高压开关柜智能单元的设计舒志刚.docx
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高压开关柜智能单元的设计舒志刚
毕业设计论文
题目高压开关柜智能单元的设计
（院）系电气与信息工程系
专业电气工程及其自动化班级0104学号010*******
学生姓名舒志刚
导师姓名黄绍平
完成日期2005年6月15日
湖南工程学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
高压开关柜智能单元设计
姓名舒志刚系别电气与信息工程系专业电气工程及其自动化班级0104学号101120437
指导老师黄绍平教研室主任
一、基本任务及要求：
在规定时间内，完成以下工作：
1．整体方案的确定；
2．智能单元硬件系统的设计；
3.智能单元软件系统的设计;
4．单元电路与软件调试；
5．提交毕业设计论文和图纸。
二、进度安排及完成时间：
（1）3月7日至3月26日：
查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案.
（2）3月26日至4月9日：
毕业实习.
（3）4月10日至4月25日：
智能单元硬件系统的设计。
（4）4月25日至5月20日：
智能单元软件系统的设计;
（5）5月21日至5月30日：
单元电路与软件调试。
（6）6月1日至6月14日：
撰写毕业设计论文
（7）6月17日至6月20日:
毕业设计答辩
摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………………………Ⅰ
第1章绪论………………………………………………………………………1
1.1智能电器与电器智能化………………………………………………………1
1.2智能电器的基本特点…………………………………………………………1
1.3智能监控单元的功能…………………………………………………………2
1.4电器智能化网络的现状与发展趋势…………………………………………3
1.5本课题的主要设计任务………………………………………………………3
第2章智能高压开关柜的硬件系统…………………………………………………4
2.1智能单元的硬件结构…………………………………………………………4
2.2模拟量数据采集系统…………………………………………………………5
2.2.1模拟量输入电路的概述…………………………………………………5
2.2.2数据采集系统的组成……………………………………………………5
2.2.3主要器件的介绍…………………………………………………………6
2.2.4数据采集系统的工作原理……………………………………………11
2.3开关量输入输出电路………………………………………………………13
2.4串行通信接口………………………………………………………………14
2.5人机接口……………………………………………………………………15
2.5.1人机接口框图…………………………………………………………15
2.5.2硬件时钟电路……………………………………………………………15
2.5.3（看门狗）自复位电路…………………………………………………20
2.5.4键盘接口电路…………………………………………………………23
2.5.5液晶显示模块…………………………………………………………26
2.5.6打印机驱动电路………………………………………………………35
第3章高压开关柜智能单元软件设计………………………………………………36
3.1高压开关柜智能单元的软件结构…………………………………………36
3.2测量与保护算法……………………………………………………………36
3.2.1测量算法………………………………………………………………36
3.2.2保护算法………………………………………………………………37
3.3电流保护……………………………………………………………………38
3.3.1电流保护类型的判别…………………………………………………39
3.3.2定时限电流保护………………………………………………………39
3.3.3瞬时电流保护…………………………………………………………39
3.3.4报警系统………………………………………………………………39
3.4主程序流程图及工作原理…………………………………………………40
3.4.1判断上电或复位………………………………………………………40
3.4.2系统初始化……………………………………………………………40
