基于C8051F340的低壓繼電保護裝置

摘 要： 提出了以C8051F340增強型單片機為核心的新型低壓繼電保護裝置方案，對低壓繼電保護設備的原理和需求進行了分析，設計了系統的硬件和軟件方案并予以實施和試驗。試驗結果表明，設備具有結構簡單、動作可靠性高、采樣精度高、操作方便、接口豐富等特點，能夠在復雜的現場完成繼電保護的各項功能。

關鍵詞： 增強型單片機； 電力系統； 繼電保護裝置； C8051F340

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0159?04

0 引 言

隨著集成電路、計算機的高速發展，微機繼電保護裝置開始越來越廣泛地應用于現代電力系統中。微機繼電保護具有響應速度快、智能化程度高、可聯網擴展等優點，逐步取代了傳統的繼電保護裝置。目前微機繼電保護裝置大多采用高性能的ARM或者DSP芯片為主控制芯片，配合外部傳感器和驅動電路組成，ARM或DSP芯片集成度高、電路規模龐大、外圍電路復雜，造成了系統開發難度大，系統靈活性差，研發周期長，軟件調試困難。針對這個問題，提出了采用Silicon Labs的高性能的8位單片機和電能計量芯片組合的繼電保護控制方案，不僅降低了開發難度，同時也充分利用了芯片的各種資源，可靠的實現了繼電保護的各項功能。

1 方案設計

1.1 控制處理器的選擇

本設計主MCU采用了C8051F340單片機來控制繼保電路，高性能電能計量芯片MAXQ3180協助處理采樣數據，兩者結合完成了繼電保護的各項功能。C8051F340為Silicon Labs推出的混合信號系統芯片，是一款高速、低功耗、高性能的8位微處理器，最突出的特點是高速指令處理能力。C8051F340采用CIP?51微控制器內核，與MCS?51指令完全兼容。CIP?51采用流水線結構，與標準的8051結構相比，指令執行速度有很大的提高。CIP?51在最大系統時鐘頻率48 MHz工作時，其峰值速度可達48 MIPS。C8051F340還有豐富的串行接口，比常規8051單片機有更多的定時器、中斷、數字I/O接口。這些豐富的資源都可以使用戶更靈活，更方便的完成復雜的任務。MAXQ3180是擁有DSP內核的電能計量芯片，用來處理計量部分的電壓、電流等信息，它是專用的電氣參數測量前端，采集并計算多相負載的多相電壓、電流、功率、電能以及其他多種計量參數和功率品質參數。外部主處理器可通過片內串行外設接口（SPI）總線讀出計算結果，還通過該總線來對MAXQ3180進行配置，并監測其工作狀態。MAXQ3180極大的減輕了主控制器的運算工作量，使C8051F340可以游刃有余的處理繼電保護的所有任務。

1.2 繼電保護裝置工作原理

繼電保護裝置是指在被保護的低壓設備的二次側連接的保護設備，它采集經過電壓互感器、電流互感器按比例衰減的電壓、電流信號，并進行處理分析判斷，如果滿足觸發條件，將驅動執行機構進行動作。

繼電保護裝置按其工作流程基本可分成測量部分、邏輯判斷部分和動作部分三個模塊。其工作流程如圖1所示。繼電保護裝置的計量部分和保護部分分別采用兩個單獨的MCU進行控制。計量部分的控制器通過SPI總線接口讀取電能計量芯片的模數轉換數據，經過預處理后轉換為可直接顯示使用的電壓、電流、功率因數等電參量，保護部分的控制器對數據進行綜合分析處理后，判斷邏輯保護動作，切斷斷路器或接觸器進行保護。

2 系統硬件設計

本裝置的硬件系統主要分為采集卡和人機界面兩個部分，其中采集卡通過電壓、電流互感器進行電流電壓的采集，并進行處理、判斷、繼電器輸出保護，完成繼電保護的核心功能；人機界面部分主要負責對采集卡參數進行設置、校準、顯示實時的電參量和顯示查詢故障信息等功能。其框架功能圖如圖2所示。

2.1 電流、電壓互感器的選擇

互感器是繼電保護的測量信號的主要傳感器，一般有電壓型和電流型兩種。電壓互感器型號為HPT205，輸入電流為0～2 mA，輸出電流0～2 mA，精 度0.1%，線 性 度為0.1% 。電流互感器采用自行特制的無鐵心線圈，有體積小，線性度高的特點。圖3為電流互感器的線性度測試結果，從圖中可以看出，此電流互感器線性度較高，滿足測量要求。

2.2 A/D采集

模/數轉換由整定電流的采集和計量電壓、電流的采集兩部分組成。整定電流的采集使用的是C8051F340的內部10位SAR ADC，該ADC工作在200 KS/s的最大采樣速率時可提供真正10位的線性度，INL為±1 LSB。A/D轉換可以有6種啟動方式：軟件命令、定時器0溢出、定時器1溢出、定時器2溢出、定時器3溢出或外部轉換啟動信號。在該裝置中采用軟件命令的方式啟動A/D轉換，用軟件定時器以每半個電網周期內啟動10次轉換，取其算術平均值作為最終結果。

