高壓開關微機綜合保護裝置軟件設計帶CAD圖
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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
高壓開關微機綜合保護裝置軟件設計
姓名：任宇
班級：04電氣工程1班
學號：0480160013
指導老師：王新
摘 要
電力是國家經(jīng)濟建設和人民生活中不可缺少的能源，而電力工業(yè)的發(fā)展離不開用于輸配電的高壓開關設備。在電氣設備運行中,經(jīng)常需要監(jiān)測一些參數(shù),比如電流、電壓、漏電電流、短路電流等,以保證設備正常工作。以往高壓開關綜合保護裝置多采用模擬電路來監(jiān)測電流和電壓等參數(shù)以實現(xiàn)短路、過載、失壓、過壓、漏電等保護,其結構復雜、體積大、耗能多。隨著微機技術的飛速發(fā)展,單片微型計算機以其體積小、價格低、應用靈活等優(yōu)點在自動控制領域中得到了廣泛的應用。為了解決原有的高壓開關綜合保護裝置的上述問題,采用了單片機系統(tǒng)實時監(jiān)測設備運行的各種參數(shù),并對其進行分析、計算、處理,保證設備安全、可靠的運行。
本綜合保護裝置具有過載、短路、漏電(包括電流型和功率方向型) 、監(jiān)視、過壓、失壓、缺相等保護功能。具有微機測量和微機保護，網(wǎng)絡通信以及在線監(jiān)測等基本功能。概括介紹了P89C51RB2單片機控制的智能型高壓開關綜合保護裝置的特點和基本功能，詳細說明了智能型高壓開關綜保裝置的硬件接口電路和軟件設計。該裝置具有性能可靠、功耗低、體積小、功能強的特點。
關鍵詞：單片機;高壓開關;綜合保護
ABSTRACT：
The electric power is the energy that the national economy constucts to live medium indispensability and people, but the development of the electric power industry can not get away from to used for the high pressure switch equipments that loses to go together with an electricity. Usually need to monitor some parameters in the electricity equipments the movement, for example the electric current,electric voltage,electric leakage electric current,short-circuit electric current etc. work normally by promising an equipments. The high pressure switch is comprehensive before protection the device adopts emulation electric circuit much to monitor current and voltage etc. parameter short-circuit with the realization, lead to carry, lose to press, lead press, electric leakage etc.protection, its structure complications, physical volume big,consume and can be many. Fly technically to develop soon along with the tiny machine, single slice microcomputer its physical volume is small,the price is low,the applied vivid etc. advantage got an extensive application in the automatic control realm. For resolving an original high pressure switch comprehensive protection device of above-mentioned problem, adopted a single slice machine system solid hour monitor various parameter of the equipments movement, and as to it's carry on analysis,compute and handle, promise an equipments safety, dependable movement. The originally comprehensive protection device had to carry, short circuit, electric leakage(include the electric current type and the power direction type),keep watch on, lead to press, lose to press, lack equal protection function.
Generalized to introduce the P89C51RB2 a single slice the intelligence type of the machine control the characteristics of the protection device with comprehensive high pressure switch with the basic function, the hardware that elaborated on the intelligence type the high pressure switch to protect device connected a people's electric circuit and software design. That device has the function credibility, to consume low, the physical volume is small, function strong characteristics.
