微机线路继电保护装置研究与设计

目录 第1章 绪论................................................................................................,,1 1.1 研究测控保护装置的意义 ...........................................................................1 1.2 继电保护的发展历程...................................................................................1 1.3 继电保护装置的分类……………………………………………………….2 1.4 继电保护的未来发展………………………………………………………3 1.5 本文所做的主要工作………………………………………………………4 第2章 微机系统功能配置与算法……………………………………………6 2.1 保护功能置基本原理 ......................................................................................6 2.1.1 三段式电流保护..........................................................................................6 2.12方向性三段式电流保护……………………………………………………….7 2.1.3自适应电流保护..........................................................................................8 2.1.4零序电流保护..............................................................................................9 2.2 测量功能 ................................................................................... ..............10 2.3通讯功能…………………………………………………………………….10 2.4 控制功能 ....................................................................................................... 11 2.5 保护算法 ....................................................................................................... 11 2.5.1 常用算法简单介绍 .................................................................................... 11 2.5.2傅氏算法 ........................................................................................... 12 2.5.3 所用算法能力的分析....................................................................... 13 2.6 本章小结 .......................................................................................................15 第3 基于DSP的微机线路保护装置的硬件系统设计……………..23 31保护装置的整体设计要求.............................................................23 32插件的设计(CPU)...........................................................,,…………….23 3.21CPU一TMS320F2812..........................................................,,23 32.2外部复位电路........................................................................,,26 32.3储器的扩展.............................,,,............................................28 32.4通信接口的设计....................................................................,,31 32.5测频电路................................................................................,,34 32.6CPLD的设计........................................................................,,35 32.7数据采集的硬件结构及其实现............................................,,37 33交流插件的设计(PTCI,).........................................................,,……..40 34输入直流输入插件(DIDC).........................................,,……………..41 34.1开关量输入............................................................................,,41 34.2直流输入................................................................................,,42 35操作回路插件（(OPERAT）...................................................,,……42 36人机接口插件(MMI)………………………………………………..43 37电源插件(POWER)...............................................................................44 38本章小结.......................................................................................,….44 第5章 系统的软件设计................................................................................45 5.1系统软件的总体设计原则...............................................................................45 5.2程序设计语言的选择………………………………………………………….45 5.3测控部分的软件设计..........................................................................................46 5,4保护部分软件设计.............................................................................................46 5.4.1软件定时处理程序………………………………………………………..46 第6章 论文的结论与展望…………………………………………………………..47 6.1结论..............................................................................................,,47 6.2展望............................................................................................,,47 1.1 研究电力系统测控保护装置的意义 随着计算机技术、电子技术和通讯技术的高速发展，电力系统调度自动化、配电自动化 和变电站综合自动化正在世界范围内逐步实施起来。