毕业设计（论文）-基于MSP430的漏电触电保护软件计.doc

本科毕业设计本科毕业设计(论文论文) 题目题目：基于基于 msp430 的漏电触电保护软件计的漏电触电保护软件计 系系 别：别： 专专 业：业： 班班 级：级： 学学 生：生： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2011 年 06 月 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 系（部）电子信息系 专业电气工程及其自动化 班姓名 学号 1.毕业设计（论文）题目 基于 msp430 的漏电触电保护软件设计 2.题目背景和意义：随着我国经济建设规模的不断扩大，用电量迅速增长，安全用电这一 问题显得更为重要。低压电网的漏电保护已经引起我国各用电部门及劳动保护部门的高度 重视，建立科学的完善的漏电保护体系已迫在眉睫。漏电保护器主要用来防止漏电火灾造 成的经济损失及人身触电造成的伤亡，因此得到广泛应用。 3.设计(论文)的主要内容：本毕业设计在了解电网漏电触电产生的原因以及漏电触电的检测 原理之下，基于 msp430f149 单片机研究区分漏电电流中缓变电流和突变电流的方法，对 不同信号区别处理，从而减少保护器的动作和误动作发生，提高漏电触电保护器的安全性 和可靠性。设计指标：缓变电流额定动作值 in：100ma，突变电流额定动作值 i n：8ma。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）(1)了解触漏电的概念及其检测工 作原理；(2)研究缓变电流和突变电流检测的算法；(3)编写相关程序，并调试之；(4)进行软 硬联调。进度安排：第一学期 11-14 周：完成设计资料的收集、整理等前期工作和开题报 告；14-18 周：确定检测算法，画出流程图；第二学期 1-2 周：准备中期答辩；3-7 周: 编 写相关程序，并进行调试；8-12 周：进行软硬联调；13-14 周：完善设计，整理资料，并 撰写设计论文，准备答辩。毕业设计工作自 2010 年 11 月 20 日起至 2011 年 5 月 20 日止。 毕业设计进行地点： 学校 5.毕业设计（论文）的工作量要求 撰写 15000 字论文 实验（时数）*或实习（天数）： 不少于 200 学时 图纸（幅面和张数）*： 无 其他要求： 外文翻译字数不少于 3000 字;参考文献篇数 15 篇 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日 说明：1 本表一式二份，一份由各系集中归档保存，一份学生留存。 2 带*项可根据学科特点选填 i 基于基于 msp430 的漏电触电保护软件设计的漏电触电保护软件设计 摘摘 要要 电能是现代经济的命脉，它与工农业生产以及人们日常生活密切相关，是 一种便于传输、使用方便、最为洁净的能源。随着我国经济建设规模的不断扩 大，用电量迅速增长，安全用电这一问题显得更为重要。低压电网的漏电保护 已经引起我国各用电部门及劳动保护部门的高度重视，建立科学的完善的漏电 保护体系已迫在眉睫。漏电保护器主要用来防止漏电火灾造成的经济损失及人 身触电造成的伤亡，因此得到广泛应用。在了解电网漏电触电产生的原因及漏 电触电的检测原理的前提下，利用 msp430f149 单片机来设计一个电路，研究 一种检测方法，对漏电电流进行检测，区分其中的缓变和突变电流，从而进行 缓变电流和突变电流处理，根据经过处理的缓变电流和突变电流电控制相应的 继电器动作，从而实现对电器设备和人员的保护。经过研究，这种方法提高漏 电电流检测的可靠和准确性。 关键词：关键词：漏电触电保护；msp430；漏电电流；继电器 ii msp430-based software design leakage electric shock protection abstract energy is the lifeblood of the modern economy, industrial and agricultural production, and it is closely related to people daily life. that is an easy to transport, easy to use, and is a kind of clean energy. as the chinas economy continues to expand, the scale of construction, the rapid growth of the electricity consumption, the safe use of electricity more important issue. protection of low-voltage power grid has caused leakage of the electricity sector and labor protection departments attach great importance to establish a scientific sound leakage protection system is imminent. the leakage protection