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基于DSP的多功能微机保护实验装置

 摘要:为了提高微机继电保护的维护运行水平,研制了一种基于DSP的新型多功能微机保护实验装置。该装置以DSP2812为中心,具有各类输入输出 接口,采用了简单灵活的JTAG口作为调试接口。该系统配有人机界面友好的组态实验软件,并设有USB通信接口,能方便进行各种基本的继电保护实验,便于 全面学习微机保护实验装置及过程。

  关键词:微机保护;组态软件;继电保护
中图分类号:TM774 献标志码:B 文章编号:1003-0867(2008)08-0031-02
微机保护具有优异的计算、分析、逻辑判断能力和存储记忆功能,可实现以往机电式继电保护无法完成的保护功能。近年来微机继电保护设备以其维护调试方便、可 靠性高、具有远方监控特性等独有的优势,获得了普及应用。我国现在新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品。因此提供一套多功能微机保护 实验装置对于提高微机继电保护的维护运行水平有十分重要的意义。
本文中实验装置主要有以下几个特点:硬件可构成三种继电保护方式,组态软件实现各种保护的软件配置,结构优化适应实验要求。
1 系统总体方案
本装置由PC机和微机保护实验仪组成,两者间由USB通信电缆相连。PC机完成保护类型参数的选择配置,向微机保护实验仪传送该设置,并显示实验的有关结 果。微机保护实验仪接收PC机传输的数据,完成设定的实验,并显示和上传有关的实验结果。微机保护实验仪由中央处理器单元、数字外设单元和模拟外设单元构 成。
2 硬件电路设计
微机保护实验仪接收PC机传输的数据,完成设定实验,并显示和上传有关的实验结果。硬件电路分为模拟外设单元、数字外设单元和中央处理器单元三部分。模拟 外设单元为三种保护提供足够的电压电流输入。数字外设单元包括模数转换模块、开关量输入模块、人机接口模块(键盘与显示)、时钟模块、通信模块、开关量输 出模块,用来完成微机继电保护的实验功能。中央处理单元包括CPU、外扩存储器、电平匹配模块和仿真器接口。硬件电路设有多个测试点,可用万用表和示波器 对实验过程中的各个量进行测量。各部分连接框图如图1所示。


  图1 实验装置组成框图
    本硬件实验所需要的故障电压和电流信号来自短路电压电流发生器或继电保护测试仪,信号进入模数转换模块,由中央处理单元进行处理。如果满足动作条件,中央 处理单元将发出跳闸信号,同时与微机保护实验装置操作平台(即PC机)通讯,最后由PC机综合所有信息,并对信号和动作行为做进一步处理。
  2.1 中央处理器单元
   本装置的中央处理单元选用了高性能DSP芯片TMS320LF2812作为CPU。DSP是专门用于数字信号处理的芯片,它计算能力强、运算速度快,完全能满足保护对迅速性、可靠性的要求。
  2.2 模拟外设单元
    为满足电流保护、距离保护、差动保护的实验要求,本装置的模拟外设单元共有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,可以提供足够的电压电流输入。信号调理选用了精度为0.1级并带有电磁隔离的互感器,以保证模拟量高压侧与低压侧彼此隔离,能保护系统元件不受高 压的损害,对输入信号进行准确、安全的测量。
   各输入端的二次侧额定值(100V或5A)首先经电压互感器(TV)或电流互感器(TA)转换到与A/D转换电路匹配的模拟信号。该模拟信号通过运算放大 器形成电压信号,再将16路交流量送数字外设单元进行A/D转换。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。
  2.3 数字外设单元
  2.3.1 模数转换模块
    交流模拟量转换采用MAX197芯片,MAX197是一种多路输入、单电源供电、分辨率为12位的数据采集系统。MAX197将模拟外设单元传送来的模拟 量转换为12位数字量,由CPU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DSP进行A/D转换处理。
  2.3.2 开关量输入模块
   本装置共有16路开关量输入,这16路开关量输入用以完成保护需要的开关量。开关量输入的接口方式采用光电隔离型。
  2.3.3 人机接口(键盘与显示)模块
   按键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。显示用来显示保护类型、通过按键进行参数设置、显示电压和电流等。
    本装置中选用了8个按键,直接采用DSP的I/O口作为输入。显示采用的是液晶屏HY-19264C,主要由行驱动、列驱动器及192×64全点阵液晶显 示器组成,可完成图形显示,也可以显示12×4个(16×16点阵)汉字。它为按键选择工作方式和各种选项提供了一个可视化的界面。
  2.3.4 通信模块
   本装置带有USB2.0通信接口,USB2.0支持高达480Mbit/s的数据传输率,而且USB具有热插拔、无需外接电源等的优点,可直接与各类计算机通信。
  2.3.5 开关量输出模块
    在开关量输出通道中,为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反窜到测控系统,一般采用通道隔离技术。在输出通道的隔离中最常用的是光-电隔离技术。 本装置共有8路信号报警开关量输出,其中6路接继电器同时并接发光二极管(LED),在继电器动作时,相应的二极管也发光显示。另外2路接扬声器,收到有 效信号后,发声报警。
  3 系统软件设计
   该组态软件具有良好中文Windows操作界面,易于掌握。组态软件分为PC机(上位机)软件和下位机软件。上位机软件通过人机界面设置芯片参数、功能模 块参数、选择、保护类型选择、通信方式选择等。下位机软件是对应上位机参数设置,编程固化到保护实验装置CPU中的程序。
  3.1 上位机软件
   上位机软件通过人机界面设置参数,并通信下传到下位机,选择进行微机继电保护实验。采用VC++6.0和数据库SQL Server 2000为开发工具,MFC ODBC技术访问数据库。
  3.2 下位机软件
   组态软件中的下位机软件采用C语言和汇编语言编写,主要包括通讯、FLASH擦除和编程、常用微机继电保护(傅立叶算法、最小二乘方算法、两点乘积算法、半周积分算法和解微分方程算法)、LCD显示、保护实验(电流保护、距离保护和差动保护)等模块。
   做实验时,只要在PC机组态软件上设置功能模块中的各个模块的参数和保护实验所需要的整定参数并存盘,然后通过USB通讯方式将参数下传到下位机,就可以进行实验。
  4 结束语
   本文介绍了一种基于DSP的新型多功能微机保护实验装置,提出了总体设计方案和实现方法。同时借助于不同的软件组态,实现多种微机继电保护原理实验。实验界面友好,易于掌握。硬件测量维护容易。
   本系统采用了硬件装置和软件系统相结合的方式。通过PC机组态软件来完成对硬件及各种保护实验的设置,通过不同的保护方式来了解继电保护实验,也可以比较出各个算法在运行精度、速度等方面的不同,以及各保护方式在接线、速度方面的差别。
   通过研制样品的实验验证,该装置有助于学习微机继电保护原理、微机继电保护硬件结构,达到了预期效果。
  参考文献
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