)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(cuò)線、功能單一等不足，可大大提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試水平。由于裝置硬件通用性強(qiáng)，可通過在同一硬件平臺(tái)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(chǎng)的故障現(xiàn)象，且價(jià)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。

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