device is to prevent the leakage of fire caused major economic losses and personal injuries caused by electric shock, so widely used. the main graduation to understand the causes of electric shock, leakage power and leakage detection principle of electric shock, using msp430 microcontroller to design a protection system leakage, leakage current protection system to achieve real-time detection, according to the size of test values to control the corresponding relay to achieve the protection of electrical equipment and personnel. leakage current protection can also set the time the action, to ensure electrical safety and supply reliability. key words: leakage current; msp430; leakage protection; relay iii 目目 录录 1 绪论绪论.1 1.1 引言1 1.2 漏电保护的原理1 1.3 漏电保护技术的发展与现状.3 1.3.1 国外漏电保护技术的发展3 1.3.2 国内各种剩余电流保护器的性能及发展动向.3 1.4 论文结构安排.5 2 漏电电流的分析方法漏电电流的分析方法6 2.1 漏电流检测分析法6 2.1.1 脉冲鉴幅法.6 2.1.2 脉冲鉴幅鉴相法8 2.1.3 峰值检测电流法9 2.1.4 逐值检测法.9 2.2 漏电检测方案的确定.11 3 漏电触电保护系统的软件设计漏电触电保护系统的软件设计12 3.1 软件设计方法.12 3.1.1 结构化方法分析与设计13 3.1.2 面向对象的方法分析与设计.13 3.2 软件设计原则.13 3.2.1 程序的总体设计14 3.2.2 程序的编写.14 3.2.3 程序的检查和修改14 3.2.4 程序的调试.14 3.3 功能模块程序设计14 3.3.1 主程序设计.15 3.3.2 漏电信号分析模块15 4 系统调试及实验结果系统调试及实验结果17 4.1 系统开发工具.17 4.2 漏电保护的实验18 4.2.1 漏电流的检测.18 4.2.2 漏电流的检测结果及分析20 5 总结与展望总结与展望.21 iv 5.1 全文工作总结.21 5.2 未来工作展望.21 参考文献参考文献22 致致 谢谢23 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明.24 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明25 附录附录 1.26 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 电是现代经济的命脉，它与工农业生产以及人们日常生活密切相关，是一 种便于传输、使用方便、最为洁净的能源。随着我国经济建设规模的不断扩大 和人民生活水平的提高，各经济、政治、文化部门重要用电设备不断增加，尤 其是工矿企业、航空航天等。这些重要用电设备和人畜的保护已成为一项至关 重要的任务，其因素包括三个方面：过电压、过电流和漏电触电。根据不完全 统计，我国每年有数千人死于触电事故，因漏电引起的火灾和重要电气设备损 坏造成的经济损失达数亿元，防止因漏电而引起人身触电以及因接地故障而导 致的设备损坏甚至发生火灾已成为当务之急，建立科学完善的触电、漏电保护 体系已迫在眉睫。所以在检测低压设备的三个电气参数中，电压电流的谐波检 测和漏电触电是本文研究的重点和难点。 目前国内外普遍采用剩余电流动作的保护方法，但其设定动作值较大，误 动作较多，影响了设备的连续工作。且在有些情况下仍然存在死区问题1，导 致漏电保护系统发生拒动作，因此无法实现正确的漏电保护，还存在极大的安 全隐患。究其原因，主要在于漏电死区的存在，这些问题在国内外尚未有效地 解决，需要研究新的漏电保护原理，本文就以这个方面为切入点，提高漏电保 护器工作的可靠性和安全性。 随着电子技术的发展和单片机应用领域的拓展，在国内外低压电器领域， 单片机技术已经取得了长足的应用和发展，将单片机技术应用到剩余电流保护 器使得其保护特性更准确、更可靠，取得了较大的社会效益和经济效益。因此， 采用单片机技术的漏电保护系统在功能的实现方面具有较强的优势，解决了以 往不能或不易解决的问题。 同时，近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力 系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重， 产生谐波的设备类型及数量均已剧增，如：电源本身谐波、铁磁饱和型设备和 用电设备产生的谐波。 