毕业设计（论文）微机型成套线路距离保护装件设计.doc

摘要在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系统的安全稳定运行提出了更高、更严格的要求。距离保护作为线路保护的基本组成部分，其工作特性对电力系统的安全稳定运行有着直接和重要的影响。为了适应现代超高压电网稳定运行的要求，微机保护装置在硬件和软件上都提出了越来越高的要求。本文首先介绍了微机继电保护装置的发展现状和趋势，阐述了继电保护的一般性原理、分类以及电力系统对继电保护装置的基本要求。在总结了输电线路微机距离保护研究现状的基础上，分析了国内现有微机保护硬件的现状，对比了8位、16位单片机以及DSP的保护方案，并总结了其优缺点，提出了一种基于ARM微处理器的保护方案。本装置以广州周立功单片机发展有限公司生产的DEVICEARM2200工控板作为保护CPU，主要负责控制数据采集、采样数据处理、实现保护功能、人机界面以及外围串口和以太网通信等，再配合其它器件实现采样保持、多路选择择开关和开关量输入输出的控制。本文实现了微机保护方案的硬件设计，完成了处理器外围电路和采样电路环节的设计。关键词：微机距离保护；硬件平台；DEVICEARM2200ABSTRACTIn the modern power network,the security and stability during power systerms operating is required higher and more strictly,with the raising of the extra-high-pressure,high-capacity and long-distance power transmission line.Distance relay is rhe primary clement of the transmission line protection,the performance characteristic of which has a direct and vital affect on the security and stability during power systerms operating.For adapting to requirement for working stably in the modem extra-high-pressure power network,microprocessor-based distance relays are required higher and higher on not only hardware but software.Firstly,the development status and trend of microprocessor-based relay protection device were introduced.Expatiated the general principle,sort and requirement to relay protection device of power system of relay protection.On the base of generalizing the existing condition of microprocessor-based distance relays at the power transmission line,this subject analyzed the existing condition of the hardware of distance relays,compared 8-bit,16-bit SCM and 32-bit DSP protection scheme,and generalized there merits and demerits,then gave a scheme of realays based on ARM processor.The device used DEVICEARM2200 made by Zhouligong company to be the protective CPU,which mainly answered for controlling data acquisition,the sampled data ptocessing,the ptotective function implementation,the human machine interface(HMI) and peripheral serial interface and Ethernet communication,and used other devices to be assistant to control