微机继电保护毕业设计

1、1 引言1.1 微机继电保护概述1.1.1 微机继电保护的发展微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护1。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的

2、大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代2。我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的

3、作用。从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路3。在主设备保护方面，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年、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的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的正序故

4、障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的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、工作可靠的继电保护装置。因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中4。1.1.2 微机继电保护的主要特点51、改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行

5、实践中得到证明。2、可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。3 、工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。4、可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。5、使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。6、可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所

6、微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。1.1.3 微机继电保护的优点与传统的继电保护技术相比，微机继电保护主要有以下的优点6：（1）改善和提高继电保护的动作特性和性能；（2）可靠性大为提高；（3）内部编程软接线的方式大大降低了电气二次线路的复杂性；（4）可以充分利用cpu的资源，实现其他测量、管理、通讯等功能；（5）微机特有的记忆存槠功能能很好的实现故障追忆，提高运行管理效率；（6）自检能力强，可以省去每年花费大量人力物力而必须去做的继电保护预防性试验，可以保证生产的连续运行。1.1.4 微机继电保护的发展趋势继电保护技术发展趋势向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通

7、信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势7、8.1.2 本论文的主要工作电力工业的发展和继电保护相关科学技术的进步都给微机继电保护装置的研制提出了前所未有的机遇与挑战。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，跟踪继电保护相关高新技术，探讨了新型微机继电保护硬件方案的研制。本文的主要内容包括以下几个方面:1、概述了微机继电保护技术。主要介绍了国内国外微机继电保护的发展史、继电保护的几大特点、主要的理论技术和成

8、果以及今后总的发展要求和趋势。2、选择芯片，采用16位或32位cpu提高保护系统的性能；采用1416位a/d转换器提高微机保护的精度。3、概述modbus通讯协议的原理，以及其使用方法4、系统硬件设计原理与过程。包括a/d模块、d/a模块、通讯模块、数据采集模块和时钟模块。5、系统软件设计过程。主要包括a/d模块、d/a模块的底层驱动程序和modbus通讯协议。2 系统总体电路设计与分析21硬件电路总体设计 随着电力系统的发展，电网结构的日益复杂，对其保护、控制、变量、通信等功能的要求越来越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出现，微机保护装置将逐步实现高集成度、全功能化。本装置着重考虑了保护

9、的特殊性和实验的灵活性要求，采用了motorola新型的高性能flash型mcu，从而使本装置既满足了继电保护的“四性”要求，又能灵活的适应各种保护原理的需要。本装置硬件核心采用美国motorola公司mc68hc912dgl28a芯片作为微制器，并配以适当的外围电路来完成各项功能9。本系统的硬件结构主要包括：中央处理单元、数据采集单元(模拟量和数字量)、通信单元(rs.232和usb通信)、人机接口(键盘与显示)单元、时钟单元、模拟量和开关量输出单元，各部分如图2 1所示。通信单元数据采集单元时钟单元中央处理单元（单片机）人机接口（键盘与显示单元）模拟量和开关量输出单元图2.1 硬件电路总体

10、结构图22主要芯片和器件的选择2.2.1微控制器的选择mc68hc912dg128a单片机是一台16位单片机，是mc68hc12系列单片机的一种10。其引脚图如图2.2所示。图2.2 mc68hc912dg128a 外部引脚图68hc12系列单片机是68hc11单片机的更新换代产品。68hc11单片机自80年代后期以来，在诸多领域得到了广泛的应用，十余年来，已发展到十余个系列，几十个品种，生产量上亿片。在汽车电子、通信、计算机外设、工业控制、消费类电子产品等方面有广泛地应用。68hc12cpu与68hc11cpu的指令在源码级兼容。68hc12单片机比起68hc11来，在总线速度上由23mhz