Keyword: Single slice machine; the high pressure switch; comprehensive protection
目錄
摘 要 1
ABSTRACT： 2
1 緒論 6
1.1 高壓開關的功能 6
1.2 系統(tǒng)的設計思路 7
1.3 電路技術水平 8
1.3.1 模擬電路階段 8
1.3.2 模擬電路為主，數(shù)字電路為輔階段 9
1.4 微型計算機的選擇 9
1.4.1 P89C51RB2特性： 10
1.4.2 CAT24C021 芯片 11
2 保護原理 12
2.1失壓、過壓保護 12
2.2 電纜絕緣監(jiān)視保護： 12
2.3 電流型漏電保護： 13
2.4 功率方向型漏電保護： 13
2.5 過流保護的實現(xiàn) 13
2.6 過載保護的實現(xiàn) 14
2.7 短路保護的實現(xiàn) 14
3 微機保護裝置的硬件設計原理 15
3.1 保護系統(tǒng)的功能 15
3.2 綜合保護裝置的原理框圖 17
3.3 復位電路 17
3.4 數(shù)據(jù)采集和處理單元 18
3.4.1 過載保護 19
3.4.2 短路保護 19
3.4.3 漏電保護 19
3.4.4 監(jiān)視保護 21
3.4.5 失壓過壓保護 21
3.4.6 缺相保護 21
3.5 鍵盤與顯示電路 22
3.5.1 鍵盤 22
3.5.2 顯示電路 22
3.6 電源電路 23
4 軟件設計 23
4.1 概述 23
4.1.1 邏輯符號 25
4.1.2 管腳描述 25
4.1.3 FLASH EPROM 存儲器 30
4.2 振蕩器特性 30
4.3 復位 31
4.4 低功耗模式 31
4.4.1 時鐘停止模式 31
4.4.2 空閑模式 31
4.4.3 掉電模式 32
4.4 定時器2 的操作 33
4.4.1 定時器2 33
4.4.2 定時器/計數(shù)器2 的設置 33
4.5 中斷優(yōu)先級 34
4.6 PCA看門狗定時器 38
4.7 擴展數(shù)據(jù)RAM尋址 39
4.8 硬件看門狗定時器(WDT) 41
4.9 FLASH EPROM 存儲器 42
4.10 在系統(tǒng)編程(ISP) 43
4.11 使用在系統(tǒng)編程(ISP) 44
4.12 在應用中編程方法 45
4.13 流程圖 50
4.14 鍵盤和發(fā)光數(shù)碼管顯示 52
4.14.1 鍵盤掃描電路的程序代碼 52
4.14.2 鍵盤的消抖動程序 56
4.15 A/D轉換 63
4.16 指令冗余及軟件陷阱 67
4.16.1 指令冗余 67
4.16.2 軟件陷阱 67
結論 69
致謝 70
參考文獻： 71
1 緒論
1.1 高壓開關的功能
高壓電器包括高壓開關電器，高壓測量電器和高壓限流，限壓電器，其中高壓開關電器包括高壓隔離開關，高壓接地開關，高壓負荷開關，高壓斷路器，高壓接觸器，高壓重合器和高壓分段器，高壓開關電器可以統(tǒng)稱為高壓開關。
高壓開關是用來關合和開斷正常電路和故障電路，或用來隔離電源，實現(xiàn)安全接地的高壓電器設備。
高壓開關設備是電力系統(tǒng)重要的控制和保護設備，對電力系統(tǒng)安全可靠地運行起著舉足輕重的作用。因此電力系統(tǒng)對高壓開關可靠性要求高，質量控制嚴格。
高壓開關中的綜合保護系統(tǒng)應滿足以下4項基本要求：第一，選擇性保護的動作應具有選擇性，即它是有選擇地切除電網(wǎng)中發(fā)生故障的支路，而保證非故障支路供電的連續(xù)性，盡量縮小中斷供電的范圍；第二，可靠性保護系統(tǒng)能準確判斷故障，可靠執(zhí)行命令；但當其他支路發(fā)生故障時，本支路保護不應發(fā)出跳閘命令，即不產(chǎn)生誤動的現(xiàn)象；第三，快速性本支路發(fā)生故障后，保護系統(tǒng)應快速動作，防止故障范圍擴大，降低電氣設備的損壞程度；第四，靈敏度保護系統(tǒng)應具有較
