基于單片機數字式繼電器的設計

白芹

【摘 要】繼電保護裝置對高壓電網的安全、穩定運行有重要作用。隨著計算機技術的迅速發展，單片機繼電保護裝置在高壓電網中得到了廣泛應用。文章研究設計了單片機繼電保護裝置，研究數字繼電器的設計與開發，提出了數字繼電器的整體配置方案，從高壓電網故障的暫態過程著手，闡述了單片機保護的硬件結構圖、模擬量輸入、算法等。

【關鍵詞】繼電保護 數字繼電器 EEPROM AT89S52單片機

繼電保護裝置是指由各種繼電器按照一定的性能和要求連接在一起而組成的一種自動裝置，它的主要任務是保證電力系統安全運行。當系統中的任何電氣元件發生故障時，它可以借助斷路器自動切除；而當出現不正常工作狀況時，則能自動發生預警信號。在高、中、低壓電力系統中，數字自動化裝置越來越多，傳統的電磁式繼電保護已經逐步退出市場，晶體管保護、集成電路保護隨著單片機保護的發展，也逐步被新型的保護裝置所替代——數字繼電器。

一、數字繼電器的設計要求

要求在傳統繼電保護理論的基礎上，設計出一種新型的數字繼電器，能夠監測220V交流電網的實時運行狀態，并能對它實現一定的保護功能，如電流保護、低電壓保護等；同時還可通過人機界面進行保護定值的設定和實時狀態的顯示；并配有RS485通信接口，可與上位計算機通信，實現電網集中監控、集中管理。要求設計出數字繼電器的硬件平臺和軟件平臺，并完成所有的程序調試。在進行硬件電路和軟件編程時，應使該數字繼電器具有一定的電磁兼容性。

二、數字繼電器的硬件設計

數字繼電器的硬件部分主要由模擬量調理電路、A/D轉換電路、EEPROM擴展、AT89S52單片機、光耦隔離、LCD顯示、鍵盤電路、晶振電路、復位電路以及電源電路組成。數字繼電器的硬件結構框圖如圖1所示。

數字繼電器的硬件系統設計主要有六大部分的設計，分別為最小系統電路的設計、模擬信號的采集和變換電路和設計、人機接口電路的設計、工作電源的設計以及串口通訊電路的設計。（在此主要介紹最小系統電路和人機接口電路）

（一）最小系統電路的設計

所謂最小系統是指由單片機、外擴ROM、RAM和外擴的I/O口構成。而數字繼電器的最小系統主要由單片機、晶振電路、復位電路和EEPROM的擴展組成，其中單片機是核心部分。

本設計采用52系列的ATMEL公司的AT89S52單片機，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業51產品指令和引腳完全兼容。

（二）人機接口電路的設計

1.鍵盤電路

此設計中采用的是2*3式矩陣式的鍵盤電路。鍵盤程序控制掃描方式，8155的PC口低2位輸出逐行掃描信號，PA口輸入3位列信號，均為低電平有效。8155的IO/M與+5V電源相連，/CE與P3.5相連，/WR和/RD分別與AT89S52單片機的/WR和/RD相連即可。

2.液晶顯示電路

本文主要介紹了LCM12832ZK液晶顯示器。LCM12832ZK液晶顯示器是具有串/并行接口、內部含有中文字庫的圖形點陣液晶顯示模塊，其內置的控制/驅動器采用臺灣矽創電子公司生產的ST7920。因而具有較強的控制顯示功能。LCM12832ZK的液晶顯示屏為128*32點陣，可顯示2行，每行8個漢字。該模塊具有2MB的中文字型ROM（CGROM），共提供8192個16*16點陣中文字型；同時，為了便于英文和其他常用字符的顯示，具有16KB半寬字型ROM（HCGROM），提供128個16*8點陣的字母符號字型。

三、數字繼電器的軟件設計

軟件設計主要是通過流程圖來表達的，具體如下。

（一）主程序流程圖：首先是對程序的初始化。所謂的初始化是指保護裝置在上電或按下復位鍵時率先執行的程序，它主要是對單片機及可編程擴展芯片的工作方式、參數的設置，以便在后面的程序中按預定的方案工作。接著進入讀EEPROM、歡迎畫面，然后進入一個循環，不斷地進行調用一系列的子程序。其流程圖如圖2所示。

（二）保護子程序流程圖：此子程序主要是為了對電路中的電壓和電流進行保護。當電路中的電流大于設定電流時，說明電路為過電壓狀態，則線圈動作，并進行報警。當電壓小于設定電壓時，電路為欠電壓狀態，則線圈動作，并進行報警。

（三）算法子程序流程圖：算法子程序主要介紹了由電路中采集過來的32個點的電流和電壓值，計算成其平均值、有效值以及進行標度變換。

四、結論與展望

本文論述了基于單片機數字式繼電保護裝置的研制，對裝置的保護原理、軟硬件設計及其通訊功能的設計進行了深入的分析。目前，裝置的硬件設計、制作和調試，軟件的大部分模塊功能已經完成，初步試驗結果表明，該裝置達到了預定目標。有關結論如下。

（一）繼電保護裝置集保護、測量、監控、通訊于一體。通過保護的組態機制，其可以實現對線路、變壓器、電動機、電容器等不同設備和回路的保護，摒棄了以前的針對不同的設備研制不同型號裝置的方法，使裝置的通用性強、功能擴充和修改方便。

（二）采用單片機為核心的處理器，發揮計算機的大量處理數據的能力。每周波采樣32點，對數據進行FFT運算，可以計算信號的15次諧波，有效抑制了諧波、噪聲與偏移。

（三）硬件電路遵循模塊化設計方法。

（四）軟件采用實時多任務調度的設計思想。通過合理安排程序可以嚴格控制程序和運行時間；充分利用系統資源，合理使用查表、整形數運算的方法，提高了程序的運算速度。

（五）設計了RS-485總線的通信接口。其使裝置具有強大的通信支持能力，能有效地實現系統級自動化管理和綜合信息共享，除傳輸常規數據之外，還可傳輸實時波形、物理數據塊等，支持遠程的全參量設定，包括定值、投退和其他參數。

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