11、提高到8mhz。增加了一些新的指令，特别是用于模糊逻辑运算与模糊控制的指令。68hc12的基本寻址空间仍为64，但可以采用自动分页的方式扩展应用程序到256kb甚至更多。这样做的好处是指令代码短，程序代码效率高11。mc68hc912dg128a单片机是一台16位单片机，其内部框图如图2.3所示。图2.3 mc68hc912dg128a单片机的内部框图中央处理器cpu12由以下三部分组成：算术逻辑单元(alu)、控制单元和寄存器组，cpu内部总线频率为8mhz12。寻址方式有16种，堆栈指针和变址寄存器均为16位，它具有很强的高级语言支持功能，cpu12的累加器a和b是16位的，也可以组成32

12、位累加器d。cpu12的寄存器组包括如下5个部分13、14：a.16位累加器a、b或32位的累加器d； b.16位变址寄存器x和y是用来处理操作数的地址。可分别用于源地址，目的地址的指针型变量运算；c.堆栈指针(sp)是16位寄存器；d.程序计数器(pc)是16位寄存器，它表示下一条指令或下一个操作数的地址；e.条件码寄存器(ccr)。中央处理器cpu12是m68hc12的中央处理器，为16位cpu，其指令系统在源码级与68hc11兼容。*存储器(1) 128kb flash存储器；(2) 8kb ram；(3) 2kb eeprom。*多元化总线，可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空

13、间和增加i/o芯片，工作在扩展方式15。地址总线16位，数据线16位或8位，地址和数据总线占用3个或4个8位i/o并行口，在单片方式下这32位可做普通i/o口用。*两个8路10位a/d转换器*控制器局域网模块(can)，68hc912dg128a内部有两个can模块,每个can具有2个接收缓冲区和3个发送缓冲区。每个can有rx、tx、出错、唤醒四个独立的中断通道。can模块具有自检功能，有低通滤波唤醒功能。*增强型捕捉定时器16(1)16位主计数器，7位分频系数；(2)8个输入捕捉通道或输出比较通道,其中四个输入捕捉通道带有缓存； (3)4个8位或2个16位脉宽计数器；(4)每个信号滤波器有

14、4个用户可选择的延迟计数器； *脉宽调制模块(pwm)17可设置成4路8位或者2路16位，逻辑时钟选择频率宽。 *串行接口(1)两个异步串行通信接口(sci)模块；(2)一个i2c总线接口；(3)一个同步串行外设接口spi。 *两个具有产生中断、唤醒cpu功能的8位并行口，也可以设为输出18。 *时钟发生器(1)具有锁相环频率合成器。这是时钟发生器中的重要电路。它的存在使外部32mhz晶振就可以产生8mhz的总线频率；(2)也可使用0.516mhz的低功耗晶振。 *开发支持(1)支持单线背景调试模式(bdm)；(2)支持高级语言编程。由上述资料可知：mc68hc912dg128a单片机是一款性

15、能优异的单片机，能完成本课题的最佳选择。2.2.2 a/d转换芯片的选择由于ad转换器与整个系统的测量范围和精度有关因此ad转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。对于8位的ad转换器的分辨率能达到l28或满刻度的o.392，显然不能满足本装置所要求的0.2级(0.2)精度；而12位的转换器能够达到的精度为o.0245，能够满足本装置的精度要求，所以本装置采用12位的ad转换器用于数据的转换19。ad转换器从启动转换，到转换结束输出稳定的数字量，需要一定的时间。本装置对6路模拟信号进行采样，每一路每周波采样32点，即每一个周波要完成192次转换，而每个周波为20ms，因此要求转换速率

16、约为100us。考虑到每个通道的采样时间由多路开关的开关时间、采样保持器的采样和建立时间、ad转换器的转换时间以及测量传感器的建立时间等，决定选用转换时间较少的逐次比较型的ad转换器。综合以上各因素，本装置中选用maxim公司的maxl97作为ad转换芯片20。maxl97芯片是美国maxim公司近年的新产品，是多量程(±10 v，±5 v，010 v，05 v)、8通道、12位高精度的ad转换器。它采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口。三态数据io口用做8位数据总线。数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与ttl/cmos电平兼容。新型a/d转换