1.2 漏电保护的原理漏电保护的原理 漏电保护器(剩余电流动作保护器)是指能同时完成检测剩余电流，将剩余 电流与基准值相比较，以及当剩余电流超过基准值时断开被保护电路的装置。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 2 漏电保护器主要包括检测元件(零序电流互感器)、中间环节(包括放大器、 比较器、脱扣器等)、执行元件(主开关)三个基本环节。 图 1.1 是三相四线制供电系统的漏电保护器工作原理示意图。ta 为漏电电 流互感器，gf 为主开关，tl 为主开关的分励脱扣器线圈4。 在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电故障的情况下，由克希荷夫 定律可知，通过漏电电流互感器 ta 一次侧的电流相量和等于零，即 (1.1) 123 0 llln iiii 这使得 ta 铁中心的磁通的相量和也为 0，即 中间环节 m tl İl1 İl2 İl3 İn l1 l2 l3 ta gf İk 图 1.1 漏电保护原理图 (1.2)1230llln 这样电流互感器的二次侧没有感应电动势产生，漏电保护器不动作，系统 保持正常供电3。 当被保护电路发生漏电故障或有人触电时，由于漏电电流的存在，使得通 过电流互感器一次侧各相电流的相量和不再等于零，产生了漏电电流。 k i (1.3) 123lllnk iiiii 这使得 ta 铁中心的磁通的相量和也不等于 0，即 (1.4)123lllnk 在铁心中出现了交变磁通。电流互感器的二次侧在交变磁通作用下，就有感应 电动势产生，此漏电信号经中间环节进行处理和比较，当达到预定值时，使主 开关分励脱扣器线圈 tl 通电，驱动主开关 gf 自动跳闸，切断故障电路，从 而实现保护。用于单相回路的漏电保护的工作原理与此相同，不再赘述。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 3 1.3 漏电保护技术的发展与现状漏电保护技术的发展与现状 1.3.1 国外漏电保护技术的发展国外漏电保护技术的发展 漏电保护技术是从二十世纪初在西欧国家发展起来的。漏电保护器的发展 大约经历了三个阶段，即初始阶段、发展阶段和成熟阶段。1921 年德国正式发 明了电压动作型漏电保护器，主要保护设备外壳漏电，自此，德国的 vde 规程 及英国的 bs 规程均制定了有关电压动作型漏电保护器的标准。1930 年欧洲国 家开始采用电压型保护器。电压型保护器有不可克服的缺点，只能保护单台用 电设备，且过电压容易损坏漏电保护器，现在已经被淘汰使用了。电力系统的 谐波问题在 20 世纪 20 年代和 30 年代才引起了人们的注意，所以人们对谐波影 响漏电检测的这一意识还比较模糊。 根据 1928 年提出的专利，法国人在 1940 年制成了世界上第一台灵敏度为 10ma，切断时间为 0.1s 的电流型漏电保护器。但由于当时磁性材料的发展尚 未达到一定的水平，并且制造灵敏的脱扣机构的技术也不完善。因此在第二次 世界大战之前，漏电保护器未能大批量生产并用于工程实际中去。 第二次世界大战以后，随着电气化进程的加快，电气设备用量日趋增加， 触电及电气火灾的可能性也与日俱增。因此，人们对漏电保护器寄予很大的希 望。 西德在 50 年代就开始批量生产漏电开关，但是将漏电保护器真正作为触电 保护手段用于实际工程，则是在 60 年代以后的事情6。1956 年德国开始批量生 产电流型保护器，1962 年美国研制成功了灵敏度为 5ma 的电流型保护器，英 国生产了额定漏电动作电流为 30ma，额定动作时间为 30ms 高灵敏度快速型漏 电保护器。60 年代后期，西欧各国漏电保护器的发展已趋于完善。到二十世纪 七发十年代各国开始制定规程强制在一些场所安装漏电保护器。 1.3.2 国内各种剩余电流保护器的性能及发展动向国内各种剩余电流保护器的性能及发展动向 我国研究漏电保护器起步迟于国外。进入二十世纪七十年代，我国用电量 逐年增加，触电事故也逐年增加，因此引起了各部门的高度重视。在各部门的 努力下，开始研制漏电保护器。1986 年制定了国家标准 gb6829漏电电流动 作保护器(剩余电流动作保护器)44，1995 年进行了重新修订，明确规定了漏 电保护器产品的质量要求、工作条件和实验方法，从此我国漏电保护器产品的 设计和生产进入科学化、规范化阶段，产品系列逐步齐全，产品质量稳步提高， 并逐步强制规定用户安装漏电保护器。我国漏电保护器的生产和应用起步较晚， 从 70 年代中期开始发展，并首先在农村低压电网中推广应用。经过 80 年代和 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 4 90 年代的自行研制、开发，引进国外先进技术，取得了较大的进展，已形成一 个品种完善，规格齐全，符合 iec 国际标准的漏电电流保护器的产品系列7。 在低压电网的安全保护中，尤其是农村低压电网的安全保护中发挥了重要的作 用。我国生产的剩余电流保护器绝大部分为电子式的，约占剩余电流保护器总 产量的 90%左右。电磁式剩余电流保护器因制造成本高、价格贵，使用量较少， 目前仅占 10%左右8。主要种类有：家用及类似用途剩余电流断路器、剩余电 流断路器(主要由低压塑壳断路器派生而成)、移动式剩余电流保护器和剩余电 流继电器等9。 