【文章內容簡介】 入系統(tǒng)）主要包括電壓形成、模擬濾波、采樣保持（S/H） 、多路轉換（MPX）以及模數轉換（A/D） ，其功能為完成將模擬輸入量準確地模擬量輸入本科生課程設計（論文)14轉換為所需的數字量，如圖 所示：電壓形成前置低通濾波采樣保持多路轉換器A/D轉換模擬信號輸入 圖 數據采集系統(tǒng) 電壓形成回路本文研究的 110KV 輸電線路零序電流保護裝置將由二次電流互感器轉換來的電流信號通過如圖 所示的電路轉換為 mA 級的電流信號；將由二次電壓互感器轉換來的電壓信號（100V）通過如圖 所示的電路也轉換為可供模數轉換部分時用的電壓，這樣做的優(yōu)點是可以使得元件小型化。再講 mA 級的電流信號經過如圖 所示的電路，進行放大處理轉換為電壓信號，作為 A/D 轉換的輸入信號。 圖 電壓輸入信號變換電壓的計算公式： ni122??RIULHLH 圖 電壓信號輸入本科生課程設計（論文)15 采樣保持和模擬低通濾波采樣保持電路，又稱 S/H 電路，其作用是在一個極短的時間內測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模擬一數字轉換器進行轉換的期間內保持其輸出不變。利用采樣保持電路后，可以方便地進行多個模擬量實現同時采樣。采樣頻率是指采樣周期的倒數，對保護系統(tǒng)而言，在故障剛發(fā)生時，電壓、電流信號中可能含有較高的頻率分量（如 2KHz 以上） ，為防止混淆，頻率將不得不用的很高，進而對硬件速度提出過高的要求。實際上，目前大多數的保護反應的是工頻量，在這種情況下，可以采用一個前置的低通濾波器將高頻分量濾掉，這樣就可以降低頻率，從而降低對硬件提出的要求，對頻率高于二分之一的可以用簡單的低通濾波器（如圖 所示）來濾除高頻分量，而對于小于二分之一頻率的分量可以用數字濾波器來濾除。 圖 低通濾波器 多路轉換開關和模數轉換對反應倆個電氣量以上的繼電保護裝置，都要求對各個模擬量同時采樣，以準確地獲得各個量之間的相位關系，因而要對每個模擬輸入量設置一套電壓形成、抗混淆低通濾波器采樣保持電路。所有采樣保持器的邏輯輸入端并聯后，由定時器同時供給采樣脈沖，但由于模數轉換器價格相對較貴，通常不是每個模擬量輸入通道設一個 A/D 轉換成數字量輸入給裝置。而是公用一個，中間是通過轉換開關 MPX 切換，輪流由公用的 A/D 轉換成數字量后輸入給裝置。本科生課程設計（論文)16模擬量1模擬量 n電壓形成電壓形成LPFLPFS/HS/H多路轉換開關A/D CPU采樣脈沖 圖 多路轉換開關模數轉換是微機保護的重要元器件，要理解它的工作原理需先了解數模轉換器的原理。數字量是用代碼按數位的組合起來表示的，每一位代碼都有一定的權，即代表一個具體數值。因此，為了將數字量轉換成模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，即可得到與被轉換數字量相當的模擬量，完成了數模轉換。如圖 為一個4 位數模轉換器的原理圖，更多位數的情況與此類似。 圖 4 位數模轉換器原理輸出電壓為： DRU??fr0可見，輸出模擬電壓正比于控制輸入的數字量 D。本科生課程設計（論文)17對一般的 A/D 轉換器來說，如果輸入電壓超過所允許的最大值，就會出現平頂波，這種現象叫溢出，出現小部分平頂波溢出的危害并不是特別嚴重，因為在裝置得到采樣值后，還可以經過數字濾波器來對平頂波進行修正，基波相位可以做到基本不受影響，對電流保護和阻抗保護的影響較小。但是，應當指出：不應出現輸入量超出允許值時出現零值的現象，這種現象對保護的危害是致命的。如果電流信號出現這種溢出情況，則出口短路可能會被計算成區(qū)外短路，導致拒動。避免這種溢出現象的常用方法有：1，采用類似于逐次逼近方式的 A/D 轉換器；2，在 A/D 轉換器之前采用預先措施；3，調整模擬量回路的增益。 開關量輸入輸出系統(tǒng) 開關量輸入輸出模塊開關量輸入輸出模塊包括開關量輸入回路和開關量輸出回路，是微型機保護裝置的重要組成部分，是連接外部強電和內部弱電的主要通道，其核心是狀態(tài)信號的隔離輸入回路和動作信號的隔離輸出回路，主要完成外部開關量引入裝置進行處理和將裝置內發(fā)出的開關信號引出到繼電器插件，從而驅動相應的繼電器跳閘或告警，達到保護的功能。