CN105449866A - 一种变电站自动化微机综合保护测控装置 - Google Patents

一种变电站自动化微机综合保护测控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的测控装置包括微处理器通过SPI接口连接计量芯片，计量芯片连接测量数据采集单元采集的交流电压、电流、频率、功率因数并且计算好的电量作为精度较高的测量数据值送入人机界面显示单元，并同时实时刷新存储存入数据存储单元；微处理器通过保护电量数据采集单元采集模拟电压、电流作为参考保护数据，与测量数据对比后控制继电器输出单元输出，对电器设备进行切断或报警。本发明的优点在于：1、结构设计精巧，硬件设计简单，成本低。2、彩色液晶人性化显示：模块化菜单，图片式集成信息，文式信息文档，表格化参数设置、浏览信息简单，易操作，查看一目了然。

Description

一种变电站自动化微机综合保护测控装置
技术领域
本发明涉及中低压变电站的监测监控领域，特别涉及一种变电站自动化微机综合保护测控装置。
背景技术
目前，电力已经成为社会生产和日常生活中越来越重要的一部分，随着科技的日益发展，社会的进步，电力系统的自动化、多功能化、智能化、和人性化程度也在不断的日趋完善，而电力开关设备上应用的智能自动化综合保护系统，对电力开关设备的正常运行起到了至关重要的作用。在自动化变电站及配电网中，电网的安全使用及智能，人性化无人操作越来越受到关注，使用技术要求程度越来越高。
而以往的变电站自动化微机综合保护中，装置设计结构体积较大，占取开关柜面积大；结构设计复杂，二次接线繁琐，不易维护，中低压系统中趋势要求简而实用；产品的装置各个模块功能整合比较的粗糙，设计架构不尽人性化，使用成本过高、使用不易操作等缺点。同时随着中国经济快速的发展，中国居民居住条件的改善，房地产的日行月起，像居民小区类似的中低压小型变电站需求越来越多，不需要过多冗余的资源，现有的保护系统已满足不了低压变电站的实际需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种变电站自动化微机综合保护测控装置，以较低的成本应用于各种工程中低压变电站等配电系统。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的测控装置包括微处理器通过SPI接口连接计量芯片，计量芯片连接测量数据采集单元采集的交流电压、电流、频率、功率因数并且计算好的电量作为精度较高的测量数据值送入人机界面显示单元，并同时实时刷新存储存入数据存储单元；微处理器通过保护电量数据采集单元采集模拟电压、电流作为参考保护数据，与测量数据对比后控制继电器输出单元输出，对电器设备进行切断或报警。
所述的微处理器连接时钟芯片，采集时间信息作为整个装置的系统时间。
所述的数据存储单元用来保存参数设置、开关量状态改变、过流、过压等各种保护、故障滤波、系统故障检测等各种事件及发生时间点，电度累加的所有段累计电度值等，保存数据掉电不丢失。
所述的微处理器连接通讯单元，将微处理器的UART模拟成RS485接口，遵循MODBUS协议与上位机通讯。
所述的微处理器连接开关量及按键采集单元。
所述的微处理器的型号为MK64FX512VLQ12。
所述的测控装置进行初始化后判断是否有中断请求，如果有，则执行中断处理，如果没有，则进行实时采样数据读取，通过数据处理，进行编码转换送显，进行相应事件的相应处理，微处理器判断是否有系统参数设置，如果有进行参数设置处理，如果没有，则重新返回到中断请求，实现一次主程序循环。
一种变电站自动化微机综合保护测控装置，由于采用上述的结构，本发明的优点在于：1、结构设计精巧，硬件设计简单，成本低。2、彩色液晶人性化显示：模块化菜单，图片式集成信息，文式信息文档，表格化参数设置、浏览信息简单，易操作，查看一目了然。3、性能稳定，适用范围广，一体机应用于各种工程中低压变电站等配电系统。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；
图1为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置的结构示意图；
图2为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中微处理器的电路图；
图3为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中微处理器A/D转换电路的电路图；
