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I 10KV 电力电容器运行保护测控装置的研究 摘要 电力电容器作为电力系统中主要的无功补偿装置，其在电网中的有效 应用可以起到提高电网功率因数，改善电网供电质量,降低电网损耗等作 用。但是电力系统运行过程中的一些不确定性因素使其在运行过程中不能 正常工作，并且产生故障，这不仅仅影响电网的供电质量，而且影响整个 电网的安全可靠运行。因此，研究一种先进，可靠并且实用的电力电容器 保护装置就显得尤为重要。 本文主要讨论了基于 DSP 技术的电力电容器微机保护测控装置，主要 包括:电力电容器保护装置的基础性理论研究，电力电容器保护装置硬件 和软件的设计以及技术上的实现。 基于对现有电力电容器微机保护装置的分析和对比，本论文对硬件和 软件系统进行了模块化设计。硬件部分主要包括：电源系统模块，模拟调 理模块，开关量输入输出模块，人机接口模块和通讯电路模块。在硬件的 基础上，结合交流采样和傅立叶算法，本论文完成了主程序服务模块，中 断服务子程序模块，键盘电压模拟量采集模块和通信模块等软件部分的设 计。 关键词：关键词：电力电容器；微机保护；TMS320F2812；DSP。 II THE RESEARCH ON CAPACITOR PROTECTION DEVICE ABSTRACT Capacitor as power compensation device can improve the power factor, better the power net quality, reduce the loss,and so all. But during the running, there always exists some unsure elements which will effect the capacitors work and make some malfunctions ,this not only effects the power net quality but also endanger the whole power nets safe running . So, it seems necessary to research out an advanced,dependable and practical capacitor protection device . This thesis mainly discusses the research on the Microcomputer protection device of capacitor based on DSP technology. It mainly includes: the reseach on the protection of power capacitor, the hardware design on the capacitor protection device and the research on how to realize the technology. Based on the synthetical analyzing and contrasting the capacitor protection device now available,combining with CPLD technology, this thesis designed the hardware and software system united .The hardware embraced:power system unit, mimic recuterate unit,swithed in and out unit,connection between computer and men unit,and the communication of electric circuit unit.Relayed on the design of the hardware and conbined with the AC stamping and Fourier algorithm this thesis completed the design of every software, including the main