17、器芯片maxl97与一般ad转换器芯片相比,具有极好的性能价格比，仅需要一+5 v供电，且外围电路简单，可简化电路设计。maxl97具有以下显著特点：(1)12.bits的分辨率，单5v供电：(2)可动态改变的转换输入范围：±10v，±5vo10v，o5v；(3)8个模拟输入通道，6us的转换时问；(4) 内部或外部可选的参考电压和时钟。maxl97的管脚功能maxl97有28个管脚，管脚图如图2.4所示。图2.4 max197的管脚图图2中ref控制满量程输入电压大小，在refadj脚加外部基准电压后，maxl97多量程ad转换器vref=1，6384×vref

18、adj(24 v<vref<418 v)；输入通道的过压保护为±165 v，即使芯片处于低功耗工作模式，这种防护也有效。vdd=o v时，输入阻抗网络所具有的电流限制足以保护器件，数字接口输人和输出数据在三态并行口上是复用的，这些并行i0口可以很容易地和微机接口。cs、wr和rd与pc机相应控制脚相连进行读写操作，通过对芯片进行写操作可把控制字节存人芯片，输出数据在单极性模式下是二进制格式。maxl97可以以内部或外部时钟模式工作，一旦选择了所要求的时钟模式，改变这些位编程选择低功耗模式时，不会影响时钟模式。刚上电时，选择外部时钟模式。在clk脚和地之间接一个100pf的

19、电容，可产生156mhz频率的内部时钟，外部时钟要求100khz2 mhz之间。2.3 数据采集单元设计2.3.1 模拟量输入单元选择本装置的数据采集单元共有24路模拟量输入，其中有8路直流模拟量输入、12路交流电流输入、4路交流电压输入，可以为各种保护类型提供足够的电压电流输入，完成相应的保护实验，模拟量输入框图如图25所示。传感器12路交流电流输入(5a)4路交流电压输入（100a）8路电流模拟量输入电压互感器（pt）电流互感器（ct）运算放大器（包括滤波电路）12位a/d转换器中央处理单元（单片机）图2.5 模拟量输入信号框图各输入端的二次侧额定值(100v或5a)首先经过电压互感器(p

20、t)或电流互感器(ct)转换到与ad转换电路匹配的模拟信号。本装置选用了精度为0.l级并带有电磁隔离的互感器，以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离，能保护系统元件不受高压的损害，对输入信号进行准确、安全的测量。转换后的模拟信号通过运算放大器形成电压信号，再将16路交流量送ad转换器maxl97将模拟量转换为12位数字量，由单片机对数据进行处理。2.3.2 开关量输入模块本装置共有16路开关量输入，这16路输入分类结构如图26所示。去抖电路在输入电路中加入了电感。去抖和不去抖动电路设计是为了体现对继电器接点抖动和按键抖动的硬件抗干扰处理的效果。拨码开关是为了方便实现继电器接点和按键接点的模拟，可以

21、通过手动来模拟外部的短路或断路等工作方式。这16路开关量输入足够完成各种保护所的开关量需要，能完成各种类型的保护21。拨码开关光耦隔离器件输入缓冲器中央处理单元（单片机）直接接入cpu外部4路去抖开入外部4路开入模拟外部4路去抖开入模拟4路去抖开入图2.6 开关量输入框图图27所示为开关量输入电路图。图2.7开关量输入电路图开关量输入的接口方式常用的有ttl电平直接接口型和光电隔离型。由于仪器运行现场环境恶劣，存在电、磁、振动、噪声等各种干扰，ttl电平直接接口可能会造成错误输入。本装置采用光电隔离型输入方式，其主要优点： (1)输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强： (2)无触点

