微机继电保护毕业设计.doc

1 引言1.1 微机继电保护概述1.1.1 微机继电保护的发展微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护[1]它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代[2]我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。

经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路[3]在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机－变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中[4]。

1.1.2 微机继电保护的主要特点[5]1、改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高主要表现在能得到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护；可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明2、可以方便地扩充其他辅助功能如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能3 、工艺结构条件优越体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低4、可靠性容易提高体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身5、使用灵活方便，人机界面越来越友好其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构6、可以进行远方监控微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性1.1.3 微机继电保护的优点与传统的继电保护技术相比，微机继电保护主要有以下的优点[6]：　　（1）改善和提高继电保护的动作特性和性能；　　（2）可靠性大为提高；　　（3）内部编程软接线的方式大大降低了电气二次线路的复杂性；　　（4）可以充分利用CPU的资源，实现其他测量、管理、通讯等功能；　　（5）微机特有的记忆存槠功能能很好的实现故障追忆，提高运行管理效率；　　（6）自检能力强，可以省去每年花费大量人力物力而必须去做的继电保护预防性试验，可以保证生产的连续运行。

1.1.4 微机继电保护的发展趋势继电保护技术发展趋势向计算机化、网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通信一体化发展随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势[7、8].1.2 本论文的主要工作电力工业的发展和继电保护相关科学技术的进步都给微机继电保护装置的研制提出了前所未有的机遇与挑战本文在借鉴国内外微机继电保护发展的成功经验基础之上，跟踪继电保护相关高新技术，探讨了新型微机继电保护硬件方案的研制本文的主要内容包括以下几个方面:1、概述了微机继电保护技术主要介绍了国内国外微机继电保护的发展史、继电保护的几大特点、主要的理论技术和成果以及今后总的发展要求和趋势2、选择芯片，采用16位或32位CPU提高保护系统的性能；采用14~16位A/D转换器提高微机保护的精度3、概述MODBUS通讯协议的原理，以及其使用方法4、系统硬件设计原理与过程包括A/D模块、D/A模块、通讯模块、数据采集模块和时钟模块5、系统软件设计过程主要包括A/D模块、D/A模块的底层驱动程序和MODBUS通讯协议。

2 系统总体电路设计与分析2．1硬件电路总体设计 随着电力系统的发展，电网结构的日益复杂，对其保护、控制、变量、通信等功能的要求越来越高，而且由于新一代、高性能微控制器的出现，微机保护装置将逐步实现高集成度、全功能化本装置着重考虑了保护的特殊性和实验的灵活性要求，采用了MOTOROLA新型的高性能FLASH型MCU，从而使本装置既满足了继电保护的“四性”要求，又能灵活的适应各种保护原理的需要本装置硬件核心采用美国MOTOROLA公司MC68HC912DGl28A芯片作为微制器，并配以适当的外围电路来完成各项功能[9]本系统的硬件结构主要包括：中央处理单元、数据采集单元(模拟量和数字量)、通信单元(RS.232和USB通信)、人机接口(键盘与显示)单元、时钟单元、模拟量和开关量输出单元，各部分如图2 1所示通信单元数据采集单元时钟单元中央处理单元（单片机）人机接口（键盘与显示单元）模拟量和开关量输出单元图2.1 硬件电路总体结构图2．2主要芯片和器件的选择2.2.1微控制器的选择MC68HC912DG128A单片机是一台16位单片机，是MC68HC12系列单片机的一种[10]其引脚图如图2.2所示。

