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基于DSP的多功能微機保護實驗裝置

 摘要:為了提高微機繼電保護的維護運行水平,研制了一種基于DSP的新型多功能微機保護實驗裝置。該裝置以DSP2812為中心,具有各類輸入輸出 接口,采用了簡單靈活的JTAG口作為調試接口。該系統配有人機界面友好的組態實驗軟件,并設有USB通信接口,能方便進行各種基本的繼電保護實驗,便于 全面學習微機保護實驗裝置及過程。

  關鍵詞:微機保護;組態軟件;繼電保護
中圖分類號:TM774 獻標志碼:B 文章編號:1003-0867(2008)08-0031-02
微機保護具有優異的計算、分析、邏輯判斷能力和存儲記憶功能,可實現以往機電式繼電保護無法完成的保護功能。近年來微機繼電保護設備以其維護調試方便、可 靠性高、具有遠方監控特性等獨有的優勢,獲得了普及應用。我國現在新投入使用的高中壓等級繼電保護設備幾乎均為微機保護產品。因此提供一套多功能微機保護 實驗裝置對于提高微機繼電保護的維護運行水平有十分重要的意義。
本文中實驗裝置主要有以下幾個特點:硬件可構成三種繼電保護方式,組態軟件實現各種保護的軟件配置,結構優化適應實驗要求。
1 系統總體方案
本裝置由PC機和微機保護實驗儀組成,兩者間由USB通信電纜相連。PC機完成保護類型參數的選擇配置,向微機保護實驗儀傳送該設置,并顯示實驗的有關結 果。微機保護實驗儀接收PC機傳輸的數據,完成設定的實驗,并顯示和上傳有關的實驗結果。微機保護實驗儀由中央處理器單元、數字外設單元和模擬外設單元構 成。
2 硬件電路設計
微機保護實驗儀接收PC機傳輸的數據,完成設定實驗,并顯示和上傳有關的實驗結果。硬件電路分為模擬外設單元、數字外設單元和中央處理器單元三部分。模擬 外設單元為三種保護提供足夠的電壓電流輸入。數字外設單元包括模數轉換模塊、開關量輸入模塊、人機接口模塊(鍵盤與顯示)、時鐘模塊、通信模塊、開關量輸 出模塊,用來完成微機繼電保護的實驗功能。中央處理單元包括CPU、外擴存儲器、電平匹配模塊和仿真器接口。硬件電路設有多個測試點,可用萬用表和示波器 對實驗過程中的各個量進行測量。各部分連接框圖如圖1所示。