routine and the interrupt service routine,key interrupt service routine, communication interrupt service routine,A/D procedure and data in and out service routine. Keywords:power capacitor, TMS320F2812, microcomputer protection III 目录 摘要摘要 I 目录目录 III 第第 1 1 章：绪论章：绪论 1 1.1 本课题研究的意义1 1.2 国内外电力电容器保护技术的发展2 1.3 本课题所做的工作3 第第 2 2 章：电力电容器保护的理论研究章：电力电容器保护的理论研究 5 2.1 电力电容器的故障分析及处理5 2.1.1 电力电容器发生故障的原因5 2.1.2 电力电容器发生故障的现象5 2.1.3 电力电容器的故障分析6 2.2 电力电容器的保护功能及原理7 2.3 电力电容器的保护装置及原理.10 第第 3 3 章：电力电容器微机保护装置的硬件设计章：电力电容器微机保护装置的硬件设计 12 3.1 微机保护的 CPU 方案.12 3.1.1 传统的 MCU+PSD 保护方案.12 3.1.2 选取具有快速数据处理能力的数字信号处理器.12 3.2 本设计系统硬件结构图 3-1： .13 3.3 微机保护装置中的 DSP 芯片设计 14 3.3.1 时钟电路设计.14 3.3.2 复位电路设计.14 3.3 电源模块.15 3.4 模拟量采集模块.16 3.5 开关量输入模模块.17 3.6 开关量输出模块.18 3.7 看门狗电路.18 3.8 键盘、显示模块.19 3.9 通信模块.21 第第 4 4 章章 电力电容器微机保护装置的软件设计电力电容器微机保护装置的软件设计 23 4.1 常见微机保护交流采样算法.23 4.2 傅氏变换算法.26 IV 4.3 采样频率自动跟踪.28 4.4 采样点数的选择：.29 4.5 保护装置的软件设计.30 第第 5 5 章章 实验及调试实验及调试 33 5.1 实验题目：.33 5.2 试验目的：.33 5.3 实验仪器及设备：.33 5.4 实验步骤：.33 5.5 实验数据及结果：.34 5.6 实验心得：.35 第第 6 6 章章 结论与展望结论与展望 36 致致 谢谢 37 参考文献参考文献 38 1 第 1 章：绪论 本章论述了电力电容器保护装置技术的发展，主要内容包括国内外的 发展方向，在此基础上提出了研究电力电容器保护的意义，以及本课题需 要做的工作。 1.1 本课题研究的意义 电力电容器作为电力系统中主要的无功补偿装置，其在电网中的有效 应用可以起到提高电网功率因数，改善电网供电质量,降低电网损耗等作 用。但是电力系统运行过程中的一些不确定性因素使其在运行过程中存在 内部故障和外部故障。内部故障表现在电容器内部极板之间的绝缘介质如 有薄弱环节，在高电压的作用下很容易发生过热，游离直到局部击穿与短 路。外部故障是指系统电压过高或过低，可能危及电容器安全运行。往往 会影响电力电容器的正常工作，使其产生故障，这不仅会影响电网的供电 质量，也会危及整个电网的安全可靠运行。传统的电力电容器运行保护装 置虽然也可起到保护作用，但是由于可靠性低，功能少，灵敏度低而不能 及时切断以排除故障，避免大型事故的发生。针对上述情况，希望所设计 的基于 DSP 技术的微机保护装置能够及时的将电容器从电力系统中快速, 自动的切除,使其损坏程度减至最轻,保证电容器使用寿命，并且防止故障 进一步扩大。因此，研究一种先进、可靠、实用而又多功能，具有高灵敏 度，高紧凑性和并且使用方便简洁而成本低廉的的电力电容器运行保护测 控装置就显得尤为重要。 下图 1-1 为保护装置对现场并联电容器组保护示意图： 2 保保护护 装装置置 UAUBUC C1C2C3 图 1-1 并联电容器组保护示意图 该装置具有电流速断、限时过流、过电压、欠电压、过负荷、零序电 压/不平衡电压保护的功能。 1.2 国内外电力电容器保护技术的发展 传统电力电容器的保护措施是基于电热原理和电磁原理，电流原理就 是电流的热效益原理，当电流通过导体时就产生热量。用热继电器实现的 过载保护和用熔断器实现的短路保护就是电热原理的典型应用。