一種新型微機繼電保護實驗平臺的開發(fā)與實現(xiàn)

程鳳芹，曲娜，于秋紅

（吉林建筑工程學院城建學院，吉林長春130111）

一種新型微機繼電保護實驗平臺的開發(fā)與實現(xiàn)

程鳳芹，曲娜，于秋紅

（吉林建筑工程學院城建學院，吉林長春130111）

根據(jù)目前高校電力系統(tǒng)繼電保護實驗教學條件的現(xiàn)狀，開發(fā)了一種和生產(chǎn)實際緊密結合的微機保護實驗平臺，本裝置以16位微處理器作為中央處理單元，具有各類輸入輸出接口.為實時的監(jiān)控網(wǎng)絡和單機運行，采用了Profinet-I/O和USB通信接口形式.組態(tài)軟件的配備，使各種基本繼電保護實驗和算法的相互比較成為可能.調試接口采用JTAG口形式，整機的模塊式的結構，易于拆卸，方便實驗人員了解和操作實驗平臺.

微機保護；實驗平臺；模塊化；Profinet-I/O

1 引言

微機保護又成為“數(shù)字型繼電保護”，是用計算機實現(xiàn)的繼電保護，其計算能力、分析能力及邏輯判斷能力是機電式繼電保護無法比擬的，因此，微機保護的應用與推廣已經(jīng)成為繼電保護的發(fā)展方向[1].我國的微機保護起步比較晚，至今國內(nèi)高校的繼電保護實驗平臺還繼續(xù)停留在機電式繼電保護階段，大多數(shù)沒有專門的用于微機繼電保護的實驗裝置.本文依據(jù)電力系統(tǒng)微機繼電保護的基本原理，同時按照高校繼電保護教學的要求及所在院校的實驗條件，研制開發(fā)了一種適合于高校實驗教學的微機繼電保護平臺，以期待促進國內(nèi)高校微機繼電保護實驗教學的發(fā)展.本實驗平臺的特點如下：

（1）微機保護的硬件部分

該實驗平臺提供了足夠的輸入輸出通道，基本可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)主要類型的繼電保護，同時便于對各類保護進行比較.

（2）微機保護的軟件部分

根據(jù)實驗者的特點，為繼電保護實驗平臺開發(fā)了一套人機界面組態(tài)軟件.組態(tài)軟件開發(fā)環(huán)境工作于PC機,運行環(huán)境工作于下位機人機模塊中.實驗者無需深入掌握軟件的開發(fā)環(huán)境就能快速實現(xiàn)各種保護和不同算法的軟件配置，便于實驗者自主的學習和比較.

（3）結構對象化

a.更適合實驗教學.本平臺選用TI公司的16位MCU作為中央處理單元，其存儲器非常豐富，便于實驗的無限次實現(xiàn)，同時本裝置的芯片均為直插型，接線端子便于更換，實驗裝置設有多個測試點，便于實驗過程中多參數(shù)進行測量.

b.抗干擾能力強.為了保證實驗效果，本平臺的數(shù)字電路和模擬電路分別設計在兩塊電路板上，以減少相互的干擾，使實驗達到最佳效果.

如上所述，本實驗裝置能較好地配合微機保護理論教學，克服其抽象性，使學生深入地了解微機保護的原理、硬件結構和保護算法，達到實驗教學的目的，提高提高了教學質量.

2 實驗平臺的硬件模塊設計

本系統(tǒng)的硬件結構主要包括：數(shù)據(jù)處理單元、模擬量輸入系統(tǒng)、開關量輸入輸出系統(tǒng)、通信單元（Profinet-I/o和USB通信接口）、人機接口（鍵盤與顯示）單元、時鐘單元各部分連接如圖1所示.

2.1 數(shù)據(jù)處理單元

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，新型微機繼電保護設備的計算、分析和判斷能力也在不斷提高，為了使本實驗平臺能夠模擬實際繼電保護的實時快速響應，本裝置選用了TI公司的16位MSP430 MCU為中央處理單元.該處理器在25MHZ晶振下，指令周期只有40ns，從而能夠較好地實現(xiàn)微機繼電保護的性能，適合計算量較大的各種算法，其他技術特征為25MHz CPU Speed，512KB Flash，64KB RAM[2].

圖1 實驗平臺的硬件結構圖

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

微機保護裝置中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度、精度和動態(tài)范圍對保護性能有十分重要的影響，本實驗平臺的數(shù)據(jù)采集單元共有24路模擬量輸入，其中有8路直流模擬量輸入、12路交流電流輸入、4路交流電壓輸入，可以為各種保護類型提供足夠的電壓電流輸入，完成相應的保護實驗.