sampling/holding,multi-path option switch and the I/O switching value.The subject realized the hardware design of the microprocessor-based protection scheme,and completed the designs of the processors peripheral circuits and sampling circuit.Key words: Microprocessor-based distance relay;Hardware platform;DEVICEARM2200摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 概述11.1.1国内微机继电保护装置的发展历史及现状11.1.2 微机继电保护的发展趋势21.1.3 微机继电保护的特点31.2 本课题研究的背景及意义31.3 本文所做的主要工作4第二章 微机距离保护的原理42.1 距离保护作用42.2 距离保护的基本原理52.3 距离保护的时限特性72.4 距离保护的组成元件82.4.1启动元件92.4.2 距离元件92.4.3 时间元件92.5 距离保护的整定92.5.1 速动距离保护整定原则（距离段）92.5.2 限时距离保护整定原则（距离段）92.5.3 后备距离保护整定原则（距离段）102.6 阻抗继电器的分类102.6.1 直线特性阻抗继电器102.6.2 圆特性阻抗继电器102.6.3 四边形特性阻抗继电器102.6.4 多边形特性阻抗继电器11第三章 装置的体系结构113.1 嵌入式ARM处理器的概述113.1.1 ARM微处理器的结构113.1.2 ARM微处理器系列错误！未定义书签。3.1.3 ARM微处理器的特点123.2 ARM处理器选型12第四章 基于DEVICEARM2200的硬件组成144.1数据采集单元144.2 开入开出模块164.2.1 开关量输入回路164.2.2 开关量输出回路174.3通信模块184.4人机交互模块194.4.1 LED指示灯电路204.4.2 显示电路204.4.3 按键电路204.5实时时钟单元214.6电源22第五章 总结与展望23致谢24参考文献24第一章 绪论1.1 概述电力系统可能发生不正常运行状态和各种故障，可能引发事故，并导致用户停电或电能质量下降，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。继电保护装置能检测电力系统故障及不正常运行状态，动作于断路器跳闸、自动隔离故障，或发出故障告警信号，有助于运行人员或其它自动装置进行故障处理。因此，继电保护是保障电力系统稳定运行的重要手段。电力系统继电保护所研究的内容包括两个方面：一是继电保护各种新原理的研究；二是继电保护各种装置的开发。纵观继电保护的发展历史，继电保护原理是伴随着电力系统的发展而不断发展；也随着电子器件，特别是微处理器芯片的发展而不断发展。由于电力系统规模的扩大及电压等级的提高，为了保证电力系统的安全可靠运行，必须研究动作速度快，灵敏度高，选择性好的继电保护原理，因而继电保护原理从简单的电流保护逐步发展到复杂的距离保护和高频保护，芯片也从8位微处理器发展到16位、32位处理器，运算的速度也越来越快，执行的功能也越来越多，越来越复杂。1.1.1国内微机继电保护装置的发展历史及现状我国自1979年开始微机保护的研究工作。首先在高等院校和一些科研单位开展了微机保护的研究工作，1984年4月，华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDWI型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。到目前为止，微机保护装置已经涵盖了常规保护的所有领域，在220kV以上电压等级的电网中微机线路保护的普及率达到了90%以上。我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为四个阶段。第一阶段是以单CPU的8位微机处理器构成的微机保护装置。其主要特点为：保护采用8位微机处理器MC6809构成微机系统，由于MC6809仅仅是一个CPU，因此需要在外部扩展许多硬件电路，所以总线必须引出插件，保护的存储器容量较小，程序和保护的定值均存放在EPROM中，定值的改写十分不方便，保护装置中仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟便停止运行，硬件不具备数据远距离传输功能。由于仅有一个CPU，所有的保护功能只有集中在这个CPU处理可靠较低。其代表产品为WXB-01微机高压线路保护装置。第二个阶段是以多个8位单片机组成的多微机系统。