分布式的变电站自动化系统目前已经是 发展的必然趋势。近几年来，我国电网中变电站的自动化水平也在发生着新的变化。各地区 已经逐渐出现了大量采用自动化技术的变电站，有的还实现了无人值班。同时，电力系统自 动化的分布式开放系统结构这一发展趋势使原有的电网监测、控制、保护、记录、通信联网 等各分立装置正在发生一场根本性的变革。 变电站自动化对配电线路微机保护和测控一体化装置的研制提出了要求。为了适应变电 站自动化系统全分布和面向对象的趋势，就要有与之相配套的集测量、监控、保护、记录、 远动和通讯联网等多功能综合一体化的微机保护和测控装置，而目前普遍使用的功能独立的 各种装置已不能完全适应变电站自动化改造和现代化电能管理的需要。 90 年代以来，国际上出现了继电保护、操作控制和监测集成化、一体化的发展趋势，特 别是 90 年代中期以来，这种趋势越来越强劲。 传统意义上讲，继电保护是强调独立的，主要是因为继电保护对可靠性的要求很高。但随 着计算机技术的飞速发展，下面两个原因使继电保护和监控系统的紧密结合成为可能。 1. 功能集成和资源共享 在中、低压配电网络中，继电保护相对比较简单，其独立性的要求也相对低一些。这种情 况下，特别是伴随着现代微控制器的高速发展，继电保护的硬件资源比较充裕。因此，有可 能将监测、控制操作的一些任务交由继电保护的硬件平台来承担。此时，只要对硬件做小量 的修改，而在软件上扩充一些功能。 另外，由于传统的保护、测量、监控、远动等硬件资源相互独立，往往造成接线复杂和二 次设备的重复投资。随着配网自动化和变电站自动化在电力系统中的推广应用，过去的保护、 测量和监控方式已经不能完全满足新形势的需要。新一代智能化保护单元是集保护、监测、 控制、远动和通讯一体化的装置，能适应新形势的需要。 2. 远方控制和信息共享 计算机和网络技术的飞速发展，为继电保护的信息系统纳入整个自动化系统提供了可能。 在信息共享方面，主要是继电保护装置可以将记录的故障前后以及跳闸前后的信息提供给 监控系统乃至控制中心，以便调度管理人员作全局性的分析和控制。 多功能配电线路微机保护和测控装置可以取代传统的感应式电表、变送器和 RTU，实时提 供电网的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电度等参数，另外它还具有继电保 护功能，构成一个完整的电力系统单元式二次模块。 总之，研制和开发功能全面、精度较高的配电线路微机测控保护装置已成为各国电力部门 的普遍要求。 1.2继电保护的发展历程 继电保护及自动装置是一门新学科,从形成概念到现在刚过百年.但其技术却 有飞速发展,从最初的机电型发展到今天的微机型,经历了四代的更新"与其他技术 不同的是新技术不能完全取代/老0技术;电力系统中运行的继电保护及装置可 以说是/四世同堂0"各代装置的特点性能和优缺点见表1一1" 表1-1不同类型的继电保护即自动装置性能比较 保护类型 优点 缺点及存在问题 机电型 简单可靠，价廉，技术成熟，耐浪涌性强 动作速度慢，不易实现复杂的装置 晶体管型 动作速度较快，可实现复杂的装置，比较经济，易于掌握 抗干扰差，元器件多，易发生特性变化和原件损坏 集成电路型 动作速度快。易实现较为复杂的装置，有自检功能 元器件较多，接线复杂，抗干扰差，价格高 微机型 动作速度快，易于实现复杂装置，自检功能完善，有很好的附加功能，调试方便 技术跨度大，厂家对软件保密，用户检修难度大 1.3 继电保护装置的分类 继电保护装置的分类 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 通常有以下几种 （1）根据保护装置反应物理量的不同分为；电流保护，电压保护，距离保护 差动保护和瓦斯保护。 （2）根据被保护对象的不同分为；发电机保护。输电线保护，母线保护，变压器保护 电动机保护等。电气化铁道牵引供电系统中，主要有110KV输电线保护，变压器 保护，牵引网保护及补偿电容保护等。 （3）根据保护装置的组成愿你ian不同分为；电磁型，半导体型，数字型及 微机保护装置等。 （4）根据保护装置的不同可分为；主保护，后备保护，以及为了改善保护的装置的 莫衷性能，而专门设置的辅助保护装置等。 1.4继电保护的未来发展 继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护，控制，测量和数据通信一体化发展。 （1）计算机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展，原华北电力学院研制的微机线路保护硬件已经经历了3哥发展阶段；从8位单CPU结构的微机保护问世，不到5年的时间就发展到多CPU结构，后来又发展到总线不出模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。中华理工大学研制的微机保护也是从8位CPU，发展到以工控机核心部分为基础的32位微机保护。 南京电力自动化研究院一开始就研制了16位CPU为基础的微机线路保护，已得到大面积的推广，目前也在研究32位保护硬件系统。东南大学研制的微机主设备保护的硬件也经过多次的改进和提高，天津大学一开始即研制以16位多CPU为基础的微机线路保护。1988年即开始研究以32位数字信号处理为基础的保护，控制测量一体化微机装置，目前以与珠海晋电自动化设备公司合作研制成一种功能齐全的32位大模块，一个模块就是一个小型计算机，采用32位微机芯片并非只是眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的限制，超过16位时在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度。很大的寻址空间。丰富的指令系统和较多的输入输出口。CPU的寄存器。数据总线。地址总线都是32位的。具有存储器管理功能，存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存和浮点数都集成在CPU内。 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其他保护控制装置和调度联网以共享安全系统数据，信息和网络资源的能力，高级语言编程等，这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能，在计算机保护发展初期，曾想过用一台小型计算机做成继电保护装置，由于当时小型机体积大，成本高。可靠性差，这个设想是不现实的，现在，同微机保护装置大小的相似的工控机的功能，速度，存储器容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机做成继电保护的时间已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一，天津大学以研制成用同微机保护装置结构完全相同的一种工控加以改造做成的继电保护装置，这种装置的优点是。（1）具有486PC机的全部功能，能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求（2）尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良，防震，防过热，方电磁干扰能力强，可运行与非常恶劣的工作环境，成本可接受（3）采用STD总线或PC总线，硬件模块化对于不同的保护可任意选用不同的模块，配置灵活，容易拓展 继电保护装置的微机化计算机话是不可逆转的发展趋势，但对于如何更好的满足电力系统的要求如何进一步提高继电保护的可靠性如何取得较大的经济效益和社会效益，尚需进行具体深入的研究。 （2）网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具已经成为信息时代的技术支柱。