數(shù)字式繼電保護(hù)器的研制和應(yīng)用

摘要：提出了以ATMEGA32為核心處理器的微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案。采用了ISP和JTAG口作為調(diào)試接口，設(shè)計(jì)了易于拆卸的整機(jī)結(jié)構(gòu)，便于使用者對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置及過(guò)程的全面了解。

關(guān)鍵詞：繼電保護(hù)；ATMEGA32單片機(jī)

1、引言

繼電保護(hù)裝置是由繼電器和其它輔助元件構(gòu)成的安全自動(dòng)裝置，能反映電氣元件的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，并動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)。隨著微機(jī)在繼電保護(hù)的應(yīng)用，其快速的計(jì)算性、良好的存儲(chǔ)及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能以及繼電保護(hù)的通用性和軟件的可重構(gòu)性，使得在通用的硬件平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)多種功能和復(fù)雜的繼電保護(hù)。一套微機(jī)保護(hù)往往采用了多種保護(hù)原理，且微機(jī)保護(hù)還可以方便地實(shí)現(xiàn)一些常規(guī)保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)的功能。

2、微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

2.1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及特征通過(guò)對(duì)實(shí)際微機(jī)繼電保護(hù)裝置及其原理的分析，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理和微機(jī)繼電保護(hù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求和內(nèi)容，結(jié)合我們水廠設(shè)備的實(shí)際情況，確定了該裝置硬件的總體設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)中所需要的故障電壓電流信號(hào)來(lái)自繼電保護(hù)測(cè)試儀，信號(hào)進(jìn)入交流變換插件進(jìn)行幅值變換后，由繼電保護(hù)裝置進(jìn)行處理。如滿足預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作條件，繼電保護(hù)裝置將發(fā)出動(dòng)作信號(hào)并驅(qū)動(dòng)保護(hù)按既定邏輯動(dòng)作，同時(shí)在液晶LCM漢顯屏顯示所有信息。本設(shè)計(jì)中央處理模塊采用ATMEL公司的ATMEGA32單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷、故障巡檢、開(kāi)關(guān)量輸入與輸出及人機(jī)接口通信等任務(wù)，是整個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置的核心。ATMEGA32單片機(jī)是ATMEL公司推出的新一代混合信號(hào)系統(tǒng)(SOC)單片機(jī)。SOC是隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的新概念，是對(duì)集成度要求越來(lái)越高和對(duì)嵌入式控制技術(shù)可靠性要求越來(lái)越高的產(chǎn)物。ATMEGA32單片機(jī)采用HARVARD結(jié)構(gòu)和RISC精簡(jiǎn)指令集，對(duì)指令運(yùn)行實(shí)行流水作業(yè)。在這種模式中，指令以時(shí)鐘周期為運(yùn)行單位，平均每個(gè)時(shí)鐘可以執(zhí)行完l條單周期指令，大大提高了指令運(yùn)行速度。ATMEGA32單片機(jī)擴(kuò)展了中斷處理，增加了中斷源，可提供22個(gè)中斷源，這對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是很重要的。

ATMEGA32還在內(nèi)部增加了復(fù)位源，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。主要特點(diǎn)如下:（1）帶有與8051全兼容的高速微控制器內(nèi)核。（2）大容量非易失性的F1ash程序存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器EEPROM；擦寫(xiě)壽命100萬(wàn)次；2K字節(jié)SDRAM。（3）具有較高精度和速度的8個(gè)多通道C模數(shù)轉(zhuǎn)換器和4路10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。（4）工作溫度范圍較大，為-45～+85℃。（5）功耗低，供電電壓為2.7～5.5V，典型工作電流為12mA，并具有多種節(jié)電休眠和停機(jī)模式。（6）ISP編程和片內(nèi)JTAG仿真電路可提供全速、非插入式的電路內(nèi)部仿真。