图2.2 MC68HC912DG128A 外部引脚图68HC12系列单片机是68HC11单片机的更新换代产品68HC11单片机自80年代后期以来，在诸多领域得到了广泛的应用，十余年来，已发展到十余个系列，几十个品种，生产量上亿片在汽车电子、通信、计算机外设、工业控制、消费类电子产品等方面有广泛地应用68HC12CPU与68HC11CPU的指令在源码级兼容68HC12单片机比起68HC11来，在总线速度上由2～3MHz提高到8MHz增加了一些新的指令，特别是用于模糊逻辑运算与模糊控制的指令68HC12的基本寻址空间仍为64，但可以采用自动分页的方式扩展应用程序到256KB甚至更多这样做的好处是指令代码短，程序代码效率高[11]MC68HC912DG128A单片机是一台16位单片机，其内部框图如图2.3所示图2.3 MC68HC912DG128A单片机的内部框图中央处理器CPU12由以下三部分组成：算术逻辑单元(ALU)、控制单元和寄存器组，CPU内部总线频率为8MHz[12]寻址方式有16种，堆栈指针和变址寄存器均为16位，它具有很强的高级语言支持功能，CPU12的累加器A和B是16位的，也可以组成32位累加器D。

CPU12的寄存器组包括如下5个部分[13、14]：a.16位累加器A、B或32位的累加器D； b.16位变址寄存器X和Y是用来处理操作数的地址可分别用于源地址，目的地址的指针型变量运算；c.堆栈指针(SP)是16位寄存器；d.程序计数器(PC)是16位寄存器，它表示下一条指令或下一个操作数的地址；e.条件码寄存器(CCR)中央处理器CPU12是M68HC12的中央处理器，为16位CPU，其指令系统在源码级与68HC11兼容存储器(1) 128KB FLASH存储器；(2) 8KB RAM；(3) 2KB EEPROM多元化总线，可以工作在单片方式，也可以通过总线扩展存储空间和增加I/O芯片，工作在扩展方式[15]地址总线16位，数据线16位或8位，地址和数据总线占用3个或4个8位I/O并行口，在单片方式下这32位可做普通I/O口用两个8路10位A/D转换器*控制器局域网模块(CAN)，68HC912DG128A内部有两个CAN模块,每个CAN具有2个接收缓冲区和3个发送缓冲区每个CAN有RX、TX、出错、唤醒四个独立的中断通道CAN模块具有自检功能，有低通滤波唤醒功能增强型捕捉定时器[16](1)16位主计数器，7位分频系数；(2)8个输入捕捉通道或输出比较通道,其中四个输入捕捉通道带有缓存； (3)4个8位或2个16位脉宽计数器；(4)每个信号滤波器有4个用户可选择的延迟计数器； *脉宽调制模块(PWM)[17]可设置成4路8位或者2路16位，逻辑时钟选择频率宽。

*串行接口(1)两个异步串行通信接口(SCI)模块；(2)一个I2C总线接口；(3)一个同步串行外设接口SPI *两个具有产生中断、唤醒CPU功能的8位并行口，也可以设为输出[18] *时钟发生器(1)具有锁相环频率合成器这是时钟发生器中的重要电路它的存在使外部32MHz晶振就可以产生8MHz的总线频率；(2)也可使用0.5～16MHz的低功耗晶振 *开发支持(1)支持单线背景调试模式(BDM)；(2)支持高级语言编程由上述资料可知：MC68HC912DG128A单片机是一款性能优异的单片机，能完成本课题的最佳选择2.2.2 A/D转换芯片的选择由于A／D转换器与整个系统的测量范围和精度有关．因此．A／D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位对于8位的A／D转换器的分辨率能达到l／28或满刻度的O.392％，显然不能满足本装置所要求的0.2级(0.2％)精度；而12位的转换器能够达到的精度为O.0245％，能够满足本装置的精度要求，所以本装置采用12位的A／D转换器用于数据的转换[19]A／D转换器从启动转换，到转换结束输出稳定的数字量，需要一定的时间。

本装置对6路模拟信号进行采样，每一路每周波采样32点，即每一个周波要完成192次转换，而每个周波为20ms，因此要求转换速率约为100uS考虑到每个通道的采样时间由多路开关的开关时间、采样／保持器的采样和建立时间、A／D转换器的转换时间以及测量传感器的建立时间等，决定选用转换时间较少的逐次比较型的A／D转换器综合以上各因素，本装置中选用MAXIM公司的MAXl97作为A／D转换芯片[20]MAXl97芯片是美国MAXIM公司近年的新产品，是多量程(±10 V，±5 V，0～10 V，。