基于SEP4020的嵌入式繼電保護裝置的硬件設(shè)計.ppt

基于sep4020微機繼電保護裝置的硬件設(shè)計,研究生姓名： 導(dǎo) 師 姓 名： 教授 高工,目錄,1 課題背景 2 繼電保護裝置基本原理 3 硬件架構(gòu)與實現(xiàn) 4 軟件架構(gòu) 5 抗干擾與可靠性分析 6 測試,課題背景,微機繼電保護研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 電子和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展對微機繼電保護設(shè)計產(chǎn)生了深遠的影響。微機繼電保護裝置結(jié)構(gòu)上不斷優(yōu)化，功能上不斷增強，應(yīng)用上更為靈活。微機繼電保護和變電站自動化系統(tǒng)的推廣，對新型微機繼電保護裝置的設(shè)計與研制提出了許多新的問題和更高的要求。繼電保護技術(shù)未來趨勢是向計算機化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，保護、控制、測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。,微機繼電保護基本原理,概念: 電力系統(tǒng)繼電保護是繼電保護技術(shù)或繼電保護裝置的統(tǒng)稱。繼電保護技術(shù)是一個完整的體系，它主要由電力系統(tǒng)故障分析、繼電保護原理及實現(xiàn)、繼電保護配置設(shè)計、繼電保護運行及維護等技術(shù)構(gòu)成。繼電保護裝置是能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。 基本任務(wù)： (1) 自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到 破壞，保證其他無故障部分迅速恢復(fù)正常運行。 (2) 反應(yīng)電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護的條件(例如有無經(jīng)常值班人員)，而動作于發(fā)出信號、減負荷或跳閘。,繼電保護裝置的組成,繼電保護裝置的原理結(jié)構(gòu)圖,繼電保護裝置的基本要求,1）選擇性 2）速動性 3）靈敏性 4）可靠性 以上四個基本要求是分析研究繼電保護性能的基礎(chǔ)。在它們之間，既有矛盾的一面，又有在一定條件下統(tǒng)一的一面。,幾種典型的微機繼電保護硬件平臺,1）dsp+arm硬件平臺,2）cpu+fpga硬件平臺,3）dsp+cpu硬件平臺,硬件系統(tǒng)框架,微機繼電保護系統(tǒng)框架圖,sep4020處理器及cpu核心子模塊,本文使用東南大學(xué)自行研制的32位處理器sep4020，采用單一芯片架構(gòu)，承擔數(shù)字信號處理，系統(tǒng)保護，系統(tǒng)測控與通信等任務(wù)。sep4020由東南大學(xué)國家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心研制，采用0.18m標準cmos的工藝設(shè)計，內(nèi)嵌asix core（32位risc內(nèi)核，帶8kb指令數(shù)據(jù)cache）。sep4020內(nèi)核兼容arm720t，在80mhz系統(tǒng)時鐘下穩(wěn)定工作。具備arm核低功耗高性能的特點。,裝置的cpu核心子模塊由cpu和外部存儲構(gòu)成；繼電保護裝置的外部存儲器由一片8m字節(jié)的sdram和一片2m字節(jié)的flash組成 。,flash選用的是16位寬的sst39vf1601芯片，用于存放程序代碼、故障波形數(shù)據(jù)、告警信息和裝置的整值，占用從0x20000000開始的2m地址空間。 sdram選用winbond公司的16位寬的w981216bh，占用從0x30000000開始的8mbytes地址空間。w981216bh是一款高速同步動態(tài)隨機存取存儲器，其容量為8mbyte，采用了0.17m工藝，具有自刷新功能，讀寫訪問速度高于sep4020微處理器的典型工作時鐘80mhz，從而消除了存儲器訪問瓶頸。 系統(tǒng)的啟動方式為norflash啟動，flash中存放有啟動代碼(bootloader)和保護程序代碼。裝置上電后，從nor flash的首地址開始執(zhí)行啟動代碼，啟動代碼的任務(wù)是將保護程序代碼搬移到sdram中，搬移完畢后，從sdram中讀取代碼并執(zhí)行。,交流信號采集模塊,電流 t1是電流互感器，用于將電網(wǎng)來的大電流信號轉(zhuǎn)換成微機保護裝置可以接受的小信號，r2、c1、r3、c2構(gòu)成了二階無源低通濾波網(wǎng)絡(luò)，d1和d2組成保護電路，用于用于鉗住大于5v和小于0v的信號。