3.4.3全面自检………………………………………………………………41
3.4.4开放中断………………………………………………………………42
3.4.5自检循环………………………………………………………………42
结束语…………………………………………………………………………………43
参考文献………………………………………………………………………………44
致谢………………………………………………………………………………45
附录1流程图…………………………………………………………………………46
附录2程序部分………………………………………………………………………51
附录3电路图…………………………………………………………………………65
高压开关柜智能单元设计
摘要：
本课题探讨了串行通信技术、微机保护和状态监测、液晶显示技术在高压开关柜智能单元中的作用，分析了各种新技术的特点，展望了高压开关电器的智能化的发展趋势。
本课题设计的是一种安装在高压开关柜仪表门上的智能单元。
它以MCS-51单片机为核心，具有微机监测、微机保护等功能。
可以测量电网电流、电压、有功、无功功率、功率因数等参数，并可记录、液晶显示、打印；可进行定值修改和故障记录；具有日历时钟和硬件“看门狗”功能，系统可靠性较高。
关键词：
高压开关柜；智能电器；串行通信；微机保护；液晶显示
DesignofIntelligentUnitofTheHigh
VoltageSwitchCubicle
Abstract：
Thistopicinquiriesintothefunctionsofstringcorrespondtechniques,mircocomputerprotectionandthestatemonitor,theLCDdisplaytechniquesinthehighvoltageswitchcubicleintelligentunit,analyzesvariousnewtechnicalcharacteristics,prospectsthedevelopmenttrendthattheintelligenceofthehighvoltageswitchelectricappliances.Whatthistopicdesignisakindofintelligentunitswhichisinstalledonthedoorofthehighvoltageswitchcubicleappearance.IttakeacomputerofMCS-51asthecore,havingthefunctions,suchasmircocomputermonitorandmircocomputerprotection...etc.Itcanmeasuretheparameters,suchaselectrifiedwirenettingandelectriccurrent,voltage,themeritoriouspower,theunmeritoriouspowerandthefactorofthepower...etc,anditcanrecord,theLCDdisplay,print.;Itcanmodifythefixedvaluesandrecordthehitchs;Ithasthecalendarclockandthehardware"watchdog"functions,thecredibilityofthesystemishigher.
Keyword：
Highvoltageswitchcubicle;Intelligenceelectricappliances;Thestringgoesthecorrespondence;Tinymachineprotection;theLCDdisplay
第1章绪论
随着人们生活水平的提高，对电力的需求越来越大，在传统开关电器中引入高新技术，对提升供配电系统的性能和可靠性具有重要意义。
电器智能化是传统电器技术和现代电子技术、电力电子技术、微机控制技术、现代传感器技术、数字通信及计算机网络技术等多门类学科交叉和融合的结果。
电器智能化是现代化社会生产和生活向开关电器领域提出的要求，也是电器学科的一个新的发展领域。
1.1智能电器与电器智能化
智能电器是指智能化了的开关电器元件或成套开关设备，是一种具体有形的产品。
它是在传统的开关电器上安装一个以单片机或DSP为核心的智能单元。
该单元集微机测量、微机保护、在线监测、通信等功能于一体。
（1）微机测量智能化电器应具有测量各种电力参数和电能计量功能，并通过LCD显示出来，完全取代传统的电力仪表。
〕
