儀器儀表 智能型漏電繼電器的設計
2012-07-14
[1343]
漏電繼電器是一種可在被保護線路漏電電流達到設定值后切斷被保護線路供電電源的保護裝置，在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證供電可靠性的基礎。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)的繼電保護突破了傳統(tǒng)的數(shù)字式保護繼電器，出現(xiàn)了以微處理器為核心的智能保護繼電器[1-2]。本文利用PIC18F6585型單片機設計了一款智能型漏電繼電器，具有自診斷、故障記錄、數(shù)據(jù)通信等多種功能，為故障分析提供便利，且具有較高的可靠性。
1 PIC系列單片機特點
PIC18F6585是由Microchip公司開發(fā)、研制和生產(chǎn)的PIC系列單片機，該系列單片機的技術性能具有以下優(yōu)點[3]:
（1）哈佛總線結(jié)構(gòu)。PIC系列單片機在架構(gòu)上采用了與眾不同的哈佛總線結(jié)構(gòu)，在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，便于實現(xiàn)指令提取、流水作業(yè)和全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度，并能確保數(shù)據(jù)的安全性。
（2）精簡指令集（RISC）技術。指令系統(tǒng)只有35條指令，容易學習、記憶、理解，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來了*的便利，可謂易學好用。
（3）尋址方式簡單。只有寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址4種尋址方式，比較容易理解與掌握。
（4）運行速度高。由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的讀取和執(zhí)行采用流水作業(yè)方式，使得運行速度大大提高。PIC系列單片機的運行速度遠遠高于其他相同檔次的單片機，在所有8 bit單片機中，PIC系列單片機是目前世界上運算速度zui快的品種之一。
（5）功耗極低。其I/O口驅(qū)動負載能力較強，每個端口輸入和輸出電流的zui大值可達25 mA，可直接驅(qū)動LED、光耦或微型繼電器。
（6） PIC18F6585芯片具有ADC、I2C和SPI串行總線端口等，并有外接電路，簡潔、開發(fā)方便，可用C語言編程，程序保密性強等特點。
2 繼電器硬件結(jié)構(gòu)與工作原理
（1）硬件結(jié)構(gòu)
漏電繼電器的CPU中采用了PIC18F6585芯片，漏電信號的檢測由零序電流互感器來完成，它可將檢測到的被保護線路的漏電電流轉(zhuǎn)換成毫伏級的交流電壓信號，再通過信號整流、放大和濾波得到一個直流電壓，配合相應的控制電路來驅(qū)動執(zhí)行回路，以實現(xiàn)切斷保護線路供電電源的控制目的。實現(xiàn)過程是：信號檢測→濾波→二級放大→控制電路→驅(qū)動執(zhí)行回路→切斷被保護線路電源，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1中各部分功能分別為：
①零序電流互感器回路。本裝置的電流互感器采用高性能的坡莫合金作為鐵芯的磁性材料，以確保電流互感器輸出在一定的范圍內(nèi)具有良好的線性。
②信號處理。影響系統(tǒng)可靠性的因素主要是線路工頻奇數(shù)倍諧波電流，故本電路采用一組有源低通濾波器，該濾波器主要濾去奇次諧波交流分量，然后進行交直流變換處理，以確保漏電繼電器的正確動作。
③CPU。這是本裝置的核心部件，PIC18F6585主要包括FLASHROM、RAM、TM2RX、A/D轉(zhuǎn)換、串行通信等，是整個系統(tǒng)的*處理單元，系統(tǒng)的取指、判斷、執(zhí)行都由它完成。其中、A/D轉(zhuǎn)換器為10 bit轉(zhuǎn)換器，20 MHz主頻時，其一次轉(zhuǎn)換時間為16μs;FlashROM、RAM為存儲空間，用來存放程序和數(shù)據(jù)。
④數(shù)碼顯示及操作回路。數(shù)碼顯示用來顯示線路漏電流和系統(tǒng)跳閘的延時時間，主要由數(shù)碼驅(qū)動電路和LED數(shù)顯構(gòu)成，執(zhí)行回路主要由led/'' target=''_blank''>光電隔離及繼電器驅(qū)動電路構(gòu)成。
⑤串行通信接口電路。采用MAXIM公司的MAX422擴展出串行通信口。
⑥人機接口電路。人機接口電路主要完成保護整定值及系統(tǒng)延時跳閘時間的設定。