22、、耐冲击、寿命长、可靠性高： (3)响应速度快，易与逻辑电平配合使用。本装置的16路开关量输入量分成两类：第一类的8路由mcu通过查询获知其状态的，第二类的8路直接接到mcu的一个有唤醒功能的io口上，一旦开关量有变化时可以产生一个中断。这样mcu可以及时处理。这样就使得装置的工作非常灵活。2.4 模拟量与开关量输出设计2.4.1 模拟量输出单元为了完善实验装置的功能，本实验装置设计了2路模拟量输出，实验者可以根据需要，通过编写程序来输出不同频率和占空比的交流波形，可以实现对一些交流装置(如电机转速)的控制。这2路信号通过运算放火电路进行放大，以提高驱动能力。2.4.2 开关量输出单元在线路发

23、生故障时，微机保护主要是通过各种开关量输出来完成对线路中各个继电器和断路器的控制，从而使发生事故的线路被隔离，其它线路能够最大程度上得到保护。本装置共有8路信号报警开关量输出，其中6路接继电器同时并接发光二极管(led)，在有继电器发出动作时，相应的二极管也发光显示。另外2路接扬声器，收到有效信号后，发声报警。本装置的开出量既可以用来模拟断路动作(用发光二极管和蜂鸣器演示)，也可用继电器接外部设备来形成一个完整的保护系统，输出结构如下图。中央处理单元（单片机）提高驱动能力运算放大器继电器发光二极管led扬声器开关量输出模拟量输出信号模拟量输出信号图2.8 开关量输出单元结构图开关量输出电路的驱

24、动电路为：图2.9开关量输出电路的驱动电路微机系统输出的开关信号是芯片给出的低压直流，如ttl电平信号，这种信号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。常用的方法有两种：(1)继电器方式的开关量输出，它是目前比较常用的一种输出方式，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，通过第一级继电器的输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。(2)固态继电器(ssr)是近年来发展起来的一种新型电子继电器，其输入控制电流小，用ttl等集成电路或加简单的辅助电路就可直接驱动，因此适用于在微机测控系统中作为输出通道的控制元件。由

25、于固态继电器价格昂贵，因此本装置选用普通的电磁吸合式继电器作为输出通道的控制元件。在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统，一般采用通道隔离技术。在输出通道的隔离中最常用的是光电隔离技术，因为光信号的传送不受电场磁场的干扰，可以有效的隔离电信号。因为本装置选用继电器控制中间继电器，电源可由外部提供或装置本身提供(+12v直流电源)或仅提供一对空接点，所以不必采用光电隔离，继电器输出时的输入端与输出端有一定的隔离22。本装置选用额定驱动电压5v、驱动电流30ma以下的小型继电器作为开关量输出控制元件，其优点是：(1)可以直接用ttl电平驱动，不用附加电路；(2

26、)体积较小，可直接焊在线路扳上，节省印刷电路板空间。由于本装置的开关量输出直接控制线路出线断路器的开合，为了保证其动作的可靠性防止其它干扰引起继电器误动，输出控制通道采用了如下措施：(1)对输出信号进行锁存，锁存的信号由mcu的io口读回，判断其是否正确，如果不正确立刻停止操作；(2)锁存器的控制信号由mcu的io口控制是否选通，防止错误输出造成误动作。采用以上措施显著提高了输出控制继电器动作的可靠性。2.5 人机接口单元与时钟单元的设计人机接口单元即实验装置的输入与输出设备部分。在微机继电保护系统的控制过程中，微机的输入与显示部分是十分重要，缺一不可的。输入设备可以将指令通过信号传递给主机，

27、继而控制继保系统动作与否，以达到本设计的最终目的；显示设备可以将系统的动作情况及时的反馈出来，以达到实时监督继保系统动作正常与否的过程。2.5.1 输入单元键盘电路是最重要的输入单元，是单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能向计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘接口主要分矩阵式和独立式两种。矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交点上，占用较多的地址空间或i/o口线。独立式按键就是个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不影响其他输入线上的工作状态。独立式按键适用于按键较少或速度要求较高的场合。独立式按键相比