本部分的主要作用是將互感器二次側輸出的電壓、電流等模擬量轉化為數(shù)字量，包括電壓形成回路、前置模擬低通濾波器（ALF）、采樣保持電路（S/H）、多路轉換器、模數(shù)轉換電路（A/D）.本裝置的A/D轉換器選用ADS42JB49，將16路交流量轉換為16位數(shù)字量，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理；另外8路直流模擬量輸入直接經(jīng)運放送入單片機進行A/D轉換處理；8路直流信號可以配接各種類型的傳感器（如溫度、壓力等）信號.

為了提高對電流、電壓等參數(shù)的測量精度，有效地提高控制的準確度，本裝置通過鎖相環(huán)技術跟蹤系統(tǒng)頻率的變化，對交流A/D轉換采用自適應采樣，本裝置的測頻電路采用了兩種方式：一種使用模擬集成鎖相環(huán)電路NE564和計數(shù)器集成電路74HCT4520構成，另外一種采用了常用的過零比較器，這兩種方式在實驗中可以通過跳線開關進行選擇[3].

2.3 開關量輸入單元

本裝置共有8路開關量輸入，如圖2所示.撥碼開關是從實驗的角度出發(fā)，方便實現(xiàn)繼電器接點和按鍵接點的模擬，便于手動模擬外部的短路和斷路等工作方式.為防止現(xiàn)場的電、磁、振動、噪聲等各種干擾，輸入開關量需經(jīng)光電隔離電路后再引至微機并行接口，本實驗平臺的光電隔離器件采用的是集成的光電隔離器件TLP121.

圖2 開關量輸入單元

2.4 模擬量和開關量輸出單元

2.4.l 模擬量輸出

從實驗的角度出發(fā)，本實驗平臺設計了模擬量輸出形式，來實現(xiàn)對電機轉速等交流裝置的控制，對于該模擬量實驗者可以通過編寫程序來調整期頻率和占空比，為了提高模擬信號的驅動能力，通過運放進行了放大，在設計中考慮到了被控對象的不同，提供了4-20mA和0-10V的控制信號[4].結構如圖3所示.

圖3 模擬量和開關量輸出單元

2.4.2 開關量輸出

微機保護通過開關量輸出的狀態(tài)來控制執(zhí)行回路、信號回路以及完成其它操作的繼電器的動作.開關量輸出接口部件的作用是為正確地發(fā)出開關量操作命令提供輸出通道，并在微機保護裝置內(nèi)外部之間實現(xiàn)電氣隔離，以保證內(nèi)部弱電電子電路的安全和減少外部干擾，光電隔離器件采用的是集成的光電隔離器件TLP121.

本實驗平臺共有8路開關量輸出，其中6路控制繼電器的動作，同時并接發(fā)光二級管，另外2路接揚聲器，收到有效信號后，發(fā)聲報警.基本的實驗中實驗者可以通過聲光報警來模擬短路動作，在設計類實驗中實驗者可以通過繼電器接入設備來搭建完整的保護系統(tǒng).

2.5 通信單元

本裝置帶有Profinet-I/O和USB兩種通信接口，采用這兩種通信方式是為了兼顧各個時期的計算機的不同通信接口而設計的，可直接與各類計算機通信，構成一個微機繼電保護的實驗開發(fā)平臺，方便地實施各種保護實驗，也可以組成一個工業(yè)以太網(wǎng)絡來集中進行控制和檢測.

PROFINET作為最新一代的工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，正在以前所未有的速度進入現(xiàn)場級的應用，其實時（RT）通信便是其中最大的優(yōu)點，給現(xiàn)場實時監(jiān)控提供良好的數(shù)據(jù)通道. PROFINET通訊接口芯片選用SIEMENS ERTEC400，它是一個集成了實時4路交換端口和32位微處理器以及PCI接口的以太網(wǎng)控制器，專用于工業(yè)用途現(xiàn)場總線[5].

USB通訊接口芯片選用CYPRESS CY7C68013A，CY7C68013A芯片是Cypress公司生產(chǎn)的、可支持全速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB控制芯片，它是高度集成、低功耗USB 2.0的微控制器，支持全速(full speed)/低速(low speed)數(shù)據(jù)傳輸，并能自動識別全速或低速設備.由于它采用了USB 2.0收發(fā)器，更經(jīng)濟，體積小并且可以處理大多數(shù)USB1.1和2.0硬件協(xié)議，解除應用特定功能的嵌入式微控制器的限制，縮短開發(fā)時間以確保USB的兼容性.

2.6 人機交互模塊

人機交互模塊的作用是建立起微機保護裝置與使用者之間的信息聯(lián)系，以便對裝置進行人工操作、調試和得到反饋信息.繼電保護的操作主要包括整定值和控制命令的輸入等，而反饋信息主要包括被保護的一次設備是否發(fā)生故障、何種性質的故障、保護裝置是否已發(fā)生動作以及保護裝置本身是否運行正常等.本裝置的人機交互模塊包括以下幾個部分：鍵盤、顯示屏、指示燈、打印機接口、調試通信接口.為了簡便操作，單片機的鍵盤不必太過繁雜，本裝置中選用了6個按鍵：上下左右鍵、退出鍵、確認鍵.直接采用MCU的I/0口作為輸入，采用查詢方式，即在程序中對相應I/0口的狀態(tài)進行查詢，確認是否有鍵按下，然后調用相應的按鍵處理程序.顯示屏選用了點陣式液晶顯示模塊LCM，美觀大方，界面友好，操作簡單，用戶可迅速熟練掌握.