其主要特点为：具有多个8位单片机，由于采用了单片机，需要外部扩展的硬件电路较少，因此可以做到总线不引出插件，保护装置的定值存放在EPROM中，修改十分方便。系统设有硬件时钟芯片，依靠备用电源的支持，装置直流电源消失后硬件时钟可以继续运行，硬件上设计了进行远距离数据传输的串行接口，由于硬件由多个单片机系统组成，因此一条输电线路的多种保护的功能可分散于不同的单片机系统，从而增加了保护装置的可靠性。其代表产品为WXB-11系列微机保护装置。第三个阶段是以16位单片机构成的多微机系统。例如以英特尔公司的80C196K13构成的微机系统.有些单片机内部资源丰富，具有较大容盈的RAM和EPROM，因而可做到不需在芯片外部扩展存储器，同时做到总线不引出芯片。例如以日本三菱公司的M77芯片构成的微机系统，单片机内部有2-4K的RAM容量，32-120K的EPROM或闪存和8个定时器，两个串行口，因此不需要用总线扩展外部存储器。保护装置的硬件设计除具有硬件时钟外，还具备接收GPS全球定位系统秒脉冲的接口，具备较完菩的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中，其代表产品为CSL系列微机保护装置和LFP-900系列微机保护装置。第四个阶段是16位MPU+32位DSP构成的多微机系统。MPU+DSP结构是目前讨论的比较多的方案，其主要特点是:采用32位DSP作为保护CPU完成所有的保护算法和逻辑功能;以16位单片机作为管理CPU，完成保护装置的总启动元件、人机界面和后台通信功能。这种方案一方面可以利用DSP擅长数据处理和浮点运算的特点，使DSP专注于完成保护算法;另一方面也可以降低软件设计的复杂程度.这种方案目前正处于讨论和研制过程中。1.1.2 微机继电保护的发展趋势随着电力工业的发展，高压配电网络的结构、用电负荷性质和用户对供电的要求都发生了很大的变化，这也对继电保护工作提出了越来越高的要求.对系统保护性能和功能需求的不断提高也是促使担任微机保护装置的处理器位数不断提升主要原因之一，目前出现的32位的处理器主要有:32位DSP(数字信号处理器)和32位ARM(Advanced RISC Machine)两种。DSP是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器。DSP的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大。将数字信号处理器应用于微机继电保护中，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅里叶变换算法的计算时间。不但可以完成数据采集、信号处理的功能，还可以完成以往主要由CPU完成的运算功能，甚至完成独立的继电保护功能.其中美国TI公司生产的.TMS320系列最具代表性。ARM是基于RISC (Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机)构建的微处理器。ARM微处理器支持Thumb (16位)/ARM (32位)双指令集，能很好地兼容8位/16位器件;寻址方式灵活简单，执行效率高;指令长度固定。另外，它还具有体积小、功耗低、成本低、高性能等显著特点，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有70%以上的32位嵌入式产品市场份额，可以说是目前最为流行的微处理器。1.1.3 微机继电保护的特点（1）微机继电保护以微型计算机为基础，用数字电路代替传统的模拟电路，软硬件技术的成熟与完善，使得微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，具有存储记忆功能，可以实现任何性能完善且复杂的保护原理。（2）所有的计算、逻辑判断均由软件完成，而成熟的软件一次性设计测试完成后，就不必在投产之前再逐项进行试验，使得微机保护维护调试方便，如果要对微机保护的工作原理、功能配置和运行结构进行改进，只需要对软件进行修改，不必改动硬件电路。 （3）微机保护可连续不断地对自身工作情况进行自检，其工作可靠性很高。（4）微机保护装置能保证在任何时刻都不断地进行采样计算，反复准确地校核，动作的准确率很高。（5）微机保护可以做到硬件和软件资源共享，在不增加任何硬件的情况下，只需增加一些软件就可以获得如故障录波、故障测距、事故顺寻记录等辅助功能，这对于简化保护的测试、事故分析和事故后的处理等都有重大意义。（6）完善的人机界面似的装置使用灵活，方便，人机交流好。（7）微机保护中集成了串行通讯功能，与变电站微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控的特点，管理人员可以随时检测保护装置的运行状态、调用数据和改变定值，为现代化管理提供物质条件，并将微机保护纳入变电所综合自动化系统。