強反應故障的能力，即不論在保護范圍的始端還是在保護范圍的末端發(fā)生故障，保護系統(tǒng)均應準確反應，甚至在后備保護范圍發(fā)生故障時，也直具有一定的反應能力。
1.2 系統(tǒng)的設計思路
本系統(tǒng)處于監(jiān)控狀態(tài)時,具有以下的功能: ①自檢功能可隨時檢測系統(tǒng)的工作情況; ②單片機實時監(jiān)測設備運行參數(shù),可迅速準確地判斷故障的類型—短路、過載、失壓、過壓、漏電、缺相等,并加以處理; ③采用帶有I2C 串行氧化物半導體E2舞會的CAT24C021 芯片隨時存儲整定參數(shù)和故障參數(shù),以保證重要參數(shù)掉電不丟失; ④通過密碼可修改整定參數(shù),以適應不同的現(xiàn)場情況; ⑤時鐘芯片準確記錄故障發(fā)生的時間,保存最近九次故障記錄供查詢; ⑥采用圖形點陣液晶作輸出顯示設備,開關狀態(tài),運行情況全部采用漢字顯示,各種信息一目了然; ⑦16KB閃光可實現(xiàn)在系統(tǒng)編程和在應用編程; ⑧硬件、軟件抗干擾技術保證系統(tǒng)高抗干擾性能。
鑒于保護系統(tǒng)在礦井供電系統(tǒng)中的重要作用，多年來，廣大科技工作人員都非常重視這一領域的研究，經(jīng)過了數(shù)次更新?lián)Q代，但從現(xiàn)場運行的情況看，這些保護系統(tǒng)誤動和拒動的現(xiàn)象時有發(fā)生，不能完全滿足供電系統(tǒng)保護的四項基本要求。針對這種情況。本文以單片機為中央控制單元，設計了一種新型智能化高壓開關綜合保護器，該系統(tǒng)能自動判斷短路、過載、漏電等故障，并對高壓電纜的絕緣水平進行實時監(jiān)測。
1.3 電路技術水平
高壓綜保的電路結構一般由輸入整定、比較延時、記憶執(zhí)行電路三大部分組成。迄今為止高壓綜保經(jīng)歷了模擬電路階段和以模擬電路為主和數(shù)字電路為輔兩個階段。
1.3.1 模擬電路階段
高壓綜保短路、過載和漏電接地保護的輸人整定電路均采用波段開關，這種機械觸點式波段開關長期運行在井下潮濕環(huán)境中，其觸點表面會受潮氧化腐蝕而產(chǎn)生一層氧化膜，造成接觸不良。而且波段開關是一種有級開關，無法實現(xiàn)無級調節(jié)，因而給整定帶來了不可避免的誤差，最嚴重時會達到50％ 另外，當波段開關轉動時，中間抽頭會出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，有時會引起裝置誤動。比較，延時電路較原始，它主要由運算放大器和三極管等元件組成，電路集成度低，連線復雜。延時電路大多采用RC電路延時，由于電容參數(shù)的分散性，以及電阻、電容受環(huán)境溫度影響較大，使得延時參數(shù)不易調整 誤差大 由RC電路實現(xiàn)過載保護的反時限延時，延時不可能太長．當高壓開關控制高壓電動機時，不能充分發(fā)揮其過載能力記憶、執(zhí)行電路普遍采用雙位置繼電器，其缺點為：1)電路中使用的繼電器數(shù)量較多 通常有5、6個．不僅體積、重量大，而且繼電器線包電流大，電源容量大 而影響元器件壽命和電源的可靠性；2)繼電器容易受井下環(huán)境條件影響，有時易出現(xiàn)拒動和誤動的現(xiàn)象。
1.3.2 模擬電路為主，數(shù)字電路為輔階段
輸人、整定電路與模擬電路階段一樣。比較 延時電路采用四運算放大器LM324，增強了集成度和可靠性。利用運算放大器和RC 電路組成積分電路、實現(xiàn)延時 使得延時時間可以做得較長、并且較準確。記憶 執(zhí)行電路發(fā)展較快 采用集成電路進行信息和綜合處理、鎖存 及信號的放