2.7 時鐘單元

為提供時基信號，顯示時間以及記錄系統(tǒng)中各種運行狀態(tài)的發(fā)生時間，本裝置采用了實時時鐘芯片DSl2887.

3 單片機組態(tài)軟件設計

微機保護的原理、特性及測控等性能由軟件來實現(xiàn)，它按照保護原理的要求對硬件進行控制，有序地完成數(shù)據(jù)采集、外部信息交換、數(shù)字運算和邏輯判斷、動作指令執(zhí)行等各項操作，微機保護測控裝置的軟件需求是十分獨特的，需要專業(yè)的電力系統(tǒng)保護知識和對裝置硬件的深刻認識，為了避免實驗者大量的時間耗費在熟悉單片機硬件的結構和作用上，該實驗裝置專門開發(fā)了一套組態(tài)軟件作為人機交互界面，該軟件將常用的程序按照單元進行劃分，并加以封裝為模塊，實驗者只需了解模塊的外部特征，無需清楚內(nèi)部具體算法.使實驗者通過簡單形象化的組態(tài)界面就能進入微機繼電保護實驗，越過硬件部分直接進行相關參數(shù)的設置.

組態(tài)式軟件將整個實驗裝置構成一個整體，用戶可根據(jù)實際運行需要選配相應的保護，而不需要重新開發(fā)或修改軟件，真正實現(xiàn)為用戶“量身定做”.保護設定軟件可以對具體的保護功能和特定算法進行設定，并通過編寫程序固化到實驗裝置的MCU中，可以實現(xiàn)電力系統(tǒng)中主要類型的繼電保護，例如電流三段式保護、線路距離三段式保護、變壓器差動保護、母線保護等等，還可以在線路保護中結合自動重合閘操作.該實驗裝置設有自定義保護功能，可實現(xiàn)保護庫中未提供的特殊保護，最大限度的滿足實驗者要求.各保護功能相對獨立，保護定值、時限、閉鎖條件和投退可獨立整定和配置.保護功能的實現(xiàn)不依賴于通信網(wǎng)絡，滿足電力系統(tǒng)對保護的可靠性要求.保護運行中的各個參數(shù)值可以顯示，方便學習理解.該組態(tài)整體上分為上位機軟件和下位機軟件，選用微軟公司的Visual c++6.0作為軟件的開發(fā)工具，采用數(shù)據(jù)庫DB實現(xiàn)圖形數(shù)據(jù)的存取功能，其軟件功能框圖如圖4所示.

圖4 軟件功能框圖

下位機軟件采用C語言和匯編語言編寫，同樣運用了模塊化的編程思想，主要包括FLASH擦除和編程模塊、A/D轉換模塊、開關量輸入輸出模塊、保護模塊、通訊模塊、鍵盤和顯示模塊，常用繼電保護算法模塊等，其程序流程圖如圖5所示.

做實驗時，只要在上位機組態(tài)軟件上設置各個模塊的參數(shù)和保護實驗所需要的整定參數(shù)值，然后通過USB將參數(shù)傳到下位機，就可以進行實驗，實驗中實驗者還可以需要通過鍵盤修改整定值，重新做實驗，進行原理及結果的比較，實驗平臺的靈活性，讓學生將理論知識在實踐上得到驗證.

圖5 程序流程圖

4 結束語

該實驗系統(tǒng)遵循電力系統(tǒng)微機繼電保護的基本原理，在硬件上采用了計算速度和集成度較高的微處理器芯片，在軟件上采用組態(tài)式開發(fā)平臺，在實驗中可以了解微機繼電保護數(shù)據(jù)采集、分析及保護動作的過程，通過組態(tài)人機界面對實驗的硬件及保護參數(shù)的設置可以了解各種繼電保護原理、保護算法之間的不同，使實驗者對繼電保護的抽象原理具體化，達到實驗教學的目的.

〔1〕馬永翔.電力系統(tǒng)繼電保護（第二版）[M].北京大學出版社，2013.

〔2〕http://www.ti.com/.

〔3〕員瑩，韓應江.微機繼電保護實驗系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2007(8)：147-150.

〔4〕李剛，王翠霞，溫渤嬰.一種新型微機繼電保護實驗裝置的研制[J].繼電器，2005，33（22）：16-20.

〔5〕SIEMENS SIMATIC PROFINET IO.入門指南集，2008（6）.

TM77

A

1673-260X（2013）09-0116-03

吉林省教育廳科技計劃項目（吉教科合字[2010]第504號）