28、矩阵式结构，具有配置灵活的明显特点。在保证能完成各种功能的情况下，为了使操作简单，选用了尽量少的按键数(本装置中仅选用了8个)，并且采用了独立式按键结构，实行功能复用，此方法虽然在判断哪一个按键按下的程序上显得复杂了一些，但它可以节省很多的数据地址空间或io口线，配置灵活，硬件结构简单。本装置的按键部分直接采用mcu的io口作为输入。按键的扫描方式有两种：查询方式和中断方式。由于中断方式不但占用cpu的外部中断资源，而且还可能干扰其它重要中断程序的正常运行，因此在本装置中采用查询方式，即在程序中对相应io口的状态进行查询，确认是否有键按下，然后调用相应的按键处理程序。2.5.2 显示电路设计在

29、各类仪表中，常用的显示器有：发光二极管显示器(led)、液品显示器(lcd)、荧光管显示器、简易的crt接口等。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lcm，它是将lcd控制器、ram、rom和lcd显示器集成在一起，使用时只要向lcm模块送入相应的命令和数据便可实现所需要的显示。本装置采用了fiyl9264c图形点阵液晶显示模块，它主要由行驱动器、列驱动器及192×64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示12×4个(16x16点阵)汉字。主要技术参数和性能：(1) 电源(vdd)：+5v；(2) 工作电流：约13ma(

30、无背光，无负压)；(3)显示内容：192(列)x64(行)点：(4)全屏幕点阵；(5)七种指令：(6)与cpu接口采用8位数据总线并行输入输出和6条控制线(7)占空比(duty)：1164：(8)工作温度：20+70，存储温度：30+80。2.5.3 时钟电路设计dsl2887是美国达拉斯半导体公司最新推出的时钟芯片，采用cmos技术制成，可以显示时间以及记录系统中各种运行状态的发生时间。dsl2887把时钟芯片所需的晶振和外部锂电池相关电路集于芯片内部，同时它与目前ibm at计算机常用的时钟芯片mcl46818b和dsl287管脚兼容，可直接替换。除此之外，dsl2887芯片外围接口简单、

31、精度高、功率低、工作稳定，可以广泛用于各种需要较高精度的实时时钟场合。dsl2887的主要功能如下：(1)可作为pc机的时钟和日历；(2)与ldcl46818b和dsl287的管脚兼容；(3)在没有外部电源的情况下可工作10年以上，不丢失数据；(4)自带晶体振荡器及锂电池；(5)可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日、月、年七种日历信息，并有闰年补偿功能：(6)二进制数码或bcd码表示时间、日历和闹钟；(7)12和24小时两种制式，12小时时钟模式带有pm和am指示，有夏令时功能；(8)motorola和inte总线时序选择；(9)128字节ram单元与软件接口，其中14字节为时钟单元和

32、控制状态寄存器，114字节为通用ram，可由用户使用，所有ram单元数据都具有掉电保护功能(非易失性ram)；(10)可编程方波输出；(11)中断信号输出irq和总线兼容，定闹中断、周期性中断、时钟更新周期结束中断可分别由软件屏蔽，也可分别进行置位测试2.6 系统外围电路设计2.6.1 中央处理器于外部设备的连接mc68hc912dgl28a单片机的工作方式非常灵活，可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空间和增加io芯片，工作在扩展方式。地址总线16位，数据线16位或8位，地址和数据总线占用3个或4个8位i0并行口，在单片方式下这32位可做普通io 口用。这样，mcu与外围电路的连接方式

33、也可以有两种选择：(1)采用i0口模拟总线方式；(2)采用总线扩展方式23。（1）采用i0口模拟总线方式。，mc68hc912dgl28a的工作方式非常灵活，但同时这也意味着操作的复杂性。mc68hc912dgl28a是16位的mcu，而外围芯片基本上都是采用8位的接口：有几个芯片都采用数据线和地址线复用，如实时时钟dsl2887，但同时也有数据线和地址线分开的，如62256；有些芯片是8位地址，如dsl2887，有些却不是8位，如62256。所以采用总线扩展方式，把所有芯片都连接到系统总线上是非常麻烦的，连起来很复杂。（2）采用总线扩展方式，所有外围芯片都必须符合mcu的总线时序。本设计采用