大 這樣，大大增強了高壓綜保的集成度減小了{奉積 重量 受電源容量 提高了信號的響應速度和記憶的準確性 另外．采用固態(tài)繼電器作為出口繼電器 使得高壓綜保不含有觸點元件，增強了可靠性。
第二階段的高壓練保、盡管記憶、執(zhí)行電路集成度比較高，接近數(shù)字電路水平，但是主體電路仍停留在分立元件和小規(guī)模集成元件的水平上．功能和技術指標沒有大的提高，需要進一步發(fā)展。
1.4 微型計算機的選擇
單片機采用菲利普公司生產(chǎn)的P89C51RB2。該芯片不僅具有MCS - 51 系列單片機的所有特性,而且片內集成了16KB 并行可編程的非易失性閃光程序存儲器,可實現(xiàn)對器件的在系統(tǒng)編程( ISP) 和在應用編程( IAP) 。此外還有3 個16 位定時器,一個增強型UART。
該器件的1 個機器周期由6 個時鐘周期組成因此運行速度是傳統(tǒng)80C51 的2 倍一個OTP 配置位可讓用戶選擇傳統(tǒng)的12 時鐘周期該系列單片機是80C51 微控制器的派生器件是采用先進氧化物半導體工藝制造的8 位微控制器指令系統(tǒng)與80C51 完全相同。
1.4.1 P89C51RB2特性：
1. 80C51 核心處理單元
2. 具有ISP 和IAP 功能的片內閃光程序存儲器
3. 片內靴ROM 包含底層閃光編程子程序以實現(xiàn)通過UART 下載程序
4. 可實現(xiàn)最終用戶應用的編程IAP
5. 與87C51 兼容的并行編程硬件接口
6. 每個機器周期為6 個時鐘周期標準
7. 可選擇12 個時鐘周期的機器周期
8. 采用6 時鐘周期時頻率可高達20MHz 相當于40MHz 采用12 時鐘周期時頻率 可達33MHz
9. 全靜態(tài)操作
10. 公羊可擴展到64K 字節(jié)
11. 4 個中斷優(yōu)先級
12. 7 個中斷源
13. 4 個8 位我/O口
全雙工增強型UART
―幀錯誤檢測
―自動地址識別
15. 電源控制模式
―時鐘可停止和恢復
―空閑模式
―掉電模式
16. 可編程時鐘輸出
17. 異步端口復位
18. 雙DPTR 寄存器
19. 低EMI 禁止淡色啤酒
該芯片價格低、功能強,是目前性能價格比較高的單片機之一,完全滿足本系統(tǒng)需要。
1.4.2 CAT24C021 芯片
復位電路采用CATALYST公司生產(chǎn)的CAT24C021 芯片。CAT24C02是一個2Kb的串行氧化物半導體E2PROM，在內部分成16頁，每頁16字節(jié)，即總共為256個字節(jié)（一個字節(jié)8位）。CAT24C02的主要特性是含有一個16字節(jié)的頁寫入緩沖器，并且支持標準（100kHz）和快速（400kHz）的I2C協(xié)議。通過拉高WP管腳，可以禁止對存儲器寫入，從而保護了整個存儲器。
CAT24C021特性：
1.支持標準和快速I2C協(xié)議
2.工作電壓：1.8V～5.5V
3.含有16字節(jié)的頁寫入緩沖器
4.對全部存儲器進行硬件寫保護
5.I2C總線輸入端（SCL和SDA）含有施密特觸發(fā)器和噪音抑制濾波器
6.采用低功耗氧化物半導體工藝
7.可編程/擦除100萬次
8.數(shù)據(jù)保存期100年
9.RoHS兼容的“綠色（綠色）”和“金色（黃金）”的8腳PDIP、SOIC、TSSOP和TDFN封裝
10.工業(yè)溫度范圍
2 保護原理
2.1失壓、過壓保護
將線路工作電壓的檢測信號經(jīng)轉換后輸入到數(shù)據(jù)處理單元P89C51RB2 ,當工作電壓超過110 %額定值時,微控制器發(fā)出過壓動作指令,開關跳閘;當工作電壓低于額定值的60 %時,微控制器輸出欠壓動作指令,開關跳閘,跳閘時間均為0. 1 秒。如果開關尚未閉合,當電壓低于額定值的75 %時,將不允許合閘。低電壓保護：當電網(wǎng)進線電壓不足額定值的65 %(可定值整定)時，可跳開開關。過電壓保護：當電網(wǎng)進線電壓超過額定值的118 %(可定值整定)時，可跳開開關。
