1 引 言

隨著電力工業的迅速發展，對電力系統繼電保護的要求也越來越高，傳統的繼電保護產品已不能適應這些要求，正在被逐步淘汰，各種類型的微機裝置由于具有諸如反應故障速度快、運行靈活、無動作死區等一系列獨特的優點，在電力系統保護中得到了廣泛的應用，如由微機控制的集測量、控制、保護、遠動、五防等功能于一體的無人值守變電站的廣泛應用就是明顯的例證。

基于這種狀況，為了使現場繼電保護操作人員和在校學生盡快掌握微機保護裝置的基本結構和工作原理，學會調試和操作維護的基本方法，有必要研制一套微機繼電保護實驗系統。本文的實驗系統即是為適應這一要求而開發的。其硬件設計以Atmel公司的AT89C55WD型MCU為核心，外圍電路包括8路交流輸入、8路直流輸入、8路數字量輸入和8路數字量輸出，并設有RS 232串行通信接口。同時充分考慮了實驗教學的需要，留有足夠的測試點，配有組態實驗軟件，人機界面友好，具有能方便進行常用繼電保護原理實驗和不同算法的比較，功能完備，方便實用等優點。

2 繼電保護實驗系統設計

繼電保護實驗實驗系統主要由上位機、繼電保護測試儀和繼電保護實驗裝置組成，三者的連接框圖如圖1所示。其關系為：繼電保護測試儀為整個實驗系統的信號源，他可模擬各種運行方式下的故障現象，為 微機保護實驗裝置提供所需的各種電壓量、電流量和開關量信號，上位機作為人機交互的窗口，微機保護實驗裝置是本文要研究的主體--控制系統。

其中控制系統采用單片機控制，包含以下4個部分：數據處理單元，即微機主系統；數據采集單元，即模擬量輸入系統；數字量輸入／輸出接口，即開關量輸入輸出系統；通信接口。不僅能實現各項實驗數據（包括三相電壓、三相電流等）的實時采集和處理，還可以控制實驗裝置動作，并可以通過通信模塊與計算機進行通信，將實時實驗狀態送到上位機進行顯示、記錄。

3 微處理器的選擇

控制系統的數據處理單元由AT89C55WD芯片及其外圍電路組成。他是整個單片機控制系統的核心，實現保護參數的設定與保存、單片機地址的譯碼與分配以及故障程序的自動復位等功能，并對數據采集系統輸入的各種原始數據進行計算分析、處理、判斷，完成相應的繼電保護功能。AT89C55WD足一個低電壓高性能的CMOS型8位單片機，片內含20 kb／s的可反復擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 B的隨機存取數據存儲器（RAM），采用高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，引腳兼容工業標準89C51和89C52芯片，采用通用編程方式，片內置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，功能強大，可提供許多高性價比的解決方案，適用于多數嵌入式應用系統。

他有40個引腳，32個外部雙向輸入／輸出（I／O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，工作頻率可以達到33 MHz，完全滿足系統的分辨率、精度和速率要求。

4 外圍電路設計

4.1 A／D轉換單元

由于A／D轉換器與整個系統的測量范圍和精度有關，因此，A／D轉換器的位數至少要比總精度要求的最低分辨率高一位。本裝置對8路模擬信號進行采樣，每周波采樣12點，即每一個周波要完成256次轉換，而每個周波為20 ms，因此要求轉換速率約為78μs。考慮到每個通道的采樣時間包括多路開關的開關時間、采樣／保持器的采樣和建立時間、A／D轉換器的轉換時間以及測量傳感器的建立時間等，決定選用轉換時間較少的逐次比較型的A／D轉換器。對于8位的A／D轉換器的分辨率能達到1／28或滿刻度的0.392％，顯然不能滿足本裝置所要求的0.2級（0.2％）精度；而10位的轉換器能夠達到的精度為0.09％，能夠滿足本裝置的精度要求，所以本裝置采用10位的MAX1060型芯片A／D轉換器用于數據的轉換。

MAX1060為10位低功耗逐次逼近型模／數轉換器（ADC），轉換速度為2μs，具有內部時鐘、+2.5 V內部基準和高速單字節并口等特性，可工作于單+5 V模擬電源，獨立的VLOGIC引腳允許與+2.7～+5.5 V的數字邏輯直接接口。在400 kS／s的最大采樣頻率下，功耗僅為10 mW。提供兩種軟件可編程的關斷模式，可以使MAX1060在轉換操作之間處于關斷狀態，一旦訪問并口，便使其返回到正常工作模式，且在低采樣率下，數據轉換之間的關斷模式能夠將電源電流降至10 μA以內。轉換電路如圖2所示。

4.2 開關量輸入／輸出單元

4.2.1 開關量輸入單元

本系統共有8路開關量輸入，如圖3所示。由于儀器模擬的運行現場環境惡劣，存在電、磁、振動、噪聲等各種干擾，TTL電平直接接口可能會造成錯誤輸入。因而本裝置采用光電隔離型輸入方式，其主要優點：