（2）微机保护通过在一台计算机输入相应的程序来完成继电保护功能，达到代替传统的继电保护的目的。
（3）在线监测高、中压电器的状态监测项目较多，例如机械性能、温度、凝露、电气绝缘性能等，可通过选择合适的传感器来实现这项功能。
（4）通信这是智能化电器最重要的功能之一，也是全开放式电器智能化网络的基础。
通信功能是保证控制中心远方运行现场的各类信息的自动交换，实现对整个系统中各现场设备的综合监控和管理。
采用统一的通信协议或协议转换技术，可保证通信网络的开放性。
电器智能化是以智能电器这种有形产品为基础建立的相关学科知识及应用技术的系统集成。
它是一种理念，一种方法，是电器学科发展进步过程。
1.2智能电器的基本特点
智能化电器具有维护调试方便，可靠性高，动作准确率高，通过软件改变处理算法来获得附加的功能，操作简单，使用灵活等特点。
根据智能电器的工作原理和方式，可以归纳出智能电器的基本特点。
（1）现场参量处理数字化
这是智能电器区别其他采用集成电路实现控制功能的电器设备的最重要标志。
由于采用微机处理和控制技术，电器设备运行现场的各种被测参量全部采用数字处理，不仅大大提高了测量和保护精度，减少产品保护特性的分散性，而且可以通过软件改变处理算法，不需修改硬件结构设计，就可以实现不同的保护功能。
（2）电器设备的多功能化
采用微处理器或单片微机对电器设备运行现场的各种参量进行采样与处理，智能电器可以集成用户需要的各种功能。
（3）电器设备的网络化
智能电器监控单元以微处理器为核心，实际上就是独立的计算机控制设备，可以把它们当做计算机通信网络中的通信节点，采用数字通信技术，组成电器智能化通信网络，完成信息的传输，实现网络化的管理、设备资源的共享。
（4）真正实现分布式管理与控制智能电器的监控单元能够完成对电器设备本身及其监管对象要求的全部监控和保护，使现场设备具有完善的、独立的处理事故和完成不同操作的能力，可以组建成完全不同于集中控制或集散控制系统的分布式控制系统。
（5）可以组成真正的全开放式系统采用计算机通信网络中的分层模型建立起来的电器智能化通信网络，可以把不同生产厂商、不同类型但具有相同通信协议的智能电器互连，实现资源共享，不同厂商产品可以呼唤，达到系统的最优组合。
通过网络互连技术，还可以把不同地域、不同类型的电器智能化通信网络连接起来，实现全国乃至世界范围内的开放式系统。
1.3智能监控单元的功能
智能监控单元是监测和控制智能电器完成各种功能的设备，它可以实现对电器元件的保护和分、合功能，全面完成对控制对象的实时监控，并将其运行状态和数据向系统控制中心上传，接受中心下发的各类操作命令、功能投递和参数设置等信息。
它一般有都具有以下功能：
（1）现场运行参量的监测
（2）保护
（3）故障诊断
（4）就地/远方调控
（5）被控开关运行状态监视及现场运行工况记录
（6）通信
（7）一次开关电器元件的监测
1.4电器智能化网络的现状与发展趋势
电器智能化网络最普遍的结构形式是现场总线局域网和工业以太网。
底层网络通过通信控制器和自己带有独立协议转换接口的现场智能设备，即可组成基于工业以太网的局域网。
在现场总线局域网应用中，网络基本上采用的是主－从方式。
各现场设备控制单元作为下位机，作为从设备；底层小型变电站、配电室中的监控、管理计算机为上位机，在网络中作为主设备。
现代电力系统综合自动化管理，要求对不同地区的电网、不同发电站的电能进行统一管理和调度，各地区电网的电能质量要进行集中监控。
同时希望各地区电网的某些资源。
随着计算机网络硬、软件技术的日臻完善，局域网不仅可以互连成覆盖范围很大的广域网，而且今年来已将网络互连技术引入电器智能化网络，不同类型的现场网络互连的问题也得到了根本解决。
采用面向对象的软件设计模式来设计网络的系统软件，大大提高了网络的开放性、灵活性。
1.5本课题的主要设计任务
本课题的主要设计的任务是设计智能单元的软硬件系统，完成其控制功能。
这需要设计智能单元的数据采集系统、A/D转换、时钟电路、看门狗技术、串行通信技术，液晶显示和键盘接口技术。
通过单片机编程实现微机保护的功能。
智能单元软件分为数据采集与处理、通信软件、处理显示、自检、控制和保护及故障诊断与报警软件组成。
要完成以上的功能，需要微机保护，通过单片机编程实现。
智能单元硬件系统由五个部分组成，即信号输入电路，单片机微机保护系统，人机接口部分，输入输出回路和电源部分。
第2章智能高压开关柜的硬件系统
2.1智能单元的硬件结构
智能化开关柜是在常规开关柜上安装一个智能单元。
该智能单元以MCS－51单片机为核心，智能地实现保护功能的工业控制装置。
高压开关柜智能单元通常由单片机系统、模拟量数据采集系统、开关量输入/输出、串行通信接口、人机对话以及电源等部分组成。