是人类生产和社会生活面貌发生了根本的变化，它深刻影响哥哥工业领域提供了强有力的通信手段，到目前为止，除了差动保护和纵连差保护外，所有继电保护装置只能反应保护安装出的电气量，继电保护的作用也只限于切除故障原件，缩小事故影响范围，这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段，国外早已经提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置，因继电保护的作用不只是限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统的安全稳定运行，这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作。确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统哥哥主要设备的保护装置用计算机网络发展连接起来。即实现微机保护装置的网络化，这在当时的技术条件下是完全可能的。 由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性和可能性。这是微机保护发展的必然趋势。 （3）保护，控制测量，数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下。保护装置实际上就是在一台高性能多功能的计算机是整个电力系统计算机网络上的一个只能终端。它可以网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将他所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端，因此每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量控制数据通信功，也可实现保护，测量，数据通信一体化、 （4）智能化 近年来，人工智能技术如神经网络，遗传算法，进化规划，模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已经开始，神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法可迎刃而解，咧如在输电线俩测系统电势角度摆开情况下发生经过度电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确做出故障位置的判别。从而造成误动或据动，如果用神经网络方法，经过大量故障样本训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障都可以正确判别。其他遗传算法，进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力，讲这些人工只能方法结婚可是求解速度更快，天津大学从1996年起进行神经网继电保护的研究，已经取得初步成果。可以预见。人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决常规方法难以解决的问题。 1.5本文所做的主要工作 基于DSP的微机线路保护装置能够实现保护的智能化!网络化和信息化,同 时也为算法的实现提供了很好的平台"中国电力科学研究院变电站自动化公司提 出开发以DSP(TMS32OF2812)为核心技术的应用于电力系统微机保护!监测和配 电自动化的软硬件产品平台"我主要从事DSP板的硬件电路设计和软硬件调试工 作,在此平台基础上完成35KV微机线路保护装置的研制" 本课题的具体工作是在学习DSP技术,包括DSP芯片的电气性能!内部结构! 外围接口!开发工具的使用方法!指令特点以及目标文件的生成等相关技术的基 础上,开发出以TMS320F2812为微处理器的硬件平台及相应软件,系统平台主要 由主板!开关量输入直流输入板!操作回路板等共同组成,实现系统所要求的AD 转换!开关量输入输出!异步串口通信!CAN网通信等一系列功能,同时,编制相 应的底层驱动软件和运行软件以完成系统对外界信号的数据采集!快速傅立叶变 换等数字信号处理操作"最后对在该平台上设计好的35KV微机保护装置进行性能 测试,包括保护功能的测试,运行稳定性的测试等,并对测试结果进行分析" 第2章 微机系统功能配置 2.1 35KV线路保护基本原理 传统的线路保护按动作原理可分为相间短路的电流保护!相间短路的方向电 流保护!零序电流保护!距离保护!差动保护!高频保护等"但微机保护的出现 使得保护装置不再拘泥于某一种动作原理,可以充分利用各种保护原理各自的优 点,在实际应用中根据不同的情况,选择不同原理的保护或几种原理的组合,以 达到满意的灵敏度,提高保护动作的可靠性" 2.1.1 三段式电流保护 目前,35KV线路相间短路大多仍采用三段式电流保护"电流速断!限时电流 速断和过电流保护都是反应于电流升高而动作"它们之间的区别主要在于按照不 同的原则来选择起动电流"速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定,限时 速断是按照躲开前方各相邻元件电流速断保护(或差动保护)的动作电流整定, 而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定lv1" 三段式电流保护最主要的优点是简单!可靠,并且在一般情况下能够满足快 速切除故障的要求,因此在电网中特别是35KV及以下的较低电压网络中获得了广 泛的应用" 3.1.2方向性三段式电流保护 在35KV环网中,为了保证保护动作的方向性,采用方向性三段式电流保护" 对继电保护中方向元件的基本要求是: 1.应具有明确的方向性"即在正方向发生各种故障时,能可靠动作,而在 反方向故障时,可靠不动作" 2故障时继电器的动作有足够的灵敏度" 根据这些要求,目前反应相间短路的功率方向元件采用90"接线,灵敏角 叭""取一45"或一300"其动作方程为: 若切表示U*超前人的角度,则用功率的形式表示动作条件,上式可写成: 由上式可见,当余弦值为负或u!!人任一项等于零时,继电器将不能动作, 此时存在死区" 利用方向元件与三段式电流保护与门出口就构成了方向性三段式电流保护" 2.1.3自适应电流保护 电流保护直接反映电流的大小,其实现简单,可靠性高"传统的电流速断保 护其动作电流是按躲过被保护线路末端短路时的最大短路电流来整定以适应电力 系统运行方式和故障类型的变化,保证系统保护的选择性"但是这种整定方式得 出的定值在最小运行方式或最不利的故障情况下保护范围很小甚至有可能是零, 由于实际故障电流的大小与系统运行方式故障类型有关因此会影响电流保护的灵 敏度许多专家和学者对此提出了一些解决方法: (一)采取自适应电流保护15,9,-01"它利用故障分量实时求取系统背侧阻抗, 并判断故障类型动态整定保护定值使保护范围始终处于最佳状态"这一 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 基本 上可以较好地解决系统运行方式和故障类型对保护灵敏度的影响,但需要电压信 号和故障选相" (二)将高压线路保护中常用的距离保护应用于中低压电网中"距离保护最 大的优点就是受系统运行方式和故障类型影响较小,并且保护范围稳定,因此在 高压电网的线路保护中得到了广泛的应用"可以说距离保护本身就具有自适应系 统运行方式和故障类型变化的能力"在使用两相CT的小电流接地系统中发生两相 接地短路或两相短路时除了AC相故障可以直接获取故障相间电压和相间电流计 算短路阻抗外,其他相别的两相故障都只能得到A相或C相的故障电流,根据小 电流接地系统中接地短路的特点可知,无论是两相短路还是两相接地短路两个故 障相的电流大小相等方向相反,根据这一特点相间故障时短路阻抗的计算十分简 单" (三)基于人工神经网络的自适应电流保护1111"人工神经网络是一种非线性 映射系统,具有强大的自适应能力学习能力及模式分辨能力"它解决了传统电流 保护范围随系统运行方式及故障类型的变化而变化的缺点,把灵敏度补偿子网络 和方向识别子网络结合起来,综合进行判别利用人工神经网络并行处理的优势使 得保护具有更好的准确性和快速性"但是如果只用基波故障电流作为判断故障的 特征量不可避免地要受到电力系统振荡的影响,因此还需加入振荡识别子网络" 目前少-一泛应用的自适应电流保护方案是使电流速断保护的整定值随系统运行 方式和故障类型的变化而变化,电流整定值为: 式中凡为可靠系数;戈为故障类型系数;E为系统等效电源的相电势;z,为 系统等值阻抗;Z,为被保护线路的正序阻抗" 上式中可靠系数凡!