基于单片机数字式继电器的设计

白芹

【摘 要】继电保护装置对高压电网的安全、稳定运行有重要作用。随着计算机技术的迅速发展，单片机继电保护装置在高压电网中得到了广泛应用。文章研究设计了单片机继电保护装置，研究数字继电器的设计与开发，提出了数字继电器的整体配置方案，从高压电网故障的暂态过程着手，阐述了单片机保护的硬件结构图、模拟量输入、算法等。

【关键词】继电保护 数字继电器 EEPROM AT89S52单片机

继电保护装置是指由各种继电器按照一定的性能和要求连接在一起而组成的一种自动装置，它的主要任务是保证电力系统安全运行。当系统中的任何电气元件发生故障时，它可以借助断路器自动切除；而当出现不正常工作状况时，则能自动发生预警信号。在高、中、低压电力系统中，数字自动化装置越来越多，传统的电磁式继电保护已经逐步退出市场，晶体管保护、集成电路保护随着单片机保护的发展，也逐步被新型的保护装置所替代——数字继电器。

一、数字继电器的设计要求

要求在传统继电保护理论的基础上，设计出一种新型的数字继电器，能够监测220V交流电网的实时运行状态，并能对它实现一定的保护功能，如电流保护、低电压保护等；同时还可通过人机界面进行保护定值的设定和实时状态的显示；并配有RS485通信接口，可与上位计算机通信，实现电网集中监控、集中管理。要求设计出数字继电器的硬件平台和软件平台，并完成所有的程序调试。在进行硬件电路和软件编程时，应使该数字继电器具有一定的电磁兼容性。

二、数字继电器的硬件设计

数字继电器的硬件部分主要由模拟量调理电路、A/D转换电路、EEPROM扩展、AT89S52单片机、光耦隔离、LCD显示、键盘电路、晶振电路、复位电路以及电源电路组成。数字继电器的硬件结构框图如图1所示。

数字继电器的硬件系统设计主要有六大部分的设计，分别为最小系统电路的设计、模拟信号的采集和变换电路和设计、人机接口电路的设计、工作电源的设计以及串口通讯电路的设计。（在此主要介绍最小系统电路和人机接口电路）

（一）最小系统电路的设计

所谓最小系统是指由单片机、外扩ROM、RAM和外扩的I/O口构成。而数字继电器的最小系统主要由单片机、晶振电路、复位电路和EEPROM的扩展组成，其中单片机是核心部分。

本设计采用52系列的ATMEL公司的AT89S52单片机，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业51产品指令和引脚完全兼容。

（二）人机接口电路的设计

1.键盘电路

此设计中采用的是2*3式矩阵式的键盘电路。键盘程序控制扫描方式，8155的PC口低2位输出逐行扫描信号，PA口输入3位列信号，均为低电平有效。8155的IO/M与+5V电源相连，/CE与P3.5相连，/WR和/RD分别与AT89S52单片机的/WR和/RD相连即可。

2.液晶显示电路

本文主要介绍了LCM12832ZK液晶显示器。LCM12832ZK液晶显示器是具有串/并行接口、内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块，其内置的控制/驱动器采用台湾矽创电子公司生产的ST7920。因而具有较强的控制显示功能。LCM12832ZK的液晶显示屏为128*32点阵，可显示2行，每行8个汉字。该模块具有2MB的中文字型ROM（CGROM），共提供8192个16*16点阵中文字型；同时，为了便于英文和其他常用字符的显示，具有16KB半宽字型ROM（HCGROM），提供128个16*8点阵的字母符号字型。

三、数字继电器的软件设计

软件设计主要是通过流程图来表达的，具体如下。

（一）主程序流程图：首先是对程序的初始化。所谓的初始化是指保护装置在上电或按下复位键时率先执行的程序，它主要是对单片机及可编程扩展芯片的工作方式、参数的设置，以便在后面的程序中按预定的方案工作。接着进入读EEPROM、欢迎画面，然后进入一个循环，不断地进行调用一系列的子程序。其流程圖如图2所示。

（二）保护子程序流程图：此子程序主要是为了对电路中的电压和电流进行保护。当电路中的电流大于设定电流时，说明电路为过电压状态，则线圈动作，并进行报警。当电压小于设定电压时，电路为欠电压状态，则线圈动作，并进行报警。

（三）算法子程序流程图：算法子程序主要介绍了由电路中采集过来的32个点的电流和电压值，计算成其平均值、有效值以及进行标度变换。

四、结论与展望

本文论述了基于单片机数字式继电保护装置的研制，对装置的保护原理、软硬件设计及其通讯功能的设计进行了深入的分析。目前，装置的硬件设计、制作和调试，软件的大部分模块功能已经完成，初步试验结果表明，该装置达到了预定目标。有关结论如下。

（一）继电保护装置集保护、测量、监控、通讯于一体。通过保护的组态机制，其可以实现对线路、变压器、电动机、电容器等不同设备和回路的保护，摒弃了以前的针对不同的设备研制不同型号装置的方法，使装置的通用性强、功能扩充和修改方便。

（二）采用单片机为核心的处理器，发挥计算机的大量处理数据的能力。每周波采样32点，对数据进行FFT运算，可以计算信号的15次谐波，有效抑制了谐波、噪声与偏移。

（三）硬件电路遵循模块化设计方法。

（四）软件采用实时多任务调度的设计思想。通过合理安排程序可以严格控制程序和运行时间；充分利用系统资源，合理使用查表、整形数运算的方法，提高了程序的运算速度。

（五）设计了RS-485总线的通信接口。其使装置具有强大的通信支持能力，能有效地实现系统级自动化管理和综合信息共享，除传输常规数据之外，还可传输实时波形、物理数据块等，支持远程的全参量设定，包括定值、投退和其他参数。

【参考文献】

[1]李勋，刘源.单片机实用教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[2]杨新民，杨隽琳.电力系统微机保护培训教材[M].北京：中国电力出版社，2000.

[3]王维俭.电力系统继电保护原理[M].北京：清华大学出版社，1991.

[4]李佑光，林东.电力系统继电保护原理及新动技术[M].北京：电子工业出版社，2003.

[5]王幸之.单片机应用系统干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[6]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京：高等教育出版社，2001.

[7]ATMEL.8-bit Microcontroller with 8K Bytes Flash AT89S52.2000.