一种新型微机继电保护实验平台的开发与实现

程凤芹，曲娜，于秋红

（吉林建筑工程学院城建学院，吉林长春130111）

一种新型微机继电保护实验平台的开发与实现

程凤芹，曲娜，于秋红

（吉林建筑工程学院城建学院，吉林长春130111）

根据目前高校电力系统继电保护实验教学条件的现状，开发了一种和生产实际紧密结合的微机保护实验平台，本装置以16位微处理器作为中央处理单元，具有各类输入输出接口.为实时的监控网络和单机运行，采用了Profinet-I/O和USB通信接口形式.组态软件的配备，使各种基本继电保护实验和算法的相互比较成为可能.调试接口采用JTAG口形式，整机的模块式的结构，易于拆卸，方便实验人员了解和操作实验平台.

微机保护；实验平台；模块化；Profinet-I/O

1 引言

微机保护又成为“数字型继电保护”，是用计算机实现的继电保护，其计算能力、分析能力及逻辑判断能力是机电式继电保护无法比拟的，因此，微机保护的应用与推广已经成为继电保护的发展方向[1].我国的微机保护起步比较晚，至今国内高校的继电保护实验平台还继续停留在机电式继电保护阶段，大多数没有专门的用于微机继电保护的实验装置.本文依据电力系统微机继电保护的基本原理，同时按照高校继电保护教学的要求及所在院校的实验条件，研制开发了一种适合于高校实验教学的微机继电保护平台，以期待促进国内高校微机继电保护实验教学的发展.本实验平台的特点如下：

（1）微机保护的硬件部分

该实验平台提供了足够的输入输出通道，基本可以实现电力系统主要类型的继电保护，同时便于对各类保护进行比较.

（2）微机保护的软件部分

根据实验者的特点，为继电保护实验平台开发了一套人机界面组态软件.组态软件开发环境工作于PC机,运行环境工作于下位机人机模块中.实验者无需深入掌握软件的开发环境就能快速实现各种保护和不同算法的软件配置，便于实验者自主的学习和比较.

（3）结构对象化

a.更适合实验教学.本平台选用TI公司的16位MCU作为中央处理单元，其存储器非常丰富，便于实验的无限次实现，同时本装置的芯片均为直插型，接线端子便于更换，实验装置设有多个测试点，便于实验过程中多参数进行测量.

b.抗干扰能力强.为了保证实验效果，本平台的数字电路和模拟电路分别设计在两块电路板上，以减少相互的干扰，使实验达到最佳效果.

如上所述，本实验装置能较好地配合微机保护理论教学，克服其抽象性，使学生深入地了解微机保护的原理、硬件结构和保护算法，达到实验教学的目的，提高提高了教学质量.

2 实验平台的硬件模块设计

本系统的硬件结构主要包括：数据处理单元、模拟量输入系统、开关量输入输出系统、通信单元（Profinet-I/o和USB通信接口）、人机接口（键盘与显示）单元、时钟单元各部分连接如图1所示.

2.1 数据处理单元

随着计算机技术的飞速发展，新型微机继电保护设备的计算、分析和判断能力也在不断提高，为了使本实验平台能够模拟实际继电保护的实时快速响应，本装置选用了TI公司的16位MSP430 MCU为中央处理单元.该处理器在25MHZ晶振下，指令周期只有40ns，从而能够较好地实现微机继电保护的性能，适合计算量较大的各种算法，其他技术特征为25MHz CPU Speed，512KB Flash，64KB RAM[2].

图1 实验平台的硬件结构图

2.2 数据采集单元

微机保护装置中数据采集系统的速度、精度和动态范围对保护性能有十分重要的影响，本实验平台的数据采集单元共有24路模拟量输入，其中有8路直流模拟量输入、12路交流电流输入、4路交流电压输入，可以为各种保护类型提供足够的电压电流输入，完成相应的保护实验.