系统等值电源的相电势E和被保护线路的正序阻抗Z,必 须预先给定"在随后的自适应电流保护中只需实时确定短路故障的故障类型系数 凡和系统的运行阻抗Z,,根据不同的故障类型和运行方式投入不同的定值,以实 现保护定值的自适应性"此方法应用微机的计算和记忆功能,通过简单的故障类 型判别,可以很方便地使电流保护灵敏度得到较大提高"该方法不增加任何设备 投资,不增加硬件负担也不增加定值项目而电流保护的定值仍按原方法计算即可 当自适应保护在识别故障状态之后自动乘以一个故障类型系数凡(两相短路时 凡=万/2,三相短路时凡=l)自动改变保护定值"微机进行故障类型判别占用的 时间很短对保护的动作速度基本上没有什么影响 2.1.4零序电流保护 目前在我国电压为3一35KV的电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地的方 式"在中性点非直接接地电网中发生单相接地时虽然也会出现零序电流和零序电 压,但故障点的电流很小(一般不超过20一30A),而且三相间的线电压仍然对称, 不影响对负荷的正常供电"因此通常不需要线路的零序保护动作于跳闸,一般只 是动作于发出信号"只有在单相接地对人身或设备的安全有害的情况下,零序保 护才动作于跳闸" 中性点不接地系统发生单相接地时,主要有以下特点: (l)非故障相电压升至原来电压的万倍,电源中性点的对地电压升到相电压" (2)通过非故障线路的保护安装点的3倍零序电流310为该线路非故障相对地 电容电流的向量和,此电流数值较小" (3)通过故障线路保护安装点的3倍零序电流31"为所有非故障线路零序电流 之和,此电流数值较大" 中性点不接地系统的零序电流保护利用单相接地时,故障线路零序电流大, 非故障线路零序电流小的特点,来实现有选择性的发出信号或动作于跳闸" 当某一线路上发生单相接地时,非故障线路上的零序电流为本身的电容电流, 为了保证动作的选择性,保护装置的起动电流,ac,应大于本线路的电容电流,即 式中C0一被保护线路每相对地电容" 由于流经故障线路上的零序电流为全网络中非故障线路电容电流的总和,可 用3U,"(q一c0)来表示,则保护的灵敏系数为: 式中q为同一电压等级网络中各元件每相对地电容之和"可见当网络中电 容电流越大!或被保护线路的电容电流越小时,零序电流保护的灵敏系数就越容 易满足要求" 2.2 测量功能 装置设有专用的测量 CT，测量并产生本间隔的电压、电流、有功功率、无功功率、功率 因数、频率等遥测信息。同时计算本间隔的零序电流作为遥测量上送上位机，用于小电流接 地综合判断。遥测量可以在当地进行显示，也可以通过通讯接口上传给上位机。 装置通过采用高精密器件提高采集遥测量精度，幅值、相角的微小调节通过软件实现。 装置遥测输入电流量通道完全与保护通道分开，电压量通道部分与保护共用，以达到最合理 利用资源。 2.3 通讯功能 本装置优点之一是可以满足变电站综合自动化的需要，这是由其通信功能支持的。装置 可以使用 CAN 总线通信接口或 RS-485 总线接口与主控通讯，实现四遥（遥测、遥控、遥信 和遥调）以及校时等功能。 遥测是指通过网络实现对远程设备的参数采集，这里是指对电压、电流、有功功率、无 功功率、功率因数、频率等信息的采集。遥控是指通过网络实现对远程断路器的跳闸、合闸。 遥信是指对远程断路器的位置信号和无源开关量的输入进行观察。遥调是指通过网络对远程 断路器的定值进行修改 2.4 控制功能 装置自带操作回路，同时提供操作回路的外接端子，由安装在开关柜上的开关实现断路器 的跳/合控制。可以通过网络实现远程分/合闸以及本地/远程切换。 2.5 保护算法 微机保护中的一个基本问题就是寻找适当的离散运算方法来实现一定的保护功能，从而使 运算结果的精确度能满足工程要求而计算耗时又尽可能短，达到既判断准确，又动作迅速、 可靠的效果。 2.5.1 常用算法简单介绍 电力系统发生故障时，其暂态过程中电压、电流函数可以用 3 个主要部分来表示：（1）衰 减的非周期分量；（2）基波分量和整数倍频周期分量；（3）非整数倍频周期分量。电力系统 发生故障时，电压电流 f(t)的解析式为： 周期分量、整数倍频周期分量、非整数倍频周期分量和其他干扰信号。 (2-14) 式中 ：t＝0 时衰减直流分量的值； 0 A 1 ω ：基波分量的角频率； i A ：各周期分量的幅值； 0 β ：非周期分量的衰减因子； i θ ：各周期分量的初相位； W ：表示各非整数倍频分量和干扰。 式(2-14)表示：电力系统故障时的电压电流函数是在基波分量的基础上，叠加有衰减的非 周期分量、整数倍频周期分量、非整数倍频周期分量和其他干扰信号。 采用交流采样算法的目的就是从采样电压、电流的信号中提取出需要的基波或某次谐波分 量，滤除其他的周期、非周期以及衰减直流分量，从而为保护的判据提供所需信号的数值。 对暂态过程中的电压电流模型采取不同程度的简化，就可以得到不同的采样算法。目前， 如图 2-3 所示，微机保护中采取的算法主要有四类： 1. 基于 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 正弦波模型的交流采样算法； 2. 基于周期函数模型的交流采样算法； 3. 基于随机函数模型的交流采样算法； 4. 基于简化的输电线路阻抗模型算法。 图2-3 常用算法分类 2.5.2 全波傅氏算法 全波傅氏算法在微机测控保护中得到了广泛的应用，由于本测控保护装置应用于 35kV 的中压线路上，对保护的速动性要求不是很高，所以本装置也采用了比较成熟的全波傅氏算法。 设 是周期函数，除基波分量外还含有各次谐波和不衰减的直流分量，则x(t) 可表示 式中 λ ：自然数，λ ＝ 0、1、2、3、等； λ a 、 ：分别为各次谐波（包括基波）正弦项、余弦项的振幅， 是直流分量值。 λ=0，1，2，3 根据傅氏级数理论，可得到全周波傅氏算法的计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ： （2-16） 经采样后，连续量变为离散量，积分变为求离散和： （2-17） 式中 N ：一个周期T 中的采样数； k：从故障开始时的采样点序号。 基波的有效值为： 2.5.3 所用算法滤波能力的分析 令A、B分别为： 因为 ω1t =2π, 所以当 p ≠ q且为整数时，有 A =0、B =0；当 p = q时，有 A=T/2,B=T/2. 1. 对高次谐波的滤波能力 将式（2-15）中的 x (t)带入式（2-16），并令式（2-16）中的λ =1，则对高次谐波（整数次）分量来说，计及式（2-19）中 q =1、 p ≥2时有A =0、 B =0，所以 、 中不含有高次滤波分量，即全波傅氏算法可完全滤去输入信号中整数次的谐波分量。 2. 对非整数次高次谐波的滤波能力 对于非整数次高次谐波，此时(p-q)T,(p+q)T可表示为 其中 K ：正整数， K ≥2； k ：小于 1 的分数。 代入式（2－19）得 显然 A ≠0、 B ≠0，但数值不大，且随着K + k值的增大而减小。代入到式（2-16） 中提取输入信号的基波分量时，a1,b1中非整数次高次谐波的含量为： 1 式中 中K+K次谐波的幅值 容易看出a1,b2中K=K次谐波含量减小了 3. 对基波分量的影响 对于输入信号中的基波分量，当 p = q=1时，有A=T/2.B=T/2由式（2-16）得到（ λ=1时）： 4. 对非周期分量的滤波能力 根据衰减非周期分量的频谱分析，衰减非周期分量中含有直流分量和频率低于 25Hz 的低 频分量。对于 x (t)中的直流分量，相当于式（2-19）中的p =0，于是有 A =0、B =0。因此，全周傅氏算法完全可滤去输入信号中的直流分量。 对于 x (t)中的低频分量，令式（2-20）中的K =0，就可得到a1,b1频分量的含量： 全波傅氏算法的优点是精度高、滤波效果好：能完全滤除直流分量、2、3、……N/2 次谐 波分量，且稳定性好，对高频分量和按指数衰减的非周期分量所包含的低频分量也有一定的 抑制作用。 要注意的是：全波傅氏算法在计算时要用到全部 个采样值，所以只有当 个采样值都 是出现在故障以后时，计算才是准确的，在此之前，N 个采样值中有一部分是故障前的数据，一部分是故障后的数据，这就使得计算结果不是真正故障时的电量值。 