基于C8051F340的低压继电保护装置

摘 要： 提出了以C8051F340增强型单片机为核心的新型低压继电保护装置方案，对低压继电保护设备的原理和需求进行了分析，设计了系统的硬件和软件方案并予以实施和试验。试验结果表明，设备具有结构简单、动作可靠性高、采样精度高、操作方便、接口丰富等特点，能够在复杂的现场完成继电保护的各项功能。

关键词： 增强型单片机； 电力系统； 继电保护装置； C8051F340

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0159?04

0 引 言

随着集成电路、计算机的高速发展，微机继电保护装置开始越来越广泛地应用于现代电力系统中。微机继电保护具有响应速度快、智能化程度高、可联网扩展等优点，逐步取代了传统的继电保护装置。目前微机继电保护装置大多采用高性能的ARM或者DSP芯片为主控制芯片，配合外部传感器和驱动电路组成，ARM或DSP芯片集成度高、电路规模庞大、电路复杂，造成了系统开发难度大，系统灵活性差，研发周期长，软件调试困难。针对这个问题，提出了采用Silicon Labs的高性能的8位单片机和电能计量芯片组合的继电保护控制方案，不仅降低了开发难度，同时也充分利用了芯片的各种资源，可靠的实现了继电保护的各项功能。

1 方案设计

1.1 控制处理器的选择

本设计主MCU采用了C8051F340单片机来控制继保电路，高性能电能计量芯片MAXQ3180协助处理采样数据，两者结合完成了继电保护的各项功能。C8051F340为Silicon Labs推出的混合信号系统芯片，是一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，最突出的特点是高速指令处理能力。C8051F340采用CIP?51微控制器内核，与MCS?51指令完全兼容。CIP?51采用流水线结构，与标准的8051结构相比，指令执行速度有很大的提高。CIP?51在最大系统时钟频率48 MHz工作时，其峰值速度可达48 MIPS。C8051F340还有丰富的串行接口，比常规8051单片机有更多的定时器、中断、数字I/O接口。这些丰富的资源都可以使用户更灵活，更方便的完成复杂的任务。MAXQ3180是拥有DSP内核的电能计量芯片，用来处理计量部分的电压、电流等信息，它是专用的电气参数测量前端，采集并计算多相负载的多相电压、电流、功率、电能以及其他多种计量参数和功率品质参数。外部主处理器可通过片内串行外设接口（SPI）总线读出计算结果，还通过该总线来对MAXQ3180进行配置，并监测其工作状态。MAXQ3180极大的减轻了主控制器的运算工作量，使C8051F340可以游刃有余的处理继电保护的所有任务。

1.2 继电保护装置工作原理

继电保护装置是指在被保护的低压设备的二次侧连接的保护设备，它采集经过电压互感器、电流互感器按比例衰减的电压、电流信号，并进行处理分析判断，如果满足触发条件，将驱动执行机构进行动作。

继电保护装置按其工作流程基本可分成测量部分、逻辑判断部分和动作部分三个模块。其工作流程如图1所示。继电保护装置的计量部分和保护部分分别采用两个单独的MCU进行控制。计量部分的控制器通过SPI总线接口读取电能计量芯片的模数转换数据，经过预处理后转换为可直接显示使用的电压、电流、功率因数等电参量，保护部分的控制器对数据进行综合分析处理后，判断逻辑保护动作，切断断路器或接触器进行保护。

2 系统硬件设计

本装置的硬件系统主要分为采集卡和人机界面两个部分，其中采集卡通过电压、电流互感器进行电流电压的采集，并进行处理、判断、继电器输出保护，完成继电保护的核心功能；人机界面部分主要负责对采集卡参数进行设置、校准、显示实时的电参量和显示查询故障信息等功能。其框架功能图如图2所示。

2.1 电流、电压互感器的选择

互感器是继电保护的测量信号的主要传感器，一般有电压型和电流型两种。电压互感器型号为HPT205，输入电流为0～2 mA，输出电流0～2 mA，精 度0.1%，线 性 度为0.1% 。电流互感器采用自行特制的无铁心线圈，有体积小，线性度高的特点。图3为电流互感器的线性度测试结果，从图中可以看出，此电流互感器线性度较高，满足测量要求。

2.2 A/D采集

模/数转换由整定电流的采集和计量电压、电流的采集两部分组成。整定电流的采集使用的是C8051F340的内部10位SAR ADC，该ADC工作在200 KS/s的最大采样速率时可提供真正10位的线性度，INL为±1 LSB。A/D转换可以有6种启动方式：软件命令、定时器0溢出、定时器1溢出、定时器2溢出、定时器3溢出或外部转换启动信号。在该装置中采用软件命令的方式启动A/D转换，用软件定时器以每半个电网周期内启动10次转换，取其算术平均值作为最终结果。