（1） 輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力強；

（2） 無觸點、耐沖擊、壽命長、可靠性高；

（3） 響應速度快，易與邏輯電平配合使用。

從外面引入微機保護的開關量，如開關位置輔助接點、收發信機的收發信狀態觸點等都是由“開關量輸入”回路中的光電隔離技術處理后，將信息送至中央處理系統。本系統中8路開關量輸入量分成兩類：第一類的6路由MCU通過查詢方式獲知系統的工作狀態；第二類的2路直接接到MCU的外部中斷口上，一旦開關量有變化時可以產生一個中斷，MCU可以及時處理。這樣就使得裝置的工作非常靈活。

撥碼開關是為了方便實現繼電器接點和按鍵接點的模擬，便于通過手動模擬外部的短路或斷路等工作方式。

4.2.2 開關量輸出單元

在線路發生故障時，微機保護主要是通過各種開關量輸出來完成對線路中各斷路器和繼電器的控制，從而使發生事故的線路被隔離，其他線路能夠最大程度地得到保護。具體的說，從微機保護送出的開關量，如跳閘命令、告警信息等，是經“開關量輸出”回路中的光電隔離技術處理后，將中央處理系統的判斷結果送出，并實現保護功能。

本系統用8路信號開關量輸出來模擬故障狀態，其中7路接繼電器，同時并接發光二極管LED。在有故障信號而使繼電器動作時，相應的二極管也發光顯示；另外1路接揚聲器，收到故障信號后，發聲報警。開關輸出量既可以用來模擬故障動作，還可用繼電器接外部設備來形成一個完整的保護系統，輸出結構如圖4所示。微機系統輸出的開關信號是芯片給出的低壓直流，不能直接驅動外設，而需要經過驅動模塊轉換等處理后才能用于完成對外部設備的開啟和關閉，本裝置的開關量采用繼電器輸出方式輸出。

4.3 頻率測量單元

本系統使用單片模擬集成鎖相環電路NE564進行測頻，該芯片采用單5 V電壓供電，最高工作頻率可達50 MHz，外部可調節環路增益，數字量輸入輸出兼容TTL電平。另外裝置還使用了一片計數器集成電路74HCT4520，接成一個256分頻器，把NE564的VCO輸出進行256分頻后，送入NE564的鑒相器與輸入的50 Hz工頻信號進行相位比較。這樣，50 Hz的工頻信號就在256倍頻后送進MCU進行頻率測量。通過上述電路，就可以實現自適應調整采樣間隔，在A／D轉換中采用跟蹤頻率變化的變步長對輸入信號進行采樣，以使本系統具有較好的測量精度。此外，還采用常用的過零比較器進行測頻，把正弦信號轉換成方波信號，完成測量頻率的功能，如圖5所示。

4.4 通信單元

考慮到計算機接口的合理利用問題，采用最常用的RS 232通信接口來完成與計算機的之間的數據的傳輸，從而可以實現對計算機接口的合理分配與利用，達到更好的使用效果。

RS 232作為一種通信標準，已經在微機串行通信接口中廣泛應用。傳輸距離小于15 m，遠距離通信時一般要加調制解調器Modem；近距離通信時不采用調制解調器Modem，雙方可以直接連接。由于本實驗裝置與上位機可以直接相連，只需要3根信號線（發送線TXD、接收線RXD、信號地線SG）便可以實現全雙工異步串行通信。然后采用MAX232來完成RS 232與TTL電平的轉換，如圖6所示。

另外還有鍵盤與顯示單元、時鐘單元和抗干擾單元等，由于篇幅所限，不再贅述。

5 軟件實現

本系統中采用AT89C55WD的8位單片機為CPU，采用KeilC51結構化編程語言編程，采用模塊化設計，使系統的軟件結構清晰，易于理解，便于調試、連接、修改和移植。

單片機應用系統的軟件設計和一般的程序設計不同，既有各種計算程序設計，還要結合具體的硬件電路進行各種輸入輸出程序沒計。軟件設計必須在硬件、軟件功能劃分基礎上進行。本系統軟件由主程序和人機接口、數據采集、計算、故障處理、記錄和通信等幾個子程序組成。數據采集單元將采集的數據通過12點快速傅里葉變換，計算出電壓、電流值，冉進一步求出有功功率、無功功率、功率因數等，所得參數可顯示并上傳給上位機，完成系統數據測量、人機接口及通訊等輔助控制功能。系統主程序流程圖如圖7所示。

6 結 語

運行表明，該實驗系統，可模擬各種運行方式下的故障現象，省去了傳統測試方法中所需的移相器、調壓器等多臺用于調整電壓、電流的較為笨重的一次設備，避免了由此引起的易接錯線、功能單一等不足，可大大提高實驗測試水平。由于裝置硬件通用性強，可通過在同一硬件平臺上下載多種不同的保護程序運行，來完成多種不同類型的保護功能實驗，突破了傳統的一套保護裝置只實現一種保護功能的局限，使學生在實驗室就可以仿真現場的故障現象，且價格低廉，有效地解決了電力系統繼電保護生產一線與教學之間的銜接問題，具有較大的推廣前景。

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