基于AT89C55WD单片机和编程语言实现继电保护实验系统的设计

1 引 言

随着电力工业的迅速发展，对电力系统继电保护的要求也越来越高，传统的继电保护产品已不能适应这些要求，正在被逐步淘汰，各种类型的微机装置由于具有诸如反应故障速度快、运行灵活、无动作死区等一系列独特的优点，在电力系统保护中得到了广泛的应用，如由微机控制的集测量、控制、保护、远动、五防等功能于一体的无人值守变电站的广泛应用就是明显的例证。

基于这种状况，为了使现场继电保护操作人员和在校学生尽快掌握微机保护装置的基本结构和工作原理，学会调试和操作维护的基本方法，有必要研制一套微机继电保护实验系统。本文的实验系统即是为适应这一要求而开发的。其硬件设计以Atmel公司的AT89C55WD型MCU为核心，外围电路包括8路交流输入、8路直流输入、8路数字量输入和8路数字量输出，并设有RS 232串行通信接口。同时充分考虑了实验教学的需要，留有足够的测试点，配有组态实验软件，人机界面友好，具有能方便进行常用继电保护原理实验和不同算法的比较，功能完备，方便实用等优点。

2 继电保护实验系统设计

继电保护实验实验系统主要由上位机、继电保护测试仪和继电保护实验装置组成，三者的连接框图如图1所示。其关系为：继电保护测试仪为整个实验系统的信号源，他可模拟各种运行方式下的故障现象，为 微机保护实验装置提供所需的各种电压量、电流量和开关量信号，上位机作为人机交互的窗口，微机保护实验装置是本文要研究的主体--控制系统。

其中控制系统采用单片机控制，包含以下4个部分：数据处理单元，即微机主系统；数据采集单元，即模拟量输入系统；数字量输入／输出接口，即开关量输入输出系统；通信接口。不仅能实现各项实验数据（包括三相电压、三相电流等）的实时采集和处理，还可以控制实验装置动作，并可以通过通信模块与计算机进行通信，将实时实验状态送到上位机进行显示、记录。

3 微处理器的选择

控制系统的数据处理单元由AT89C55WD芯片及其外围电路组成。他是整个单片机控制系统的核心，实现保护参数的设定与保存、单片机地址的译码与分配以及故障程序的自动复位等功能，并对数据采集系统输入的各种原始数据进行计算分析、处理、判断，完成相应的继电保护功能。AT89C55WD足一个低电压高性能的CMOS型8位单片机，片内含20 kb／s的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256 B的随机存取数据存储器（RAM），采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容工业标准89C51和89C52芯片，采用通用编程方式，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大，可提供许多高性价比的解决方案，适用于多数嵌入式应用系统。

他有40个引脚，32个外部双向输入／输出（I／O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，工作频率可以达到33 MHz，完全满足系统的分辨率、精度和速率要求。

4 外围电路设计

4.1 A／D转换单元

由于A／D转换器与整个系统的测量范围和精度有关，因此，A／D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。本装置对8路模拟信号进行采样，每周波采样12点，即每一个周波要完成256次转换，而每个周波为20 ms，因此要求转换速率约为78μs。考虑到每个通道的采样时间包括多路开关的开关时间、采样／保持器的采样和建立时间、A／D转换器的转换时间以及测量传感器的建立时间等，决定选用转换时间较少的逐次比较型的A／D转换器。对于8位的A／D转换器的分辨率能达到1／28或满刻度的0.392％，显然不能满足本装置所要求的0.2级（0.2％）精度；而10位的转换器能够达到的精度为0.09％，能够满足本装置的精度要求，所以本装置采用10位的MAX1060型芯片A／D转换器用于数据的转换。

MAX1060为10位低功耗逐次逼近型模／数转换器（ADC），转换速度为2μs，具有内部时钟、+2.5 V内部基准和高速单字节并口等特性，可工作于单+5 V模拟电源，独立的VLOGIC引脚允许与+2.7～+5.5 V的数字逻辑直接接口。在400 kS／s的最大采样频率下，功耗仅为10 mW。提供两种软件可编程的关断模式，可以使MAX1060在转换操作之间处于关断状态，一旦访问并口，便使其返回到正常工作模式，且在低采样率下，数据转换之间的关断模式能够将电源电流降至10 μA以内。转换电路如图2所示。

4.2 开关量输入／输出单元

4.2.1 开关量输入单元

本系统共有8路开关量输入，如图3所示。由于仪器模拟的运行现场环境恶劣，存在电、磁、振动、噪声等各种干扰，TTL电平直接接口可能会造成错误输入。因而本装置采用光电隔离型输入方式，其主要优点：