图4为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中微处理器模拟信号采样回路的电路图；
图5为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中微处理器时钟芯片的电路图；
图6为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中数据存储单元的电路图；
图7为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中开关量采集单元的电路图；
图8为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中继电器输出单元的电路图；
图9为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中按键采集单元的电路图；
图10为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中人机界面显示单元的电路图；
图11为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置中通讯单元的电路图；
图12为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置的软件流程图；
图13为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置的软件中初始化流程图；
图14为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置的软件中中断请求流程图；
图15为本发明一种变电站自动化微机综合保护测控装置的软件中通讯流程图；
在图1中，1、微处理器；2、计量芯片；3、测量数据采集单元；4、继电器输出单元；5、开关量及按键采集单元；6、数据存储单元；7、人机界面显示单元；8、保护电量数据采集单元；9、通讯单元。
具体实施方式
本发明主要包括核心部分单片机微处理器系统，测量数据采集单元及A/D转换单元，保护电量数据采集单元，继电器输出单元，开关量状态采集单元，按键采集单元，数据存储单元，通讯单元，人机界面显示单元。其核心主要由MK64FX512VLQ12和电量芯片ATT7022C构成。MK64FX512VLQ12通过SPI接口将ATT7022C中采集的交流电压、电流、频率、功率因数并且计算好的电量作为精度较高的测量数据值读出并同时实时刷新存储，在经过相应的算法处理后送人机界面显示显示7。MK64FX512VLQ12同时利用自己的A/D采集模拟电压、电流作为参考保护数据，通过软件把定值与采样保护数据计算处理后，通过指令来控制继电器的输出，对用电设备进行切断或报警的方式，起到保护的作用。MK64FX512VLQ12通过I2C接口读取时钟芯片PCF8563T中实时时间，作为系统时间及记录事件发生具体的时刻；同样具有I2C接口的数据存储单元6EEPROMPCF8563T用来保存参数设置、开关量状态改变、过流、过压等各种保护、故障滤波、系统故障检测等各种事件及发生时间点，电度累加的所有段累计电度值等，保存数据掉电不丢失。微处理器1通过RSM3485CHT模块，将MK64FX512VLQ12的UART模拟成RS485接口，遵循MODBUS协议与上位机通讯，互传数据控制流。
如图1所示，本发明包括微处理器1通过SPI接口连接计量芯片2，计量芯片2连接测量数据采集单元3采集的交流电压、电流、频率、功率因数并且计算好的电量作为精度较高的测量数据值送入人机界面显示单元7，并同时实时刷新存储存入数据存储单元6，数据存储单元6用来保存参数设置、开关量状态改变、过流、过压等各种保护、故障滤波、系统故障检测等各种事件及发生时间点，电度累加的所有段累计电度值等，保存数据掉电不丢失。；微处理器1通过保护电量数据采集单元8采集模拟电压、电流作为参考保护数据，与测量数据对比后控制继电器输出单元4输出，对电器设备进行切断或报警。微处理器1的型号为MK64FX512VLQ12。
微处理器1连接时钟芯片，采集时间信息作为整个装置的系统时间。微处理器1连接通讯单元9，将微处理器1的UART模拟成RS485接口，遵循MODBUS协议与上位机通讯；微处理器1连接开关量及按键采集单元5。