  圖1 實驗裝置組成框圖
    本硬件實驗所需要的故障電壓和電流信號來自短路電壓電流發生器或繼電保護測試儀,信號進入模數轉換模塊,由中央處理單元進行處理。如果滿足動作條件,中央 處理單元將發出跳閘信號,同時與微機保護實驗裝置操作平臺(即PC機)通訊,最后由PC機綜合所有信息,并對信號和動作行為做進一步處理。
  2.1 中央處理器單元
   本裝置的中央處理單元選用了高性能DSP芯片TMS320LF2812作為CPU。DSP是專門用于數字信號處理的芯片,它計算能力強、運算速度快,完全能滿足保護對迅速性、可靠性的要求。
  2.2 模擬外設單元
    為滿足電流保護、距離保護、差動保護的實驗要求,本裝置的模擬外設單元共有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,可以提供足夠的電壓電流輸入。信號調理選用了精度為0.1級并帶有電磁隔離的互感器,以保證模擬量高壓側與低壓側彼此隔離,能保護系統元件不受高 壓的損害,對輸入信號進行準確、安全的測量。
   各輸入端的二次側額定值(100V或5A)首先經電壓互感器(TV)或電流互感器(TA)轉換到與A/D轉換電路匹配的模擬信號。該模擬信號通過運算放大 器形成電壓信號,再將16路交流量送數字外設單元進行A/D轉換。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。
  2.3 數字外設單元
  2.3.1 模數轉換模塊
    交流模擬量轉換采用MAX197芯片,MAX197是一種多路輸入、單電源供電、分辨率為12位的數據采集系統。MAX197將模擬外設單元傳送來的模擬 量轉換為12位數字量,由CPU對數據進行處理,另外8路直流模擬量輸入直接經運放送入DSP進行A/D轉換處理。
  2.3.2 開關量輸入模塊
   本裝置共有16路開關量輸入,這16路開關量輸入用以完成保護需要的開關量。開關量輸入的接口方式采用光電隔離型。
  2.3.3 人機接口(鍵盤與顯示)模塊
   按鍵用來向裝置輸入數據、傳送命令等功能,是人工干預裝置運行的主要手段。顯示用來顯示保護類型、通過按鍵進行參數設置、顯示電壓和電流等。
    本裝置中選用了8個按鍵,直接采用DSP的I/O口作為輸入。顯示采用的是液晶屏HY-19264C,主要由行驅動、列驅動器及192×64全點陣液晶顯 示器組成,可完成圖形顯示,也可以顯示12×4個(16×16點陣)漢字。它為按鍵選擇工作方式和各種選項提供了一個可視化的界面。
  2.3.4 通信模塊
   本裝置帶有USB2.0通信接口,USB2.0支持高達480Mbit/s的數據傳輸率,而且USB具有熱插拔、無需外接電源等的優點,可直接與各類計算機通信。
  2.3.5 開關量輸出模塊
    在開關量輸出通道中,為防止現場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反竄到測控系統,一般采用通道隔離技術。在輸出通道的隔離中最常用的是光-電隔離技術。 本裝置共有8路信號報警開關量輸出,其中6路接繼電器同時并接發光二極管(LED),在繼電器動作時,相應的二極管也發光顯示。另外2路接揚聲器,收到有 效信號后,發聲報警。
  3 系統軟件設計
   該組態軟件具有良好中文Windows操作界面,易于掌握。組態軟件分為PC機(上位機)軟件和下位機軟件。上位機軟件通過人機界面設置芯片參數、功能模 塊參數、選擇、保護類型選擇、通信方式選擇等。下位機軟件是對應上位機參數設置,編程固化到保護實驗裝置CPU中的程序。
  3.1 上位機軟件
   上位機軟件通過人機界面設置參數,并通信下傳到下位機,選擇進行微機繼電保護實驗。采用VC++6.0和數據庫SQL Server 2000為開發工具,MFC ODBC技術訪問數據庫。
  3.2 下位機軟件
   組態軟件中的下位機軟件采用C語言和匯編語言編寫,主要包括通訊、FLASH擦除和編程、常用微機繼電保護(傅立葉算法、最小二乘方算法、兩點乘積算法、半周積分算法和解微分方程算法)、LCD顯示、保護實驗(電流保護、距離保護和差動保護)等模塊。
   做實驗時,只要在PC機組態軟件上設置功能模塊中的各個模塊的參數和保護實驗所需要的整定參數并存盤,然后通過USB通訊方式將參數下傳到下位機,就可以進行實驗。
  4 結束語
   本文介紹了一種基于DSP的新型多功能微機保護實驗裝置,提出了總體設計方案和實現方法。同時借助于不同的軟件組態,實現多種微機繼電保護原理實驗。實驗界面友好,易于掌握。硬件測量維護容易。
   本系統采用了硬件裝置和軟件系統相結合的方式。通過PC機組態軟件來完成對硬件及各種保護實驗的設置,通過不同的保護方式來了解繼電保護實驗,也可以比較出各個算法在運行精度、速度等方面的不同,以及各保護方式在接線、速度方面的差別。
   通過研制樣品的實驗驗證,該裝置有助于學習微機繼電保護原理、微機繼電保護硬件結構,達到了預期效果。
  參考文獻
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