34、的mc68hc912dgl28a是motorola公司的芯片，自然是motorola时序。但很多其他外围芯片如ad转换芯片maxl97、外部扩展32kb ram 62256的都是intel时序的。所以采用总线扩展方式非常困难。相比之下，采用io 口模拟总线就非常灵活，可以适应各种时序的操作。(3)虽然采用io口模拟总线需要用软件模拟器件的时序，增加了软件的开销。但是，由于系统总线不出mcu,这样即使外围电路因干扰(如电磁干扰)而出现错误也不至于影响mcu内部的工作。就是说，因外部干扰而使mcu出错的概率降低了。这对于在电力系统中应用的装置尤为可贵，因为通常这些装置都工作在较强的电磁干扰下。综上

35、所述：本设计采用前者，即第一套方案：采用i0口模拟总线方式。2.6.2 复位电路对于继电保护系统，在一次系统动作，切除故障部分之后要自动返回到动作前的状态，因此复位电路在系统中占的地位是非常重要的。对于mc68hc912dgl28a系列单片机，其是一种片内带有e2prom的mcu，而此种单片机e2prom中的值在系统断电利加电瞬间要求不丢失的应用中，就必须使用低电压检测器件控制复位端24。所以外部复位电路采用了有电源低压检测功能的mc34064和mc34164集成电路。mc34064用于上电复位，mc34164用于手动复位。这两个器件外观如同一只小的二极管，功能是当电源电压低于45v时，复位端

36、输出低电平。系统加电时，保证电源在达到额定电压以后再释放mcu复位端。当系统断电时，一检测到系统电压下降就尽快让mcu复位。这就是外部上电复位电路的作用。手动复位电路，其作用在是手动复位按键按下时，在复位端给出一个整齐的跳变，保证复位电路的可靠性。复位电路电路图如下图示。图2.10 外部自动复位电路图2.11 外部手动复位电路3 系统软件设计3.1 软件设计基本原则软件设计是本课题十分重要的的组成部分，其关系到本设计所论述功能能否实现，主要完成验证功能。本装置中采用motorola的16为单片机为cpu每部分电路完成的功能各不相同，除要对每一部分进行软件设计之外，还要综合考虑两部分如何实现数据

37、传输及信息的传递。对于每一部分的程序都采用模块化设计，使系统的软件结构清晰，易于理解，便于调试、连接、修改和移植。单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同，既有各种计算程序设计，还要结合具体的硬件电路进行各种输入输出程序设计。软件设计必须在硬件、软件功能划分基础上进行。系统软件由一个无限循环的主程序、几个中断服务程序和可供调用的功能模块组成。整个系统软件采用模块化结构设计，将各功能按模块化结构设计为可独立进行编程调试的程序块，这样不仅有利于调试和连接，更有利于移植和修改。3.2 系统软件的设计方案 装置中测试部分软件程序主要包括：主程序、数据的采集、计算，按键管理、数据显示和通信等。数据采

38、集单元将采集的数据通过32点快速傅立叶变换，计算出电压、电流值；再进一步求出有功功率、无功功率、功率因数等，所得参数可就地显示也上传给上位机，并完成系统数据测量、人机交换及通讯等辅助控制功能。系统主程序流程图如图3.1。y开始初始化to打开中断初始化a/d初始化串口chuanko结束采集数据mm ?打开out0灯亮不报警打开out1灯不亮报警打开out2灯亮报警mm采集数据aa ?aa采集数据 ?nnnyy图3.1 系统主程序流程图液晶显示程序也是系统工作不可缺少的一个步骤，是完成参数的选择和设置的可视化界面，更方便地完成系统设置，液晶显示程序展开如图32所示主菜单保护类型电流保护距离保护差动

