丁 健

（合肥学院电子与电气工程系，合肥 230601）

1 引言

近年来随着社会经济的大力发展和工业自动化水平的进一步提高，随着计算机技术,网络技术，电子技术的进一步发展，电力系统对电力装置保护有了更高的的要求，而以前的单纯依靠互感器进行简单的系统保护已经无法满足更高的要求。因此，电力保护行业的一大批科研机构和企业已经开始新的电力系统保护装置的研究。智能型PT保护及切换装置就是一种新型的智能保护装置。它不仅包括电压互感器，而且更重要的是它是由控制器进行智能控制，增加了多种功能，如系统电力参数采样，循环监视，系统自检，故障报警，参数显示，人机界面，系统参数整定等功能。由于这种保护装置具有多种功能，所以其市场大，应用领域广，已基本取代了以前那种继电保护装置，成为电力保护装置研究发展的趋势。

目前同类装置有把电压保护与电压切换分为两种装置独立进行设计，也有把电压保护与电压切换做成一个装置的，但所用的控制器主要有DSP或十六位单片机，而本装置使用八位高性能单片机ATMEGA64来设计的，可以实现同类产品的功能，为工程管理人员带来许多便利。

2 系统的总体方案设计

微机型PT并列及切换装置为适应电厂，变电站自动化系统的要求设计而成。该装置具有8路电压输入，可实现站内两段母线电压的手动并列。同时装置具有监测功能，可以测量8路相电压，计算线电压值，并且具有低压保护、过压保护、PT断线、母线接地告警功能。

装置具有隔离的RS485及RS232通讯口，可以将就地的实时信息通过现场总线及通讯转发装置上传至调度端。

本装置使用ATMEGA64单片机来循环检测两段母线二次侧的A、B、C相电压及零序电压共8路电压值，并对8路电压值进行数据处理和故障判断，然后再根据故障判断的结果发出相应的控制指令，实现低压保护、过压保护、PT断线、母线接地报警功能，达到保护设备的目的。

基于此，将系统模块划分为以下几个部分：①中央控制模块；②人机界面模块；③采样模块；④开关量模块；⑤报警模块。系统功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构框图

3 系统的硬件设计

装置机箱采用全密封、防尘、抗振动的原则设计，以确保安装于条件较为恶劣的环境时仍具备高可靠性。装置采用整面板形式，面板上包括全中文液晶显示器、操作按键、信号指示灯。装置内部由CPU模块、采样模块、开关量模块、电源模块、人机对话模块构成。

3.1 CPU模块

CPU模块原理简图如图2所示。

图2 CPU模块原理示意图

CPU模块主要由以下几部分构成：

（1）CPU系统

CPU系统由微处理器CPU、SRAM、EEPROM、FLASH等构成。其中事件记录数据存放在非易失性SRAM中，大容量FLASH用于存放程序代码，各种整定值则存放于串行EEPROM。

（2）通信部分

装置提供两个可同时工作的RS485通信接口，两个RS485通信接口的通信地址、波特率、通信协议均可分别设置。

RS232和RS485串口通信接口电路，分别如图3、图4所示。

RS485采用平衡差分电路，它为半双工工作方式，因此可以采用一对平衡差分信号线来连接。所谓平衡方式是用双绞线传输信号，信号在双绞线中自成回路不通过地线，接收器是用双端差动方式输入信号的。由于RS485任何时候只能有一点处于发送状态，因此发送电路必须由使能信号加以控制。

图3 RS232通信接口电路图

图4 RS485通信接口电路

（3）时钟回路部分

装置模块内设置了硬件实时时钟，不受装置掉电影响，采用的时钟芯片DS1302精度高。

3.2 人机界面模块

本模块主要功能是显示CPU系统的输出信息，同时扫描面板上的按键状态并实时传送给CPU系统。显示模块采用128×64点阵VFD或液晶，人机界面清晰易懂。配置系列装置的通用按键操作方式，使得人机对话操作方便、简单。同时考虑到低压保护等级的特点，在本模块还配置了丰富的灯光指示信息，使装置运行更为直观。

3.3 采样模块

采样模块是系统中的一个相当重要的模块，它将外界的两段母线的八8路电压信号循环采集到单片机内部转换成数字量供单片机进行分析处理和故障判断，以此发出相应的控制命令。

交流采样部分电路直接与被控PT二次侧连接，因此，必须考虑电路设计的可靠性。由于TV1013系列微型精密交流电压互感器体积小、精度高；印刷线路板直接焊接安装，使用方便，外型美观；并且它为全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，可靠性高，本装置交流采样模块电路设计使用TV1013该种电流型电压互感器，其典型应用如图5所示。

TV1013为电流型电压互感器，其二次回路不允许开路，在设计电路时二次回路不允许使用熔断器。采样原理图如图6所示，只画出一路采样电路图。

3.4 开关量模块

本装置设有供外部输入的8路开关量，均为有源输入。

图5 TV1013的典型应用电路图

装置开出量为两路（装置电源消失、预告告警），通过装置端子输出。

预告音响接点其出口脉冲宽度为2S。即接点动作后2S返回。

所有动作于告警的事件将启动预告音响接点，如PT回路断线、母线接地告警、低压保护、过压保护等。

3.5 电源模块

装置电源为高频开关电源，直流110V、220V或交流220V输入。模块输出6组直流电压，即5V、12V、24V。

4 系统的软件设计

软件功能模块结构图中图7所示，本设计软件主要由6部分组成：驱动程序模块、初始化模块、开机画面模块、中断采样模块、中断故障判断模块及菜单模块。系统首先执行初始化程序，然后执行开机画面程序，接着循环执行显示实时时钟程序，如有中断产生，就执行中断服务子程序，定时器1溢出中断程序是采样程序，定时器3溢出中断程序是关于故障判断模块的程序。当有菜单键按下的情况下，系统跳出循环，接着系统进入菜单模块，这个模块也是循环执行的。

图6 采样电路原理图

在这里，提供了系统的主程序流程图、中断程序的流程图，分别如图8－10所示。

图7 软件功能模块结构图

图8 主程序流程图

图9 中断采样程序的流程图

图10 故障判断程序流程图

5 结论

本文完成了微机型PT并列及切换装置的设计与实现。在硬件完成上从硬件整体方案到各个模块的设计，再到各个模块的独立电路。在软件上按模块化设计的思想，整个系统可分为六个模块，并完成了各个功能模块的设计和实现。本装置采用高性能廉价的8位ATmega64单片机，能较好地实现装置所要求的功能，为运行人员判断回路硬件故障提供了方便。由于该型号单片机性能资源有限，如要实现更高、更多、更复杂的功能，就有些难度，但对于基本功能已经足够。

[1] 李丹. 并列回路二次设计的事故预防思路[J].华中电力,2009.22(3):78-80.

[2] 刘建辉.单片机智能控制技术[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3] 吴双力.AVR-GCC与AVR单片机C语言开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[4] 罗钰玲.电力系统微机继电保护[M].北京:人民邮电出版社,2005.2.

[5] 康华光.电子技术基础（数字部分)[M]. 北京:高等教育出版社,2000.7.

[6] 康华光.电子技术基础(模拟部分)[M]. 北京:高等教育出版社,2000.7.