微機型PT并列及切換裝置的設計與實現

丁 健

（合肥學院電子與電氣工程系，合肥 230601）

1 引言

近年來隨著社會經濟的大力發展和工業自動化水平的進一步提高，隨著計算機技術,網絡技術，電子技術的進一步發展，電力系統對電力裝置保護有了更高的的要求，而以前的單純依靠互感器進行簡單的系統保護已經無法滿足更高的要求。因此，電力保護行業的一大批科研機構和企業已經開始新的電力系統保護裝置的研究。智能型PT保護及切換裝置就是一種新型的智能保護裝置。它不僅包括電壓互感器，而且更重要的是它是由控制器進行智能控制，增加了多種功能，如系統電力參數采樣，循環監視，系統自檢，故障報警，參數顯示，人機界面，系統參數整定等功能。由于這種保護裝置具有多種功能，所以其市場大，應用領域廣，已基本取代了以前那種繼電保護裝置，成為電力保護裝置研究發展的趨勢。

目前同類裝置有把電壓保護與電壓切換分為兩種裝置獨立進行設計，也有把電壓保護與電壓切換做成一個裝置的，但所用的控制器主要有DSP或十六位單片機，而本裝置使用八位高性能單片機ATMEGA64來設計的，可以實現同類產品的功能，為工程管理人員帶來許多便利。

2 系統的總體方案設計

微機型PT并列及切換裝置為適應電廠，變電站自動化系統的要求設計而成。該裝置具有8路電壓輸入，可實現站內兩段母線電壓的手動并列。同時裝置具有監測功能，可以測量8路相電壓，計算線電壓值，并且具有低壓保護、過壓保護、PT斷線、母線接地告警功能。

裝置具有隔離的RS485及RS232通訊口，可以將就地的實時信息通過現場總線及通訊轉發裝置上傳至調度端。

本裝置使用ATMEGA64單片機來循環檢測兩段母線二次側的A、B、C相電壓及零序電壓共8路電壓值，并對8路電壓值進行數據處理和故障判斷，然后再根據故障判斷的結果發出相應的控制指令，實現低壓保護、過壓保護、PT斷線、母線接地報警功能，達到保護設備的目的。

基于此，將系統模塊劃分為以下幾個部分：①中央控制模塊；②人機界面模塊；③采樣模塊；④開關量模塊；⑤報警模塊。系統功能結構如圖1所示。

圖1 系統功能結構框圖

3 系統的硬件設計

裝置機箱采用全密封、防塵、抗振動的原則設計，以確保安裝于條件較為惡劣的環境時仍具備高可靠性。裝置采用整面板形式，面板上包括全中文液晶顯示器、操作按鍵、信號指示燈。裝置內部由CPU模塊、采樣模塊、開關量模塊、電源模塊、人機對話模塊構成。

3.1 CPU模塊

CPU模塊原理簡圖如圖2所示。

圖2 CPU模塊原理示意圖

CPU模塊主要由以下幾部分構成：

（1）CPU系統

CPU系統由微處理器CPU、SRAM、EEPROM、FLASH等構成。其中事件記錄數據存放在非易失性SRAM中，大容量FLASH用于存放程序代碼，各種整定值則存放于串行EEPROM。

（2）通信部分

裝置提供兩個可同時工作的RS485通信接口，兩個RS485通信接口的通信地址、波特率、通信協議均可分別設置。

RS232和RS485串口通信接口電路，分別如圖3、圖4所示。

RS485采用平衡差分電路，它為半雙工工作方式，因此可以采用一對平衡差分信號線來連接。所謂平衡方式是用雙絞線傳輸信號，信號在雙絞線中自成回路不通過地線，接收器是用雙端差動方式輸入信號的。由于RS485任何時候只能有一點處于發送狀態，因此發送電路必須由使能信號加以控制。

圖3 RS232通信接口電路圖

圖4 RS485通信接口電路

（3）時鐘回路部分

裝置模塊內設置了硬件實時時鐘，不受裝置掉電影響，采用的時鐘芯片DS1302精度高。

3.2 人機界面模塊

本模塊主要功能是顯示CPU系統的輸出信息，同時掃描面板上的按鍵狀態并實時傳送給CPU系統。顯示模塊采用128×64點陣VFD或液晶，人機界面清晰易懂。配置系列裝置的通用按鍵操作方式，使得人機對話操作方便、簡單。同時考慮到低壓保護等級的特點，在本模塊還配置了豐富的燈光指示信息，使裝置運行更為直觀。

3.3 采樣模塊

采樣模塊是系統中的一個相當重要的模塊，它將外界的兩段母線的八8路電壓信號循環采集到單片機內部轉換成數字量供單片機進行分析處理和故障判斷，以此發出相應的控制命令。

交流采樣部分電路直接與被控PT二次側連接，因此，必須考慮電路設計的可靠性。由于TV1013系列微型精密交流電壓互感器體積小、精度高；印刷線路板直接焊接安裝，使用方便，外型美觀；并且它為全封閉，機械和耐環境性能好，電壓隔離能力強，可靠性高，本裝置交流采樣模塊電路設計使用TV1013該種電流型電壓互感器，其典型應用如圖5所示。

TV1013為電流型電壓互感器，其二次回路不允許開路，在設計電路時二次回路不允許使用熔斷器。采樣原理圖如圖6所示，只畫出一路采樣電路圖。

3.4 開關量模塊

本裝置設有供外部輸入的8路開關量，均為有源輸入。

圖5 TV1013的典型應用電路圖

裝置開出量為兩路（裝置電源消失、預告告警），通過裝置端子輸出。

預告音響接點其出口脈沖寬度為2S。即接點動作后2S返回。

所有動作于告警的事件將啟動預告音響接點，如PT回路斷線、母線接地告警、低壓保護、過壓保護等。

3.5 電源模塊

裝置電源為高頻開關電源，直流110V、220V或交流220V輸入。模塊輸出6組直流電壓，即5V、12V、24V。

4 系統的軟件設計

軟件功能模塊結構圖中圖7所示，本設計軟件主要由6部分組成：驅動程序模塊、初始化模塊、開機畫面模塊、中斷采樣模塊、中斷故障判斷模塊及菜單模塊。系統首先執行初始化程序，然后執行開機畫面程序，接著循環執行顯示實時時鐘程序，如有中斷產生，就執行中斷服務子程序，定時器1溢出中斷程序是采樣程序，定時器3溢出中斷程序是關于故障判斷模塊的程序。當有菜單鍵按下的情況下，系統跳出循環，接著系統進入菜單模塊，這個模塊也是循環執行的。

圖6 采樣電路原理圖

在這里，提供了系統的主程序流程圖、中斷程序的流程圖，分別如圖8－10所示。

圖7 軟件功能模塊結構圖

圖8 主程序流程圖

圖9 中斷采樣程序的流程圖

圖10 故障判斷程序流程圖

5 結論

本文完成了微機型PT并列及切換裝置的設計與實現。在硬件完成上從硬件整體方案到各個模塊的設計，再到各個模塊的獨立電路。在軟件上按模塊化設計的思想，整個系統可分為六個模塊，并完成了各個功能模塊的設計和實現。本裝置采用高性能廉價的8位ATmega64單片機，能較好地實現裝置所要求的功能，為運行人員判斷回路硬件故障提供了方便。由于該型號單片機性能資源有限，如要實現更高、更多、更復雜的功能，就有些難度，但對于基本功能已經足夠。

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