39、保护三段电流整定值动作时限反时限特性三段阻抗整定值动作时限全阻特性方向特性偏移特性差动整定值参数设置时间设置通讯方式usb通信rs-232通信显示结果显示电压显示电流显示频率图3.2 液晶显示程序展开图数据的采集程序是主程序中不可缺少的部分，由采样间隔决定了系统的精度和算法，数据采集程序如图3.3所示。测频开中断使用保护算法计算有效值返回软件定时中断中断周期为t/32开始a/d转换使用积分算法不满足条件32点未完成完成满足调件图3.3 数据采集程序框图软件定时处理程序是保护部分的一个重要组成部分，它将主要完成保护的采样、启动元件的启动等功能。定时时间间隔为o625ms，即保证每周波采样32点。

40、由于同时读入开关量状态，并判断是否发生变位，所以也能够充分保证开关变位的分辨率小于loms的要求。对于系统的控制输出，也保证0625ms查洵一次，以保证控制输出得到及时响应。 中断服务子程序是每个软件设计中都不可缺少的组成部分，本设计也不例外，系统中断流程图如图3.4所示。中 断置定时器初值获取a/d数据串口发出a/d数据备份数据后作比较图3.4 系统中断流程图中断程序模块采用dsp的软件定时中断,主要完成数据采集、故障判断以及打印录波等功能,其流程框图所示。故障处理模块则根据中断程序模块是否启动了保护而进行故障处理,一旦保护启动,则启动跳闸、重合闸等处理功能。3.3 系统程序如下26：#in

41、clude "st5410ad.h"#include "myf.h"#include "uart.h"#include "t0.h"#include "ad.h"#include "pmter.h" /* t0中断服务程序 */uchar temdata; /临时保存ad转换完的数，以便比较void t0_int(void) interrupt 1 tem = !tem; /p2.6输出 测定时器时间 th0 = 0xc6; tl0 = 0x52; /0xe327 延时0.5

42、ms 0xc64d 延时1ms get_adcdata(); /获取adc数据 uart_send(adc_data); /发送转换的数据; temdata = adc_data; void main () int i = 0xff; clk_div = fenp; /系统时钟分频 auxr = moshi; /模选择 ie = 0x80; /开启中断 ie（ ea | epca_lvd | eadc_spi | es | et1 | ex1 | et0 | ex0 ） t0_init(); /初始化定时器t0 =1ms uart_init(); /初始化串口,用定时器1作为波特率发生器 ad

43、c_init(); /初始化adc while(1) if (temdata < 0x55) /只是led灯亮 out0 = 0; /关闭out1、out2，打开out0 led0 = 0; /通道电压小于vcc3.3的1/3 时，led灯亮 sound = 1; /通道电压大于vcc3.3的1/3 并且小于vcc3.3的2/3 时，不发出报警声 else out0 = 1; out1 = 1; out2 = 1; led0 = 1; sound = 1; if(temdata < 0xaa) && (temdata > 0x55) /只是发出报警声 out1

44、 = 0; /关闭out0、out2，打开out1 sound = 0; /通道电压大于vcc3.3的1/3 并且小于vcc3.3的2/3 时，发出报警声 led0 = 1; /通道电压大于vcc3.3的1/3 并且小于vcc3.3的2/3 时，led灯灭 else out0 = 1;out1 = 1; out2 = 1; led0 = 1; sound = 1; if(temdata > 0xaa) /发出报警，并且led也亮 out2 = 0; /关闭out0、out1，打开out2 led0 = 0; /通道电压大于vcc3.3的2/3 并且小于vcc3.3时，发出报警声 soun

45、d = 0; /通道电压大于vcc3.3的1/3 并且小于vcc3.3时，led灯亮 else out0 = 1; out1 = 1; out2 = 1; led0 = 1; sound = 1; 程序说明首先设计获取t0和ad初始化，然后设定定时器每隔1ms检测一次电路电压，初始化串口，开始检测，当通道电压小于vcc3.3的1/3 时，led灯亮，不发出报警声，然后关闭out1、out2，打开out0；当通道电压大于vcc3.3的1/3 并且小于vcc3.3的2/3 时，发出报警声，led灯灭然后关闭out0、out2，打开out1当通道电压大于vcc3.3的2/3 并且小于vcc3.3时，