系統(tǒng)電壓低于 65% 額定電壓時，則欠電壓脫扣器處于釋放狀態(tài)，靜鐵芯和動鐵芯沒有吸合，其推桿在反力彈簧作用下頂開斷路器的鎖扣機構處于解扣狀態(tài)，從而阻止斷路器合閘。若系統(tǒng)電壓高于 85% 額定電壓，則螺管線圈內產(chǎn)生激磁，動鐵芯在電磁吸力的作用下克服彈簧反力與靜鐵芯吸合，推桿和牽引桿之間就有一定的間隙，牽引桿就會恢復到鎖扣機構可以鎖住的狀態(tài)，這時操作手柄可使斷路器正常合閘。當電壓偏低到一定程度 (小于 35% 額定電壓) 時，螺管線圈產(chǎn)生的電磁吸力不足以克服彈簧反力，其推桿在反力彈簧作用下沖擊牽引桿，使斷路器鎖扣機構解扣，斷路器分斷，達到欠電壓保護的目的。
2.2 電纜絕緣監(jiān)視保護：
采用獨特的低頻有功功率原理對高壓開關負荷側使用的雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線之間的絕緣實施監(jiān)視保護。
2.3 電流型漏電保護：
對所屬電網(wǎng)中出現(xiàn)的單相接地故障，采用零序電流法選擇檢漏保護，漏電時報警并選出所接地的線路。
2.4 功率方向型漏電保護：
對下屬電網(wǎng)中出現(xiàn)的單相接地故障，采用功率方向法選擇性檢漏保護，漏電時報警。
2.5 過流保護的實現(xiàn)
交流數(shù)據(jù)采樣一般分為直流采樣和交流采樣兩種方法。直流采樣的優(yōu)點是計算方便，軟件設計簡單，缺點是硬件復雜、穩(wěn)定性差，而且由于受固有濾波環(huán)節(jié)的影響，采樣數(shù)據(jù)無法實時反映交流信號的變化。這與保護系統(tǒng)要求實時性高的特點相違背，所以本系統(tǒng)的采樣模塊只能采用交流采樣的方式。
單片機把離散的采樣結果轉換成交流信號有效值的過程由交流采樣子程序來完成。交流采樣算法有很多種，常用的有最大值算法、半周積分法、方均根算法、傅里葉算法等，各自適用于不同的應用場合。其中傅里葉算法不但適用于正弦信號也適用于非正弦信號，它不受電網(wǎng)對稱度的影響，而且具有濾波作用，計算精度高，缺點是速度相對不夠快。為了提高系統(tǒng)響應速度，采用)"點采樣的傅里葉算法，可以使計算量大為減少，加快了運算速度，計算精度也能夠滿足要求。經(jīng)過簡化的基波傅里葉系數(shù)的計算公式為：
A1=(16)∑u(k)違背習俗(k/6) (1)
B1=(16){u(0)2+∑[u(k)萵苣(kπ/6)]+u(12)/2} (2)
U=√(a2+b2)/2 (3)
為方便調用，把點傅里葉變換算法編成了子程序。當系統(tǒng)采用晶振時該算法用時約。由于該算法對每次采樣的時間間隔要求比較嚴格。為保證延時精度采用了定時器中斷的方式進行采樣。試驗證明該算法有較高的穩(wěn)定性和精度（±8%）。
2.6 過載保護的實現(xiàn)
當驅動器的輸出線路電流達到整定電流的110 %時,過載保護環(huán)節(jié)按照反時限保護特性開始工作。本裝置的負載電流經(jīng)互感器采集、精密整流電路全波整流后,送到APD 轉換器MAX197 的輸入口,轉換結束后結果送P89C51RB2 進行處理、判斷,當出現(xiàn)過載故障時,出口繼電器反時限動作,接觸器跳閘。
反時限電流保護的特性與很多負荷的故障特性相似，因此在許多場合下比定時限保護的性能更為優(yōu)越。反時限電流保護在國外已獲得了較廣泛的應用。根據(jù)國際電工委員會（
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