微機(jī)型PT并列及切換裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

丁 健

（合肥學(xué)院電子與電氣工程系，合肥 230601）

1 引言

近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)電力裝置保護(hù)有了更高的的要求，而以前的單純依靠互感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的系統(tǒng)保護(hù)已經(jīng)無(wú)法滿足更高的要求。因此，電力保護(hù)行業(yè)的一大批科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始新的電力系統(tǒng)保護(hù)裝置的研究。智能型PT保護(hù)及切換裝置就是一種新型的智能保護(hù)裝置。它不僅包括電壓互感器，而且更重要的是它是由控制器進(jìn)行智能控制，增加了多種功能，如系統(tǒng)電力參數(shù)采樣，循環(huán)監(jiān)視，系統(tǒng)自檢，故障報(bào)警，參數(shù)顯示，人機(jī)界面，系統(tǒng)參數(shù)整定等功能。由于這種保護(hù)裝置具有多種功能，所以其市場(chǎng)大，應(yīng)用領(lǐng)域廣，已基本取代了以前那種繼電保護(hù)裝置，成為電力保護(hù)裝置研究發(fā)展的趨勢(shì)。

目前同類裝置有把電壓保護(hù)與電壓切換分為兩種裝置獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)，也有把電壓保護(hù)與電壓切換做成一個(gè)裝置的，但所用的控制器主要有DSP或十六位單片機(jī)，而本裝置使用八位高性能單片機(jī)ATMEGA64來(lái)設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)同類產(chǎn)品的功能，為工程管理人員帶來(lái)許多便利。

2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

微機(jī)型PT并列及切換裝置為適應(yīng)電廠，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)而成。該裝置具有8路電壓輸入，可實(shí)現(xiàn)站內(nèi)兩段母線電壓的手動(dòng)并列。同時(shí)裝置具有監(jiān)測(cè)功能，可以測(cè)量8路相電壓，計(jì)算線電壓值，并且具有低壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、PT斷線、母線接地告警功能。

裝置具有隔離的RS485及RS232通訊口，可以將就地的實(shí)時(shí)信息通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線及通訊轉(zhuǎn)發(fā)裝置上傳至調(diào)度端。

本裝置使用ATMEGA64單片機(jī)來(lái)循環(huán)檢測(cè)兩段母線二次側(cè)的A、B、C相電壓及零序電壓共8路電壓值，并對(duì)8路電壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和故障判斷，然后再根據(jù)故障判斷的結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)低壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、PT斷線、母線接地報(bào)警功能，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

基于此，將系統(tǒng)模塊劃分為以下幾個(gè)部分：①中央控制模塊；②人機(jī)界面模塊；③采樣模塊；④開(kāi)關(guān)量模塊；⑤報(bào)警模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

裝置機(jī)箱采用全密封、防塵、抗振動(dòng)的原則設(shè)計(jì)，以確保安裝于條件較為惡劣的環(huán)境時(shí)仍具備高可靠性。裝置采用整面板形式，面板上包括全中文液晶顯示器、操作按鍵、信號(hào)指示燈。裝置內(nèi)部由CPU模塊、采樣模塊、開(kāi)關(guān)量模塊、電源模塊、人機(jī)對(duì)話模塊構(gòu)成。

3.1 CPU模塊

CPU模塊原理簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 CPU模塊原理示意圖

CPU模塊主要由以下幾部分構(gòu)成：

（1）CPU系統(tǒng)

CPU系統(tǒng)由微處理器CPU、SRAM、EEPROM、FLASH等構(gòu)成。其中事件記錄數(shù)據(jù)存放在非易失性SRAM中，大容量FLASH用于存放程序代碼，各種整定值則存放于串行EEPROM。

（2）通信部分

裝置提供兩個(gè)可同時(shí)工作的RS485通信接口，兩個(gè)RS485通信接口的通信地址、波特率、通信協(xié)議均可分別設(shè)置。

RS232和RS485串口通信接口電路，分別如圖3、圖4所示。

RS485采用平衡差分電路，它為半雙工工作方式，因此可以采用一對(duì)平衡差分信號(hào)線來(lái)連接。所謂平衡方式是用雙絞線傳輸信號(hào)，信號(hào)在雙絞線中自成回路不通過(guò)地線，接收器是用雙端差動(dòng)方式輸入信號(hào)的。由于RS485任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此發(fā)送電路必須由使能信號(hào)加以控制。