N N 这种算法的数据窗长度为一个基波周期。可见，它是用较长的采样时间和较复杂的计算 来取得良好的滤波效果和计算准确度的。 2.6 本章小结 本章主要阐述了设计 35kV 线路测控保护装置的理论基础，首先介绍了本装置所配置的功能，随后对装置所采用的保护原理进行了分析和介绍，最后介绍了保护所采用的保护算法并对算法进行了分析。 第四章 基于DSP的微机线路保护装置的硬件系统设计 4.1保护装置的整体设计要求 继电保护装置的主要功能是实时分析判断所保护的电力设备的运行状态,在 电力设备发生故障时发出跳闸命令将电力设备从系统中切除"而线路保护一般还 包括在切除瞬时性故障后发出重合闸命令让输电线路重新投入运行的自动重合闸 功能"要实现上述功能,装置应包括数据采集部分!计算和逻辑处理部分和出口 执行部分"另外还要包括监控和通信部分以管理!设置和监视装置" 具体来说对于电力系统的微机线路保护,保护装置有着下列功能的需求: (1)模拟量的采集功能 A)交流量采集:三相电压!三相电流 B)直流量采集:非电气量经过变送器转换后的直流信号 (2)开关量!脉冲量的采集功能 (3)开关量输出控制功能 (4)数据处理功能 (5)就地及远程数据通讯功能 (6)就地显示和操作功能 本装置为中性点非直接接地系统的线路保设备,采用一套装置保护一条线路 的方式"根据上述需求,保护产品以分离板的形式设计"按照功能可分为:主板 (CPU)!交流输入单元(PTCT)!开关量输入直流输入单元(DIDC)!操作回路 (OPERATE)!人机接口(MMI)和电源单元(POWER)"图4一1为保护产品各 插件功能联系示意图,主要由六个模块组成,每个模块作为一个子系统设计在一 块印制板上,最后安装在标准机箱中"装置中各插件相互之间的信号传输以及内 部电源都通过总线板中介,总线板放在人机接口插件的后背,与外界隔绝避免了 外界噪声从总线板进入各插件,影响插件的可靠性"这样做么方面能充分利用有 限的机箱空间,使装置结构紧凑;另一方面,也方便了调试与维护工作,尤其是对 紧急修复的情况,只需更换相应的模块即可,大大减少了维护人员的现场工作量, 提高了装置的可靠性和可维护性" 4.2主板插件的设计(CPU) 主板插件作为本装置的核心插件,它包括了数据处理单元!数据采集单元! 数字量的输入/输出接口!通讯单元以及硬件测频电路等"主板的CPU采用 TMS320F2812,按照功能分为外部存储器扩展!通信接口!数据采集!测率电路和 CPLD等部分"图4一2为主板硬件系统的框图" 4.2.1CPU一TMS320F2812 处理器是整个控制系统的核心部分,处理器的时序控制着其他模块的工作" 在本装置中,微处理器需要完成多种功能,它负责模拟信号的调理滤波!采样! 模拟/数字转换!频率和相位的测量!开关量信号的输入/输出!通信!系统计时! 数据计算!逻辑判断等功能;给其他硬件芯片提供各种硬件接口等" 数据处理单元的CPU采用Tl公司的TMS32OF2812,TMS320F2812是Tl公 司新推出的一种32位定点高性能DSP芯片"特别适用于有大批量数据处理的测控 场合,如数据采集,工业自动化控制等"不但运行速度高而且具有丰富的片内外 设,便于接口和模块化设计"其总线采用哈佛结构,允许数据在程序存储器和数 据存储器之间传输"并且拥有独特的指令结构,硬件的乘!加法运算可以采用并 行指令,在单周期内可以完成一次整数或浮点数的乘法和ALU操作"具有统一的 寄存器编程模式,可达4MB的线性程序和数据地址空间,代码高效" 1.TMS32OF2812片上资源 TMS320F2812是一种高性能CMOS技术的处理器,低功耗(内核1.8V, I/o3.3v),支持JTAG扫描，其主要功能和资源如下。 1高性能32位CPU 16X16和32X32累加操作 16X16的双累加器 可达4M的程序空间和地址空间 与TMS320F24x/240源代码兼容 片存储器 128K的16位FLASH(分为4个SK和6个16K块) IKOTPROM 2块4K的SARAM(LO!Ll) l块SK的SARAM(HO) 2块IK的SARAM(MO!MI) 4KBOOTROM 外部接口 可达lM的访问空间 可编程外部访问等待时间 三个独立的片选信号 三个外部中断输入 外设中断扩展模块(PIE)可支持45个外设中断 3个32位CPU定时器 .电机控制外设 两个时间管理器(EVA!EVB) 与24OXA兼容 串口外设接口 1个SPI 2个标准的UA丑T 1个eCAN 1个MeBSP,可用作SPI .12位AD转换器,16通道输入 2x8个复用输入通道 单独或同时转换模式 转换速率:12.SMSPS 56个可编程!复用GPIO .时钟和系统控制 支持PLL(锁相环) 含有片上晶体震荡器 支持看门狗定时器模式 TMS320F2812结构框图如下图4一3所示 脚接入soM的外部时钟OSC,同时通过锁相环控制寄存器PLLCR设置n=1010, 使倍频时钟CLKIN=(oSCcLKxlo.0)/2,即可达到150MHz" 4.JTAG仿真 设计过程中的在线调试与仿真通过JTAG口niniTestActinnGrouP)标准侧试接 口进行"可以通过JTAG接口下载程序,也可以控制和观察系统中处理器的运行" 在TMS320系列DSP中,和JTAG测试口同时工作的还有一个分析模块,它支持 断点的设置和程序存储器!数据存储器!DMA的访问,程序的单步运行和跟踪, 依据程序的分支和外部中断的计数等"通过结合TI的集成开发环境(CCS)与JTAG 接口给应用DSP提供了很大的方便" 标准JTAG接口共有14个管脚,文献llv>指出当仿真头和JTAG目标芯片之间 的距离超过6英寸时,仿真信号应该加上缓冲,同时引脚EMuo!EMUI!TMS! TDI加上拉电阻连接到电源上"本设计中EMUO和EMUI通过上拉电阻连接到33V 电源,上拉电阻R为10K0"其接口电路见图4一5" 4.2.2外部复位.电路 通常内置的看门狗容易受代码错误的影响,它无法提供外部独立看门狗电路 所具有的保护能力,因此在对安全性能要求较高的应用中(如自动门!医疗设备! 机器人等),内置看门狗是无法接受的,从而需要采用独立的外部看门狗电路" 本设计中复位电路采用外部看门狗的方式,采用的芯片为仰53705;同时也 可将复位按键配置到总线板上"看门狗的工作是靠软件来控制的,/看门狗0本 身是一个可被清除的定时脉冲发生电路"如果没有清除脉冲的话,它将产生固定 频率的输出脉冲,这个脉冲引到系统的复位端"系统正常工作时,不断的发出控 制清除脉冲指令,使脉冲发生器没有输出,一旦系统失控,清除脉冲消失,/看 7〕狗0工作产生输出脉冲使系统复位"图4一6为外部看门狗的使用图"/材尺为手 动输入复位按键,当按键按下时/材R为低电平,则/尺石S石T输出有效,产生低电 平送入肠天S使DSP复位有效" TPs3705芯片为微控制器电源电压监控提供了电路初始化和定时监控功能, 主要用于基于DsP和处理器的系统中[l8]"在上电期间,当电源电压高于1.Iv时 /RESET开始有效,然后开始监控VDD的电压,只要VDD的电压低于门限电压 VIT+就一直保持瓜ESET为低"当电源电压上升到门限电压VIT+以上时,由一个 内部的延时定时器控制瓜ESER输出无效状态(高电平)以保证系统的可靠复位, 定时器的延时时间:tdtyP二200ms"当电源电压降落到门限电压(vIT--)以下, 瓜ESER输出再次变为有效(低电平),不需要连接其他外部器件"TPS3705具有 手动复位输入脚/MR,当此脚接低电平时/RESER输出变为有效(低电平)" TPS3705片上集成了电源故障比较器,可以用于低电池电压侦测,电源故障告 警是用于监控系统中另外一路电源电压"TPS3705片上集成了看门狗定时器,可 以通过在WDI管脚上加一个正的或是负的跳变来周期性的触发看门狗"当看门狗 超出定时时间tt(out)二1.65,没有再次触发时,wDO输出有效,这个动作可以重新 初始化看门狗定时器"当不需要使用看门狗时,可以通过不连接WDI来禁止看门 狗" 4.2.3存储器的扩展 TMS32OF2812的外部存储器接口包括19位的地址线!16位数据线!3个片选 及读/写控制线"这3个片选线映射到5个外部存储区域,Zoneo!1!2!6和7" 其中Zoneo和l公用一个片选线XZCSOANDI,Zone6和7公用一个片选XZCS6AND7" 这5个存储区域可以分别设置为不同的等待周期" 2.