本部分的主要作用是将互感器二次侧输出的电压、电流等模拟量转化为数字量，包括电压形成回路、前置模拟低通滤波器（ALF）、采样保持电路（S/H）、多路转换器、模数转换电路（A/D）.本装置的A/D转换器选用ADS42JB49，将16路交流量转换为16位数字量，由单片机对数据进行处理；另外8路直流模拟量输入直接经运放送入单片机进行A/D转换处理；8路直流信号可以配接各种类型的传感器（如温度、压力等）信号.

为了提高对电流、电压等参数的测量精度，有效地提高控制的准确度，本装置通过锁相环技术跟踪系统频率的变化，对交流A/D转换采用自适应采样，本装置的测频电路采用了两种方式：一种使用模拟集成锁相环电路NE564和计数器集成电路74HCT4520构成，另外一种采用了常用的过零比较器，这两种方式在实验中可以通过跳线开关进行选择[3].

2.3 开关量输入单元

本装置共有8路开关量输入，如图2所示.拨码开关是从实验的角度出发，方便实现继电器接点和按键接点的模拟，便于手动模拟外部的短路和断路等工作方式.为防止现场的电、磁、振动、噪声等各种干扰，输入开关量需经光电隔离电路后再引至微机并行接口，本实验平台的光电隔离器件采用的是集成的光电隔离器件TLP121.

图2 开关量输入单元

2.4 模拟量和开关量输出单元

2.4.l 模拟量输出

从实验的角度出发，本实验平台设计了模拟量输出形式，来实现对电机转速等交流装置的控制，对于该模拟量实验者可以通过编写程序来调整期频率和占空比，为了提高模拟信号的驱动能力，通过运放进行了放大，在设计中考虑到了被控对象的不同，提供了4-20mA和0-10V的控制信号[4].结构如图3所示.

图3 模拟量和开关量输出单元

2.4.2 开关量输出

微机保护通过开关量输出的状态来控制执行回路、信号回路以及完成其它操作的继电器的动作.开关量输出接口部件的作用是为正确地发出开关量操作命令提供输出通道，并在微机保护装置内外部之间实现电气隔离，以保证内部弱电电子电路的安全和减少外部干扰，光电隔离器件采用的是集成的光电隔离器件TLP121.

本实验平台共有8路开关量输出，其中6路控制继电器的动作，同时并接发光二级管，另外2路接扬声器，收到有效信号后，发声报警.基本的实验中实验者可以通过声光报警来模拟短路动作，在设计类实验中实验者可以通过继电器接入设备来搭建完整的保护系统.

2.5 通信单元

本装置带有Profinet-I/O和USB两种通信接口，采用这两种通信方式是为了兼顾各个时期的计算机的不同通信接口而设计的，可直接与各类计算机通信，构成一个微机继电保护的实验开发平台，方便地实施各种保护实验，也可以组成一个工业以太网络来集中进行控制和检测.

PROFINET作为最新一代的工业以太网总线系统，正在以前所未有的速度进入现场级的应用，其实时（RT）通信便是其中最大的优点，给现场实时监控提供良好的数据通道. PROFINET通讯接口芯片选用SIEMENS ERTEC400，它是一个集成了实时4路交换端口和32位微处理器以及PCI接口的以太网控制器，专用于工业用途现场总线[5].

USB通讯接口芯片选用CYPRESS CY7C68013A，CY7C68013A芯片是Cypress公司生产的、可支持全速数据传输的USB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)数据传输，并能自动识别全速或低速设备.由于它采用了USB 2.0收发器，更经济，体积小并且可以处理大多数USB1.1和2.0硬件协议，解除应用特定功能的嵌入式微控制器的限制，缩短开发时间以确保USB的兼容性.