⑦電源電路。為單片機系統(tǒng)提供工作電源，其中有一組為隔離電源。
（2）繼電器工作原理
系統(tǒng)開機運行后，系統(tǒng)設置TMR0定時中斷，每2 ms產(chǎn)生一次定時中斷信號，單片機響應這個中斷信號，轉(zhuǎn)入中斷處理子程序。中斷處理子程序判斷是RB口中斷，還是TMR0中斷，然后分別調(diào)用定時中斷 A/D處理子程序或鍵盤處理子程序。系統(tǒng)把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與預定的整定值比較，如果大于整定值，則進行跳閘、事故報警等處理。所有結(jié)果都送主程序顯示。
3 軟件設計
3.1 軟件設計流程圖
本單片機系統(tǒng)采用20 MHz主頻，每1 ms進行一次定時中斷處理，軟件結(jié)構(gòu)簡單。軟件設計包含主程序、RB口中斷服務子程序、定時中服務子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序，采用C語言進行設計。
（1）系統(tǒng)主程序。主要完成系統(tǒng)的端口、定時器、A/D轉(zhuǎn)換器、常量、變量及其他量的初始化工作，同時完成漏電流循環(huán)顯示工作。主程序流程圖如圖2所示。
（2）中斷服務子程序。主要根據(jù)INTCON寄存器的T0IF位的數(shù)據(jù)判斷TMR0是否溢出，如溢出則轉(zhuǎn)入TMR0中斷入口子程序;根據(jù)INTCON寄存器的RBIF位的數(shù)據(jù)判斷RB是否有輸入變化，如變化則轉(zhuǎn)入鍵盤中斷入口子程序。中斷服務程序流程如圖3所示。
（3）定時中斷服務子程序及A/D轉(zhuǎn)換子程序。主要完成A/D轉(zhuǎn)換任務，1 ms進行1次處理，每回連續(xù)6次采樣，采樣結(jié)果存入內(nèi)存單元。定時中斷服務子程序流程如圖4所示，A/D轉(zhuǎn)換子程序流程如圖5所示。
（4）數(shù)據(jù)處理子程序。主要完成數(shù)字濾波，提高系統(tǒng)抗干擾性能，求A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平均值，進行數(shù)據(jù)比較，確定是否跳閘與報警等。數(shù)據(jù)處理子程序流程如圖6所示。
（5）鍵盤處理子程序。主要為人機對話提供一個通道，用于設置保護的保護整定值、延時跳閘時間等。
3.2 程序設計
程序采用C語言設計，下面給出A/D轉(zhuǎn)換子程序和數(shù)據(jù)處理子程序中的核心語句[4]。
（1）A/D轉(zhuǎn)換子程序
void DataConv（ ）
{ int num;
PORT-D=1; //啟動A/D轉(zhuǎn)換
for（num=0;num++;num=6） //采樣6次數(shù)據(jù)
{ Delay（）;
adresult[num]=AD; //保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果至adresult[]
}
PORT-D=0; //停止A/D轉(zhuǎn)換
}
（2）數(shù)據(jù)處理子程序
void DataDeal（ ）
{ int i;
result=0; //保存A/D轉(zhuǎn)換zui終數(shù)值
for（i=0;i++;i=6）result=result+adresult[i];
//對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進行數(shù)字濾波
result=result/6;
if（result>=raluemax‖result<=raluemin） Alarm（ ）;
//若采樣值大于給定的zui大值或小于給定的zui小值，則做報警并進行故障處理
Display（ ）; //對數(shù)據(jù)進行實時顯示
}
設計的智能繼電器性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的繼電器產(chǎn)品，設計系統(tǒng)以PIC18F6585單片機為核心構(gòu)成一個實時
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可將采集的數(shù)據(jù)進行實時分析、運算和處理，獲得各種不同的保護特性，易于修改，選擇性和配合性好。集測量、監(jiān)控和保護于一身，可通過通信接口與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成智能化的監(jiān)控保護與信息管理系統(tǒng)，具有較高的工業(yè)使用價值。
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