电磁原理 就是电磁感应，当电流通过线圈时就产生磁场，而用欠压继电器或接触器 实现的欠压，失压保护，用过电压继电器实现的过压保护以及用电流继电 器实现的过流，欠流（磁）保护则是电磁原理的应用实例。 由于微机保护的不断发展，并有其与传统保护明显不同的特点，在电 力电容器保护中得到不断的应用，同时新的电力电容器保护原理不断提出， 其中简单，实用的电力电容器保护已经研制成功并获得应用。相比较其它 电力电容器保护原理，综合保护只需要通过采集电容器各序电流量，经过 计算，判断保护动作与或，在理论上和应用上都有很大的价值【1】。 国外研制电力电容器保护装置较早，生产规模较大，种类齐全的应是 韩国，美国，德国（都是电子型） ，如韩国三和技研株式会社的产品主要 有交流，直流保护继电器，数显式智能型保护器，电压型保护器。在微机 保护硬件上，第一套以 6809 为基础的距离保护样机投入试运行，厉经 8 位，准 16 位，到现在 16 位处理器成为主角，32 位处理器， DSP 处理器 3 跃上历史舞台，新技术，新器件不断涌现，如新型光学电压，电流互感器。 值得一提的是现在 DSP 的集成度越来越高，其中一些芯片集成了丰富的外 部资源，比较有代表性的是 TI 公司的 TMS320C/F24XX 系列和 AD 公司 的 ADMC 系列芯片，特别适用于应用在工控，仪表领域，并有逐步取代 传统微控制器的趋势，发展前景非常广阔。当前硬件上的主要任务是通过 积极采用成熟的新技术，新器件来提高保护装置的可靠性，通用性。 随着系统变电容量的增加，电容器及其装置正向着大容量、紧密型、 高可靠性，并集控制和保护设备于一体的的电力电容器成套装置方向发展 【2】 。 1.3 本课题所做的工作 本课题为基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置的研究，主 要做的工作如下 （1）查阅大量文献资料，研究电力电容器的工作原理； （2）研究电容保护的工作原理，种类及功能； （3）研究电力电容器在运行过程中容易发生的故障以及发生故障的原因； （4）研究电力电容器保护装置的工作原理和采用的手段； （5）研究基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置的重要新理论； （6）研究基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置所具有的功能； （7）研究基于 DSP 技术的电力电容器运行保护测控装置所采用的技术 手段； （9）研究算法，用 Protel 软件制图，软件的模块化设计； （10）试验，调试。 5 第 2 章：电力电容器保护的理论研究 本章讲述了电力电容器发生故障的原因和现象，针对这些故障，对故 障发生的原因进行了电容器保护原理的分析，从而提出了每种保护的判据， 为电容器保护的硬件及软件设计提供了理论基础。 2.1 电力电容器的故障分析及处理 2.1.1 电力电容器发生故障的原因 电力电容器作为电力系统中的主要元部件在运行过程中存在内部故障 和外部故障。 内部故障表现在电容器内部极板之间的绝缘介质如有薄弱环节，在高 电压的作用下很容易发生过热，游离直到局部击穿与短路；外部故障是指 系统电压过高或过低，可能危及电容器安全运行【3】。 2.1.2 电力电容器发生故障的现象 （1）瓷套管及外壳渗漏油 电容器是全密封的电气设备,由于制造工艺、运输等原因,出现渗漏油,导 致套管内部受潮,绝缘电阻降低。随着电容器运行电压、温度等变化,内部 压力增加,渗漏油部位多发生在瓷套管与金属外壳的联接处以外及金属外 壳的焊接缝等处。 （2）瓷绝缘表面放电闪络 电容器在运行中若缺乏定期清扫和维护,其瓷绝缘表面因污秽严重,在 电网出现内、外电压和系统谐波的情况下导致绝缘击穿,局部放电,造成瓷 套管闪络破损。 （3）外壳鼓肚 6 当电容器内部元件发生故障击穿时,介质中将通过很大的故障电流,电 流产生的电弧和高温使浸渍剂游离而分散产生大量气体,使得电容器内部 压力增大,导致其外壳膨胀鼓肚。这是运行中电容器故障的征兆,应及时处 理,避免故障的蔓延扩大。 （4）电容器爆炸 当电容器内部元件故障击穿造成电容器极间贯穿性短路时,与其并联 运行的其它电容器将对故障电容器充电,若注入故障电容器的能量超过其 外壳承受的爆破能量,则电容器爆炸；当电弧点燃的液体介质溢流时,还会 造成火灾。 2.1.3 电力电容器的故障分析 （1）运行电压过高【4】 电容器的运行电压是指电容器所接变电站母线的系统电压,它直接影 响电容器的寿命和出力。