本发明进行初始化后判断是否有中断请求，如果有，则执行中断处理，如果没有，则进行实时采样数据读取，通过数据处理，进行编码转换送显，进行相应事件的相应处理，微处理器判断是否有系统参数设置，如果有进行参数设置处理，如果没有，则重新返回到中断请求，实现一次主程序循环。
如图2所示，微处理器1选取飞思卡尔MK64FX512VLQ12一款CPU,该处理器基于低功耗的MCU器件，提供高达1MB的闪存和256KBSRAM，支持快速访问，具备高可靠性，提供4级安全保护，扩充了KinetisK系列，同时保持了完整的软件、硬件和开发工具兼容性；两个分辨率可配置的高速16位模数转换器(ADC)，单输出或差分输出模式运行，可提高噪声抑制水平。利用可编程延迟模块触发功能可实现500ns的转换时间两个12位数模转换器(DAC)，可以为音频应用生成模拟波形3个高速比较器，通过将脉宽调制(PWM)置于安全状态，提供快速准确的电机过流保护模拟参考电压可为模拟模块、ADC和DAC提供精确的参考值，代替外部参考电压，降低系统成本；多达4个FlexTimer，总计20个通道。硬件死区时间插入和正交解码，用于电机控制载波调制定时器，用于在遥控应用中生成红外线波形4通道32位周期中断定时器可为实时操作系统任务调度程序提供时基，还可为ADC转换和可编程延迟模块提供触发源，支持引脚中断的通用IO；支持各种数据大小、格式和传输/接收设置，满足多种工业通信协议IC间音频传输(I2S)串行接口；存储器保护单元可为交叉开关上的所有主设备提供存储器保护，提高软件可靠性循环冗余校验引擎可验证存储器内容和通信数据，提高系统可靠性时钟独立的COP可防止时钟偏移或代码失控。如图2为CPU控制系统原理图。
本发明选取ATT7022作为量采样模数转换A/D，本芯片内集成了6路16位的二阶sigma-deltaADC,它是一种高精度三相电能专用计量芯片，能够测量各相以及合相的有功功率、视在功率、无功功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，支持全数字域的增益、相位校正、即纯软件校表。内部带有电压监测电路，可以保证加电和断电情况下正常工作。如图3所示：V2P-V2N、V4P-V4N、V6P-V6N为三相测量电压模拟采样通道，V1P-V1N、V3P-V3N、V5P-V5N为三相测量电流模拟采样通道。JL_DOUT，JL_DIN，JL_SCLK，JL_CS为SPI通道接口，模拟量通过AT7022转换成数字信号通过SPI被微处理器1读取。
如图4所示，模拟量通道经过电阻和电容组合的RC滤波电路，去除所需以外的干扰波形，采集的信号经过运算放大器U1放大后，经过肖特基二极管BAT54S把电压信号钳位电压在0-3V，促使能够满足A/D采样的信号。
如图5所示，时钟芯片PCT8563通过外部晶振Y1的振荡起振，通过系统电压VDD或电池BT1两种方式供电，芯片U15工作时产生时钟信号，通过总线SCL、SDA信号通道传递给微处理器进行计数处理，显示实时时间。
如图6-9所示，数据存储单元6EEPROM选择CAT24C256型芯片，数据传送通过总线SCL、SDA，当系统电源断电时，外部存储芯片保存数据不丢失，系统电源恢复启动后，可以查找掉电前保存的数据记录。当外部开关量信号通过IN13进入时，由于光耦U30内部发光管只需几毫安的电流就能导通发光，促使触发光耦的另一端光敏管由开路变为导通，信号I_13通过微处理器的I/O口被采，经过CPU处理后显示外部装置的开关状态。继电器输出通道，由于微处理器1自身经过对采样和时间信号处理，发出保护动作事件，通过微处理器I/O口连接的OUT1，给出高电平，通过限流电阻R22，使得三极管9013导通，驱动继电器K2线圈吸合，有常开变成常闭，切断有故障工作的设备，从而起到被保护的目的。微处理器的I/O口扫描，检测是否有按键KEY按下，若有按下，原来的引脚由高电平会变成低电平，微处理器通过软件处理，发出相应的判断，执行相应指令。
如图10所示，装置显示界面选取4.3英寸彩色液晶智能串口屏，内置中英文字库，支持大容量存储图片数据，拥有宽频幕、高亮度、低功耗的优越性能，使用简单，操作方便，同时该屏系统集成TFT控制器，具有软硬件设计简单、高性能及高可靠性等待点，为32位的MCU的GUI设计提供了良好的解决方案。本串口屏只需MCU通过UART进行通讯，给显示屏发送相关的操作指令，即可实现与windows相媲美的人机界面。本显示主界面模块化菜单，图片式集成信息，文式信息文档，表格化参数设置、浏览信息简单，易操作，查看一目了然，人性化设计。