1.2 本课题研究的背景及意义在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系统的安全稳定运行提出了更高、更严格的要求。距离保护作为线路保护的基本组成部分，其工作性能对电力系统的安全稳定运行有着直接和重要的影响。距离保护性能改善的一个重要方面是在确保其动作的可靠性和选择性的条件下，加快保护的动作速度。目前，提高保护速度面临的主要问题是距离保护采用故障后的稳态基频分量构成，在实际故障信号中包含有大量非基频噪声信号的情况下，保护动作速度越快，基频分量的滤波精度越差。为了适应现代超高压电网稳定运行的要求，设计者们除了在软件上尽力简化算法和提高算法的效率，对硬件的要求也越来越高。采用32位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受A/D转换器分辨率的限制，超过15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（Cache）和浮点数部件都集成CPU在内。针对以上问题，本文所提出的基于ARM微处理器的输电线路微机距离保护方案，整个装置不仅可以满足电力系统继电保护装置选择性、速动性、灵敏性、可靠性以及实时多任务的几大要求，而且可以满足微机保护智能化、网络化和程序模块化的发展趋势，因此具有较高的推广价值。1.3 本文所做的主要工作本文针对输电线路微机距离保护进行了深入的研究，主要做了以下几个方面的工作： （1）在广泛阅读文献资料的基础上，总结了电力系统微机保护的研究现状，分析了本课题的研究意义和价值。 （2）分析和总结了国内外现有微机保护硬件的现状，提出了以周立功公司生产的DEVICEARM2200嵌入式工控板作为保护CPU的微机距离保护方案。 （3）在硬件结构上进行了模块化设计，包括电源电路设计、时钟电路设计、保护模块电路设计、信号输入输出电路设计、通讯和网络接口电路设计、人机界面的显示电路设计，使该保护装置在硬件结构上相互独立，并采取光电隔离，增强装置的抗干扰性。第二章 微机距离保护的原理继电保护按照被保护对象可分为两大类:主设备保护和线路保护。由于我国电网构架薄弱，因此对于微机线路保护装置的要求很高，一直是研究的焦点之一。2.1 距离保护作用电流电压保护应用在结构简单的电网中时，一般能满足选择性、灵敏性和速动性的要求。但在大容量、高电压或结构复杂的电网中就难以满足要求.就电流保护的保护区来说，不仅随电网运行方式的变化而变化，而且还与短路故障类型有关。当电网处于大运行方式时，电流速断保护区就较长;当处于小运行方式时，保护区就较短.若电网运行方式变化较大，则在最小运行方式时电流速断保护就可能没有保护区。就某一运行方式，三相短路故障时的保护区要大于两相短路故障时的保护区。可见，电流速断保护区是不稳定的。就电流保护的灵敏度来说，因在长距离重负荷线路末端附近发生短路故障时，短路电流可能和负荷电流差别不大，所以灵敏度不能满足要求。另外，过电流保护动作时限较长.虽然微机对于电流保护反时限特性实现并不困难，但在高电压、结构复杂的电网中，反时限特性的配合很困难，有时达不到缩短时限的目的。而距离保护因为受运行方式变化的影响较小，且利用单端电气量来判别故障，原理实现方便经济，在高压超高压输电线路中占据着非常重要的地位。此外，值得注意的是在国内外，将微机技术与继电保护技术结合，都是以研究微机距离保护为开端的.例如1965年初，英国剑桥大学的P.G.McLaren等提出了利用采样技术实现输电线路的距离保护。1969年前后，美国西屋公司的G.D.Rockeffeller等开始进行具体装置的研制，并于1972年研制出第一台微机继电保护的样机.我国在70年代后期至80年代广泛开展了各种微机算法以及样机的研制，在1984年由华北电力学院研制出第一台以6809 (CPU)为基础的距离保护样机。2.2 距离保护的基本原理在距离保护中，阻抗继电器(或称阻抗元件)是一个核心元件，它能测量保护安装点到线路故障点间的阻抗，而方向阻抗继电器不仅能测量阻抗而且还能测量出故障点的方向。因输电线阻抗大小即反映线路的长度，故继电器测量阻抗也反映了故障点离保护安装点的距离。下面以方向阻抗继电器为例说明距离保护的基本原理。在图2-1 (a)中，设阻抗继电器安装在线路MN的M侧，继电器安装处母线上的测量电压为，由母线流向被保护线路的测量电流为，当电压互感器、电流互感器的变比为1时，显然、即为接入继电器的电压、电流。M(a)NZ(b)图2-1 距离保护基本工作原理图（a）一次系统图；（b）工作电压相位变化当被保护线路上发生短路故障时，阻抗继电器的测量阻抗为 （21）为使等于故障点到母线M侧的线路阻抗（正序阻抗）。对于三相短路或相间短路，（），即相间电压；，即为同名相的两相电流之差。对于接地故障，（），即相电压；，即为带有零序电流补偿的同名相电流，其中零序电流补偿系数，而、是被保护线路单位长度的零序阻抗、正序阻抗。设阻抗继电器的工作电压（也称补偿电压）为 （2-2）式中阻抗继电器的整定阻抗，整定阻抗角等于被保护线路阻抗角。