其它存储器扩展 MeBSp是MultiehannelBufferedSerialport的缩写,即多通道缓冲型串 行接口,是一种多功能的同步串行接口,它具有很强的可编程能力,可以匹配为 多种同步串行标准,直接与各种器件高速接口"在本设计中将McBSP配置为主SPI 设备形式,而SPI总线是Motorola公司提出的一种新型同步串行通信总线1191,DSP 可通过它与各种外围接口器件以串行方式通信!交换信息"它使用4条线:串行时 钟线(SCK)!主机输入/从机输出线(MISO)!主机输出/从机输入线(MOS工)和低电 平有效的使能信号(CS)"当McBSP被配置成主S1设备时,发出输出信号MDxA作 为主SPI设备的MOSI信号,接收输入信号MDRA作为SPI主设备的M工S0信号" 设计中MeBSP接口扩展的有FLASH芯片SST25VFO40!EEPROM芯片X25650和实 时时钟DS1305"SST25VFO40用来作为故障波形存储区"EEPROMX25650用于存储 一些重要的参数和数据!定值!装置编号!校验系数等,如保存规定好的继电保 护装置运行整定数据,供DSP进行结果判断"DS1305用于时钟,以显示时间和记 录下故障发生的时间"SST25VF040!X25650和DS1305都是通过MeBSP扩展的,所 以连接的管脚只是片选上不同,而同步时钟和输入输出线是公用的"具体来说片选 CS_FLASH!CS_EEPROM!CS_1305分别接TMS320F2812的MFSXA!MFSRA和MCLKRA 管脚,而F2812同时提供CLK信号!MOSI信号和MISO信号" 在电力系统中,电网的运行方式是经常改变的,这就要求继电保护装置在不 同的运行方式下执行不同的整定值"如果能预先制定出多种最常用!最重要的运 行方式,以此制定出相应的电网保护定值方案,并将这些方案对应的线路定值存 储在微机保护的多个定值区内,当运行方式改变时,由调度人员通知变电站!发 电厂值班人员,通过调整现场微机保护装置的定值区区号,来实现继电保护的定 值改变"就可解决当运行方式改变时,现场重新输人定值存在的不便之处[z0]"我 们采用X25650来实现存放定值的目的" X25650是XICor公司生产的SKxs位SPI串行EEPROM"EEPROM在工业控制系 统中是常见的配置,用于保存非遗失数据;在交流伺服系统中主要用于保存监控时 设定的参数!故障信息以及掉电时备份的参数信息" 传统的并行扩展EEPRoM存在以下缺点1211:(l)体积大,集成度不高;(2)挂靠在 并行总线上的器件越多,系统的稳定性和可靠性越低;(3)连线复杂,印刷电路板 (PCB)较大,增加布线的复杂性"(4)和其他并行扩展芯片共用同一个10空间,独 立性差,系统的操作和编程都不方便"而SPI接口的EEPROM则可克服以上缺点, 只是在容量和传输速度上不及并行扩展的EEPROM,但对一般的系统来说,X25650 完全能够满足容量和速度的要求,且X25650AE的电压工作范围是2.5一5V,可和目 前绝大多数CPU直接相连" DSP与X25650的硬件接口图如图4一8所示"TMS320F2812工作在主动工作模 式下,两者的时钟信号直接相连,当有信息传输时,SP工CLK引脚将出现设定频率 的方波信号,作为串行总线上数据输人/输出的控制时钟"F2812的MDxA/MDRA口 作为输出(MO)!输人(Ml)分别接X25650的输人(51)和输出(50),而MFSRA作为 X25650片选信号CS应用,当CS为低时X25650被选中,CS由高变低时X25650一 次时序操作开始,当本次操作结束后,CS由低变高"在对X25650的读周期,数据 被移至该管输出(50),且由时钟下降沿触发所有的指令!字节地址和往存储器的 数据写都输人到该引脚51,且在时钟的上升沿锁存"X25650还有两个控制引脚HOLD 和WP.WP为写保护引脚,当wP为/10时,写操作被允许,HOLD用于暂停信息传 输,在信息传输的过程中,当HOLD=/O0时可以暂停信息的传输,当HOLD=/10 时可以继续传输数据"当不需要此功能时,此引脚可固定接高电平" 为了显示时间和记录下故障发生的时间,本装置中同时设计了实时时钟电路" 常用的时钟芯片很多,按连接方式分为并行时钟芯片和串行时钟芯片"并行时钟 芯片的优点是读取方便快速!编程简单!可以直接与CPU总线相连;串行时钟芯片 的优点是体积小!占用硬件资源少,缺点是编程较为复杂,且时序要求较高"为 了简化硬件结构,本装置中采用了一种串行时钟芯片,即DS1305"DS1305可以 通过编程设置时钟报警方式,通过中断方式输出"Ds1305用二一十进制(BCD)码 表示实时时钟的秒!分!时!日!月和年等信息,对小于31天的月末的日期自动 进行调整,还包括闰年的校正功能:时钟的运行可采用24小时或带AM(上午)和PM (下午)的12小时格式卿]"为保证掉电能保持时钟,Ds1305同时使用电池供电" DS1305的接口电路如图4一9所示,DS1305的SDO!SDI!SCLK引脚经过 74LVC245电平转换后接入DSP的多通道缓冲型串行接口相应管脚" 4.2.4通信接口的设计 为了减轻微机保护装置中微处理器的负担,一般通过通信接口与上层管理机 或调试用微机来交换诸如整定值!采样值报告!故障报告!硬件测试命令与结果, 以及一些实时测量参数等信息" 随着新的通信技术和网络技术在电力系统中的不断应用,对各种微机测控保护 装置都提出了新的要求,为了适应这种发展,需要对现有的一些通信手段进行改 进,为此在保护装置中内嵌了各种通信模块,主要包括传统的RS一232C,RS一485标 准接口以及现场总线通信接口"为保持和传统通信方式的兼容性,装置保留了带 有RS一232/RS一485标准硬件接口,通过DSP自带的SCI接口以及扩展芯片来实现" 另一方面,由于CAN总线接口本身的一些特点和功能使其更适合用于电力系统设 备组网,为了增强装置在电力系统综合自动化中的通信能力,本装置设计了符合 CANZ.OB协议的现场总线通信接口"TMS320F2812自带有2个UART接口和1 个CAN接口"根据需求分析,对通信接口进行扩展"通信接口分为两部分,一部 分是直接使用DSP自带SCI和CAN通信接口:UA丑TO!UARTI用于RS一232; RS一485!CAN总线接口采用扩展,具体来说由并行总线扩展芯片TL16C752B扩 展RS一485,SPI总线扩展芯片MCP2515扩展CAN总线接口"本产品中,将RS 一485(双)接口和CAN(双)接口设计到主板上" 1.RS一485口设计 两个485接口由挂在DSP的并行总线上的TLz6C752B扩展,TL16C752B是Tl 公司推出的新型UART(UniversalAsynehronousReeeiverandTransmitter)收发器,它 可把从外围设备或调制解调器接收的串行数据转换为并行数据,也可将CPU并行 数据总线上的数据串行输出!到"该器件的主要特点如下:l)内置两通道uART系统, 可独立工作;2)工作时,最高波特率可以达到1.5MbPs(晶振24MHz时)或3MbPs(晶 振48MHz时);而且波特率可编程,允许任意输入参考时钟的1一(216一l)分频;3)具 有64字节发送/接收F工F0(接收FIFo包含错误标志)"由于收!发FIFo的启动和 停止触发等级可通过软件编程实现,因而减少了CPU的中断次数;4)可编程下列串 行数据格式:5,6,7,8位数据;数据奇偶校验或者无校验;1,1.5,2停止位" TL16C752的外部晶振选用UARTCLK=1843200,由此为基准,通过与波特 率寄存器的数值进行运算来确定波特率"RS485的电平转换芯片采用两片SV供电 的MAX487"图4一10为其示意图,具体的电路图见附录A" 2.CAN口的扩展设计 CAN(ControlAreaNetwork)即控制区域网,是主要用于各种设备监测及控 制的一种网络"CAN最初是由德国Bosch公司为汽车的监测!控制系统而设计的" CAN具有独特的设计思想,良好的功能特性和极高的可靠性,现场抗干扰能力强" 具体来讲,CAN具有如下特点: (l)低成本; (2)极高的总线利用率; (3)很远的数据传输距离(长达10Km); (4)高速的数据传输速率高达IMbit/S; (5)可靠的错误处理和检错机制; (6)发送的信息遭到破坏后可自动重发; (7)节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能; (8)报文不包含源地址或目标地址仅用标志符来指示功能信息优先级信息" 由于CAN总线具有以上一些特点,为工业控制系统中高可靠性的数据传送提供 了一种新的解决方案"其在国外工业测控领域已经有了广泛的应用,现国内的许 多工业控制领域也开始使用基于CAN的现场总线"CAN总线已成为最有发展前途的 现场总线之一" TMs320F2812本身自带CAN控制器,只需要配备一个CAN器驱动器就可以 输出一个CAN总线接口"另外,通过MCP2515扩展一个CAN总线接口"选用的 CAN驱动器均为TJA1050" TJA1050是控制器区域网络(CAN)协议控制器和物理总线之间的接口,可以为 总线提供差动发送性能,为CAN控制器提供差动接收性能"TJA1050是PCA82C25O 和PcA82c251高速以N收发器的后继产品侧]"主要区别在于: 1.