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1、基于SEP4020微机继电保护装置的硬件设计,研究生姓名：导 师 姓 名：教授 高工,目录,1 课题背景2 继电保护装置基本原理3 硬件架构与实现4 软件架构5 抗干扰与可靠性分析6 测试,课题背景,微机继电保护研究的现状和发展趋势 电子和计算机技术的迅猛发展对微机继电保护设计产生了深远的影响。微机继电保护装置结构上不断优化，功能上不断增强，应用上更为灵活。微机继电保护和变电站自动化系统的推广，对新型微机继电保护装置的设计与研制提出了许多新的问题和更高的要求。继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。,微机继电保护基本原理,概念:电力系统继电保护是
2、继电保护技术或继电保护装置的统称。继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等技术构成。继电保护装置是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。基本任务：(1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到 破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。(2)反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件(例如有无经常值班人员)，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。,继电保护装置的组成,继电保护装置的原理结构图,继电保护装置的基本要求,1）选择性2）速
3、动性3）灵敏性 4）可靠性 以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础。在它们之间，既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。,几种典型的微机继电保护硬件平台,1）DSP+ARM硬件平台,2）CPU+FPGA硬件平台,3）DSP+CPU硬件平台,硬件系统框架,微机继电保护系统框架图,SEP4020处理器及CPU核心子模块,本文使用东南大学自行研制的32位处理器SEP4020，采用单一芯片架构，承担数字信号处理，系统保护，系统测控与通信等任务。SEP4020由东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心研制，采用0.18m标准CMOS的工艺设计，内嵌ASIX CORE（32位RISC内核，带
4、8KB指令数据Cache）。SEP4020内核兼容ARM720T，在80MHz系统时钟下稳定工作。具备ARM核低功耗高性能的特点。,装置的CPU核心子模块由CPU和外部存储构成；继电保护装置的外部存储器由一片8M字节的SDRAM和一片2M字节的FLASH组成。,FLASH选用的是16位宽的SST39VF1601芯片，用于存放程序代码、故障波形数据、告警信息和装置的整值，占用从0 x20000000开始的2M地址空间。SDRAM选用Winbond公司的16位宽的W981216BH，占用从0 x30000000开始的8Mbytes地址空间。W981216BH是一款高速同步动态随机存取存储器，其容量
5、为8MByte，采用了0.17m工艺，具有自刷新功能，读写访问速度高于SEP4020微处理器的典型工作时钟80MHz，从而消除了存储器访问瓶颈。系统的启动方式为NorFlash启动，Flash中存放有启动代码(Bootloader)和保护程序代码。装置上电后，从NOR FLASH的首地址开始执行启动代码，启动代码的任务是将保护程序代码搬移到SDRAM中，搬移完毕后，从SDRAM中读取代码并执行。,交流信号采集模块,电流T1是电流互感器，用于将电网来的大电流信号转换成微机保护装置可以接受的小信号，R2、C1、R3、C2构成了二阶无源低通滤波网络，D1和D2组成保护电路，用于用于钳住大于5V和小于
6、0V的信号。,电压电路中T9是电压互感器，用来将电网的电压信号转换成微机继电保护装置可以接受的小信号。R19是限流电阻，R20是采样电阻。其余部分和电流转换电路相同。,AD7490接口原理图,它是12位16通道、高速高精度的串行数模芯片。其最高转换速度达到1MSPS，可以满足电力系统KHz级别的采样率要求。其接口电路如图3-7所示，AD7490转换后的数据是串行传输的，其与SEP4020通信是通过SPI总线进行传输的。,通信模块,RS485串行接口电路图,继电保护装置设置了双485、双以太网接口。其中一套作为备用通信口。在通信时，如果一个通信接口的坏了，主站可以切换到备用通信口继续进行通信，保
7、证了电力系统的可靠性要求。,以太网通信的两组以太网模块一个由单独RTL8019as网卡芯片构成另外一个则由SEP4020自带的MAC控制器外加一片物理层芯片构成通过以太网设备，利用TCP/IP协议可以使继电保护装置真正的实现遥控、遥测、遥信以及遥调功能。,PHY接口电路,开入开出模块,开关量输入电路 本文所有的开入量(外部接点)输入均设计为采用24V直流供电，相对于装置的控制部分24V是强电信号，为了可靠性，将强弱电隔离。隔离的目的在于一方面需要降低引入的电压范围至CPU可正常接收的程度，通常需要从24V要降低到5V甚至更低；另一方面可以大大的降低外界干扰信号对核心控制部分的千扰,开关量开出回
8、路 图中OUT_EN0是使能，OUT0是SEP4020的GPIO口输出的电平(0V-3.3V)，经光耦隔离后控制继电器输出。,人机交互模块,人机交互模块是微机继电保护装置同操作者之间联系的纽带，操作人员和装置之间信息的传递由人机交互模块完成。人机交互模块由键盘、LED（发光二极管）和液晶显示组成。键盘主要负责操作人员对装置的信息输入，将控制信息等传递给装置。LED能直观的指出装置的工作状态，如告警，运行，跳闸，通信。液晶显示用来显示实时的电信号，装置状态，控制字等。,人机接口控制电路,为了减少显示模块和主模块的硬件连线，人机接口控制电路采用键盘和显示复用的方式。设计通过两片74HC244三态缓