（1） 输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强；

（2） 无触点、耐冲击、寿命长、可靠性高；

（3） 响应速度快，易与逻辑电平配合使用。

从外面引入微机保护的开关量，如开关位置辅助接点、收发信机的收发信状态触点等都是由“开关量输入”回路中的光电隔离技术处理后，将信息送至中央处理系统。本系统中8路开关量输入量分成两类：第一类的6路由MCU通过查询方式获知系统的工作状态；第二类的2路直接接到MCU的外部中断口上，一旦开关量有变化时可以产生一个中断，MCU可以及时处理。这样就使得装置的工作非常灵活。

拨码开关是为了方便实现继电器接点和按键接点的模拟，便于通过手动模拟外部的短路或断路等工作方式。

4.2.2 开关量输出单元

在线路发生故障时，微机保护主要是通过各种开关量输出来完成对线路中各断路器和继电器的控制，从而使发生事故的线路被隔离，其他线路能够最大程度地得到保护。具体的说，从微机保护送出的开关量，如跳闸命令、告警信息等，是经“开关量输出”回路中的光电隔离技术处理后，将中央处理系统的判断结果送出，并实现保护功能。

本系统用8路信号开关量输出来模拟故障状态，其中7路接继电器，同时并接发光二极管LED。在有故障信号而使继电器动作时，相应的二极管也发光显示；另外1路接扬声器，收到故障信号后，发声报警。开关输出量既可以用来模拟故障动作，还可用继电器接外部设备来形成一个完整的保护系统，输出结构如图4所示。微机系统输出的开关信号是芯片给出的低压直流，不能直接驱动外设，而需要经过驱动模块转换等处理后才能用于完成对外部设备的开启和关闭，本装置的开关量采用继电器输出方式输出。

4.3 频率测量单元

本系统使用单片模拟集成锁相环电路NE564进行测频，该芯片采用单5 V电压供电，最高工作频率可达50 MHz，外部可调节环路增益，数字量输入输出兼容TTL电平。另外装置还使用了一片计数器集成电路74HCT4520，接成一个256分频器，把NE564的VCO输出进行256分频后，送入NE564的鉴相器与输入的50 Hz工频信号进行相位比较。这样，50 Hz的工频信号就在256倍频后送进MCU进行频率测量。通过上述电路，就可以实现自适应调整采样间隔，在A／D转换中采用跟踪频率变化的变步长对输入信号进行采样，以使本系统具有较好的测量精度。此外，还采用常用的过零比较器进行测频，把正弦信号转换成方波信号，完成测量频率的功能，如图5所示。

4.4 通信单元

考虑到计算机接口的合理利用问题，采用最常用的RS 232通信接口来完成与计算机的之间的数据的传输，从而可以实现对计算机接口的合理分配与利用，达到更好的使用效果。

RS 232作为一种通信标准，已经在微机串行通信接口中广泛应用。传输距离小于15 m，远距离通信时一般要加调制解调器Modem；近距离通信时不采用调制解调器Modem，双方可以直接连接。由于本实验装置与上位机可以直接相连，只需要3根信号线（发送线TXD、接收线RXD、信号地线SG）便可以实现全双工异步串行通信。然后采用MAX232来完成RS 232与TTL电平的转换，如图6所示。

另外还有键盘与显示单元、时钟单元和抗干扰单元等，由于篇幅所限，不再赘述。

5 软件实现

本系统中采用AT89C55WD的8位单片机为CPU，采用KeilC51结构化编程语言编程，采用模块化设计，使系统的软件结构清晰，易于理解，便于调试、连接、修改和移植。

单片机应用系统的软件设计和一般的程序设计不同，既有各种计算程序设计，还要结合具体的硬件电路进行各种输入输出程序没计。软件设计必须在硬件、软件功能划分基础上进行。本系统软件由主程序和人机接口、数据采集、计算、故障处理、记录和通信等几个子程序组成。数据采集单元将采集的数据通过12点快速傅里叶变换，计算出电压、电流值，冉进一步求出有功功率、无功功率、功率因数等，所得参数可显示并上传给上位机，完成系统数据测量、人机接口及通讯等辅助控制功能。系统主程序流程图如图7所示。

6 结 语

运行表明，该实验系统，可模拟各种运行方式下的故障现象，省去了传统测试方法中所需的移相器、调压器等多台用于调整电压、电流的较为笨重的一次设备，避免了由此引起的易接错线、功能单一等不足，可大大提高实验测试水平。由于装置硬件通用性强，可通过在同一硬件平台上下载多种不同的保护程序运行，来完成多种不同类型的保护功能实验，突破了传统的一套保护装置只实现一种保护功能的局限，使学生在实验室就可以仿真现场的故障现象，且价格低廉，有效地解决了电力系统继电保护生产一线与教学之间的衔接问题，具有较大的推广前景。

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