基于單片機(jī)數(shù)字式繼電器的設(shè)計(jì)

白芹

【摘 要】繼電保護(hù)裝置對高壓電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有重要作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)繼電保護(hù)裝置在高壓電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。文章研究設(shè)計(jì)了單片機(jī)繼電保護(hù)裝置，研究數(shù)字繼電器的設(shè)計(jì)與開發(fā)，提出了數(shù)字繼電器的整體配置方案，從高壓電網(wǎng)故障的暫態(tài)過程著手，闡述了單片機(jī)保護(hù)的硬件結(jié)構(gòu)圖、模擬量輸入、算法等。

【關(guān)鍵詞】繼電保護(hù) 數(shù)字繼電器 EEPROM AT89S52單片機(jī)

繼電保護(hù)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(dòng)裝置，它的主要任務(wù)是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)中的任何電氣元件發(fā)生故障時(shí)，它可以借助斷路器自動(dòng)切除；而當(dāng)出現(xiàn)不正常工作狀況時(shí)，則能自動(dòng)發(fā)生預(yù)警信號(hào)。在高、中、低壓電力系統(tǒng)中，數(shù)字自動(dòng)化裝置越來越多，傳統(tǒng)的電磁式繼電保護(hù)已經(jīng)逐步退出市場，晶體管保護(hù)、集成電路保護(hù)隨著單片機(jī)保護(hù)的發(fā)展，也逐步被新型的保護(hù)裝置所替代——數(shù)字繼電器。

一、數(shù)字繼電器的設(shè)計(jì)要求

要求在傳統(tǒng)繼電保護(hù)理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種新型的數(shù)字繼電器，能夠監(jiān)測220V交流電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并能對它實(shí)現(xiàn)一定的保護(hù)功能，如電流保護(hù)、低電壓保護(hù)等；同時(shí)還可通過人機(jī)界面進(jìn)行保護(hù)定值的設(shè)定和實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示；并配有RS485通信接口，可與上位計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)集中監(jiān)控、集中管理。要求設(shè)計(jì)出數(shù)字繼電器的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，并完成所有的程序調(diào)試。在進(jìn)行硬件電路和軟件編程時(shí)，應(yīng)使該數(shù)字繼電器具有一定的電磁兼容性。

二、數(shù)字繼電器的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字繼電器的硬件部分主要由模擬量調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、EEPROM擴(kuò)展、AT89S52單片機(jī)、光耦隔離、LCD顯示、鍵盤電路、晶振電路、復(fù)位電路以及電源電路組成。數(shù)字繼電器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

數(shù)字繼電器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有六大部分的設(shè)計(jì)，分別為最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)、模擬信號(hào)的采集和變換電路和設(shè)計(jì)、人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)、工作電源的設(shè)計(jì)以及串口通訊電路的設(shè)計(jì)。（在此主要介紹最小系統(tǒng)電路和人機(jī)接口電路）

（一）最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)

所謂最小系統(tǒng)是指由單片機(jī)、外擴(kuò)ROM、RAM和外擴(kuò)的I/O口構(gòu)成。而數(shù)字繼電器的最小系統(tǒng)主要由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路和EEPROM的擴(kuò)展組成，其中單片機(jī)是核心部分。

本設(shè)計(jì)采用52系列的ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

（二）人機(jī)接口電路的設(shè)計(jì)

1.鍵盤電路

此設(shè)計(jì)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(hào)，PA口輸入3位列信號(hào)，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(jī)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(nèi)部含有中文字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，其內(nèi)置的控制/驅(qū)動(dòng)器采用臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的ST7920。因而具有較強(qiáng)的控制顯示功能。LCM12832ZK的液晶顯示屏為128*32點(diǎn)陣，可顯示2行，每行8個(gè)漢字。該模塊具有2MB的中文字型ROM（CGROM），共提供8192個(gè)16*16點(diǎn)陣中文字型；同時(shí)，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(gè)16*8點(diǎn)陣的字母符號(hào)字型。

三、數(shù)字繼電器的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是通過流程圖來表達(dá)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(hù)裝置在上電或按下復(fù)位鍵時(shí)率先執(zhí)行的程序，它主要是對單片機(jī)及可編程擴(kuò)展芯片的工作方式、參數(shù)的設(shè)置，以便在后面的程序中按預(yù)定的方案工作。接著進(jìn)入讀EEPROM、歡迎畫面，然后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)，不斷地進(jìn)行調(diào)用一系列的子程序。其流程圖如圖2所示。

（二）保護(hù)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(jìn)行保護(hù)。當(dāng)電路中的電流大于設(shè)定電流時(shí)，說明電路為過電壓狀態(tài)，則線圈動(dòng)作，并進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)電壓小于設(shè)定電壓時(shí)，電路為欠電壓狀態(tài)，則線圈動(dòng)作，并進(jìn)行報(bào)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(gè)點(diǎn)的電流和電壓值，計(jì)算成其平均值、有效值以及進(jìn)行標(biāo)度變換。

四、結(jié)論與展望

本文論述了基于單片機(jī)數(shù)字式繼電保護(hù)裝置的研制，對裝置的保護(hù)原理、軟硬件設(shè)計(jì)及其通訊功能的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的分析。目前，裝置的硬件設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試，軟件的大部分模塊功能已經(jīng)完成，初步試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)。有關(guān)結(jié)論如下。

（一）繼電保護(hù)裝置集保護(hù)、測量、監(jiān)控、通訊于一體。通過保護(hù)的組態(tài)機(jī)制，其可以實(shí)現(xiàn)對線路、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器等不同設(shè)備和回路的保護(hù)，摒棄了以前的針對不同的設(shè)備研制不同型號(hào)裝置的方法，使裝置的通用性強(qiáng)、功能擴(kuò)充和修改方便。

（二）采用單片機(jī)為核心的處理器，發(fā)揮計(jì)算機(jī)的大量處理數(shù)據(jù)的能力。每周波采樣32點(diǎn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算，可以計(jì)算信號(hào)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(shè)計(jì)方法。

（四）軟件采用實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)思想。通過合理安排程序可以嚴(yán)格控制程序和運(yùn)行時(shí)間；充分利用系統(tǒng)資源，合理使用查表、整形數(shù)運(yùn)算的方法，提高了程序的運(yùn)算速度。

（五）設(shè)計(jì)了RS-485總線的通信接口。其使裝置具有強(qiáng)大的通信支持能力，能有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)自動(dòng)化管理和綜合信息共享，除傳輸常規(guī)數(shù)據(jù)之外，還可傳輸實(shí)時(shí)波形、物理數(shù)據(jù)塊等，支持遠(yuǎn)程的全參量設(shè)定，包括定值、投退和其他參數(shù)。

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