由图2-1（a）可见，即为Z点电压。当Z点发生短路故障时，有，故即为MZ线路段得正序阻抗。这样，是整定阻抗末端的电压，当整定阻抗确定后，就可在保护安装处测量到。显然，反应接地短路故障的阻抗继电器，工作电压为 （2-3）反应相间短路故障的阻抗继电器，工作电压为 （2-4）显然，保护区末端Z点短路故障时，有，又（2-1）和（2-2）得。正向保护区外点短路故障时，因为和的阻抗角相同，且，所以。同理，正向保护区内点短路故障时，有，。当反向保护区点断路故障时，流经保护的电流与规定正方向反向，所以（注意：这里所说的的含义是同相位）不同地点发生短路故障时的相位变化如图2-1（b）所示。显然，检测工作电压的相位变化，不仅能测量出据故障点阻抗的大小，还能测出短路故障的方向。显然，可作为方向阻抗继电器的动作判据。在微机保护中通常用比相法来实现的动作判据。设置极化电压（一般与同相位）作为参考向量，当与反相位时，判定为区内故障；当与同相位时，判定为区外故障（包括反方向故障），如图2-2所示。图2-2 区内、外短路故障时与的相位关系（a）区内短路故障；（b）区外断路故障2.3 距离保护的时限特性为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛采用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如图2-3所示，并称之为距离保护的、III段。BA21C图2-3 距离保护的作用原理（a）网络接线；（b）时限特性距离保护的第I段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，距离I段只能保护本线路全长的80%85%。距离保护的第II段就是为了切除本线路末端15%-20%范围以内的故障。为了保证距离保护的选择性，距离II段带有高出一个的时限。距离I段和II段联合构成本线路的主保护。为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离I、II段的后备保护，还应该装设距离保护III段，其动作时限应比其保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个。2.4 距离保护的组成元件 距离保护装置主要有以下元件组成，其逻辑关系如图2-4所示。起动&出口跳闸图2-4 三段式距离保护的组成元件和逻辑框图2.4.1启动元件 启动元件的主要作用是在发生故障的瞬间起动整套保护，并和距离元件动作后组成与门，启动出口回路动作于跳闸，以提高保护装置的可靠性。在本保护装置中采用两相电流差启动。2.4.2 距离元件距离元件的主要作用实际上是测量短路点到保护安装地点之间的阻抗(亦即距离)。2.4.3 时间元件 时间元件的主要作用是按照故障点到保护安装地点的远近，根据预定的时限特性确定动作的时限，以保证保护动作的选择性，一般采用时间继电器2.5 距离保护的整定2.5.1 速动距离保护整定原则（距离段） 速动阻抗继电器定值按躲过本线路末端故障整定，一般按被保护线路正序阻抗的85%计算，即 （2-7）式中，阻抗继电器段得整定阻抗； 可靠系数，取0.85； 被保护线路的正序阻抗。2.5.2 限时距离保护整定原则（距离段） （1）与相邻线路距离保护第段相配合，并考虑分支系数的影响 （2-8）式中，阻抗继电器段得整定阻抗； 分支系数，小于1； 相邻线路的段整定阻抗。 （2）躲开线路末端变电所变压器低压侧出口处短路时的阻抗值，整定计算如下： （2-9） 式中，变压器的阻抗。 按照上述两个原则整定后，应取二者数值较小的一个作为阻抗继电器段得整定阻抗。2.5.3 后备距离保护整定原则（距离段） 后备距离保护按躲过线路最大负荷时的负荷阻抗，并考虑外部故障切除后电动机自起动时，距离段必须立即还回的原则配合整定，起整定计算如下： （2-10） 式中，阻抗继电器段得整定阻抗； 可靠系数，取1.2-1.25； 负荷自起动系数； 还回系数，取1.15-1.25 最小负荷阻抗。2.6 阻抗继电器的分类按阻抗特性区分主要有直线形阻抗继电器、圆特性阻抗继电器、四边形阻抗继电器等。2.6.1 直线特性阻抗继电器直线特性阻抗继电器主要有电阻型继电器，电抗型继电器以及限相继电器，其阻抗特性在阻抗复平面中分别为一直线。电阻继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电阻值，电抗继电器动作与否，只取决于测量阻抗的电抗分量。直线特性虽然判据简单，但无方向性，而且不能准确反映实际测量的阻抗变化情况，因此单纯利用电阻、电抗值作判别误差很大，在实际应用中效果并不理想。2.6.2 圆特性阻抗继电器圆特性阻抗继电器主要有全阻抗圆，方向阻抗圆以及偏移阻抗圆，其中偏移阻抗圆是传统继电保护中，应用最为广泛的阻抗继电器。