基于SEP4020的嵌入式繼電保護(hù)裝置的硬件設(shè)計.doc

摘要I摘要電子和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展對微機(jī)繼電保護(hù)設(shè)計產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。微機(jī)繼電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)上不斷優(yōu)化，功能上不斷增強(qiáng)，應(yīng)用上更為靈活。微機(jī)繼電保護(hù)和變電站自動化系統(tǒng)的推廣，對新型微機(jī)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計與研制提出了許多新的問題和更高的要求。本文在借鑒國內(nèi)外微機(jī)繼電保護(hù)發(fā)展的成功經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，緊跟與繼電保護(hù)相關(guān)的高新技術(shù)，分析并實現(xiàn)了新型繼電保護(hù)的硬件方案。本文首先介紹了微機(jī)繼電保護(hù)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，闡述了繼電保護(hù)的一般性原理、分類以及電力系統(tǒng)對繼電保護(hù)裝置的基本要求。接著通過分析目前比較典型的繼電保護(hù)硬件平臺，確立了基于SEP4020的單核硬件架構(gòu)。采用“通用”模塊化設(shè)計方案，選用具有體積小、功耗低、成本低、性能高、實時性好等優(yōu)點的ARM微處理器SEP4020作為控制芯片，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了繼電保護(hù)裝置的軟硬件設(shè)計。本文對繼電保護(hù)裝置的CPU核心模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量開入、開出模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊和電源模塊給出了具體的硬件實現(xiàn)方案，詳細(xì)說明了各部分電路的工作原理和PCB實現(xiàn)原則。軟件的實現(xiàn)上，微機(jī)繼電保護(hù)裝置是以Nucleus為嵌入式實時操作系統(tǒng)來開發(fā)的應(yīng)用程序，給出了軟件總體設(shè)計框架，介紹了Nucleus系統(tǒng)初始化方式、中斷管理流程以及任務(wù)調(diào)度方式。論述了交流采樣算法設(shè)計和故障處理設(shè)計流程?；诶^電保護(hù)裝置高精度和高可靠性的要求，本文深入分析了保護(hù)裝置工作環(huán)境常見的干擾源及其干擾途徑。對保護(hù)裝置進(jìn)行了采樣回路二階低通濾波，增設(shè)看門狗電路，電氣防偷跳、電源系統(tǒng)和PCB抗干擾等措施來提高系統(tǒng)精度和可靠性。最后通過實驗對保護(hù)裝置進(jìn)行了設(shè)置，實驗結(jié)果表明：保護(hù)裝置運行穩(wěn)定可靠，各項保護(hù)功能都能準(zhǔn)確實現(xiàn)，裝置的測量精度和保護(hù)精度均以達(dá)到了較高的水平。通過對測試和實驗結(jié)果的分析，為進(jìn)一步改進(jìn)繼電保護(hù)裝置設(shè)計提供了參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù)；硬件平臺；SEP4020；采樣精度；抗干擾學(xué)位論文IIABSTRACTTherapidinnovationinmicroprocessorandcommunicationtechnologyhasdrasticallyboostedthedevelopmentinpowersystemprotection.Thestructureofmicroprocessor-basedrelayprotectiondevicehasbeencontinuouslyoptimized,andbeenmorestrongerinfoundation.Thespreadofmicroprocessor-basedrelayprotectionandsubstationautomationsystembringmanynewquestionandhigherdemandtonewdesignofrelayprotection.microprocessor-basedrelayprotection.Thisthesisanalysisedandrealizedanewtypeofrelayprotectionprogramme.Firstly,thedevelopmentstatusandtrendofmicroprocessor-basedrelayprotectiondevicewereintroduced.Expatiatedthegeneralprinciple,sortandrequirementtorelayprotectiondeviceofpowersystemofrelayprotection,andthenanalysisedandcomparedseveraltypicalhardwareplatformofcurrent.Establishedasingle-corehardwareframeworkbaseSEP4020.Currencyandmodularizationdesignhasbeenadoptedinthethesis,andusedARMmicroprocessorSEP4020asthecontrolchip,themicroprocessorissmallsized,lowpowerconsumption,lowcostandhighperpormanced.Designedthehardwareandsoftwareofrelayprotectiondevicebasedonthechip.DiscussedthemainaspectsofmicroprocessorrelayprotectionincludingCPU,dataacquisitionandcommunicationmodule,givedtheirschematicandPCBdesignrules.TherealizationofsoftwareofrealyprotectionisdevelopedbyNucleusasembeddedRTOS.AgeneralsoftwarechartofsystemandsysteminitializationmodeofNucleusweregived,andtheprocessesofdisruptionmanagementandtaskschedulingmethods.ThealgorithmdesignofACsamplinganddesignflowoffaulthandingwerediscussed.Toimprovetheprecisionofdevices,thereliabilityandanti-jammingofhardwarewereresearched,commomsourcesofinterferenceanditschannelswereanalysed,severalwayslikesamplingloopfilterwereused,addedwatchdogcircuit,electricanti-wrongjump,anti-jammingofpowersystem,andPCBanti-jammingtoreachthegoalofreliability.Atthelastpartmentofthethesis,inordertotestthefoundationandaccuracyofthedevice,usinghigh-precisiontesertotesttherelayprotectiondevice.Theresultswereanalyseddeeplytoofferpreferencetonextdesignofrelayprotection.Keywords：Microprocessor-basedrelayprotection；Hardwareplatform；SEP4020；Precisionofdataacquisition；Anti-jamming學(xué)位論文III目錄摘要.IABSTRACT.II目錄.III第一章緒論.11.1微機(jī)繼電保護(hù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.11.1.1微機(jī)繼電保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀.11.1.2繼電保護(hù)發(fā)展趨勢.11.2論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排.3第二章微機(jī)繼電保護(hù)基本原理.52.1電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的概念和作用.52.1.1電力系統(tǒng)的各種故障和不正常運行狀態(tài).52.1.2電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的概念.52.1.3繼電保護(hù)的基本任務(wù).52.2繼電保護(hù)的基本原理和保護(hù)裝置的組成.52.2.1繼電保護(hù)的基本原理.52.2.3繼電保護(hù)的分類.62.2.3繼電保護(hù)裝置的組成.62.3繼電保護(hù)裝置的基本要求.72.4幾種典型的微機(jī)繼電保護(hù)硬件平臺.92.5本章小結(jié).10第三章微機(jī)繼電保護(hù)裝置的軟硬件設(shè)計.113.1硬件系統(tǒng)框架.113.2微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件設(shè)計.113.2.1SEP4020處理器及CPU核心子模塊.113.2.2交流信號采集模塊.133.2.3通信模塊.173.2.4開入開出模塊設(shè)計.193.2.5人機(jī)交互模塊.213.2.6實時時鐘單元.233.2.7電源.243.2.8繼電保護(hù)裝置的PCB實現(xiàn).243.3微機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件設(shè)計.303.3.1軟件框架.30學(xué)位論文IV3.3.2Nucleus操作系統(tǒng).313.3.3交流信號采樣算法設(shè)計.343.3.4故障處理軟件設(shè)計.363.4本章小結(jié).36第四章抗干擾分析和可靠性探討.374.1微機(jī)繼電保護(hù)裝置電磁干擾.374.1.1.干擾源.374.1.2干擾的作用形式.374.1.3干擾對微機(jī)保護(hù)裝置的影響.394.2提高微機(jī)保護(hù)可靠性的主要措施.394.2.1信號采集低通濾波.394.2.2看門狗電路.414.2.3電源系統(tǒng)抗干擾措施.424.2.4電路板抗干擾措施.474.2.5電氣防偷跳措施.484.4本章小結(jié).49第五章繼電保護(hù)裝置整體實驗及結(jié)果分析.515.1繼電保護(hù)試驗平臺.515.2微機(jī)線路保護(hù)檢測試驗及結(jié)果分析.515.2.1測量值檢測.525.2.2保護(hù)定值校驗.535.2.3過電流反時限保護(hù).535.2.4零序電流檢測.565.2.5低周減載測試.565.2.6低壓減載功能檢測.575.2.7過負(fù)荷功能檢測.575.2.8PT斷線功能檢測.575.3實驗結(jié)果總結(jié).575.4本章小結(jié).58第六章總結(jié)與展望.61致謝.63參考文獻(xiàn).65攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文.67附錄ASEP4020電路連接原理圖.69目錄V附錄B繼電器控制回路.70附錄C微機(jī)繼電保護(hù)裝置實物圖.71第一章緒論1第一章緒論1.1微機(jī)繼電保護(hù)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.1.1微機(jī)繼電保護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀我國從上世紀(jì)70年代末即已開始了計算機(jī)繼電保護(hù)研究，高等院校和科研院所起著先導(dǎo)作用。華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力學(xué)院、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)和南京電力自動化研究院都相繼研制了不同原理、不同型式微機(jī)保護(hù)裝置。1984年原華北電力學(xué)院研制輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置首先通過鑒定，并在系統(tǒng)中獲應(yīng)用，揭開了我國繼電保護(hù)發(fā)展史上新一頁。主設(shè)備保護(hù)方面，東南大學(xué)和華中理工大學(xué)研制的發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)、發(fā)電機(jī)保護(hù)和發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)也相繼于1989、1994年鑒定，投入運行。南京電力自動化研究院研制微機(jī)線路保護(hù)裝置也于1991年鑒定。天津大學(xué)與南京電力自動化設(shè)備廠合作研制微機(jī)相電壓補(bǔ)償式方向高頻保護(hù)，西安交通大學(xué)與許昌繼電器廠合作研制正序故障分量方向高頻保護(hù)也相繼于1993、1996年鑒定。至此，不同原理、不同機(jī)型微機(jī)線路和主設(shè)備保護(hù)各具特色，為電力系統(tǒng)提供了一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠繼電保護(hù)裝置。微機(jī)保護(hù)裝置研究，微機(jī)保護(hù)軟件、算法等方面也取了很多理論成果。可以說從上世紀(jì)90年代開始我國繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時代。繼電保護(hù)的原理和結(jié)構(gòu)形式發(fā)展如圖1-1所示5。圖1-1繼電保護(hù)的原理和結(jié)構(gòu)形式發(fā)展歷史1.1.2繼電保護(hù)發(fā)展趨勢繼電保護(hù)技術(shù)未來趨勢是向計算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護(hù)、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。