运行中电容器内部的有功功率损耗由其介质损耗 和导体电阻损耗组成,而介质损耗占电容器总有功功率损耗的 98%以上,其 大小与电容器的温升有关,可用下式表示: （21）tantan 2 CUQP 式中 P电容器的有功功率损耗(kW); U电容器的运行电压(kV)。 Q电容器的无功功率(kvar); tan介质损失角正切值; 电网角频率(rad/s); C电容器的电容量(F); 由公式知,电容器的有功功率损耗和电容器输出的无功功率大小均与 电容器的运行电压的平方成正比。随着电容器的运行电压的增高,电容器 的有功功率损耗增加很快,温度迅速升高,则绝缘寿命降低。 （2）运行温度过高 电容器长期处于高电场强度和高温下运行将引起绝缘介质老化和介质 损失角 的增大,使电容器内部温升超过允许值而发热,缩短电容器的使 用寿命,严重时,在高电场强度作用下导致电容器热击穿而损坏。 （3）高次谐波引起过电流 7 电容器对高次谐波最敏感,它可能在某一频率下产生谐振,造成谐波电 流过大。当谐波源负荷和电容器连接时,电容器容抗和系统的感抗在某一 频率下正好大小相等方向相反,而生并联揩振时,谐波电流在系统和电容器 之间流动,使电容过电流。减少此谐波过电流可将电抗器与电容串联,以错 开谐振点。 2.2 电力电容器的保护功能及原理 电力电容器的保护【5】类型主要包括过压保护、欠压保护、过流保护、 过压保护，不平衡保护等。实现这些保护的主要措施有基本保护(包括熔 断器、避雷器、保护用电感)、继电器保护以及目前被广泛采用的微机保 护. 1、三段电流保护 三段电流保护包括速断、限时速断、定时限过流。其中速断动作时间 固定为 0 秒，其余两段动作延时可独立整定。 电流保护动作条件如下： I IZD I 为 A、B、C 任意一相电流，IZD 为电流定值 T TZD TZD 为延时时间定值 2、反时限过流保护 装置的过流保护通过软压板可选择定时限或反时限方式。当选为反时 限后，对应定时限的电流定值即为反时限起动电流定值，定时限的时间定 值即为反时限时间常数。 其反时限特性公式如下： （22）1)/( 2 P IIT 式中：I 为三相电流中的最大值 Ip 为保护的启动电流整定值，与过流保护电流定值共用。 为时间常数，与过流保护时间定值共用。 由上式可知，Ip 和 为常数，而 I 与 t 为变值，当 IIp 时，t 随 I 的增大而减小，二者呈反时限特性。 3、过电压保护 8 装置取母线线电压判别。当开关处于合位，且、任一 AB U BC U CA U 高于过压定值，延时时间到后跳闸或发信。 过压保护动作条件如下： 1) 断路器处于合位 2）ULL UGYZD ； ULL 为线电压 UAB、UBC、UCA； UGYZD 为过压保护电压定值 3) T TGYZD；T 为动作时间, TGYZD 为过压保护延时定值。 4、失压保护 为防止电源跳开后，重投电源时电容器未放完电而承受过电压损坏， 应装设失压保护，其时限应小于上级电源进线重合闸或备自投动作时限。 当开关处于合位，且母线 UAB、UBC、UCA 任一线电压低于定值，延时 时间到后装置跳闸并发信。 失压保护动作条件如下： 1) 断路器处于合位； 2）无 PT 断线闭锁； 3) ULL U Us se et t0 0 X X1 1 SW t t 0 0 零零序序电电压压 保保护护投投入入 跳跳闸闸 图 2-4 零序电压保护逻辑原理框图 对于多台电容器串并联组成的电容器组，零序电压保护定值可由下式 计算： （23） 2)1 (3/3 2)(3/3 / 1 . 0 MNUU kkMNkUU KNUU cdch cdch mTVchset 上三式中： U0.set-动作电压（V） ； NTV-互感器变比； Klm- 灵敏系数，取 1.25-1.5; Uch-差电压（V） ； K-因故障而切除的电容器台数； N-每相电容器的串联段数； -任意一台电容器击穿元件的百分数； M-每相各串联段电容器并联台数； 7、电容器自动投切功能 投入此功能，只需给出母线电压合格运行范围，例如为 10.210.7KV。母线电压大于 9.5KV 并且小于 10.2KV 时，给一定延时自 10 动投入电容器；母线电压大于 10.7KV 时，同样给予一定延自动切除。为 防止电容器自动投切次数过于频繁，一般其延时不小于 30 秒。