其原理图如图2.1所示。
图2.1智能单元的硬件结构图
（1）单片机系统
单片机系统是控制/保护智能单元的核心，它由CPU和RAM、EPROM、E
PROM等扩展芯片构成。
对于智能型开关柜，可采用8位或16位的单CPU结构，本课题中使用的MCS－51单片机是8位单CPU结构。
由于测量和保护的数值计算量大，并要记录故障发生前后的波形，所以外扩一片RAM6264。
E
PROM用于存放保护定值和装置运行控制字等信息，可就地或远方调整修改。
（2）模拟数据量采集系统
智能单元要采集的信息包括交流模拟量和开关量。
模拟信号来自电流互感器（TA）和电压互感器（TV），为了提高系统的抗干扰性能，对开关量信号进行了必要的整形、延时和光隔离处理。
输入的电压和电流，是模拟量信号，要对它进行数字化处理，本系统采用12位的A/D转换芯片MAX197进行数模转换。
（3）开关量输入/输出
开关量输入包括两类。
一类是断路器等开关元件的辅助触点和继电器的节点，用来检测这些设备的工作状态；另一类是智能单元装置本身的一些接点。
输出通道部分是控制断路器实现控制操作的出口通道。
在出口通道里设有光隔离，以防止断路器对微机系统的反馈干扰。
（4）人机对话系统
为了便于接受操作人员的干预，提高系统的智能化程度，本系统具有键盘、液晶显示、打印、时钟及信号灯、音响报警等装置，可进行整定值的输入，工作方式的变更，随时检查系统状态，显示、打印系统状态结果
（5）电源部分
微机系统对电源的要求比较高，因此我们采用逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需要的直流电压。
它把变电所的强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开。
通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，对来自变电所中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。
2.2模拟量数据采集系统
2.2.1模拟量输入电路概述
模拟量包括电流和电压，模拟量输入电路是微机保护装置中很重要的电路，保护装置的动作速度和测量精度等性能都与该电路密切相关。
模拟量输入电路的主要作用是隔离、规范输入电压及完成模数变换，以便与CPU接口，完成数据采集任务。
2.2.2数据采集系统的组成
数据采集系统分为硬件部分和软件部分，硬件部分由互感器、放大器、滤波器（ALF）、采样保持器、A/D转换器组成，其结构图如图2.2所示。
传感器的作用是把非电的物理量转变为模拟电量（如电压、电流或频率）。
目前电力系统中应用最多的是铁心电磁式电压（电流）互感器，他们都是最主要的电压和电流测量用传感器。
放大器用来放大和缓冲输入信号。
由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到几十毫伏之间；电阻应变片输出电压变化只有几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。
因此，需要加以放大，以满足大多数A/D转换器的满量程输入5～10V的要求，此外，某些传感器的内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还
起到了阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。
图2.2数据采集系统的原理图
现场模拟参量在经过互感器和放大器转换成为相应的电压电流信号后，还必须经过滤波器，进行进一步的幅值调整和滤波处理。
因为运行现场有各种干扰信号，如果不处理，就会直接影响中央处理模块的处理结果，造成测量不准确，甚至使开关电器误操作。
在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。
模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持和A/D转换电路。
采样/保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前，还可实现对瞬时信号进行同时采样。
2.2.3主要器件的介绍
2.2.3.1MAX197简介
MAX197是美国美信公司（MAXIM）推出的多通道、多输入范围12位模数转换器。
它只需单电源+5V供电，通过软件编程选择8个输入通道的一个进行模数转换。
每个输入通道的模拟信号电平范围为：