2.6 人机交互模块

人机交互模块的作用是建立起微机保护装置与使用者之间的信息联系，以便对装置进行人工操作、调试和得到反馈信息.继电保护的操作主要包括整定值和控制命令的输入等，而反馈信息主要包括被保护的一次设备是否发生故障、何种性质的故障、保护装置是否已发生动作以及保护装置本身是否运行正常等.本装置的人机交互模块包括以下几个部分：键盘、显示屏、指示灯、打印机接口、调试通信接口.为了简便操作，单片机的键盘不必太过繁杂，本装置中选用了6个按键：上下左右键、退出键、确认键.直接采用MCU的I/0口作为输入，采用查询方式，即在程序中对相应I/0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.显示屏选用了点阵式液晶显示模块LCM，美观大方，界面友好，操作简单，用户可迅速熟练掌握.

2.7 时钟单元

为提供时基信号，显示时间以及记录系统中各种运行状态的发生时间，本装置采用了实时时钟芯片DSl2887.

3 单片机组态软件设计

微机保护的原理、特性及测控等性能由软件来实现，它按照保护原理的要求对硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作，微机保护测控装置的软件需求是十分独特的，需要专业的电力系统保护知识和对装置硬件的深刻认识，为了避免实验者大量的时间耗费在熟悉单片机硬件的结构和作用上，该实验装置专门开发了一套组态软件作为人机交互界面，该软件将常用的程序按照单元进行划分，并加以封装为模块，实验者只需了解模块的外部特征，无需清楚内部具体算法.使实验者通过简单形象化的组态界面就能进入微机继电保护实验，越过硬件部分直接进行相关参数的设置.

组态式软件将整个实验装置构成一个整体，用户可根据实际运行需要选配相应的保护，而不需要重新开发或修改软件，真正实现为用户“量身定做”.保护设定软件可以对具体的保护功能和特定算法进行设定，并通过编写程序固化到实验装置的MCU中，可以实现电力系统中主要类型的继电保护，例如电流三段式保护、线路距离三段式保护、变压器差动保护、母线保护等等，还可以在线路保护中结合自动重合闸操作.该实验装置设有自定义保护功能，可实现保护库中未提供的特殊保护，最大限度的满足实验者要求.各保护功能相对独立，保护定值、时限、闭锁条件和投退可独立整定和配置.保护功能的实现不依赖于通信网络，满足电力系统对保护的可靠性要求.保护运行中的各个参数值可以显示，方便学习理解.该组态整体上分为上位机软件和下位机软件，选用微软公司的Visual c++6.0作为软件的开发工具，采用数据库DB实现图形数据的存取功能，其软件功能框图如图4所示.

图4 软件功能框图

下位机软件采用C语言和汇编语言编写，同样运用了模块化的编程思想，主要包括FLASH擦除和编程模块、A/D转换模块、开关量输入输出模块、保护模块、通讯模块、键盘和显示模块，常用继电保护算法模块等，其程序流程图如图5所示.

做实验时，只要在上位机组态软件上设置各个模块的参数和保护实验所需要的整定参数值，然后通过USB将参数传到下位机，就可以进行实验，实验中实验者还可以需要通过键盘修改整定值，重新做实验，进行原理及结果的比较，实验平台的灵活性，让学生将理论知识在实践上得到验证.

图5 程序流程图

4 结束语

该实验系统遵循电力系统微机继电保护的基本原理，在硬件上采用了计算速度和集成度较高的微处理器芯片，在软件上采用组态式开发平台，在实验中可以了解微机继电保护数据采集、分析及保护动作的过程，通过组态人机界面对实验的硬件及保护参数的设置可以了解各种继电保护原理、保护算法之间的不同，使实验者对继电保护的抽象原理具体化，达到实验教学的目的.

〔1〕马永翔.电力系统继电保护（第二版）[M].北京大学出版社，2013.

〔2〕http://www.ti.com/.

〔3〕员莹，韩应江.微机继电保护实验系统的研究与实现[J].现代电子技术，2007(8)：147-150.

〔4〕李刚，王翠霞，温渤婴.一种新型微机继电保护实验装置的研制[J].继电器，2005，33（22）：16-20.

〔5〕SIEMENS SIMATIC PROFINET IO.入门指南集，2008（6）.

TM77

A

1673-260X（2013）09-0116-03

吉林省教育厅科技计划项目（吉教科合字[2010]第504号）