計量電壓、電流的采集使用的是MAXQ3180的模擬前端。模擬前端（AFE）是一個8通道模/數轉換器（ADC）。它在標準配置下獨立工作，把8個通道中的3個通道分配給A相、B相和C相電壓，3個通道分配給A相、B相和C相電流，1個通道分配給零序電流，最后一個通道分配給溫度傳感器。在該裝置中現在只使用了三相電壓、電流6個通道，通過對MAXQ3180寄存器的設置，MAXQ3180直接計算出電壓、電流的有效值提供主MCU使用。

2.3 故障信息的存儲

為了防止故障信息的丟失，采用了FM24CL04芯片永久保存故障信息。FM24CL04 是一款4 KB的非易失性存儲器，它采用先進的鐵電存儲技術，執行讀/寫操作的速度與RAM相似，但可以掉電保存。FM24CL01提供45年的數據保存時間，同時消除了由E2PROM 和其他非易失性存儲器導致的復雜性、開銷和系統級別可靠性問題。存儲歷史信息后，在系統正常工作的情況下，可以通過操作人機界面在液晶顯示屏上查詢最近的故障信息。

2.4 通信接口和通信方式的選擇

本設計使用到SMBus、增強型SPI串行接口和增強型UART三種通信方式。C8051F340與鐵電存儲器通過SMBus總線進行通信。SMBus I/O接口是一個雙線的雙向串行總線。SMBus完全符合系統管理總線規范1.1版，與I2C串行總線兼容。C8051F340作為主器件完成對鐵電的寫操作和讀操作。C8051F340與MAXQ3180通過SPI串行接口進行通信。串行外設接口提供訪問一個全雙工同步串行總線的能力。SPI0可以作為主器件或從器件工作，可以使用3線或4線方式，并可在同一總線上支持多個主器件和從器件。

C8051F340作為主器件使用3線方式連接對MAXQ3180進行寫操作和讀操作。采集卡和人機界面通過增強型UART進行通信，通信波特率為115 200 b/s。

3 系統軟件設計

3.1 程序流程設計

繼電保護裝置的軟件系統結構圖如圖4所示。

系統軟件由數據處理程序和故障判斷程序兩部分組成。 數據處理程序部分包括數據采集和數據計算處理兩部分。CPU對二次側小信號經過電壓互感器、電流互感器、分壓電路、放大電路處理后，進行模/數轉換采集，每隔1 ms CPU采集1次。10 ms為1個周期對采集的電壓、電流進行處理，對采集的電壓、電流信號累加進行有效值的計算，并還原為電壓、電流的實際值。啟動定時器每隔10 ms把采集計算出來的電壓電流有效值進行故障條件的判定。當滿足某種故障條件時，采取相應的動作方式。當系統運行正常時，程序循環執行，采集處理數據，等待下一個10 ms進行故障判斷。

3.2 程序地址分配

C8051F340使用Silicon Labs的專利CIP?51微控制器內核。CIP?51系統控制器的存儲器組織與標準8051的存儲器組織相同。CIP?51有64 KB的程序存儲器空間。C8051F340在這個程序存儲器空間中實現了64 KB的可在系統編程的FLASH存儲器。對于C8051F340，0xFBFF以上的地址被保留。

CIP?51的數據存儲器空間中有256 B的內部RAM，位于地址0x00～0xFF的地址空間。數據存儲器中的低128 B用于通用寄存器和臨時存儲器。可以用直接或間接尋址方式訪問數據存儲器的低128 B。從0x00～0x1F為4個通用寄存器區，每個區有8個8位寄存器。接下來的16 B，從地址0x20～0x2F，既可以按字節尋址又可以作為128個位地址用直接位尋址方式訪問。數據存儲器中的高128 B只能用間接尋址訪問。該存儲區與特殊功能寄存器（SFR）占據相同的地址空間，但物理上與SFR空間是分開的。當尋址高于0x7F的地址時，指令所用的尋址方式決定了CPU是訪問數據存儲器的高128 B還是訪問SFR。使用直接尋址方式的指令將訪問SFR空間，間接尋址高于0x7F地址的指令將訪問數據存儲器的高128 B。C8051F340具有4 KB的XRAM，還可以通地址總線擴展至64 KB。具體地址分配如表1、表2所示。

3.3 微機繼電保護裝置的功能實現

針對380 V及以下的低壓輸電線路，不同的保護方式選擇不同類型的保護曲線，同一類型的保護曲線又可選擇延時時間不同的保護曲線，不同保護曲線示例如圖5所示。所有保護功能的參數都可以自行設置，例如可以選擇設置長延時反時限、短延時反時限、短延時定時限這些不同的過載保護特性曲線；當超過20倍電流過載時，裝置執行速斷保護，表3為測試的部分數據。該裝置同時可以對電流不平衡、過壓、欠壓、電壓不平衡、過頻、欠頻、相序進行保護。根據現場的需要，對所有保護功能都可以進行延時時間、門限值、開啟功能或者關閉功能等的設置。

4 結 語

實際運行結果表明，以C8051F340為核心設計的繼電保護裝置，在理論和設計應用方面都具有可操作性。采用增強型8位單片機不僅可以完成復雜的繼電保護功能，便于開發調試，而且電路方面結構簡單可靠，使用成本較低，具有一定的市場價值。

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