下面分別介紹開關量輸入回路和輸出回路的設計。 開關量輸入部分在微機線路保護裝置中，通常需要采集斷路器狀態(tài)、隔離開關狀態(tài)和外部分、合閘等狀態(tài)信息，這些狀態(tài)量的采集都是以光電隔離方式輸入的，采用光電隔離的主要優(yōu)點是：輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力很強；無觸點，耐沖擊，壽命長，可靠性高；響應速度快，易與邏輯電平配合使用。需要采集的輸入開關量共8路，分為兩組，一組為4路220V開關量輸入，另一組為4路24V開關量輸入。 所示開關量通過光電隔離輸入電路圖。其工作原理是：當外部接點接通時，光電隔離的二極管導通，光電隔離的三極管也導通，其集電極輸出低電位；當外部接點斷開時，光電隔離的二極管不導通，于是三極管截止，集電極輸出高電位，軟件讀并行口該位的狀態(tài)，即可知道外部接點的狀態(tài)。圖中二極管起保護作用，用于防止開關量輸入回路電源極性接反時將光電耦合器中的發(fā)光二極管反向擊穿，另一方面二極管還能夠加速繼電器的返回。電容為抗干擾電容。這樣，開關量經過光電耦合器后直接與保護DSP相應的通用I／O口相連，光敏三極管的本科生課程設計（論文)18導通和截止完全反映外部接點的狀態(tài)，帶有電磁干擾的外部輸入回路與微型機電路之間沒有直接電的聯系，各種干擾信號不能進入微型機電路部分，從而達到抗干擾的目的。 圖 開關量經光耦輸入電路 是開關量輸入電路的部分電路圖(只畫出220V的一路輸入)。在整體電路中，上面4路為220V開關量輸入電路，并配有兩路220V開關量監(jiān)視電路；下面4路為24V開關量輸入電路，配有兩路24V開關量監(jiān)視電路。監(jiān)視電路能夠實現8路開關量輸入信號的開啟與停止，從而達到省電目的；同時，配備有自檢回路，通過4路開關量監(jiān)視回路，可以實現8路開關量輸入通道的自檢功能。本科生課程設計（論文)19 圖 開關量輸入回路(以 220V 的一路輸入量為例) 的原理為：6JA21為220V開關量控制1端口。當該端口輸入為“1時，光電隔離器PTl中發(fā)光二極管發(fā)光，三極管導通，表現為低電平，可正確對220V開關量輸入信號進行采集；當6JA21控制端口輸入為“O”時，光電隔離器PT3中發(fā)光二極管不導通，同時三極管截止，表現為高阻狀態(tài)，此時無法采集相應的開關量。這樣，就可以將裝置的電源停掉，實現省電功能。自檢測功能：220V開關量控制2端口6JB21輸入為“1”時，光電隔離器PT2中的發(fā)光二極管導通發(fā)光，三極管導通，220V正電源經導通的三極管，二極管D3進入開關量采集電路中，通過查詢開關量輸入口6JBl8的狀態(tài)，用以判斷開關量采集電路是否工作正常。 開關量輸出部分相對于開關量輸入，開關量輸出回路具有更加重要的地位。因為在微型機保護裝置中，所有的保護功能最終是通過開關量輸出部分來控制繼電器動作，驅動斷路器跳閘或發(fā)出告警信號。如下圖為一簡單的輸出接線圖。 圖 裝置開關量輸出回路接線圖但是，由于開關量輸出信號的正確與否關系到整個繼電保護裝置的可靠性，因此，開關量輸出回路必須加上監(jiān)視回路來監(jiān)視開關量的狀態(tài)。開關量輸出部分主要包括跳閘出口、重合閘出口以及各種信號出口等。開關量輸出部分是對斷路器實現控制的出口通道，DPS2812M的I／O口輸出的是3．3V的低電壓微電流信號，不足以直本科生課程設計（論文)20接驅動斷路器實現各種操作。因此，開關量輸出回路需要將CPU輸出的小信號放大為大功率信號，從而驅動斷路器。另外，為了防止斷路器操作過程中產生的瞬時脈沖對微型機保護裝置的反饋干擾，還必須對出口通道進行隔離。通過采用光電耦合器與繼電器相結合的方法來實現出口信號的隔離與放大。為了提高開關量輸出回路的可靠性，在數字輸出和繼電器之間選用了光電耦合器，提高了抗干擾能力。另外，任何一路的輸出均由兩個信號通過與非門產生的控制信號所控制，這樣就可以有效地抑制干擾產生的誤動，可也以在裝置出現故障的時候有效地實現閉鎖。