46、发出报警声，当通道电压大于vcc3.3的1/3 并且小于vcc3.3时，led灯亮，然后关闭out0、out1，打开out2。3.4 本章小结本章是整个继电保护设计的软件部分，主要介绍了继电保护系统软件设计的总体设计原则，提出了系统软件的设计方案。针对motorola公司的16位单片机mc68hc912dg128a芯片的一个测试和综合利用的程序，并对整个继电保护系统的主流程，液晶显示过程和数据采集模块的流程作了简要的说明，是本课题的重要组成部分。4 系统软件运行分析微机继电保护系统要运行解决问题才是本课题的最终目的。然而，软件设计中最关键的问题是解决微机继电保护的算法。一种微机保护算法的好坏关

47、键是两点，即系统运行的速度与精度。速度又包含两个方面：一是算法所要求的采样点数（或称数据窗长度）；二是算法的运算工作量。但是，速度和精度又是相互矛盾的，若要计算精确则往往要采用更多的采样点数和进行更多的计算工作量所以研究算法的实质是如何在速度和精度两方面进行权衡27。 另外有些算法本身具有数字滤波的功能，有些算法则需配以模拟滤波或数字滤波一起工作因此所选用的算法都比较常用，本课题选择几种常用的算法来解决继保系统的工作问题。4.1 微机保护的启动元件 微机电流保护中一般采用两种方式作为启动元件：一是突变量启动方式，二是在超过过流的整定值时启动保护程序，在本系统中主要采用超过保护的整定值时启动保护

48、程序，保护装置每周波(20ms)采样32点。装设于a，b、c三相的保护启动元件设在每隔0.625ms发生一次的采样中断服务程序中。其动作条件是： （式4.1)其中：为当前采样值，n=o，1,2,3； 为继电保护参数整定值。4.2 解微分方程算法解微分方程算法是微机保护装置中用于计算阻抗的一种算法，常用于高压线路距离保护它假设被保护输电线的分布电容可以忽略，因而从故障点到保护安装处的线路段可用一电阻和电感串联电路来表示在短路时下列微分方程成立： （式4.2) 式中r1,l1-分别为故障点至保护安装处线路段的正序电阻和电感；u,i分别为保护安装处的电压、电流和要都是可以测量和计算的，未知数为r1,

49、和l1如果在两个不同的时刻和分别测量u,i和,就可得到两个独立的方程： （式4.3) 式中d表示，下标"1"和"2"分别表示测量时刻为和·联立解以上两式即可求得两个未知数和. （式4.4)解微分方程算法的两个突出优点是：(1) 不需要用滤波器滤除非周期分量。因而算法的总时窗较短；(2) 算法不受电网频率的影响，采用窄带通滤波器与此配合,可以得到很高的精度，解决了微机距离保护中速度与精度的矛盾.该算法的主要缺点是对滤波器抑制高频分量的能力要求较高，且对采样频率有较高要求4.3 最小二乘法算法 最小二乘方算法是将输入的暂态电气量与一个预设的含有非周

50、期分量及某些谐波分量的函数按最小二乘方(或称最小平方误差)原理进行拟合<即使被处理的函数与预设函数尽可能逼近其总方差或最小均方差为最小)，从而可求出输入信号中的基频及各种暂态分量的幅值和相角。拟合函数为： （式4.5）式中n次谐波信号的实部，；n次谐波信号的虚部， ；信号的幅值；信号的初相角；衰减非周期分量的起始值；衰减非周期分量的时间常数如果被采样的电压、电流的波形含有基频分量、非周期分量、高频分量，即假定为随机函数模型，可采用最小二乘方算法。最小二乘方算法可以消除输入信号中任意需要消除的暂态分量(包括衰减的直流分量和各种整次甚至分次谐波分量)，具有很好的滤波性能和很高的精度，具有可变的数据窗该算法的特点是模型包含的谐波次数越多，计