圖3 RS232通信接口電路圖

圖4 RS485通信接口電路

（3）時(shí)鐘回路部分

裝置模塊內(nèi)設(shè)置了硬件實(shí)時(shí)時(shí)鐘，不受裝置掉電影響，采用的時(shí)鐘芯片DS1302精度高。

3.2 人機(jī)界面模塊

本模塊主要功能是顯示CPU系統(tǒng)的輸出信息，同時(shí)掃描面板上的按鍵狀態(tài)并實(shí)時(shí)傳送給CPU系統(tǒng)。顯示模塊采用128×64點(diǎn)陣VFD或液晶，人機(jī)界面清晰易懂。配置系列裝置的通用按鍵操作方式，使得人機(jī)對(duì)話操作方便、簡(jiǎn)單。同時(shí)考慮到低壓保護(hù)等級(jí)的特點(diǎn)，在本模塊還配置了豐富的燈光指示信息，使裝置運(yùn)行更為直觀。

3.3 采樣模塊

采樣模塊是系統(tǒng)中的一個(gè)相當(dāng)重要的模塊，它將外界的兩段母線的八8路電壓信號(hào)循環(huán)采集到單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供單片機(jī)進(jìn)行分析處理和故障判斷，以此發(fā)出相應(yīng)的控制命令。

交流采樣部分電路直接與被控PT二次側(cè)連接，因此，必須考慮電路設(shè)計(jì)的可靠性。由于TV1013系列微型精密交流電壓互感器體積小、精度高；印刷線路板直接焊接安裝，使用方便，外型美觀；并且它為全封閉，機(jī)械和耐環(huán)境性能好，電壓隔離能力強(qiáng)，可靠性高，本裝置交流采樣模塊電路設(shè)計(jì)使用TV1013該種電流型電壓互感器，其典型應(yīng)用如圖5所示。

TV1013為電流型電壓互感器，其二次回路不允許開(kāi)路，在設(shè)計(jì)電路時(shí)二次回路不允許使用熔斷器。采樣原理圖如圖6所示，只畫(huà)出一路采樣電路圖。

3.4 開(kāi)關(guān)量模塊

本裝置設(shè)有供外部輸入的8路開(kāi)關(guān)量，均為有源輸入。

圖5 TV1013的典型應(yīng)用電路圖

裝置開(kāi)出量為兩路（裝置電源消失、預(yù)告告警），通過(guò)裝置端子輸出。

預(yù)告音響接點(diǎn)其出口脈沖寬度為2S。即接點(diǎn)動(dòng)作后2S返回。

所有動(dòng)作于告警的事件將啟動(dòng)預(yù)告音響接點(diǎn)，如PT回路斷線、母線接地告警、低壓保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等。

3.5 電源模塊

裝置電源為高頻開(kāi)關(guān)電源，直流110V、220V或交流220V輸入。模塊輸出6組直流電壓，即5V、12V、24V。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖中圖7所示，本設(shè)計(jì)軟件主要由6部分組成：驅(qū)動(dòng)程序模塊、初始化模塊、開(kāi)機(jī)畫(huà)面模塊、中斷采樣模塊、中斷故障判斷模塊及菜單模塊。系統(tǒng)首先執(zhí)行初始化程序，然后執(zhí)行開(kāi)機(jī)畫(huà)面程序，接著循環(huán)執(zhí)行顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序，如有中斷產(chǎn)生，就執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，定時(shí)器1溢出中斷程序是采樣程序，定時(shí)器3溢出中斷程序是關(guān)于故障判斷模塊的程序。當(dāng)有菜單鍵按下的情況下，系統(tǒng)跳出循環(huán)，接著系統(tǒng)進(jìn)入菜單模塊，這個(gè)模塊也是循環(huán)執(zhí)行的。

圖6 采樣電路原理圖

在這里，提供了系統(tǒng)的主程序流程圖、中斷程序的流程圖，分別如圖8－10所示。

圖7 軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

圖8 主程序流程圖

圖9 中斷采樣程序的流程圖

圖10 故障判斷程序流程圖

5 結(jié)論

本文完成了微機(jī)型PT并列及切換裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在硬件完成上從硬件整體方案到各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，再到各個(gè)模塊的獨(dú)立電路。在軟件上按模塊化設(shè)計(jì)的思想，整個(gè)系統(tǒng)可分為六個(gè)模塊，并完成了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本裝置采用高性能廉價(jià)的8位ATmega64單片機(jī)，能較好地實(shí)現(xiàn)裝置所要求的功能，為運(yùn)行人員判斷回路硬件故障提供了方便。由于該型號(hào)單片機(jī)性能資源有限，如要實(shí)現(xiàn)更高、更多、更復(fù)雜的功能，就有些難度，但對(duì)于基本功能已經(jīng)足夠。

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