【文章內(nèi)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(zhuǎn)換（MPX）以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D） ，其功能為完成將模擬輸入量準(zhǔn)確地模擬量輸入本科生課程設(shè)計（論文)14轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量，如圖 所示：電壓形成前置低通濾波采樣保持多路轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換模擬信號輸入 圖 數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換來的電流信號通過如圖 所示的電路轉(zhuǎn)換為 mA 級的電流信號；將由二次電壓互感器轉(zhuǎn)換來的電壓信號（100V）通過如圖 所示的電路也轉(zhuǎn)換為可供模數(shù)轉(zhuǎn)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(jīng)過如圖 所示的電路，進行放大處理轉(zhuǎn)換為電壓信號，作為 A/D 轉(zhuǎn)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(shè)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(nèi)測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)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(xiàn)同時采樣。采樣頻率是指采樣周期的倒數(shù)，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(shù)的保護反應(yīng)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(shù)字濾波器來濾除。 圖 低通濾波器 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和模數(shù)轉(zhuǎn)換對反應(yīng)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(zhǔn)確地獲得各個量之間的相位關(guān)系，因而要對每個模擬輸入量設(shè)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(lián)后，由定時器同時供給采樣脈沖，但由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器價格相對較貴，通常不是每個模擬量輸入通道設(shè)一個 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入給裝置。而是公用一個，中間是通過轉(zhuǎn)換開關(guān) MPX 切換，輪流由公用的 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸入給裝置。本科生課程設(shè)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(zhuǎn)換開關(guān)A/D CPU采樣脈沖 圖 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位的組合起來表示的，每一位代碼都有一定的權(quán)，即代表一個具體數(shù)值。因此，為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換數(shù)字量相當(dāng)?shù)哪M量，完成了數(shù)模轉(zhuǎn)換。如圖 為一個4 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的原理圖，更多位數(shù)的情況與此類似。 圖 4 位數(shù)模轉(zhuǎn)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(shù)字量 D。本科生課程設(shè)計（論文)17對一般的 A/D 轉(zhuǎn)換器來說，如果輸入電壓超過所允許的最大值，就會出現(xiàn)平頂波，這種現(xiàn)象叫溢出，出現(xiàn)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(jīng)過數(shù)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(yīng)當(dāng)指出：不應(yīng)出現(xiàn)輸入量超出允許值時出現(xiàn)零值的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對保護的危害是致命的。如果電流信號出現(xiàn)這種溢出情況，則出口短路可能會被計算成區(qū)外短路，導(dǎo)致拒動。避免這種溢出現(xiàn)象的常用方法有：1，采用類似于逐次逼近方式的 A/D 轉(zhuǎn)換器；2，在 A/D 轉(zhuǎn)換器之前采用預(yù)先措施；3，調(diào)整模擬量回路的增益。 開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 開關(guān)量輸入輸出模塊開關(guān)量輸入輸出模塊包括開關(guān)量輸入回路和開關(guān)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(nèi)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(guān)量引入裝置進行處理和將裝置內(nèi)發(fā)出的開關(guān)信號引出到繼電器插件，從而驅(qū)動相應(yīng)的繼電器跳閘或告警，達到保護的功能。下面分別介紹開關(guān)量輸入回路和輸出回路的設(shè)計。 開關(guān)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(guān)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(yīng)速度快，易與邏輯電平配合使用。需要采集的輸入開關(guān)量共8路，分為兩組，一組為4路220V開關(guān)量輸入，另一組為4路24V開關(guān)量輸入。 所示開關(guān)量通過光電隔離輸入電路圖。其工作原理是：當(dāng)外部接點接通時，光電隔離的二極管導(dǎo)通，光電隔離的三極管也導(dǎo)通，其集電極輸出低電位；當(dāng)外部接點斷開時，光電隔離的二極管不導(dǎo)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(guān)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(guān)量經(jīng)過光電耦合器后直接與保護DSP相應(yīng)的通用I／O口相連，光敏三極管的本科生課程設(shè)計（論文)18導(dǎo)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(lián)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(guān)量經(jīng)光耦輸入電路 是開關(guān)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(guān)量輸入電路，并配有兩路220V開關(guān)量監(jiān)視電路；下面4路為24V開關(guān)量輸入電路，配有兩路24V開關(guān)量監(jiān)視電路。