它实际是把阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆，以便继电器的制造和调试，简化继电器的接线。其中全阻抗圆特性无方向性，方向阻抗圆存在电压死区，偏移阻抗圆特性是前两者的综合，特性较好，应用较多。2.6.3 四边形特性阻抗继电器四边形特性阻抗继电器是综合了电阻电抗型直线特性，并考虑了阻抗的方向性，是一种较为精确反映故障测量阻抗边界的阻抗继电器，并且具有良好的抗过渡电阻的能力。在传统继电保护中因难于实现而很少使用，但随着微机保护的出现，在微机距离保护中得到了广泛的应用。2.6.4 多边形特性阻抗继电器 多边形特性阻抗继电器同四边形特性阻抗继电器类似，也是一种综合了电阻电抗型直线特性的继电器，并且在四边形特性阻抗继电器的基础上，考虑了保护区末端经过渡电阻短路可能出现的超范围动作，以及出口和被保护线路发生金属性短路故障时的情况。多边形特性阻抗继电器更适合应用于微机保护。第三章 装置的体系结构3.1 嵌入式ARM处理器的概述ARM（Advanced RISC Machine）是由Acorn计算机公司和Apple计算机公司于年1944在英国合资组建的一家公司。ARM是通用的32位微处理器，是一种低功耗、高性能的产品，它是基于RISC构建的。自成立以来，在32位RISC CPU开发领域不断取得突破，其结构己经从V3发展到V6。由于ARM公司一直以IP（Intelligence Property）提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有体积小、功耗低、成本低、高性能等显著特点，因此获得众多的半导体一家和整机厂商的大力支持，在32位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有75%以上的32位嵌入式产品市场，可以说是目前最为流行的微处理器。3.1.1 ARM微处理器的结构1、RISC体系结构首先它是基于RISC结构而构建的，相比较CISC（Complicated Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）结构，RISC结构具备如下一些优势：（1） 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单；（2） 使用单周期指令，便于流水线操作执行；（3） 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载了存储指令才可以访问存储器，以提高指令的执行效率；（4） 处理器内不需要微指令翻译器。当然，与CISC架构相比较，虽然RISC架构有上述的特点，但决不能认为RISC架构就可以取代CISC架构，事实上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不那么明显。 2、指令结构 ARM微处理器在较新的体系结构中支持两种指令集：32位指令集和Thumb16位指令集，其中Thumb指令集为ARM指令集的功能子集合。与等价的32位代码相比，占用的存储器空间节省高达35%，然而保留了32位系统所有的优势（例如访问一个全32位地址空间）。Thumb状态与正常的ARM状态之间的切换是零开销的。使用16位的存储器可以降低成本，而且在这种的情况下，Thumb指令集的整体执行速度比ARM 32位指令集快，而且提高了代码密度。采用Thumb/ARM双指令集能很好的兼容8位/16位器件。 3.1.3 ARM微处理器的特点 （1）体积小、低功耗、低成本、高性能；（2）支持Thumb（16位）/ARM(32位)双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；（6）指令长度固定。3.2 ARM处理器选型对于单CPU的电力系统微机保护装置，处理器不仅需要具有处理大量数据的能力，还需要能很好地满足人机界面、网络通信协议、大量数据管理的要求。因此，CPU选型时不仅要考虑处理器的内核、工作频率和存储器的容量，还要考虑到片内外围电路。本装置选用DEVICEARM2200嵌入式工控板。DEVICEARM2200嵌入式工控板是周立功公司生产的一块独立的系统核心板，可以在不同的用户板上使用，标准配置如下：PHILIPS公司的ARM7TDMI-S微控制器LPC2290，系统时钟可达60MHZ，可根据用户需要配置为带有内部FLASH，可加密的LPC2212/2214/2292/2294，或者LPC2210；2M字节NOR FLASH（可用于存放BootLoader）；8M字节RAM；16M字节NAND FLASH；256字节。DEVICEARM2200嵌入式工控板使用11.059MHZ晶振，在进行串口通讯时就可以获得精确的波特率。DEVICEARM2200嵌入式工控板具有电源监控芯片（即复位芯片），带手动复位输入引脚。