自动投入 电压最小值 9.5KV 已由装置给出，用时只需整定其自投电压值如 10.2KV 和自切电压值如 10.7KV 在电容器保护跳闸或手动跳闸后，将自动闭锁电容器自投功能。 2.3 电力电容器的保护装置及原理 本节介绍了国内外部分典型电力电容器保护装置所采用的方法，配置， 及其特点【4】。 （1）基于工业 PC 机的高压并联电容器保护装置 并联电容器是目前国内采用最普遍的无功补偿措施，它是解决电网无 功电源容量不足，提高功率因数，保证电力系统安全经济运行的重要措施。 由于电力系统中时有电容器爆破和火灾事故的发生，并联电容器的故障类 型和保护配置，对保证大量无功补偿电容器的安全，有重要的实际意义。 （2）基于 DSP 的分布式微机电容器保护测控装 它是一种基于 TI 公司的嵌入式数字信号处理器 TMS320F2407 的分布 式微机电容器保护测控装置,该装置可就地采集电压、电流等信息量,实时 完成保护、测量、控制等功能,具有抗干扰性强、精度高的特点。 （3）多功能微机电容器保护装置 该微机电容器保护装置有以下 8 种保护功能可供选择: 1.电流速断; 2.限时过流保护; 3.过电压保护; 4.欠电压保护; 5.零流保护; 6. 零压保护; 7. 差流保护； 8.差压保护。 它的辅助功能是基于使微机保护装置既可独立应用于各种电压等级的 变电站和不同接线方式的电容器组的保护,又可作为变电站综合自动化系统 的一个子系统,同时能满足无人值班变电站的需要，可实现全自动控制系统。 （4）金属氧化物改进了电容器的保护装置 采用金属氧化物非线性电阻元件，可提高高压串联电容器保护系统的 11 保护性能，使用这种新的保护系统，在故障情况下，可以使电容补偿完全 不受影响。 （5）基于 DSP 的电力综合保护测控装置 该装置利用 DSP 技术和 EDA 技术的发展及其优越性能,在基于 DSP+CPU+CPLD 电力综合保护测控装置具体设计中,针对这种新型智能系 统所具有的特点,为保证该系统的安全可靠的运行,从硬件和软件方面行进 了干扰抑制和消除。本设计采用就是这种装置。 （6）高压电机综合保护测控装置 ISA-347G 微机综合保护测控装置可应用于 200kW 及以上的 10kV 高 压电机。微机保护测控装置有保护、测量、显示、通信等在线监测功能。 通过自身完善的保护功能,对电机的轴承损坏、定转子相擦、匝间短路等产 生的发热情况能起到很好的保护作用。并且保护装置体积小,可就地安装在 高压开关柜上,通过通信电缆与外部连接,后台电脑实时监控和遥控,较容易 实现自动控制及在线监测。微机综合保护装置的参数整定可在保护装置面 板上完成,也可在后台监控系统上完成,检查和输入方便。 12 第 3 章：电力电容器微机保护装置的硬件设计 本章针对电力电容器保护特点，详尽的叙述了保护装置的硬件设计。 主要内容包括：处理器选择，DSP 最小硬件系统设计，模拟量采集模块， 开关量输入输出模块，键盘、显示模块，看门狗电路，通讯模块及电源模 块的设计。模块化设计从系统最低功耗要求出发，以避免混合系统带来的 影响。 3.1 微机保护的 CPU 方案 3.1.1 传统的 MCU+PSD 保护方案 微机保护装置要向体积小，功能强的方向发展。在选用 CPU 芯片时， 就必需对芯片的集成度有所要求，尽量避免使用外扩设备，从而减少印制 版的面积。传统的 CPU 片由于片内资源有限，所需的外围设备较多，如 地址锁存器 EPROM RAM PLD 等，可编程单片机通用外围接口芯片 （PSD ）实现了将单片机所需的多个外围芯片集成在一个芯片内，从而可以大大 减化电路的设计【6】 。 3.1.2 选取具有快速数据处理能力的数字信号处理器 DSP 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处 13 理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 目前应用最广的可编程 DSP 芯片是 TI 公司的 TMS320C2000 系列芯片，其 特点如下【7】： 改进哈佛结构允许数据在程序空间和数据空间之间传输，从而增加了 速度和器件的灵活性；并行处理结构使得功能模块和操作指令流水线工作 可行；专用硬件乘法器使得乘法运算在单指令周期内就能完成，提高了处 理速度；特殊 DSP 指令可以尽量减少指令周期，提高处理速度；快速指令 周期小，最小达到 20ns，这使其适合实时处理的应用领域；附加功能模块 加强了处理速度，数据吞吐量以及外围控制功能，如 DMA 控制器，定时器， 外部中断控制器等。 