監(jiān)視電路能夠?qū)崿F(xiàn)8路開關(guān)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(guān)量監(jiān)視回路，可以實現(xiàn)8路開關(guān)量輸入通道的自檢功能。本科生課程設(shè)計（論文)19 圖 開關(guān)量輸入回路(以 220V 的一路輸入量為例) 的原理為：6JA21為220V開關(guān)量控制1端口。當(dāng)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(dǎo)通，表現(xiàn)為低電平，可正確對220V開關(guān)量輸入信號進行采集；當(dāng)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(dǎo)通，同時三極管截止，表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，此時無法采集相應(yīng)的開關(guān)量。這樣，就可以將裝置的電源停掉，實現(xiàn)省電功能。自檢測功能：220V開關(guān)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(dǎo)通發(fā)光，三極管導(dǎo)通，220V正電源經(jīng)導(dǎo)通的三極管，二極管D3進入開關(guān)量采集電路中，通過查詢開關(guān)量輸入口6JBl8的狀態(tài)，用以判斷開關(guān)量采集電路是否工作正常。 開關(guān)量輸出部分相對于開關(guān)量輸入，開關(guān)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(guān)量輸出部分來控制繼電器動作，驅(qū)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(guān)量輸出回路接線圖但是，由于開關(guān)量輸出信號的正確與否關(guān)系到整個繼電保護裝置的可靠性，因此，開關(guān)量輸出回路必須加上監(jiān)視回路來監(jiān)視開關(guān)量的狀態(tài)。開關(guān)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(guān)量輸出部分是對斷路器實現(xiàn)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(shè)計（論文)20接驅(qū)動斷路器實現(xiàn)各種操作。因此，開關(guān)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(qū)動斷路器。另外，為了防止斷路器操作過程中產(chǎn)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(jié)合的方法來實現(xiàn)出口信號的隔離與放大。為了提高開關(guān)量輸出回路的可靠性，在數(shù)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(chǎn)生的控制信號所控制，這樣就可以有效地抑制干擾產(chǎn)生的誤動，可也以在裝置出現(xiàn)故障的時候有效地實現(xiàn)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(dāng)該端口輸入為“0”，與非門， U1A輸出“1”時，整個開關(guān)量輸出電路才能正常工作，否則，當(dāng)該端口輸入為“1”時，各開關(guān)量輸出端口經(jīng)與非門后均為“1”，光電耦合器不導(dǎo)通，回路被閉鎖。在6JB24為“O”的前提下，當(dāng)跳閘輸出端口6JBl4輸出為“1”時，經(jīng)與非門輸出為“0”，光電耦合器中發(fā)光二極管導(dǎo)通，三極管導(dǎo)通，24V電源經(jīng)二極管D1至3d26，3d28端口，驅(qū)動相應(yīng)的繼電器；同時24V電源經(jīng)二極管D8至光電耦合器PT8，二級管導(dǎo)通，三級管導(dǎo)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(shè)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(chǎn)生的強干擾可以完全消除掉。本設(shè)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(shù)據(jù)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(shè)計 軟件結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(jīng)零序功率方向閉鎖。可由控制字控制是否加速 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(nèi)開放保護，若在該時間內(nèi) I、II 段均不動作，則將保護閉鎖。零序保護不經(jīng)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(guān)位置不對應(yīng)啟動。本科生課程設(shè)計（論文)22 程序總框圖如圖 4．1 所示軟件整體流程圖。本設(shè)計中，采用模塊化的設(shè)計思想，軟件模塊主要由主程序模塊、中斷服務(wù)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(shù)據(jù)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(fù)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(shù)進行設(shè)置，以便在后面的程序中按預(yù)定的方案工作。首先本科生課程設(shè)計（論文)23F2812 對自身的工作環(huán)境進行設(shè)置，初始化各種寄存器，按照電路設(shè)計的輸入輸出要求，設(shè)置每一個端口用作輸入還是輸出，初始化保護輸出的開關(guān)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(guān)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(shù)，再從中讀出，并比較兩者是否相等。如發(fā)現(xiàn)寫入與讀出的數(shù)不一致，說明隨機存儲器 RAM 有問題，則轉(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)至告警模塊，并將告警信息顯示在顯示器上。③參數(shù)刷新在經(jīng)過全面自檢后，應(yīng)將所有的