+10V～-10V、+5V～-5V、0～10V、0～5V，使用户非常方便地与输出信号为标准4～20mA的非电量变送器或由+5V～-5V和+12V～-12V电源供电的传感器接口。
芯片内带采样保持器，转换时间为6μs，采样速率可达100ksps，可通过软件选择内部或外部时钟。
该芯片提供数据读取并行接口方式，可与任何标准的微处理器简便联接，因此广泛应用于工业控制系统、机器人、数据采集系统、医疗仪器及电信系统中。
（1）其主要特征如下：
单电源供电：
+5V；
②分辨率：
12位，线性误差：
1/2LSB；
③可以软件选择输入信号电平范围：
+5V～-5V、+10V～-10V、0～5V、0～10V；
④8个模拟输入通道；
⑤转换时间：
6μs；采样速率：
100kbps；
⑥内部或外部时钟；
⑦内部4.096V基准电压源或外部基准电压源；
⑧
内部或外部采集控制；
⑨两种可编程的降低电源消耗的模式；
（2）脚排列为28脚双列直插形式，如图2.3所示。
CLK——时钟输入端。
在外部时钟模式，可选用TTL/CMOS电平兼容的时钟信号，在内部时钟模式，可在此引脚与地之间连接一电容来设置时钟频率，典型值为：
选Cdk＝100Pf时，fclk＝1.56MHZ。
——片选信号。
低电平有效。
图2.3MAX197管脚示图
——当片选信号有效时，在内部控制获取方式下，
的上升沿锁存控制字并启动一次转换，在外部转换控制方式下，
的第一个上升沿使采用保持器开始采样，第二个上升沿（这时ACQMOD＝0）使采用保持器进入保持期并开始模数转换。
——当片选信号
有效时，
的下降沿将把转换结果放到数据总线上
HBEN——为高电平时，高4位转换结果放到数据总线上；为低电平时，低8位转换结果放到数据总线上。
——关闭，低电平时芯片进入全掉电工作模式。
D3/D11——三态数字I/O口，D3输出（HBEN＝0）或D11输出（HBEN＝1）。
D2/D10——三态数字I/O口，D2输出（HBEN＝0）或D10输出（HBEN＝1）。
D1/D9——三态数字I/O口，D1输出（HBEN＝0）或D9输出（HBEN＝1）。
D0/D8——三态数字I/O口，D0输出（HBEN＝0）或D8输出（HBEN＝1）。
D7～D4——三态数字I/O口。
AGND——模拟地。
CH0～CH7——模拟信号输入通道。
——当A/D转换结束且输出数据以准备好时，
为低电平。
REFADJ——参考电压源调整端。
REF——参考电压端。
VDD——正电源电压端。
DGND——数字地。
（3）工作原理
控制字格式
表2.1控制字格式
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
PD1
PD0
ACQMOD
RNG
RIP
A2
A1
A0
PD1、PD0——用于选择时钟及掉电工作模式
ACQMOD——0表示内部获取模式，1表示外部获取模式
RNG、BIP——输入信号电平范围选择
A2、A1、A0——模/数转换通道选择
详见表2.2、2.3、2.4
②输出数据格式
单极性转换时，输入电压范围为：
0～VREF×1.22或0～VREF×2.44，转换为二进制数为0000H～0FFFH；双极性转换时，输入电压范围为：
±VREF×1.22或±VREF×2.44，转换为二进制数为：
0～VREF×1.22或VREF×2.44对应0000H～07FFH，-VREF×1.22或-VREF×2.44～0V对应0FFFH～0800H。
③模拟信号采样保持及模数转换
在内部控制获取模式时采样保持器在信号的上升沿开始采样外部信号，6个时钟周期后，采样结束进入保持期并开始进行模数转换。
在外部控制获取方式时，采样保持器在
信号的第一个上升沿（ACQMOD＝1）开始采样外部信号，这种状态一直维持到第二个上升沿（这是ACQMOD＝0）来临时进入保持期，并开始进行模数转换。
若这时ACQMOD仍等于1，则开始另一次不定时的采样过程。
④掉电工作模式
为节省功耗，可以在不使用该器件期间使它工作在低电流地关闭模式。
关闭工作模式可由硬件或软件进行控制。
硬件控制时，可使SHDN端为低电平，芯片便立即中止转换进入全掉电模式；软件控制时，可通过控制字的PD0、PD1两位编程选择是等待掉电模式还是全掉电模式。
软件设置后，要等到本次转换结束后才进入相应的掉电模式，在所有掉电工作模式中，接口电路仍正常工作，转换结果也可以读出。
器件在接下来的第一个WR信号的下降沿返回到正常工作模式。
表2.2时钟及掉电工作模式选择
PD1
PD0
工作模式
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