9、冲器分别控制LCD、LED和控制键盘的输入。U1用于控制LCD和LED，U1、U2同时控制键盘，1OE、2OE是使能端，控制由A端到Y端的输出使能。从SEP4020来的7路控制信号交替输出低电平，使两片74HC244交替工作，实现键盘和显示的复用。,按键电路,键盘硬件连接分矩阵式和独立式两种。在保证能完成各种功能的情况卜，本装置的键盘选用了12个按键，采用34的矩阵键盘设计,实时时钟单元,DS1302具有主电源/后背电源双电源引脚，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。可以显示时间以及记录系统中各种运行状态的发生时间。,电源模块,本装置采用高性能AC-DC电源模块，输入由220V交流电压供电
10、，输出+24V和+5V电压。+5V电压经相应电路转化成+3.3V和+2.5V。+3.3V电压经LDO转化为1.8V电压供给CPU内核。模拟电源和数字电源用电源隔离器隔开，,继电保护装置的PCB实现,PCB子板连接示意图 按照继电保护功能模块的划分，保护装置由四块功能子板和一块连接底板构成。,CPU主板,所在区域为CPU核心模块，为模数转换模块，为通信模块，为模拟量开出部分，为模拟量开入部分，为电源转换部分,继电器/电源子板,PCB板中间区域是24V电压控制区域，最下面是110V电压控制区域。将两区域分开有利于提高保护装置的动作动作的可靠性，防止误跳和拒跳等问题。,交流信号采集子板,图中虚线上部
11、分是电压信号采样，下半部分是电流信号采样。由于采样的是非常大的交流信号，各通道间的电磁干扰非常大，布局时要严格区分两块区域，电压信号的走线和电流走线应当越远越好。,人机交换子板,LCD显示和指示灯位于PCB上方便于查看，装置的键盘位于PCB下方便于操作。界面的指示灯分为两排，一排用来指示保护功能是否投入，另一排用来指示故障。另单独设两个总指示灯“跳闸”和“告警”用来显示系统状态。远方、就地、手跳、手合功能用按键和指示灯取代传统的旋钮，增强了装置的可操作性。,微机继电保护装置软件设计,软件框架,Nucleus操作系统,Nucleus实时操作系统是Accelerated Technology公司开
12、发的嵌入式RTOS产品，其内核是Nucleus PLUS。Nucleus PLUS是为实时嵌入式应用而设计的一种抢先式多任务操作系统内核。Nucleus PLUS的内核对于任务调度时间的控制能力非常好，不仅具有快速的响应时间，而且任务调度时间为常数，所以其应用于电力保护，就可以保证保护的实时性。,Nucleus初始化,Nucleus初始化,在初始化组件中包含一个汇编文件“INT.ASM”主要完成中断向量表指针初始化、寄存器基址初始化、外部RAM分区的初始化。在低级初始化完成以后，控制就交给初始化线程INT_Initialize,中断处理流程图和任务调度框图,中断处理流程图,系统调度框图,故障处
13、理软件流程,抗干扰分析和可靠性探讨,变电站电磁干扰源主要有：(1)雷电引起的电气暂态现象；(2)接地系统的短路电流引起的电位升；(3)高压回路中操作隔离开关及断路器引起的电气暂态现象；(4)高压线路产生的工频电磁场；(5)辐射场的骚扰；(6)静电放电；(7)低压设备开合操作引起的快速瞬变脉冲群骚扰；(8)二次回路继电器的切合引起的过电压。干扰对微机保护装置的影响：,(1)影响装置的精度(2)计算或逻辑错误(3)程序运行出轨(4)元件损坏,提高微机保护可靠性的主要措施,信号采集低通滤波 看门狗电路 电源系统抗干扰电路板抗干扰电气防偷跳措施,信号采集低通滤波,无源滤波器结构简单，便于调试，通过比较
14、分析发现二阶无源低通滤波可以满足设计采样精度要求，因此本文选用二阶RC低通滤波电路作为微机继电保护装置的滤波器。,RC二阶无源低通滤波电路,幅频特性,看门狗电路,由于CPU的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以为了维护保护系统的可靠性，出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，使用看门狗电路。电路定时器时间1.6秒，1.6秒不给WDT清零，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断。,电源系统抗干扰措施,(a)抑制开关电源内部噪声；(b)在开关电源输入端口的滤
15、波；(c)在弱电回路设置滤波；(d)直流侧采取过压、欠压保护技术；(e)采用分布式供电方式。,电路板抗干扰措施,遵守电路板的一般布线原则 减小电路板中的电磁干扰 减小电路中耦合干扰,电气防偷跳措施,断路器控制回路若发生断路器“跳跃”是非常危险的,容易引起机构损伤,甚至引起断路器的爆炸，因此断路器偷跳是影响装置可靠性的一个重要问题。断路器的“跳跃”现象一般是在跳闸、合闸回路同时接通时才发生。通常防跳回路设计都是采用电气跳跃闭锁回路，当断路器出现“跳跃”时，将断路器闭锁到跳闸位置。,继电保护装置整体实验及结果分析,继电保护试验平台示意图，实物图及连线图,测试内容,测试结果,本文用继电保护测试仪对继
16、电保护装置进行试验，验证了继电保护的各项保护功能，并对继电保护的测量精度、采样精度和可靠性做了初步测试。实验的数据表明，保护装置已经基本实现设计的各项基本功能，尤其是电流反时限保护功能实现的比较完美。此外保护也已经达到一定的精度和可靠性。实验结果对继电保护装置的进一步改进和优化提供了价值极高的参考依据。,展望,1）硬件的交流采集子板的电路噪声较大，导致在电流小信号时的采样值计算误差较大，需要进一步的优化电路滤波设计。2）保护装置的屏蔽措施还未完善，装置的电磁兼容和抗干扰还未做系统实验和定性分析，有待以后继续深入研究。3）由于保护系统的软件设计量大，装置功能还未完善，装置的以太网通信、自检程序等，有待添加和调试。,谢谢！,