计量电压、电流的采集使用的是MAXQ3180的模拟前端。模拟前端（AFE）是一个8通道模/数转换器（ADC）。它在标准配置下独立工作，把8个通道中的3个通道分配给A相、B相和C相电压，3个通道分配给A相、B相和C相电流，1个通道分配给零序电流，最后一个通道分配给温度传感器。在该装置中现在只使用了三相电压、电流6个通道，通过对MAXQ3180寄存器的设置，MAXQ3180直接计算出电压、电流的有效值提供主MCU使用。

2.3 故障信息的存储

为了防止故障信息的丢失，采用了FM24CL04芯片永久保存故障信息。FM24CL04 是一款4 KB的非易失性存储器，它采用先进的铁电存储技术，执行读/写操作的速度与RAM相似，但可以掉电保存。FM24CL01提供45年的数据保存时间，同时消除了由E2PROM 和其他非易失性存储器导致的复杂性、开销和系统级别可靠性问题。存储历史信息后，在系统正常工作的情况下，可以通过操作人机界面在液晶显示屏上查询最近的故障信息。

2.4 通信接口和通信方式的选择

本设计使用到SMBus、增强型SPI串行接口和增强型UART三种通信方式。C8051F340与铁电存储器通过SMBus总线进行通信。SMBus I/O接口是一个双线的双向串行总线。SMBus完全符合系统管理总线规范1.1版，与I2C串行总线兼容。C8051F340作为主器件完成对铁电的写操作和读操作。C8051F340与MAXQ3180通过SPI串行接口进行通信。串行外设接口提供访问一个全双工同步串行总线的能力。SPI0可以作为主器件或从器件工作，可以使用3线或4线方式，并可在同一总线上支持多个主器件和从器件。

C8051F340作为主器件使用3线方式连接对MAXQ3180进行写操作和读操作。采集卡和人机界面通过增强型UART进行通信，通信波特率为115 200 b/s。

3 系统软件设计

3.1 程序流程设计

继电保护装置的软件系统结构图如图4所示。

系统软件由数据处理程序和故障判断程序两部分组成。 数据处理程序部分包括数据采集和数据计算处理两部分。CPU对二次侧小信号经过电压互感器、电流互感器、分压电路、放大电路处理后，进行模/数转换采集，每隔1 ms CPU采集1次。10 ms为1个周期对采集的电压、电流进行处理，对采集的电压、电流信号累加进行有效值的计算，并还原为电压、电流的实际值。启动定时器每隔10 ms把采集计算出来的电压电流有效值进行故障条件的判定。当满足某种故障条件时，采取相应的动作方式。当系统运行正常时，程序循环执行，采集处理数据，等待下一个10 ms进行故障判断。

3.2 程序地址分配

C8051F340使用Silicon Labs的专利CIP?51微控制器内核。CIP?51系统控制器的存储器组织与标准8051的存储器组织相同。CIP?51有64 KB的程序存储器空间。C8051F340在这个程序存储器空间中实现了64 KB的可在系统编程的FLASH存储器。对于C8051F340，0xFBFF以上的地址被保留。

CIP?51的数据存储器空间中有256 B的内部RAM，位于地址0x00～0xFF的地址空间。数据存储器中的低128 B用于通用寄存器和临时存储器。可以用直接或间接寻址方式访问数据存储器的低128 B。从0x00～0x1F为4个通用寄存器区，每个区有8个8位寄存器。接下来的16 B，从地址0x20～0x2F，既可以按字节寻址又可以作为128个位地址用直接位寻址方式访问。数据存储器中的高128 B只能用间接寻址访问。该存储区与特殊功能寄存器（SFR）占据相同的地址空间，但物理上与SFR空间是分开的。当寻址高于0x7F的地址时，指令所用的寻址方式决定了CPU是访问数据存储器的高128 B还是访问SFR。使用直接寻址方式的指令将访问SFR空间，间接寻址高于0x7F地址的指令将访问数据存储器的高128 B。C8051F340具有4 KB的XRAM，还可以通地址总线扩展至64 KB。具体地址分配如表1、表2所示。

3.3 微机继电保护装置的功能实现

针对380 V及以下的低压输电线路，不同的保护方式选择不同类型的保护曲线，同一类型的保护曲线又可选择延时时间不同的保护曲线，不同保护曲线示例如图5所示。所有保护功能的参数都可以自行设置，例如可以选择设置长延时反时限、短延时反时限、短延时定时限这些不同的过载保护特性曲线；当超过20倍电流过载时，装置执行速断保护，表3为测试的部分数据。该装置同时可以对电流不平衡、过压、欠压、电压不平衡、过频、欠频、相序进行保护。根据现场的需要，对所有保护功能都可以进行延时时间、门限值、开启功能或者关闭功能等的设置。

4 结 语

实际运行结果表明，以C8051F340为核心设计的继电保护装置，在理论和设计应用方面都具有可操作性。采用增强型8位单片机不仅可以完成复杂的继电保护功能，便于开发调试，而且电路方面结构简单可靠，使用成本较低，具有一定的市场价值。

参考文献

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