输出信号CANH和CANL的最佳匹配,使电磁辐射更低" 2.节点未供电时,性能有所改进" 3.无待机模式 这使得TJAIOSO特别适合于在部分供电网络中节点掉电的情况下使用"图4一11 为CAN扩展示意图" MCP25巧是一种独立的CAN控制器,可通过SPI方式与单片机接口,实现CAN 通信,最高通信速率可达到IMbpS阵l"McP2515能够接收和发送标准数据帧和扩展 数据帧以及远程帧,通过两个接收屏蔽寄存器和六个接收过滤寄存器滤除无关报 文,从而减轻主单片机负担"MCP2515内部主要由三个模块组成:CAN协议模块, 主要包括CAN协议驱动!屏蔽器!过滤器!以及发送和接收缓冲器,主要负责与 以N总线的数据传输;控制逻辑和静态寄存器,用于设置芯片及其操作模式;SPI 接口模块,主要负责与MCU的数据传输"其工作原理如图4一12所示" MCP2515和TMS320F2812采用SPI的连接方式,图4一13中给出了MCP2515各 管脚标号"MCP2515的TXCAN和RXCAN管脚通过高速光电祸合器6N135与TJA1050 的TXD和RXD相连,并且光祸电路所采用的两个电源VCC和VDD也必须完全隔离, 电源隔离可采用小功率电源隔离模块如B0505T一lW即可,或通过带多5V隔离输出 的开关电源模块实现"总线驱动器TJAI050可以为总线和以N控制器提供不同的 发送和接收性能"TJA1050除了增强了EMC外,另外一个重要的特性是不上电时, 总线呈无源特性"这使TJA1050T在性能上大大优于以前的CAN总线收发器"设计 中TJA105O运行在高速模式也就是普通的工作模式,将TJAIOSO引脚S连接到地 可以进入该模式由于引脚S有内部下拉功能,所以当它没有连接时高速模式也是 默认的工作模式,在这个模式中总线输出信号有固定的斜率并且以尽量快的速度 切换,这种模式适合用于最大的位速率和最大的总线长度而且此时它的收发器循 环延迟最小" 需要注意的是在MCP2515和TMS32OF2812之间不能直接连线,由于两个芯 片的电压不同所以需要添加相应的电压转换芯片74LVC245"TMS32OF2812的SPI 接口有主和从两种操作模式,将SPI操作控制寄存器SPICTL的MASTER/SLAVE 位配置为1即可设DSP为主工作模式,当DSP工作在主模式下由DSP为整个串 行通信网络提供时钟" 4.2.5测频电路 频率测量是电力系统测量中一个十分重要的环节"电力系统中采样对测频要求 有一定的实时性"电网频率范围在45Hz与55Hz之间,一般在49.5与50.5之间波 动=26],为保证同步采样,需要对交流信号的频率进行实时的测量,以便调整采样的 时间间隔"为提高抗干扰能力,电路设计成过零比较方式,将频率转换成输入脉 冲信号,送到DSP的CA卫口的3和4"通过计算脉冲数计算频率" 测频电路输出的矩形波通过CAP口接到DSP的捕捉脚,以便计算电压的频率" 此频率乘以每周波的采样点数作为交流采样的采样频率"为了能在谐波状态下频 率准确测量,采用二阶RC滤波"工频信号VFI经过二阶RC滤波后接入0P07的 反相端"当信号电压低于GNDV时,输出端开路,光隔电路输出信号MFI输出高 电平,当信号电压高于GNDV时,输出端接地,光电隔离电路导通,MFI输出低 电平"这样输出方波信号与输入的工频信号相位相同"原理见图4一14" 4.2.6CPLD的设计 CPLD是在传统的PAL/GAL基础上发展而来的,具有高集成!高速!高可靠性 并且拥有丰富的可编程工/0引脚的可编程逻辑器件,在超高速领域和实时测控方 面有非常广泛的应用卿>"CPLD最大的优点就是延时可预测,比较适合于时序逻辑 控制的应用,在系统接口有特殊要求的情况下,只要更改其逻辑文件即可满足用 户要求,使系统灵活方便,而且缩短了开发周期" 在大规模集成电路和超大规模集成电路被广泛应用之前,基本逻辑的实现都 是采用小型集成电路(55工)和中型集成电路(MS工)"这种设计思路不但要使用大量 的外围芯片,而且需要主处理器直接控制各种采集模块和控制模块,并完成各模 块和通道的自检"因此,这种解决方案需要占用主处理器大量的端口资源和处理 时间"然而,一般处理器的端口资源极其有限,而且又要求大量的汇编软件配合, 这就使设计移植变得比较困难;此外对端口资源的频繁操作也不利于系统软件的 设计和其他软件模块的实时执行"可见采用传统的设计方法不但使系统设计较为 庞大,而且开发成本高!设计周期长!设计效率低" 本系统中的逻辑控制系统包括系统中各个模块和外围设备的读写控制信号! 锁存信号!中断信号和A/D转换器的控制信号等等"逻辑控制系统是CPU操作外 围模块的桥梁,它将整个系统联系成为一个有机的整体"因此设计中采用Latt1Ce公司高性能ISPMACH4000系列的CPLD,ISPMACH4128芯片来进行地址译码!逻辑 组合,I/O接口扩展,信号分频,时序配合等"该芯片采用3,3V供电,I/0口5V 容忍,最高速度达333MHz,具有128个宏单元!68个1/0口,完全能满足设计的 需求"图4一巧为CPLD功能示意图" 本系统的CPLD软件采用硬件描述语言VHDL,从系统的整体功能出发,自上至 下(Top一Down)的逐步将设计内容细化实现各种器件的逻辑控制功能"使用的软件 为Alters公司出品的Maxplus2.整个程序包括:USe定义,包含了一些标准定义库 文件"Entity定义,定义了用到的端口的名称,输人/输出状态和数据类刑名字" Architecture定义区,具体指明了CPLD的行为,即定义了它应该完成的具体功 能.CPLD的外部管脚如图4一16所示 4.2.7数据采集的硬件结构及其实现 根据技术指标要求,数据采集单元主要实现以下功能: (l)多路模拟量的采集:对H路输入模拟量进行AD转换"实现保护的逻辑判 断需要用到多个交流参数,获得这些参数的采样和计算工作由模拟采样模块完成" 对线路保护单元来说,保护逻辑中用到的需要测量和计算的物理量有母线A,B,C 相的电流Ia,Ib,Ie,相电压Ua,Ub,Ue,线电压Uab,Ube,Uea及母线频率,有 功功率,无功功率等" (2)同步采样:所谓同步采样是指在采样时刻对多路模拟量同时采样,然后将所有的采样值保持"在AD转换器开始转换第一路模拟通道时,其它通道的模拟量 采样值被保持,AD转换器在完成第一路模拟通道的转换后,开始转换第二路,依 次类推" (3)电平转换:将采样后的5V数字信号通过电平转换为可与DSP处理器相匹配 的3.3V数字信号" 虽然F2812片内集成了2个12位的ADC共16路输入通道,对于一般的中低 压设备而言,12位的精度基本可以满足其对保护的要求(通常5%级精度)"但是, 本装置需要能够有较高的测量精度,需要达到0.2%级,同时要求A/D转换时间较 短"基于这一原因,F2812内部的ADC模块仅有的12位精度无法满足要求"因此, 本装置中采用美国TI公司的TLC3578作为AD转换芯片,TLC3578是双极性输入! 