如图11通讯硬件接口选择RS485方式、，5V供电，B、C、S三点接上位机串口，CON、RXD、TXD连接微处理器，有数据发送、接收通道，通过异步半双工通方式数据互通。传输数据稳定、防干扰强，速度快，距离远等优点。
如图12-15所示，本控制系统是以微处理器为中心的控制系统，微处理器结合一定的外围电路来完成系统数据输入信号采集、按键信号采集、输出控制信号、通讯等功能，图12为本发明的微机综合保护的主程序流程图。
步骤1为开始动作，步骤2为初始化动作，即微处理器输入输出口的定义、中断寄存器、定时器0等进行初始化。在步骤3中判断是否有中断请求，如果有，则执行中断处理，如果没有，则进入步聚5中实行采样数据读取，步骤6中通过数据处理，进行编码转换送显，进入步骤7事件相应处理，通过步骤8判断是否有系统参数设置，如果有进行参数设置处理，如果没有，则重新返回到中断请求，实现一次主程序循环。
初始化程序流程图如图13所示包括8个步骤，进入初始化子程序中，首先微处理器对I/O口进行输入输出定义方向，进入驱动EEPROM初始定义，然后分别进入定时器0中断值初始化赋值定义，串口通讯中断初始化，A/D校验值读取，进行开中断，完成后返回主程序。
当主程序有中断请求时，程序相应进入中断请求子程序、判断中断类别，如果属于某种中断，就进入该中断，进行数据处理，处理后返回主程序，如果不属于该中断类别，进入下一个中断请求，执行中断请求命令。如图14中断流程框图。
图15串口中断程序流程图，步骤41为开始动作，步骤为42中为保护现场，后进入43中判断数据帧是否接收完毕，若没有则等待，若是则进入44中对接收数据进行CRC校验，然后进入步骤45中判断计算码与接收码是否相同，若不是则进入步骤52恢复现场返回中断，若是，则进入46判断功能码为03，若是流程进入步骤47读数据寄存器，发送到上位机，若步骤46为否则进入步骤48判断功能码是否为05，若是则进行49遥控操作，否则进入50判断功能码是否为06，若是则进入步骤51写寄存器值，否则进入步骤52恢复现场，到步骤53返回。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的测控装置包括微处理器(1)通过SPI接口连接计量芯片(2)，计量芯片(2)连接测量数据采集单元(3)采集的交流电压、电流、频率、功率因数并且计算好的电量作为精度较高的测量数据值送入人机界面显示单元(7)，并同时实时刷新存储存入数据存储单元(6)；微处理器(1)通过保护电量数据采集单元(8)采集模拟电压、电流作为参考保护数据，与测量数据对比后控制继电器输出单元(4)输出，对电器设备进行切断或报警。
2.根据权利要求1所述的一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的微处理器(1)连接时钟芯片，采集时间信息作为整个装置的系统时间。
3.根据权利要求1所述的一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的数据存储单元(6)用来保存参数设置、开关量状态改变、过流、过压等各种保护、故障滤波、系统故障检测等各种事件及发生时间点，电度累加的所有段累计电度值等，保存数据掉电不丢失。
4.根据权利要求1所述的一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的微处理器(1)连接通讯单元(9)，将微处理器(1)的UART模拟成RS485接口，遵循MODBUS协议与上位机通讯。
5.根据权利要求1所述的一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的微处理器(1)连接开关量及按键采集单元(5)。
6.根据权利要求1所述的一种变电站自动化微机综合保护测控装置，其特征在于：所述的微处理器(1)的型号为MK64FX512VLQ12。
7.权利要求1中所述的一种变电站自动化微机综合保护测控装置的控制方法，其特征在于：所述的测控装置进行初始化后判断是否有中断请求，如果有，则执行中断处理，如果没有，则进行实时采样数据读取，通过数据处理，进行编码转换送显，进行相应事件的相应处理，微处理器判断是否有系统参数设置，如果有进行参数设置处理，如果没有，则重新返回到中断请求，实现一次主程序循环。
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