a. 家用及类似用途剩余电流断路器家用及类似用途剩余电流断路器 家用及类似用途剩余电流断路器可分为带过电流保护和不带过电流保护两 种，适合于非专业人员使用。主要使用在商店、办公楼、饭店及城乡居民住宅 等建筑物中，对低压线路和用电设备进行保护。 b. 剩余电流断路器剩余电流断路器 由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器，适合于专业人员使用，基本上 都是电子式的剩余电流断路器。这类产品额定电流较大，除了漏电保护外，还 具有过载和短路保护，可作为工厂车间、农村等配电装置主干线、分支线的漏 电和过载短路保护装置。 c. 剩余电流继电器剩余电流继电器 脉冲型保护器的诞生曾经在我国漏电保护开关行业产生了巨大的影响，其 原理的先进性及现场的方便性、适应性确立了它在我国现阶段农村电网中广泛 使用的地位，为我国保护器行业的发展发挥了积极的作用。 d. 基于单片机的剩余电流保护继电器基于单片机的剩余电流保护继电器 这种剩余电流保护继电器以单片机为平台，在检测判断的速度和精度上更 胜于前几种类型的继电器。 综上所述，我国目前剩余电流继电器主要是在农村低压电网中使用，剩余 电流继电器与交流接触器组合成剩余电流保护器作为主干线或分支线路的漏电 保护装置。脉冲型、鉴相鉴幅型剩余电流继电器专门适应于我国农村低压电网 泄漏电流比较大的情况，把缓变的动作电流值设定在 200300ma 之间，避开电 网正常泄漏电流的误动作；把突变的动作电流值设定在 40ma 左右，这在一定 程度上提高了农村低压电网剩余电流保护器的投运率。既保证在较大漏电流情 况下正常运行，大漏电故障时动作，又能对突发的触电信号实行可靠动作，满 足了现场的要求。目前在农村电网中有一定的市场，但相应地带来误动作增多， 影响了供电的连续性，降低了供电质量，因而在城市电网中至今未见使用。工 业生产中剩余电流继电器的使用主要是在石油化工、钢铁企业等。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 1.4 论文结构安排论文结构安排 第一章论述了研究课题的背景、概述了漏电保护系统的发展历程及其分类， 简述了谐波来源、危害及研究意义，强调了安装设备运行电气参数检测与保护 装置的重要性，最后提出了论文结构安排。 第二章介绍了漏电检测的的理论和各种检测处理算法，理论分析了漏电死 区的存在， ，确定了本系统采用的漏电流和出电流检测方法。 第三章阐述了软件设计的一些方法和原则，主要介绍了系统软件设计的总 流程，阐述了各个功能模块的设计。 第四章介绍了系统的软件调试。 第五章为课题总结和展望部分，总结了前面所做的工作，对未来工作进行 了展望，并分析了本系统需要改进的地方。 2 漏电电流的分析方法 6 2 漏电电流的分析方法漏电电流的分析方法 2.1 漏电流检测分析法漏电流检测分析法 我国的低压电网主要采用中性点直接接地的三相四线制电网。当 a、b、c 三相电压相等，且三相漏电阻抗完全对称时，三相对地漏电电流的矢量和为零。 通常漏电阻抗是不平衡的，故漏电流总是存在的。漏电流随气候变化、设备老 化或其他条件变化而发生的变化是比较缓慢的，漏电流从一个值过渡到另一个 值需要较长的时间，即缓变电流，其额定动作值 in一般整定为 100220ma12- 13。而突变电流总是突然变化，在人畜触电或设备突然损坏时产生，它在瞬间 达到其额定动作值 in，in一般设定在 30ma。由于缓变电流和突变电流的额 定动作值不同(inin)，在漏电保护时就需要对这两者区分处理，保证漏电保 护的可靠性和安全性。 2.1.1 脉冲鉴幅法脉冲鉴幅法 针对这种缓变电流和突变电流的额定动作值不同的情况，电流脉冲鉴幅漏 电保护方式是比较可取的，机械式的脉冲鉴幅漏电保护器通常设有两个漏电检 测通道，一路用来检测突变电流，另一路用来检测缓变电流，两路的动作整定 值不同，缓变动作电流一般整定为 100200ma，突变动作电流一般整定为 30ma。但是，从整定值我们却不难看出这种机械式漏电保护的一个不足，整定 值过大，我们国家标准中规定：一般条件下，交流允许安全电流值为 10ma。 由于机械式保护受灵敏度、机械脱扣延时、保证不误动作和死区问题等因素的 影响，导致其理论整定值远大于交流允许安全电流，从而使人身伤亡依然以大 概率出现。另外一个不足在于保护死区问题。 线路总的缓变电流是三相缓变电流的矢量和。若三相电压的相电压的相li 角为=0，由于各相漏电电流的大小是随机的，因而合a120b 240c 成的总漏电流的大小和相位也是随机的，其相位角可处于间的任一角度。0 360 漏电流合成矢量图如图 2.1 所示。 图 2.1 合成漏电流矢量图 我们知道，漏电流互感器检测到的信号电流为电网缓变电流和突变电流 l i 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 7 的相量和，即 (2.1)ri r l iii lr ii lr i ei e 设触电发生在 a 相，并以 a 相电压为参考相量，设突变电流与线路 au ri 总缓变电流间的相位差角为，就有，所以li 0 r l i lr ii ei cossin llr iiii (2.2)(cos)sin lrl iiii 大小为 22 (cos )(sin ) rll iiii (2.3) 22 2cos rlrl iii i 对于电流脉冲鉴幅式漏电保护，当触电发生时，突变电流与线路总缓变ri 电流叠加形成新的漏电电流，其前后的变化量为li i (2.4) l iii 取这个变化量作为漏电保护的动作信号，当达到整定值时，推动保ii 护装置动作。 