2.2、裝置功能 ①短路保護(hù)：電動(dòng)機(jī)如有相與相間或相與地間的短路故障，能瞬時(shí)保護(hù)。 ②缺相保護(hù): 不論在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)還是在運(yùn)行中，三相中任何一相缺相，能瞬時(shí)保護(hù)。 ③過(guò)載保護(hù): 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流超過(guò)額定電流的K（電流過(guò)載整定系數(shù)）倍時(shí)計(jì)時(shí)，到設(shè)定保護(hù)延時(shí)時(shí)間時(shí)保護(hù)。④過(guò)壓、欠壓報(bào)警及保護(hù): 根據(jù)實(shí)際需要，控制板上設(shè)置一跳線開(kāi)關(guān)S1，若用于電壓等級(jí)500V以上電動(dòng)機(jī)時(shí)，將跳線開(kāi)關(guān)置 0 位置。當(dāng)實(shí)際電壓超過(guò)或低于設(shè)定上、下限值時(shí)，為防止高壓正常而PT故障造成電壓超限而誤停電動(dòng)機(jī)，故此時(shí)不保護(hù)，但蜂鳴器報(bào)警，液晶屏顯示：系統(tǒng)電壓過(guò)高或過(guò)低。當(dāng)系統(tǒng)電壓恢復(fù)正常后，自動(dòng)轉(zhuǎn)為正常狀態(tài)；若用于電壓等級(jí)500V以下電動(dòng)機(jī)時(shí)，將跳線開(kāi)關(guān)置1位置，當(dāng)實(shí)際電壓超過(guò)或低于設(shè)定上、下限值時(shí)，瞬時(shí)保護(hù)，蜂鳴器報(bào)警。⑤故障記憶: 當(dāng)被保設(shè)備發(fā)生故障時(shí)， 經(jīng)CPU采樣判斷后，根據(jù)保護(hù)級(jí)別和設(shè)定的參數(shù)發(fā)出當(dāng)前最高級(jí)別故障保護(hù)指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)相應(yīng)類(lèi)型故障進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)存儲(chǔ)器把故障時(shí)的類(lèi)型、參數(shù)值、時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和故障記憶，便于事后查詢、分析、排除故障。設(shè)備故障排除后，必須將故障記憶清除，方能重新啟動(dòng)設(shè)備，否則，故障記憶不清除，設(shè)備無(wú)法再啟動(dòng)，避免了故障損失的再擴(kuò)大。

2.3、數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集單元共有6路模擬量輸入，其中采集3相交流電流、3相交流電壓，可以為各種保護(hù)類(lèi)型提供足夠電量參數(shù)，完成相應(yīng)的保護(hù)功能。二次采集選用精度為0.1級(jí)的霍爾互感器，以確保模擬量準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)由片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為10位數(shù)字量，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.4、人機(jī)接口模塊用來(lái)向裝置輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)裝置運(yùn)行的主要手段。裝置中選用了7個(gè)按鍵，直接采用單片機(jī)的I/O口作為鍵盤(pán)輸入，按鍵的掃描方式采用查詢方式，即在程序中對(duì)相應(yīng)I/O口的狀態(tài)進(jìn)行查詢，確認(rèn)是否有鍵按下，然后調(diào)用相應(yīng)的按鍵處理程序。本裝置選用圖形點(diǎn)陣式漢字液晶顯示模塊LCM，是集LCD控制器、RAM、ROM和LCD顯示器、國(guó)標(biāo)字庫(kù)的為一體的大規(guī)模集成電路模塊，使用時(shí)只需向LCM模塊送入相應(yīng)的命令和數(shù)據(jù)便可實(shí)現(xiàn)所需要的顯示。

2.5、時(shí)鐘模塊采用了高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片ISD2001提供時(shí)基信號(hào)。該芯片是一種具有內(nèi)置晶振、內(nèi)置可反復(fù)充電鋰電池、1K字節(jié)串行E2PROM、支持I2C總線接口的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片可保證時(shí)鐘精度為±4ppm，即年誤差小于2分鐘；當(dāng)內(nèi)置電池失效時(shí)也可再接外置電池，其中內(nèi)置電池充滿后可保證在外部掉電情況下時(shí)鐘使用壽命超過(guò)五年；可提供主機(jī)顯示時(shí)間以及記錄系統(tǒng)中各種故障的發(fā)生時(shí)間。

2.6、保護(hù)輸出模塊在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，微機(jī)保護(hù)主要是通過(guò)保護(hù)輸出開(kāi)關(guān)量來(lái)完成對(duì)設(shè)備的控制保護(hù)。本裝置共有6路信號(hào)報(bào)警，當(dāng)繼電器發(fā)出動(dòng)作時(shí)，相應(yīng)的液晶顯示模塊LCM上顯示相應(yīng)的故障信息，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，采用當(dāng)今流行的模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要包括上電自檢、鍵盤(pán)中斷處理、數(shù)據(jù)采樣、常用繼電保護(hù)算法、液晶LCM顯示、比較判斷保護(hù)驅(qū)動(dòng)(電流保護(hù)、電壓保護(hù))、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等程序模塊。4.總結(jié)本文介紹了一種新型微機(jī)保護(hù)裝置，提出了總體設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法。采用該方案設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)裝置解決了以往裝置中存在的不直觀和與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用脫節(jié)等問(wèn)題，體現(xiàn)了當(dāng)今繼電保護(hù)最新技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。硬件設(shè)計(jì)靈活可靠，易于軟件平臺(tái)化和模塊化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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