,電壓 電路中t9是電壓互感器，用來將電網(wǎng)的電壓信號轉(zhuǎn)換成微機繼電保護裝置可以接受的小信號。r19是限流電阻，r20是采樣電阻。其余部分和電流轉(zhuǎn)換電路相同。,ad7490接口原理圖,它是12位16通道、高速高精度的串行數(shù)模芯片。其最高轉(zhuǎn)換速度達到1msps，可以滿足電力系統(tǒng)khz級別的采樣率要求。其接口電路如圖3-7所示，ad7490轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)是串行傳輸?shù)?，其與sep4020通信是通過spi總線進行傳輸?shù)摹?通信模塊,rs485串行接口電路圖,繼電保護裝置設(shè)置了雙485、雙以太網(wǎng)接口。其中一套作為備用通信口。在通信時，如果一個通信接口的壞了，主站可以切換到備用通信口繼續(xù)進行通信，保證了電力系統(tǒng)的可靠性要求。,以太網(wǎng)通信的兩組以太網(wǎng)模塊一個由單獨rtl8019as網(wǎng)卡芯片構(gòu)成 另外一個則由sep4020自帶的mac控制器外加一片物理層芯片構(gòu)成 通過以太網(wǎng)設(shè)備，利用tcp/ip協(xié)議可以使繼電保護裝置真正的實現(xiàn)遙控、遙測、遙信以及遙調(diào)功能。,phy接口電路,開入開出模塊,開關(guān)量輸入電路 本文所有的開入量(外部接點)輸入均設(shè)計為采用24v直流供電，相對于裝置的控制部分24v是強電信號，為了可靠性，將強弱電隔離。隔離的目的在于一方面需要降低引入的電壓范圍至cpu可正常接收的程度，通常需要從24v要降低到5v甚至更低；另一方面可以大大的降低外界干擾信號對核心控制部分的千擾,開關(guān)量開出回路 圖中out_en0是使能，out0是sep4020的gpio口輸出的電平(0v-3.3v)，經(jīng)光耦隔離后控制繼電器輸出。,人機交互模塊,人機交互模塊是微機繼電保護裝置同操作者之間聯(lián)系的紐帶，操作人員和裝置之間信息的傳遞由人機交互模塊完成。人機交互模塊由鍵盤、led（發(fā)光二極管）和液晶顯示組成。鍵盤主要負責操作人員對裝置的信息輸入，將控制信息等傳遞給裝置。led能直觀的指出裝置的工作狀態(tài)，如告警，運行，跳閘，通信。液晶顯示用來顯示實時的電信號，裝置狀態(tài)，控制字等。,人機接口控制電路,為了減少顯示模塊和主模塊的硬件連線，人機接口控制電路采用鍵盤和顯示復(fù)用的方式。設(shè)計通過兩片74hc244三態(tài)緩沖器分別控制lcd、led和控制鍵盤的輸入。u1用于控制lcd和led，u1、u2同時控制鍵盤，1oe、2oe是使能端，控制由a端到y(tǒng)端的輸出使能。從sep4020來的7路控制信號交替輸出低電平，使兩片74hc244交替工作，實現(xiàn)鍵盤和顯示的復(fù)用。,按鍵電路,鍵盤硬件連接分矩陣式和獨立式兩種。在保證能完成各種功能的情況卜，本裝置的鍵盤選用了12個按鍵，采用34的矩陣鍵盤設(shè)計,實時時鐘單元,ds1302具有主電源/后背電源雙電源引腳，提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力?？梢燥@示時間以及記錄系統(tǒng)中各種運行狀態(tài)的發(fā)生時間。,電源模塊,本裝置采用高性能ac-dc電源模塊，輸入由220v交流電壓供電，輸出+24v和+5v電壓。 +5v電壓經(jīng)相應(yīng)電路轉(zhuǎn)化成+3.3v和+2.5v。+3.3v電壓經(jīng)ldo轉(zhuǎn)化為1.8v電壓供給cpu內(nèi)核。模擬電源和數(shù)字電源用電源隔離器隔開，,繼電保護裝置的pcb實現(xiàn),pcb子板連接示意圖 按照繼電保護功能模塊的劃分，保護裝置由四塊功能子板和一塊連接底板構(gòu)成。,cpu主板,所在區(qū)域為cpu核心模塊，為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，為通信模塊，為模擬量開出部分，為模擬量開入部分，為電源轉(zhuǎn)換部分,繼電器/電源子板,pcb板中間區(qū)域是24v電壓控制區(qū)域，最下面是110v電壓控制區(qū)域。將兩區(qū)域分開有利于提高保護裝置的動作動作的可靠性，防止誤跳和拒跳等問題。,交流信號采集子板,圖中虛線上部分是電壓信號采樣，下半部分是電流信號采樣。由于采樣的是非常大的交流信號，各通道間的電磁干擾非常大，布局時要嚴格區(qū)分兩塊區(qū)域，電壓信號的走線和電流走線應(yīng)當越遠越好。,人機交換子板,lcd顯示和指示燈位于pcb上方便于查看，裝置的鍵盤位于pcb下方便于操作。