将式(2.1)代入式(2.2)得 (2.5) 22 2cosl rlrl iiii ii 从而解出 (2.6) 222 2cos(180)lhlllliiiii 这样，存在以下几种情况。 a. 情况一情况一 理想情况下，电路中无触电、漏电等接地故障时，漏电电流矢量和为 =0，由触电产生的脉冲突变电流=0。lili b. 情况二情况二 若有漏电，且与同相，即=0，触电体为纯阻性负载，漏电电流值增 lili 大。 li c. 情况三情况三 若有漏电，且与反相，即=。漏电电流值减小。有 lili 180 li (2.7) lhlliii 从以上分析可以看出，由脉冲漏电引起的漏电幅值变化在和之间，lili 当两者相位差处于某一特殊角度时，幅值变化可能为零，即 (2.8) 2222 2cos(180)lhllllliiiiii 此时 (2.9) 2 2cos(180)0llliii 故 (2.10)cos(180)/ 2llii 从而得到 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 8 (2.11)180arccos(/ 2llii 这样对于漏电流脉冲，由于角不同，因而合成的漏电流对于原漏电流幅值li 变化量可为间的任何值，当时，幅值不发生变化，但却li)arccos(/ 2llii 引起了漏电流相位的变化。而实际上，由于漏电保护器有一定的保护灵敏度， 所以在附近一定范围内保护器都不会动作，即在这一)180arccos(/ 2llii 范围内漏电保护器不起保护作用，称这一区域为保护死区。动作整定值越大， 死区越小，脉冲鉴幅型保护器的灵敏度和死区之间存在矛盾，要想弥补这一缺 陷，必须对漏电保护器从原理上进行改造。 2.1.2 脉冲鉴幅鉴相法脉冲鉴幅鉴相法 由前可知，在保护死区，与合成矢量的大小可能与相同，合成lililhili 的漏电流对原漏电流的幅值变化量可能为 0，但合成的的相位不会等于的lhili 相位，即出现了相位变化，基于这种考虑，在漏电保护器中加入鉴相电路。鉴 相型保护器的工作原理可参照图 2.1，三相漏电电流的相位角为 0，设为触li 1 电产生的漏电电流的相位角，为与合成的相位角。显然不会li 2 lililhi 2 等于 0，即存在相位角的变化，这就是说，此种脉冲漏电流引起了原漏电流相 位的变化。鉴相器识别出这种相位的变化，即可驱动保护器动作，切断电源， 起到漏电保护的作用。脉冲鉴幅鉴相式保护器工作原理如图 2.2 所示，可以看 出这种漏电保护组合了脉冲鉴幅法漏电保护和鉴相法漏电保护，有效地解决了 保护死区的问题。 鉴幅器 鉴相器 执行机构加法器 il il 图2.2 脉冲鉴幅鉴相式保护器的工作原理 由于鉴幅器和鉴相器的同步误差大、抗干扰能力弱，且鉴相器自身灵敏度 不高等，使这种方法在实现时有待改进。尤其是出现大量电网谐波时，这种方 法的误差更大。 所以在现在的用电设备和人员安全的保护要求下很难保证用电安全和用电 的可靠性。在实际的生产应用中，这样的漏电流检测方法已经逐渐被人们所忽 略。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 9 2.1.3 峰值检测电流法峰值检测电流法 峰值检测法是基于单片机实现的。漏电信号分析模块根据 a/d 转换的结果， 运用此法分析计算其中突变电流和缓变电流的大小。 如图 2.3 的(a)、(b)、(c)图所示，漏电流互感器检测到的信号(包括缓变电流 和突变电流)总是在峰值时刻(5ms，即 1/4 周期的时刻)达到很大值，此时是发生 危险最严重的时刻。峰值检测方法就是具有针对性地在最有可能发生漏电危险 的峰值时刻 5n(n=1，3，5，7，)ms 来检测判断，具体是指在检测到信号的过 零点后延时 5ms 再进行检测，所得到信号值即峰值(电网供电周期为 20ms)。其 优点在于采样的数据少，占用存储空间小，但是只检测峰值时刻，然后作比较 来判断是否大于突变或缓变电流设定值，这在精度上是不够的，会出现拒动作 的现象，因为在过零点和 5ms 之间，假设在 2ms、3ms、4ms 已经出现了漏电 流，但这种方法检测不到漏电发生的第一时刻(此时刻的漏电流可能已超过人体 和设备能承受的电流值)，不能在第一时刻做出判断，使继电器切断设备电源； 另外，实际电网周期不稳定、集成运放电路检测电流信号过零点时存在误差等 因素对峰值时刻的判断影响很大，这样会导致某一周期零点过 5ms 后的时刻并 非峰值出现的时刻，要检测的值也可能并非峰值，从而影响装置中漏电保护模 块的正常分析判断，导致人体和设备未能得到保护。 (a) 2ms 时 (b) 3ms 时 (c) 4ms 时 图 2.3 漏电流出现在不同时刻的示意 2.1.4 逐值检测法逐值检测法 这种方法也是基于单片机进行漏电流检测的，是针对上述峰值检测方法存 在的问题提出来的。逐值检测法是指整流后的信号在一个周期(10ms)内逐点采 样信号值，利用各点幅值和相角的变化来判定缓变电流和突变电流的情况，从 而正确动作，解决上述问题。