通过比较 TMS320C2000 系列芯片，决定选择 TMS320F2812 进行实验性 研究，TMS320F2812 主要集成了 DSP、A/D、PWM、UART、CAN、USB、SCI、SPI 和串行 EEPROM+RTC 实时时钟 等外设。 DSP 系统的特点：接口方便，编程方便，稳定性好，精度高，可重复性好，并且 集成方便。 14 3.2 本设计系统硬件结构图 3-1： DSP2812 互感器组 信号处理 开关量输入 液晶显示 键盘 电源 看门狗 RS485/232 CAN (SN65HVD230) EEPROM(4K) CPLD 继电器出口（?路） 与与与与与Ua,Ub,Uc,Ia,Ib,Ic,P,Q,W,T,S 与与与与与与8+4与 与与与与与与与与与8 与与与与 与与与NS12864 -12与3.3V与 ST7920与与与与与与与与与与与与 与与与与与与与与与与与/ESC与+与- 与与与与与A/D 与与与与与与与与与与与与与与与与 +5,-5;+3.3,+1.8,1.5; +5; MC7805CD2T,MC7905BD2T TPS767D318PWP 与与与与与与与 RAM与18K*16与与FLASH与128K*16与与4K*16与ROM 16与12与AD X5043s8-2.7 与与与与与与与与与与 JTAG与与与 与与与TLP521-2与 与与 与与 与与与与与与TLP127与 8与 SPI 11与 6N136 6N136 与与与与与 图 3-1 系统硬件结构 该装置的结构包括信号的采集与处理，A/D 转换，开关量的输入与输 出，键盘与液晶显示，看门狗电路，仿真及通讯与电源控制模块等。 3.3 微机保护装置中的 DSP 芯片设计 3.3.1 时钟电路设计 本装置 DSP 芯片的时钟电路是利用芯片内部的振荡电路与 X2，X1/XCLKIN 引脚之间连接一只晶体管与两个电容组成并联谐振电路， 如图 3-2 所示： 该电路可以产生与外加晶体同频率的时钟信号，电容 C1，C2 取值 24PF。它们可以起到对时钟频率微调的作用。 15 +C 24P -C 24P S1 X1/XCLK IN X2 图 3-2 时钟电路 3.3.2 复位电路设计 DSP 芯片可以通过/TRS 引脚使 DSP 复位到一个已知状态，为保证 DSP 可靠复位，/RST 引脚必须为低电平，且保持至少两个主频时钟周期，当复 位发生时 DSP 终止程序运行，并使程序计数器复位。电路如图 3-3 所示： C1070.1u R102 10K 3R1 3K GND2 U105 V+3.3 S1 V12 /RST 4 61 3 图 3-3 RC 复位电路 3.3 电源模块 由于 DSP 芯片的工作匹配电压一般为 03.3V，所以本设计选用 IT 公 司的电源芯片 TPS76815 和 TPS76833 提供 F2812 芯片所需的+1.8V（内核 电压）和+3.3V（外围器件引脚电压）的电压，其最大的工作电流为 1000mA，足以满足 DSP 芯片的工作电压和各外围器件的供电需求。 为了防止继电器动作电压以及外界通讯电压对 F2812 芯片的影响，本 设计开关电源产生的+12V，V12V 及 V24V，-12V 相互独立隔离【8】。 16 Vin 1 GND 2 Vout 3 U001 MC7805BD2T Vin 1 GND 2 Vout 3 U002 MC7805BD2T C001 0.33 C004 0.33 +C002 47uF +C003 47uF + C005 47uF + C006 47uF +12+5 -12-5 图 34 MC7805BD2T 电路 在 12V 有源信号的输入下，首先通过 C101 和 C104 储能电容器对信号 进行小波段的滤波，用弧电容 C002 和 C005 对信号进行大波段的滤波，之 后通过 MC7805BD2T 芯片降压，降压后再对不纯的信号进行弧电容器的滤 波以达到 DSP 的工作电压 5.5V。在 TPS76815 电路中两个电容器作用相同。 IN 3 IN 4 /IEN 2 GND 1 PG 8 OUT 5 OUT 6 FB 7 TPS76815 R001250K +C021 47uFC013 0.1uF C014 0.1uF +5+1.5 图 3-5 TPS76815 电路 3.4 模拟量采集模块 模拟量采集模块是由若干个电压，电流互感器组成，其作用是将来自 现场的交流电量转换到处理器模块可以接受的范围内。 