DEVICEARM2200嵌入式工控板只需3.3V电源供电，工控板内使用LDO芯片产生LPC0090所需的1.8V内核电压。第四章 基于DEVICEARM2200的硬件组成本保护装置包括数据采集单元、数据处理单元、开关量输入系统、开关量输出系统、通信接口和电源五个部分。保护结构方框图如图4-1所示：数据采集系统微机型系统开关量输入开关量输出通信接口人机接口继电器触摸键盘汉字液晶图4-1 微机保护结构方框图 4.1数据采集单元TVTA变压器电压形成回路电压形成回路低通滤波低通滤波A/DCPU图4-2 交流信号采集模块框图如图4-3所示，信号采集模块主要由 3 个部分组成：互感器、低通滤波器和 A/D 转换芯片。微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得电气量信息，但这些互感器二次侧数值的变化范围与微机保护装置硬件电路并不匹配，故需要降低或变换。对于电压变换可采用小的降压变压器，如图 4-3（a）所示。对于电流变换则可采用电流变换器如图 4-3(b)所示。图4-3 电压、电流变换电路本文选用南京择明高精度超小型精密电流电压互感器。CT的变比2000:1，精度达到0.2级，线性度为千分之一，可以满足装置采样的精度要求。互感器滤波电路如图4-4和图4-5所示：图4-4 电流转换电路图4-4中T1是电流互感器，用于将电网来的大电流信号转换成微机保护装置可以接收的小信号，R2、C1、R3、C2构成了二级无源低通滤波网络，D1和D2组成保护电路，用于钳住大于5V和小于0V的信号。图4-5中T9是电压互感器，用来将电网的电压信号转换为微机继电保护装置可以接受的小信号。R19是限流电阻，R20是采样电阻。其余部分和电流转换电路相同。 图4-5和图4-5中的输入信号AIN接A/D转换器的模拟量输入端口，由于本装置采用A/D转换器电压的输入范围在05V。为了确保进入A/D的信号是正电压且具有最大的输入范围，需要将输入的电压抬升至2.5V，所以在互感器的输入端接一个VREF=2.5V的基准电压来抬升从电网采集来的信号。图4-5 电压转换电路在本装置中，由于只需要完成简单的距离保护，所以需要电压量、电流量各3路，另外，考虑打TV断线和零序电流保护，以及零序电流、电压纠错，需增加4路模拟量得输入，因此共10路模拟量输入。A/D转换器电路是数据采集系统前向通道中的一个重要环节，也是微机保护的关键功能。它实现了将一个或多个采集的模拟信号转换成数字形式，以便计算机能对其读。4.2 开入开出模块 硬件平台的开入开出模块包含开关量输入回路和开关量的输出回路两部分，其中，开关量输入主要是接点状态（接通或断开）的输入信号；开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等。一般开入和开出回路是分开设计的，开关量信号流程图如图4-6所示：开关量输入保护输出光耦CPU核心子板光耦图4-6 开关量信号流程图4.2.1 开关量输入回路 这两类接点可分别按图4-7（a）、（b）所示输入开关量。图4-7（a）是用+5V将装置上的接点直接上拉至CPU的并行接口。而更常用的输入开关量回路如图4-7（b）所示，通过光电隔离器件输入，光敏三极管的导通和截止完全反映外部接点的状态。（b）装置外接点输入回路（a）装置内接点输入回路装置端子外部触点_并列接口+图4-7 开关量输入电路原理图本文所有的开入量（外部接点）输入均设计为采用24V直流供电，相对于装置的控制部分24V是强电信号，为了可靠性，将强弱电隔离。隔离的目的在于一方面需要降低引入的电压范围至CPU可正常接收的程度，通常需要从24V降低到5V甚至更低；另一反面可以大大的降低外界干扰信号对核心控制部分的干扰。常见的隔离方式有光耦隔离和电磁隔离两种，和后者相比，光耦隔离的灵敏度较高，同时隔离元件的体积较小，因此本文采用前者实现。光电隔离电路如图4-8所示：图4-8 开关量采集电路电路中的二极管D是一个反向钳制电压二极管，主要作用是防止24V侧产生的反向电压使光敏二极管击穿，因为光敏二极管的反向耐压值比较低。4.2.2 开关量输出回路 开关量的输出控制可以直接驱动外部继电器或开关的动作，微机系统输入的开关信号是芯片给出的低压直流，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。现在一般是采用继电器方式，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转换。开关量输出的原理图如图 4-9所示：图4-9 开关量输出回路示意图 从可靠性设计来考虑，开关量的输出要在硬件上做冗余设计，处理器的输出需要两个控制线来控制输出。如图3-17所示，在出口跳闸时，CPU的二行口PB0和PB1安排不同的电平输出，PBO输出“0"，PB1输出“1”，使与非门输出“0"，驱动发光二极管。这样做可防止在拉合直流电源过程中继电器J的短时误动。因为在拉合直流电源时，PB0