详细分析如下。 具体来讲，找准信号过零点的时刻而且解决电网周期不稳定等问题后，在 每个周期内确定的时刻采样得到有效的信号值，然后进行处理。这里已第二个 采样点为例作以阐述：如图 2.4 的(a)图当前采样时刻 t21值与前一周期相应采样 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 10 值相减，然后与设定值作比较，大于设定的差值 in(突变电流额定动作值)，若 此时再采样后续两个周期相对应时刻 t22和 t23的信号值，均大于突变电流设定 动作值，则确定是突变电流，发出执行信号，使继电器动作；若再采样后续两 个周期相对应时刻 t22和 t23的信号值，如图 2.4 的(b)图，均小于突变电流设定 动作值，则确定为缓变电流，更新原来缓变电流的记录 a 为(a+h2)，而差值 h1 是干扰信号。一直这样进行下去，记录的缓变电流值达到设定额定值 in时，应 发出执行信号，继电器动作，否则危及被保护的设备。此检测方案是每三个周 期进行一次比较和处理的，事实上，比较的周期数越多，判断的准确性越高， 但是这会使触电动作时间更长，对人身保护起到反作用，所以三个周期共 30ms 的时间是比较合理的。这种方案的缺点在于占用空间较大，在一些要求设备重 量不能太大的场合，会有一点不便。 (a) 漏电情况一 (b) 漏电情况二 图 2.4 连续三周期漏电检测示意 如图 2.5 所示，是测得的缓变电流，是触电发生时的合成电流曲线， l i l i 其每一时刻的电流值都是缓变电流和突变电流的矢量和，由于在较短的一段时 间内，缓变电流是相对不变的，大小可以等于前一时刻的缓变电流，即图 l i 2.5 虚线所示，所以在 t1 到 t3 的每时刻电流突增值即突变电流就可以计算出来， 从而绘制出一条电流突增的曲线。重要的一点就是要设计过零点测电路，准确 检测相位差。一般触电体是纯阻性体时，漏电流和工作电压之间的相位差为零， 即同时出现信号过零点；一旦触电体为非纯阻性体时，漏电流和电压之间的相 位差非零，漏电流的过零点可能是突变电流和缓变电流在这个时刻的矢量和恰 好为零形成的，那么必须检测到这两者先后过零点的时间差，然后计算出相位 差，应用公式得到此刻的突变电流值，进行判断。 ll iii r 这种检测方法提高了安全运行保护装置的可靠性和安全性，并解决了死区 问题。出于安全可靠和应用场合的考虑，此法是比较可取的，可以预先检测到 重大设备和人身处于危险状态，使设备免于受损，减少经济损失。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 11 图 2.5 漏电流分析示意图 2.2 漏电检测方案的确定漏电检测方案的确定 经过以上几种漏电检测方法的介绍，脉冲鉴幅法，缓变动作电流一般整定 为 100200ma，突变动作电流一般整定为 30ma。但是，从整定值我们却不难 看出这种机械式漏电保护的一个不足，整定值过大，我们国家标准中规定：一 般条件下，交流允许安全电流值为 10ma。由于机械式保护受灵敏度、机械脱扣 延时、保证不误动作和死区问题等因素的影响，导致其理论整定值远大于交流 允许安全电流，从而使人身伤亡依然以大概率出现。另外一个不足在于保护死 区问题。脉冲鉴幅鉴相法在出现电网谐波时存在较大同步误差，基于单片机系 统的峰值检测法可以克服上述问题，但是只在峰值出现时刻做出判断，采样点 数过少，会出现漏检漏判而发生拒动作现象。而逐值漏电检测法，也基于单片 机系统，反映速度快，采样点数多，对死区范围内的漏电流可以给出准确的判 断，实现了漏电保护动作无死区，本文将采用逐值检测法进行漏电流检测法。 这种检测方法提高了安全运行保护装置的可靠性和安全性，并解决了死区问题。 出于安全可靠和应用场合的考虑，此法是比较可取的，可以预先检测到重大设 备和人身处于危险状态，使设备免于受损，减少经济损失。 综上几种方法的分析和讨论，本毕设最终采用了漏电流逐值的检测方法来 完成本次毕业设计。 3 漏电触电保护系统的软件设计 12 3 漏电触电保护系统的软件设计漏电触电保护系统的软件设计 根据需求设计出特定的应用功能系统，是每一个系统设计工程师应该达到 的目标。本课题所涉及的低压设备运行参数检测与保护系统的设计包含硬件系 统设计和软件系统设计两个部分，这两部分的设计是互相关联、密不可分的， 系统的设计经常需要在硬件和软件的设计之间进行权衡与折中。系统所有功能 的实现和可靠运行，都依赖于完整的软件设计，软件是设计任务的关键，是整 个系统的灵魂。在设计系统的指挥下，低压设备运行参数检测与保护系统才能 够完成一系列的保护工作。本章将从软件入手，介绍系统的软件实现。 3.1 软件设计方法软件设计方法 在计算机系统开发领域中存在各种各样的系统分析和设计方法， 其中结构 化方法与面向对象方法是软件开发程序设计中的两个核心思想。以下是对两种 设计方法的概述。 3.1.1 结构化方法分析与设计结构化方法分析与设计 结构化方法承袭了传统的编程思想与编程方法，结构化方法只是对传统程 序结构的改进。模块是结构化编程的基本单位，计算方法(简称为算法)是程序 的核心，结构化分析和结构化设计是结构化方法软件开发最关键的两个时期。 a. 