1）計算機(jī)化學(xué)位論文2計算機(jī)硬件迅猛發(fā)展，系統(tǒng)集成度越來越高。單一處理器的處理速度和處理能力不斷提高，DSP的處理速度可達(dá)40MIPS，東南大學(xué)研制的以ARM7為核的SEP4020處理器的工作主頻可以達(dá)到85MHz。處理速度的不斷提高為單一芯片作為微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。南京電力自動化研究院一開始就研制了16位CPU為基礎(chǔ)微機(jī)線路保護(hù)，已得到大面積推廣，目前也在研究新一代32位保護(hù)硬件系統(tǒng)。東南大學(xué)研制微機(jī)主設(shè)備保護(hù)硬件也進(jìn)行了多次改進(jìn)和提高。采用32位微機(jī)芯片并非只著眼于精度，更重要是32位微機(jī)芯片具有很高集成度，很高工作頻率和計算速度，很大尋址空間，豐富指令系統(tǒng)和較多輸入輸出口。CPU寄存器、數(shù)據(jù)總線、址總線都是32位，具有存儲器管理功能、存儲器保護(hù)功能和任務(wù)轉(zhuǎn)換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數(shù)部件都集成CPU內(nèi)。電力系統(tǒng)對微機(jī)保護(hù)要求不斷提高，保護(hù)基本功能外，還應(yīng)具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)長期存放空間，快速數(shù)據(jù)處理功能，強(qiáng)大通信能力，它保護(hù)、控制裝置和調(diào)度聯(lián)網(wǎng)以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)資源能力，高級語言編程等。2）網(wǎng)絡(luò)化計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代技術(shù)支柱，使人類生產(chǎn)和社會生活面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個工業(yè)領(lǐng)域，也為各個工業(yè)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力通信手段。繼電保護(hù)作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍，還要保證全系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。這就要求每個保護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)運行和故障信息數(shù)據(jù)，各個保護(hù)單元與重合閘裝置分析這些信息和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動作，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。顯然，實現(xiàn)這種系統(tǒng)保護(hù)基本條件是將全系統(tǒng)各主要設(shè)備保護(hù)裝置用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來，亦即實現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化。這在當(dāng)前技術(shù)條件下是完全可能實現(xiàn)的。3）保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化實現(xiàn)繼電保護(hù)計算機(jī)化和網(wǎng)絡(luò)化條件下，保護(hù)裝置實際上就是一臺高性能、多功能計算機(jī)，是整個電力系統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上一個智能終端。它可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲被保護(hù)元件任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)控制中心或任一終端。每個微機(jī)保護(hù)裝置可完成繼電保護(hù)功能，無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實現(xiàn)保護(hù)、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。4）智能化近年來，人工智能技術(shù)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃、模糊邏輯等電力系統(tǒng)各個領(lǐng)域都到了應(yīng)用，繼電保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用研究也已開始。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種非線性映射方法，很多難以列出方程式或難解的復(fù)雜非線性問題，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法則可迎刃而解。第一章緒論31.2論文的主要內(nèi)容及章節(jié)安排研究目前主流微機(jī)繼電保護(hù)資料，分析各類微機(jī)繼電保護(hù)裝置的特點，通過比較驗證提出一種基于ARM7的微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計思想。本文主要的工作如下：（1）研究微機(jī)繼電保護(hù)裝置的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，從繼電保護(hù)基本原理出發(fā)，比較現(xiàn)今的繼電保護(hù)裝置典型硬件平臺，總結(jié)各種硬件架構(gòu)的優(yōu)缺點，結(jié)合東南大學(xué)自行研制的SEP4020處理器的優(yōu)點，提出一種新的微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計方案。（2）設(shè)計微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件電路原理圖和PCB，主要包括CPU核心模塊電路，數(shù)據(jù)采集數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，開入開出量驅(qū)動電路，通信電路，人機(jī)交換電路的設(shè)計。（3）為提高保護(hù)裝置的精度和抗干擾水平，分析繼電保護(hù)裝置硬件抗干擾原理，并針對保護(hù)可靠性要求采取有效的抗干擾措施，提高裝置的可靠性。（4）對開發(fā)的樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)測試，收集實驗數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進(jìn)行分析。本文的設(shè)計指標(biāo)如下：設(shè)計指標(biāo)保護(hù)功能過電流速斷保護(hù)實現(xiàn)功能三段電流保護(hù)過流反時限