界面的指示燈分為兩排，一排用來指示保護功能是否投入，另一排用來指示故障。另單獨設(shè)兩個總指示燈“跳閘”和“告警”用來顯示系統(tǒng)狀態(tài)。遠方、就地、手跳、手合功能用按鍵和指示燈取代傳統(tǒng)的旋鈕，增強了裝置的可操作性。,微機繼電保護裝置軟件設(shè)計,軟件框架,nucleus操作系統(tǒng),nucleus實時操作系統(tǒng)是accelerated technology公司開發(fā)的嵌入式rtos產(chǎn)品，其內(nèi)核是nucleus plus。nucleus plus是為實時嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的一種搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核 。nucleus plus的內(nèi)核對于任務(wù)調(diào)度時間的控制能力非常好，不僅具有快速的響應(yīng)時間，而且任務(wù)調(diào)度時間為常數(shù)，所以其應(yīng)用于電力保護，就可以保證保護的實時性。,nucleus初始化,nucleus初始化,在初始化組件中包含一個匯編文件“int.asm” 主要完成中斷向量表指針初始化、寄存器基址初始化、外部ram分區(qū)的初始化。在低級初始化完成以后，控制就交給初始化線程int_initialize,中斷處理流程圖和任務(wù)調(diào)度框圖,中斷處理流程圖,系統(tǒng)調(diào)度框圖,故障處理軟件流程,抗干擾分析和可靠性探討,變電站電磁干擾源主要有： (1)雷電引起的電氣暫態(tài)現(xiàn)象； (2)接地系統(tǒng)的短路電流引起的電位升； (3)高壓回路中操作隔離開關(guān)及斷路器引起的電氣暫態(tài)現(xiàn)象； (4)高壓線路產(chǎn)生的工頻電磁場； (5)輻射場的騷擾； (6)靜電放電； (7)低壓設(shè)備開合操作引起的快速瞬變脈沖群騷擾； (8)二次回路繼電器的切合引起的過電壓。 干擾對微機保護裝置的影響：,(1)影響裝置的精度 (2)計算或邏輯錯誤 (3)程序運行出軌 (4)元件損壞,提高微機保護可靠性的主要措施,信號采集低通濾波 看門狗電路 電源系統(tǒng)抗干擾 電路板抗干擾 電氣防偷跳措施,信號采集低通濾波,無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試，通過比較分析發(fā)現(xiàn)二階無源低通濾波可以滿足設(shè)計采樣精度要求，因此本文選用二階rc低通濾波電路作為微機繼電保護裝置的濾波器。,rc二階無源低通濾波電路,幅頻特性,看門狗電路,由于cpu的工作常常會受到來自外界電磁場的干擾,造成程序的跑飛,而陷入死循環(huán),程序的正常運行被打斷,由單片機控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作,會造成整個系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài),發(fā)生不可預(yù)料的后果,所以為了維護保護系統(tǒng)的可靠性，出于對單片機運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測的考慮，使用看門狗電路。電路定時器時間1.6秒，1.6秒不給wdt清零，那么看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷。,電源系統(tǒng)抗干擾措施,(a)抑制開關(guān)電源內(nèi)部噪聲； (b)在開關(guān)電源輸入端口的濾波； (c)在弱電回路設(shè)置濾波； (d)直流側(cè)采取過壓、欠壓保護技術(shù)； (e)采用分布式供電方式。,電路板抗干擾措施, 遵守電路板的一般布線原則 減小電路板中的電磁干擾 減小電路中耦合干擾,電氣防偷跳措施,斷路器控制回路若發(fā)生斷路器“跳躍”是非常危險的,容易引起機構(gòu)損傷,甚至引起斷路器的爆炸，因此斷路器偷跳是影響裝置可靠性的一個重要問題。斷路器的“跳躍”現(xiàn)象一般是在跳閘、合閘回路同時接通時才發(fā)生。通常防跳回路設(shè)計都是采用電氣跳躍閉鎖回路，當斷路器出現(xiàn)“跳躍”時，將斷路器閉鎖到跳閘位置。,繼電保護裝置整體實驗及結(jié)果分析,繼電保護試驗平臺示意圖，實物圖及連線圖,測試內(nèi)容,測試結(jié)果,本文用繼電保護測試儀對繼電保護裝置進行試驗，驗證了繼電保護的各項保護功能，并對繼電保護的測量精度、采樣精度和可靠性做了初步測試。實驗的數(shù)據(jù)表明，保護裝置已經(jīng)基本實現(xiàn)設(shè)計的各項