结构化方法的基本思想结构化方法的基本思想 结构化方法程序设计的基本思想是：自顶向下，采用模块化技术，分而治 之，逐步求精地将信息系统按功能分解为若干模块进行分析与设计，应用子程 序实现模块化，模块内部由顺序结构、选择结构、循环结构等三大基本控制结 构组成。即从代表目标系统整体功能的单个处理着手，自顶向下不断地把复杂 的处理分解为子处理，这样一层一层地分解下去，直到仅剩下若干个容易实现 的处理为止，并写出各个最低层处理的描述。 b. 结构化分析结构化分析 结构化分析是一种面向数据流而基于功能分解的分析方法，在该阶段主要 通过采用数据流程图、编制数据字典等工具，描述边界和数据处理过程的关系， 力求寻找功能及功能之间的说明。通常所说的“结构化分析”就是“数据流分 析”。 数据流分析的核心特征是“分解”与“抽象”。“分解”和“抽象”是两个相 互有机联系的概念，下层是上层的分解，上层是下层的抽象。例如，假设系统 很复杂，为了理解它，将它分成了5个子系统，如果子系统仍然比较复杂还可以 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 13 再继续分解它，如此下去，直到每个子系统足够简单，能清楚地被理解和表达 为止。典型的结构化分析方法可以描述为：功能分解=功能+子功能+功能接口。 问题域映射为功能和子功能，规格说明间接反映问题域。分析的结果是系统、 子系统、功能、子功能层次结构的建立。 c. 结构化设计结构化设计 结构化设计通常与结构化分析方法衔接起来使用，以数据流图为基础，将 数据流图表示的信息转换成程序结构的设计描述，在该阶段力求寻找功能的实 现方法，完成软件层次图或软件结构图。结构化设计通常表述为:结构图+关系 数据模式，其中，结构图描述软件系统的程序结构，关系数据模式描述软件系 统的数据库结构。因此，结构化设计工作主要包括程序结构设计和数据库结构 设计。设计过程分两步完成，第一步构造出一个具体的系统设计方案，决定系 统的模块结构(包括决定模块的划分、模块间的数据传递及调用关系)；第二步 在总体设计的基础上，将实体联系图转换成关系数据模式，确定每个模块的内 部结构和算法，产生每个模块的程序流程图，最终在此基础上设计建立外模式。 3.1.2 面向对象的方法分析与设计面向对象的方法分析与设计 a. 面向对象的基本思想面向对象的基本思想 面向对象方法的出发点是尽可能模拟人类习惯的思维方式，使开发软件的 方法与过程尽可能接近人类认识世界、解决问题的方法与过程，也就是使描述 问题的问题空间与实现解法的求解空间在结构上尽可能一致。面向对象是一种 运用对象、类、继承、封装、聚合、消息传递、多态性等概念来构造系统的软 件开发方法。它打破了传统的代码、数据分离做法，将一种数据结构和操作该 数据结构的方法捆在一起，封装在一个程序内，实现了数据封装和信息隐藏， 通过“操作”作为接口实现信息传递。对外部来说，只知道“它是做什么的”， 而不知道“它是如何做的”，使得数据封装、信息隐藏、抽象代码共享等软件 工程思想得到充分体现。 b. 面向对象分析（面向对象分析（ooa） 面向对象分析是面向对象软件工程方法的第一个环节，ooa 的任务是把对 问题域和系统的认识理解，正确地抽象为规范的对象(包括类、继承层次)和消 息传递联系，最终建立起问题域的简洁、精确、可理解的面向对象模型，为后 续的面向对象设计和面向对象编程提供指导。面向对象分析方法可以描述为： ooa=对象+类+继承+消息传递。 在本次设计中，由于功能简单，各模块相互独立，故采用结构化编程的设 计方法。首先，根据工作流程图，熟悉掌握系统的工作流程，掌握各环节工作 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 14 的相互关系，其次，画出每个功能模块的程序流程图，最后，根据流程图写出 程序。 3.2 软件设计原则软件设计原则 软件是系统的指挥中心，性能优良的软件是保证系统高效、可靠、安全工 作的技术保障。在进行软件设计时，常用的设计方法有三种：模块化程序设计、 自顶向下逐步求精程序设计、结构化程序设计。由于实际的单片机控制系统的 功能复杂、信息量大、程序较长，所以选用切合实际的程序设计方法就显得相 当重要。 由于模块化程序设计的中心思想是把一个复杂应用程序按整体功能划分成 若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程、调试和查错，然后装 配起来联调，最终成为一个完成一定功能、具有使用价值的程序。实践表明采 用模块化结构程序设计方法设计调试方便，编程效率高。 软件设计包括拟定程序的总体方案并画出程序流程图、编写具体程序、程 序的检查修改、程序调试等步骤。 3.2.1 程序的总体设计程序的总体设计 程序设计首先要拟定设计的总体方案，由于一个实际的控制系统功能复杂、 信息量大、程序较长，因此需要选用切实可行的程序设计方法。该系统使用结 构化程序设计方法，把一个较大的程序划分为若干个具有独立功能的子程序， 各子程序分别进行编译、调试，最后链接成一个统一的整体。最后绘制出各功 能模块和总体设计的流程图。 3.2.2 程序的编写程序的编写 程序流程图绘制成功后，整个程序的轮廓和思路已十分清楚。设计者就可 以进行编程序。首先要统筹考虑和安排一些全局问题，如：程序地址空间分配、 输入/输出格式等，然后就可以依照程序流程图来编出目标程序。 3.2.3 程序的检查和修改程序的检查和修改 实际的应用程序编好后，往往会有不少潜在隐患和错误，这是不足为奇的。 