本课题选用四只电压互感器来测量 Ua、Ub、Uc的电压，实现电力电容 器过电压，欠电压和零序电压的保护；选用三只电流互感器来测量 Ia、Ib、Ic的电流，实现过电流的保护【9】。 17 模拟量采集电路原理图如图 3-6，3-7 所示： PT1 R201 1.5K C2010.1 U201D J7-16 1R1 50K J7-1 +1.5 . . . . . . UA AD0 B C 图 3-6 电压采集电路 CT1 R206 1.2K C2060.1uf U202D J7-16 J7-5 +1.5 . . . . . . AD4 IA 图 3-7 电流采集电路 图 3-6 中，电阻1 是限流电阻，用以产生电压互感器所需 2mA 电流， 满足电压互感器工作条件；电阻和电容的并列起补偿相位的作用；1.5V 的 直流偏移量是使输入到 A/D 转换器的电压从双极性变为单极性，这是由 A/D 转换中采用逐次逼近原理决定的。TMS320F2812 中的 A/D 转换工作电 压为 0-3.3V，本电路即是以此为基础进行设计的。 图 3-6 中互感器输入电压信号 UA 的波形如图 3-8 所示，B 点波形如图 3-9 所示： 18 图 3-8 UA 波形 图 3-9 UB 点波形 C 点波形如图 3-10 所示： 图 3-10 C 点波形 3.5 开关量输入模模块 开关量的输入主要完成状态信号的输入。一般说来，开关量输入量分 常开与常闭两种状态接点【10】 。对于常开接点 ，当它出现闭合的情况时 ，我们要求 CPU 能够读到这个闭合的状态 ，并做出一些逻辑上的判断或 运算 。常闭接点也是如此。 为了满足输入与输出间的电气隔离，采用光电隔离器，也叫光电耦合 器。它将发光器件与光敏器件组合在一起 ，实现电-光-电的转换 。输入 与输出之间没有直接电气联系 ，信号是通过光耦合来传递的。 光电耦合器具有隔离性好，抑制噪音和抗干扰的能力，能被广泛的使 用，可作为高压开关、信号隔离与转换、信号传输等。本装置采用 HCPL2630。 本设计开关量输入电路如图 3-11 所示： 19 U301 YX1 V24 D I1 J8_1 R6 10K R5 10K +3.3 图 3-11 开关量输入电路 3.6 开关量输出模块 开关量输出主要完成动作信号的输出。本装置中动作信号主要是跳闸 和合闸。电力电容器保护装置开关量输出电路的可靠性直接反映了保护系 统的可靠性。开关量输出主要包括跳闸出口，重合闸出口及就地和中央信 号出口等。光电隔离器采用东芝公司的 TLP127。开关量输出电路如图 3- 12： U522 U502E S7与与 S8 与与 D12 j4-5GND2 与与 R8 5.1K +12 图 3-12 开关量输出电路 3.7 看门狗电路 本系统采用的看门狗芯片是 TI 公司的 X5323，它具有可选看门狗溢出 定时器，可选/可调复位门槛电压，最重要的是它具有 4kbits EEPROM。EEPROM 具有当输入时序不对时它不予响应的功能:写保护功能， 只有正确输入了写允许命令后，它才能被正确写入，一旦写操作动作完毕， 它自动回复写保护，因此该芯片具有极强的防误写功能，极大提高了整个 系统的可靠性。具体电路如图 3-13 所示： 20 /CS 1 SO 2 /WP 3 GND 4 SI 5 SCK 6 /RST 7 VCC 8 U103 X5323 C107 0.1u R102 10K 3R1 3K V+3.3 S1 V12 /CS2/EDI /RST /CS3 SPISOMI 40 SPISIMO 41 SPICLK 34 图 3-13 看门狗电路 X5323 中 EEPROM 的访问是通过三根线来访问的，即 SCK、SI 和 SO， 分别对应串行输入时钟，串行数据输入和串行数据输出。其中 SI 上的数 据由 SCK 上脉冲上升沿读取，SO 上的数据由 SCK 的脉冲下降沿输出。在对 芯片操作时，CS 端需置低。 具体对芯片的操作命令见表 31： 指令名称指令格式操作说明 WREN0000 0110 打开写操作 SFLB0000 0000 标志位清零 WRDI/RFLB0000 0100 关闭写操作/标志状态 RSDR0000 0101 读寄存器状态 WRSR0000 0001 写寄存器状态 READ 0000（A8）011从选定地址读数据 WRITE 0000（A8）010向选定地址写数据 表 31 X5323 芯片操作命令 芯片的看门狗溢出时间可选：1.4s、600ms、200ms 或关闭，使用方便。 