8通道的14位高速A/D转换器,它采用逐次逼近原理进行A/D转换,芯片内置模 拟量多路转换开关,可编程实现8路同时采样,或选择不同通道采样,并自动实 现采样保持功能,转换一路的最长时间为3ps"电压和电流传感器副边的测量信 号经过RC低通滤波后将信号送TLC3578中进行转换,结果输出到DSP控制单元" 具体设计中,串行A/D通过DSP的串行外围接口SPI控制,而片选和控制信号时 序则在CPLD内部由DSP的地址信号和读写控制信号组合产生" 综上所述,选用TI公司的14位串行A/D(模数)转换芯片TLC3578,串行 川D通过DSP的串行外围接口SPI控制,图4一17为TLC3578的引脚图" TLC3578共有24个管脚,如图所示,其中: A任一A7:模拟信号输入" CS:片选"接到PORI:A的GPIOA15(C3TRIP)"低有效,当CS为高电平, SDO为高阻状态,SDI无效,时钟信号无效"CS的下降沿复位内部4位寄存器, 使能SDI和SCLK,改变SDO的高阻状态"如果CS下降沿FS为高,CS下降沿 开始操作周期,CS作为55提供给SPI;如果CS下降沿FS为低,FS上升沿开始操作周期,CS作为片选选择不同川D" FS:祯同步"FS的上升沿表明串行数据祯传输开始"如果CS下降沿FS为低, FS的上升沿初始化内部计数器,并使能SDI!SDO!SCLK" CSTART:外部采样触发信号"PORT-B的GPIOB6(T3PWM)"当芯片处于 扩展采样模式(异步采样),CS下ARI,开始指定模拟通道的采样"高一低开始模拟信 号的采样,低一高进入保持状态,开始转换"CSTART必须保持高电平足够的时间 保证转换完成"转换过程与SCLK!CS!FS无关" EOC(INT):EOC,转换结束,仅用于转换00模式,采样结束时EOC从高 到低,并保持低电平直至转换结束数据生成;INT,中断,下降沿表明己生成数据 准备输出,该信号在CS丰!FSt!CSTART吝清除" SCLK:串行时钟"接到PORT-F的GPIOFZ(SPICLKA)"当选择外部转换时 钟模式时,也可作为转换时钟源" SDI:输入端"连接到PORT-F的GPIOFO(SPISIMOA)"高4位为指令位, 除了写CFR指令,其他位为O"输入从最高位开始,FS模式是FS下降沿后的第 一个SCLK下降沿锁存,CS模式是CS下降沿后的第一个SCLK下降沿锁存"其 余位在SCLK上升沿移位,在SCLK下降沿锁存"当计数器达到16后或CS由低 变高,则SDI无效" SDO:输出端"连接到PORT-F的GPIOFI(SPISOMIA)"输出从最高位开始, FS模式是FS下降沿后的第一个SCLK下降沿前有效,CS模式是CS下降沿后的 第一个SCLK下降沿前有效"其余位在SCLK上升沿移位,在SCLK下降沿前有 效" COMP:内部补偿"与模拟地AGND之间0.luF电容" REFM:外部参考输入"接模拟地AGND" REFP:外部正参考输入" AVDD:模拟电源" AVGND:模拟地" DVDD:数字电源" DVGND:数字地" 由于每个TLC3578提供8个模拟量通道,所以采用两片AD构成16个测量量 通道,通过设定状态寄存器CMS字为01采取转换模式为重复模式,在一个操作 周期内对扫描序列中的所有通道进行多次采样和转换"结果保存在FIFO中"如果 在转换完成后没有读FIFO,数据将会被下一个操作覆盖"该模式开始要执行 wRITECFR设置寄存器的转换模式为01,然后执行SELECT指令,然后是该通 道采样转换直到FIFO满"如果是CS或FS触发采样,SDI数据必须是SELECT 指令之一,但在FIFO满之前是无效的"操作结束后,CPU读取FIFO,然后重新 选择通道或重新配置继续操作"由于TLC3578和F2812的电压不一致,需要加以 缓冲,设计中采用74LVC245进行电压转换" 4.3交流插件的设计(PTCT) 在设计交流插件(电流互感器!电流互感器)时,首先考虑隔离消除电流互感器! 电流互感器一次侧和二次侧间电的联系"输入地与模拟地不直接连在一起,防止 干扰由地窜入弱电回路"同时加设屏蔽也是有效的抗干扰途径,需要注意的是屏 蔽一定要可靠接地"否则不但不能取得应有的抗干扰效果,反而会通过线匝与屏 蔽层之间的藕合电容,使一次侧干扰窜入二次侧" 本单元包括电压/电流互感器和模拟调节电路"设计为16路通用交流模拟量输 入,根据实际需求可配成电压或电流输入,电流互感器可根据需求可选择保护CT 或者测量CT"本装置的交流采样使用SPI接口的TLc3578,而TLC3578的电压 输入范围是一10V一+lOV,因此经PTCT的交流信号需经过调节电路才能满足需求" 由于电压互感器!电流互感器为电流型,输入通道的调节电路因此采用图3一19 所示的电路,该电路加设由OP07构成放大电路和电压跟随器电路,理想的跟随器 输入阻抗无穷大!输出阻抗为零,有效的隔离了跟随器以前各环节和跟随器以后 各环节"由于精密互感器副边带载能力有限,互感器的副边经放大部分后接电压 跟随器输入端"构成电压跟随器的输出可以认为是理想的电压源,利于测量"由 图可知输出U=VIxR"根据需求可改变R的值,从而改变比例系数,获得满意的信 号" 4.4开关量输入直流输入插件(DIDC) 开关量的输入回路是为了读入外部接点的状态"包括断路器和隔离开关的辅 助接点或跳合闸位置继电器接点!外部装置闭锁接点!压力继电器接点,还包括 装置上压板位置输入等"本单元包括16路开关量输入和2路直流量输入" 4.4.1开关量输入 本装置除了输入模拟量(交流电压!交流电流)信号外,还要处理输入的开关信 号"开关量输入根据需求可为24V的有源开关量,同时配置成接受无源开关量"同 时在其输入加有抗共模干扰电容"图4一20为一路DI的原理图" 为防止干扰信号的误动作,在输入端口串一个稳压管DS,同时为保护光藕在 其两端并联一个二极管D21"16路开关量经过隔离,通过施密特触发器74LVC14 进行整形后与CPU并行总线相连接,由CPLD分配给其地址采用查询方法将其一 次性读入" 4.4.2直流输入 直流量输入通道接受4一20mA信号,设计中使用DSP的片上自带的12位川D, 为保护DSP,采用隔离,隔离运放采用150122,同时也隔离前后使用隔离的两路 电源"为提高抗干扰能力,电流采样调节电路采用差分输入的形式"DSP片上AD 输入模拟信号幅值不能大于3V,因此在其输入端加上限幅电路"图示为直流输入 的原理图" 4.5操作回路插件(OPER八TE) 操作回路完成对断路器的操作,并提供相应的信号"包含跳/合闸保持回路! 防跳回路!保护合/保护跳回路!遥跳/遥合回路!手跳/手合回路!跳闸压力回路! 合闸压力回路" 操作回路中包括16路DO"DO部分着重考虑了一个防误动的问题,与通常的 使用CPu的10口直接控制DO的输出方式不同,在设计中采用了一个较为安全 的控制方式"其方法是将DO的逻辑做到CPLD中,由CPU向CPLD发控制字, CPLD的输出引脚经过光隔后!再经过放大后驱动继电器动作"具体电路见附录A" 在上述操作过程中,包含了两种防误动的措施,第一是D户J,和VER的相反 校验,只有这两位是相反的才为有效的输出,避免了干扰信号造成的误动作;第 二在CLK的上升沿时输出DO信号,对DO的状态进行了锁存,这样避免CPU 复位造成的DO误动" 4.6 4.6人机接口插件(MMI) 在很多情况下,装置必须接收操作人员的干预,例如整定值的输入或者更改, 工作方式的变更,对单片微机系统的检查等都需要人机对话"人机接口插件可以 完成键盘输入!显示!故障数据和定值存储!与CPU主插件的数据交换!串行通信 等功能"该插件的结构框图如图4一23所示"保护装置面板上装有液晶显示器!6个 按键包括确认和取消键!复归按钮!7个指示灯和一个与上位机通信的RS232串口" 具体电路图见附录A" 4.7电源插件(POWER) 微机保护装置对电源要求较高,通常采用逆变电源的方式,即将直流逆变为 交流,再把交流整流为保护装置所需的直流电压"这样可以把来自强电系统的直 流电源与保护装置的弱电系统电源完全隔离开"逆变后的直流电源具有很强的抗 干扰能力,可以消除来自断路器动作时等产生的强干扰"本装置电源单元是使用 逆变开关电源,能提供+5V!土12V和两路单独24V路直流电源,此外分别通过 ASlll7M3一3.3和ASlll7M3一1.8获得DSP所需的电压"具体电路见附录A,下图 为电源给各端口供电示意图" 4.8本章小结 本装置硬件采用模块化的设计思想,按功能划分为不同的插件,提高开发的效率"主芯片采用TI公司的TMS300F2812,外围扩展逻辑芯片CPLD简化了电路,为控 制功耗和提高可靠性提供了有效保证"CPLD可以在线编程,芯片中的逻辑功能可 随时根据要求进行改变,给系统的开发升级带来了方便"A/D采样!时钟!FLASH 及EEPROM都采用串行方式扩展大大的减少了资源占用"在通讯上兼顾了RS一485和 CAN,RS一485保持和传统通信方式的兼容性,CAN适合用于电力系统设备组网,满 足了实际需要"基于DSP和CPLD的电力保护系统硬件结构简单!数据处理速度快! 准确度高,抗千扰性能强,能使所保护的线路更安全!可靠!稳定地运行"袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈 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