輸出量光。 圖 輸出量光耦電路(只畫出一路）輸出量光耦電路原理為：6JB24為輸出總控制端口，只用當該端口輸入為“0”，與非門， U1A輸出“1”時，整個開關量輸出電路才能正常工作，否則，當該端口輸入為“1”時，各開關量輸出端口經與非門后均為“1”，光電耦合器不導通，回路被閉鎖。在6JB24為“O”的前提下，當跳閘輸出端口6JBl4輸出為“1”時，經與非門輸出為“0”，光電耦合器中發(fā)光二極管導通，三極管導通，24V電源經二極管D1至3d26，3d28端口，驅動相應的繼電器；同時24V電源經二極管D8至光電耦合器PT8，二級管導通，三級管導通，輸出電路監(jiān)視端口6JA25對電路進行監(jiān)視。 電源模塊保護系統(tǒng)對電源要求較高，通常這種電源是逆變電源，即將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，再把交流電整流為微型機系統(tǒng)所需的直流電壓。將變電所強電系統(tǒng)的直流電源本科生課程設計（論文)21與微型機的弱電系統(tǒng)電源完全隔離開，通過逆變后的直流電源具有極強的抗干擾能力，對來自變電所中因斷路器跳合閘等原因產生的強干擾可以完全消除掉。本設計采用的逆變穩(wěn)壓電源的輸入電壓為直流220V，其輸出有5V，供微型機系統(tǒng)使用，177。12V供數據采集系統(tǒng)使用，24V供繼電器回路使用。 圖 電源模塊原理圖第 4 章 軟件設計 軟件結構分析概述110KV 輸電線路零序電流保護裝置是由 P89C51RD 單片機實現的兩 CPU 線路保護裝置。裝置包括三段零序電流保護及三相一次自動重合閘。裝置采用了多單片機并行工作的方式，配置了兩個 CPU 插件，分別完成零序保護及重合閘，另外配置了一塊接口板，完成對各保護 CPU 插件的巡檢、人機對話和與系統(tǒng)微型機連機等功能。零序電流保護包括零序 I 段III 段和不靈敏 I 段，零序三段均可由控制字整定是否經零序功率方向閉鎖?？捎煽刂谱挚刂剖欠窦铀?II、III 段。振蕩閉鎖采用啟動元件動作后短時開放的原理，即啟動元件動作后的 0．15 秒內開放保護，若在該時間內 I、II 段均不動作，則將保護閉鎖。零序保護不經振蕩閉鎖，只受啟動元件的控制。三相一次自動重合閘由保護啟動或由開關位置不對應啟動。本科生課程設計（論文)22 程序總框圖如圖 4．1 所示軟件整體流程圖。本設計中，采用模塊化的設計思想，軟件模塊主要由主程序模塊、中斷服務程序模塊和故障處理程序模塊組成。如圖 軟件整體流程圖主程序模塊主程序模塊包括初始化、全面自檢、開放中斷與等待中斷、數據傳輸通信等環(huán)節(jié)。①初始化初始化是指保護裝置在上電或按下復位鍵時首先執(zhí)行的程序，它主要是對 DSP芯片的工作方式及參數進行設置，以便在后面的程序中按預定的方案工作。首先本科生課程設計（論文)23F2812 對自身的工作環(huán)境進行設置，初始化各種寄存器，按照電路設計的輸入輸出要求，設置每一個端口用作輸入還是輸出，初始化保護輸出的開關量，以保證出口繼電器均不動作；初始化 DSP 采樣定時器，控制采樣間隔時間等。②全面自檢對裝置的軟硬件進行一次全面的自檢，包括 RAM、FLASH 或 ROM、各開關量輸出通道、程序和定值等，以保證裝置在投入使用時處于完好的狀態(tài)。(1)RAM 的讀寫檢查對 RAM 某一單元寫入 1 個數，再從中讀出，并比較兩者是否相等。如發(fā)現寫入與讀出的數不一致，說明隨機存儲器 RAM 有問題，則轉至告警模塊。并將告警信息顯示在液晶顯示屏上。(2)開出自檢開出自檢主要是檢測開出通道是否正常，它是通過硬件開出反饋來檢查的依次開出每一路開出量，并從反饋回路檢查開出量是否正確。由于受啟動繼電器的閉鎖，所以在開出每一路開出量時，保護并不會誤動。(3)整定值檢查每套定值在存入EEPROM時，都自動固化若干個校驗碼。若發(fā)現只讀存儲器EEPROM定值求和碼與事先存入的定值和不一致，說明EEPROM有故障，轉至告警模塊，并將告警信息顯示在顯示器上。③參數刷新在經過全面自檢后，應將所有的