但如果这些隐患和错误不加排除和修改会很容易产生并发症，使得本来很好的 程序陷入不可收拾的地步。 3.2.4 程序的调试程序的调试 程序经过检查直到没有错误后，就可以进入调试阶段，调试阶段的主要目 的是检验编写的程序是否符合实际功能，各模块子程序之间配合是否协调。最 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 13 终完成任务。程序的调试是软件编写完成后的最重要的一步，直接影响着后续 工作的进行。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 15 3.3 功能模块程序设计功能模块程序设计 本系统的开发主要包括通过按键输入设定额定缓变动作电流值、额定突变 动作电流值、额定工作电流，然后以这些设定值为标准，采集的漏电流、电压 和电流信号经过检测处理后分别和这些设定值进行比较，如果高于设定值，则 驱动执行单元动作。本课题的控制软件由两部分组成：主控模块、漏电信号分 析模块。 3.3.1 主程序设计主程序设计 主控模块即主程序，它是整个系统软件的“总指挥” ，通过对各功能模块的 合理调用来完成参数的检测、分析、判断从而实现系统的整体功能，在整个程 序的设计中主程序起着重要作用。主程序流程图如图 3.1 所示。 开始 初始值设定 数据采集 数据处理 结束 图 3.1 主流程图 额定工作电压和工作电流的设定需要根据不同被保护设备的额定值来设定， 额定突变电流值 in的设定根据人体所能承受的电流和允许交流安全电流值设 定为 8ma(一般此值是固定不变的，可根据环境不同来设定，原则上不超过 30ma)，额定缓变电流 in的设定一般在 100200ma 内，在阴雨季节或气候潮 湿地区设为 200ma，本系统将此值预设定为 100ma。根据环境和气候状况的不 同，也可以通过软件自行更改。 3.3.2 漏电信号分析模块漏电信号分析模块 漏电流信号经过零点后，开始 a/d 采样转换，根据定时器测得漏电流和工 作电压之间时间差计算相位差，得到漏电流的大小，将连续三个周期同一时刻 的值分别与突变电流和缓变电流的设定值作比较，判断当前是否发生漏电、漏 电由缓变电流还是突变电流引起、立刻断电、漏电流分析流程图如图 3.2 所示。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 16 初始化，n=0 开始 启动ad采集 定时器停止计时 时间差转为相位差 n+1 计算漏电流值i漏 i漏-in8ma? i-1 确定为突变电流 继电器动作 p1.3=1？ n=3? y n y y n n i=0? y n=2? 更新当前缓变 电流值i缓 结束 nn y i缓in? 确定为缓变电流 继电器动作 y n 图 3.2 漏电信号处理流程图 4 系统调试及实验结果 17 4 系统调试系统调试及实验结果及实验结果 4.1 系统开发工具系统开发工具 本系统软件开发调试环境采用由 iar 公司提供的 iar embedded workbench 及调试器 c-spy。embedded workbench 是一个适应各种不同 cpu 的目标系统开发的集成环境，它提供方便且功能丰富的窗口界面，使开发和调 试的效率大大提高。它包含的实用工具有：具有语法突出显示的文本编辑器； 实现操作自动化的 make 工具；内嵌 c 语言级和汇编级的调试器 c-spy。它集 成了所有的工具(编译、连接等)，采用创建项目(project)的方式来进行软件的开 发和管理，具有超文本风格帮助和直观的拖放等特性。可以用其来开发、编译、 调试包括 c 和汇编语言编写的程序。开发环境界面如图 4.1 所示，在 iar 环境 中。 图 4.1 iar embedded workbench 开发环境界面 先设置芯片型号device projectoptionlinkerextra outputlinker command file msp430f149a.xcl(汇编语言)或msp430f133c.xcl(c语言)。 projectoption debuggersetupdevice description filemsp430f149.ddf。 仿真模式设置，在进入仿真之前可设置仿真模式，即软件模拟仿真和硬件仿真 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 18 两种即 软件仿真： projectoptiondebuggersetupdriversimulator。 硬件仿真：projectoption debugger setupdriver fet debugger。 下载连接方式选择 projectoption fet debugger setupconnectionlpt-lpt1。 4.2 漏电保护的实验漏电保护的实验 4.2.1 漏电流的检测漏电流的检测 a. 加入脉冲干扰信号加入脉冲干扰信号 定义系统当前缓变电流累计值为 90ma，缓变电流额定动作值为 100ma， 突变电流额定动作值为 8ma。由于测量方法是每三个周期进行判断的，所以只 判断信号只在三个周期内产生相应的变动，就可以断定本低压设备运行参数检 测与保护装置是否工作正常，且脉冲出现的时刻不影响系统对信号的检测和判 断。以下介绍具体测试信号及其