3.8 键盘、显示模块 1液晶显示 21 本装置中人机会话接口的显示采用液晶显示模块（LCM） ，克服了以往 装置采用数码管显示器（LED）存在的显示功能少，不美观和功耗大等特 点【10】。 设计采用ST7920控制器，它是内置汉字图形点阵的液晶显示控制模块， 可方便地实现汉字、码、点阵图形、自造字体的同屏显示。而 所有这些功能（包括显示、字符产生器以及液晶驱动电路和控制器） 都包含在集成电路芯片里，因此，只要一个最基本的微处理系统就可以通 过ST920芯片来控制其它的芯片。 ST920 与 F2812 连接电路如图 3-14 所示： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 J4 VSS 1 VDD 2 CS 4 SID 5 SCLK 6 /RST 17 LEDA 19 LEDK 20 PSB 15 U42 ST7920 Error:Bliss.bmp file not found +5 PAN /LED-OP +3.3 GND SPISOMI 40 SPICLK 34 CS1 图 3-14 ST920 与 F2812 连接电路 2键盘： 本装置采用了四个键（确认/取消，移动，+，-） ，结合菜单便可以直 观地在线，离线整定定值，修改实时时间，查看故障记录等。这样只须几 个按键就可以实现复杂的操作。 传统的键盘设计采用数字量输入方式，应用了处理器的 I/O 口，这样 需要占用大量的 I/O 口。本装置的键盘设计采用模拟量输入方式，只需占 用一个 A/D 口并可，大大简化了设计。 键盘电路如图 3-17 所示： 22 C106 0.1u 3R2 10K 3R3 5.1K 3R4 5.1K 3R5 5.1K R103 5.1K +5V 与与S2 与与/ESC + S4 - S5 S3 PAN ADCINB7 从图中看出，当按键按下，通过电阻分压，分析出输入到 A/D 口的电 压值不同，通过中断调用方式，经过 A/D 转化.处理器进行数据处理，由 软件计算出各个电压值对应的按键功能，处理器做出响应。 各功能按键与电压值对应关系如下表 3-2： 功能按键电压值 移动 0.84V 确认/ESC 0.48V +（增） 3.32V -（减） 4.16V 表 3-2 各功能按键与电压值对应表 3.9 通信模块 电力电容器保护装置中内嵌了许多的通讯模块，主要包括了 RS- 23 232，RS-485 标准接口和 CAN 通讯接口【11】，其中 RS-232，RS-485 为装置 的备用模块。控制器局域网（CAN）为串行通讯协议，能有效地支持具有 很高安全等级的分布实时控制并且应用广泛。其可靠性和实时性远高于普 通的通信技术。 本设计采用 TI 公司的 SN65HVD231 为收发器，选用东芝公司的高速光 电耦合器 6N136 为抗干扰器件。电路如图 3-18 所示： 1 1 2 2 3 3 4 4 GND 5 6 6 7 7 VCC 8 U402 U401 SN74LVC1G07 U411 SN74LVC1G07 C408 0.1u V05 R405 1K R406 1K V+3.3 R407 10K R408 10K GND2 SCITXDB 90 CANTXA 87 24 24 LOGIC IN D 图 3-18 通讯口电路图 CAN 总线采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境 中合作。本设计为图中 2,3 拐角引入的串行口。它具有优先权和仲裁功能， 多个控制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus 上，形成多主机局部网络。其 可靠性和实时性远高于普通的通信技术。 24 第 4 章 电力电容器微机保护装置的软件设计 在电力电容器微机保护装置的软件设计中，主要考虑的是交流采样算 法，保护算法，通过采样得到的数据按照一定的保护算法来进行判断保护 是或工作，在第二章主要谈了保护的原理，本章主要论述了交流采样算法 的原理和软件的具体实现包括主程序模块，中断服务子程序模块和各个功 能子程序模块【12】。 4.1 常见微机保护交流采样算法 以下为当前