数字式继电保护器的研制和应用

摘要：提出了以ATMEGA32为核心处理器的微机保护装置的设计方案。采用了ISP和JTAG口作为调试接口,设计了易于拆卸的整机结构,便于使用者对微机保护装置及过程的全面了解。

关键词：继电保护；ATMEGA32单片机

1、引言

继电保护装置是由继电器和其它辅助元件构成的安全自动装置，能反映电气元件的故障和不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号。随着微机在继电保护的应用，其快速的计算性、良好的存储及强大的网络功能以及继电保护的通用性和软件的可重构性，使得在通用的硬件平台上可以实现多种功能和复杂的继电保护。一套微机保护往往采用了多种保护原理，且微机保护还可以方便地实现一些常规保护难以实现的功能。

2、微机保护装置的设计

2.1、系统总体结构及特征通过对实际微机继电保护装置及其原理的分析，结合电力系统继电保护原理和微机继电保护国家标准的要求和内容，结合我们水厂设备的实际情况，确定了该装置硬件的总体设计方案，试验中所需要的故障电压电流信号来自继电保护测试仪，信号进入交流变换插件进行幅值变换后,由继电保护装置进行处理。如满足预先设定的动作条件，继电保护装置将发出动作信号并驱动保护按既定逻辑动作，同时在液晶LCM汉显屏显示所有信息。本设计中央处理模块采用ATMEL公司的ATMEGA32单片机，完成数据采集、逻辑判断、故障巡检、开关量输入与输出及人机接口通信等任务,是整个微机保护装置的核心。ATMEGA32单片机是ATMEL公司推出的新一代混合信号系统(SOC)单片机。SOC是随着半导体技术的不断发展而产生的新概念,是对集成度要求越来越高和对嵌入式控制技术可靠性要求越来越高的产物。ATMEGA32单片机采用HARVARD结构和RISC精简指令集,对指令运行实行流水作业。在这种模式中,指令以时钟周期为运行单位,平均每个时钟可以执行完l条单周期指令,大大提高了指令运行速度。ATMEGA32单片机扩展了中断处理,增加了中断源,可提供22个中断源,这对实时多任务系统的实现是很重要的。

ATMEGA32还在内部增加了复位源,大大提高了系统的可靠性。主要特点如下:（1）带有与8051全兼容的高速微控制器内核。（2）大容量非易失性的F1ash程序存储器和内部数据存储器EEPROM；擦写寿命100万次；2K字节SDRAM。（3）具有较高精度和速度的8个多通道C模数转换器和4路10位数模转换器。（4）工作温度范围较大,为-45～+85℃。（5）功耗低,供电电压为2.7～5.5V，典型工作电流为12mA,并具有多种节电休眠和停机模式。（6）ISP编程和片内JTAG仿真电路可提供全速、非插入式的电路内部仿真。

2.2、装置功能 ①短路保护：电动机如有相与相间或相与地间的短路故障，能瞬时保护。 ②缺相保护: 不论在电动机起动时还是在运行中，三相中任何一相缺相，能瞬时保护。 ③过载保护: 电动机的运行电流超过额定电流的K（电流过载整定系数）倍时计时，到设定保护延时时间时保护。④过压、欠压报警及保护: 根据实际需要，控制板上设置一跳线开关S1，若用于电压等级500V以上电动机时，将跳线开关置 0 位置。当实际电压超过或低于设定上、下限值时，为防止高压正常而PT故障造成电压超限而误停电动机，故此时不保护，但蜂鸣器报警，液晶屏显示：系统电压过高或过低。当系统电压恢复正常后，自动转为正常状态；若用于电压等级500V以下电动机时，将跳线开关置1位置，当实际电压超过或低于设定上、下限值时，瞬时保护，蜂鸣器报警。⑤故障记忆: 当被保设备发生故障时, 经CPU采样判断后，根据保护级别和设定的参数发出当前最高级别故障保护指令，执行机构对相应类型故障进行保护，同时存储器把故障时的类型、参数值、时间进行实时显示和故障记忆，便于事后查询、分析、排除故障。设备故障排除后，必须将故障记忆清除，方能重新启动设备，否则，故障记忆不清除，设备无法再启动，避免了故障损失的再扩大。

2.3、数据采集模块数据采集单元共有6路模拟量输入,其中采集3相交流电流、3相交流电压,可以为各种保护类型提供足够电量参数,完成相应的保护功能。二次采集选用精度为0.1级的霍尔互感器,以确保模拟量准确、安全的测量。转换后的模拟信号由片内的A/D转换器将模拟量转换为10位数字量,由单片机对数据进行处理。

2.4、人机接口模块用来向装置输入数据、传送命令等功能,是人工干预装置运行的主要手段。装置中选用了7个按键,直接采用单片机的I/O口作为键盘输入,按键的扫描方式采用查询方式,即在程序中对相应I/O口的状态进行查询,确认是否有键按下,然后调用相应的按键处理程序。本装置选用图形点阵式汉字液晶显示模块LCM,是集LCD控制器、RAM、ROM和LCD显示器、国标字库的为一体的大规模集成电路模块，使用时只需向LCM模块送入相应的命令和数据便可实现所需要的显示。

2.5、时钟模块采用了高精度实时时钟芯片ISD2001提供时基信号。该芯片是一种具有内置晶振、内置可反复充电锂电池、1K字节串行E2PROM、支持I2C总线接口的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精度为±4ppm，即年误差小于2分钟；当内置电池失效时也可再接外置电池，其中内置电池充满后可保证在外部掉电情况下时钟使用寿命超过五年；可提供主机显示时间以及记录系统中各种故障的发生时间。

2.6、保护输出模块在设备发生故障时，微机保护主要是通过保护输出开关量来完成对设备的控制保护。本装置共有6路信号报警，当继电器发出动作时，相应的液晶显示模块LCM上显示相应的故障信息，蜂鸣器发声报警。3.系统软件设计软件采用VB语言编写,采用当今流行的模块化程序结构，主要包括上电自检、键盘中断处理、数据采样、常用继电保护算法、液晶LCM显示、比较判断保护驱动(电流保护、电压保护)、实时时钟、故障数据存储等程序模块。4.总结本文介绍了一种新型微机保护装置,提出了总体设计方案和实现方法。采用该方案设计的继电保护装置解决了以往装置中存在的不直观和与现场应用脱节等问题,体现了当今继电保护最新技术和发展趋势。硬件设计灵活可靠，易于软件平台化和模块化设计。

参考文献

[1] 陈德树．计算机继电保护原理与技术[M].北京：中国电力出版社, 1992

[2] 潘琢金，施国君．C8051F 高速SOC 单片机原理及其应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002