基于89c51单片机的继电保护装置的硬件设计张银龙２００９０１１００３２９电气０９－３（订单）1.1继电保护的发展趋势继电保护技术未来趋势是向计算机化、网络化、智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

1）计算机化计算机硬件迅猛发展，系统集成度越来越高。

单一处理器的处理速度和处理能力不断提高，处理速度的不断提高为单一芯片作为微机继电保护技术奠定了基础。

89C51作为32位芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。

CPU寄存器、数据总线、地址总线都是32位，具有存储器管理功能和任务转换功能，并将高速缓存和浮点数部件都集成在CPU内。

2）网络化计算机网络作为信息和数据通信的工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生活面貌发生了根本变化。

它深刻影响着个个工业领域，也为各个领域提供了强有力的通信手段。

继电保护作用不只是限于切除故障元件和限制事故影响范围，还要保证全系统与重合闸装置分析这些信息和数据基础上协调动作，保证系统安全稳定运行。

显然，实现这种系统保护基本条件是将全系统各主要设备保护装置用计算机网络联系起来，亦即实现微机保护装置网络化。

3）保护、控制、测量、数据通信一体化实现继电保护计算机化和网络化条件下，保护装置实际上市一台高性能，多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。

它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可以将它所获被保护元件任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。

每个微机保护装置可完成继电保护功能，无故障正常运行下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化、4）智能化今年来，人工智能技术在电力系统等各个领域都得到了应用，继电保护领域应用研究也已开始。

神经网络是一种非线性映射方法，很多难以列出方程或难解的复杂问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。

1.2继电保护的基本任务继电保护的基本任务包括：1）自动、迅速、有选择的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分恢复正常运行。

2）反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号、减轻负荷或跳闸。

2.1继电保护的基本原理和保护装置的组成2.1.1继电保护的基本原理利用正常运行与区内外短路故障电气参数变化的特征构成保护的判据，根据不同的判据就构成不同原理的继电保护。

例如：（1）电流增加（过电流保护）：故障点与电源直接连接的电气设备的电流会增加电压降低（低电压保护）：各变电站母线上的电压将在不同程度上有很大的降低，短路点得电压降到零。

（2）电流与电压的相位角会发生变化（方向保护）：正常20°左右，短路时60°~85°（3）电压与电流的比值会发生变化（4）距离保护或阻抗保护：系统正常运行时负荷阻抗，其值较大，系统短路时Z是保护安装到短路点之间的阻抗，其值较小（5）及其他保护2.1.2继电保护装置的组成根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多，但他们都有三个基本部分组成，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理框图如下：图1-1 继电保护装置的原理结构图（1）测量部分测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等于“0”或“1”的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。

通常这一部分的硬件电路主要有模数转换芯片（A/D）或电压频率变换芯片（VFC）与数据信号处理器(DSP)或控制处理器单元(CPU)组成。

（2）逻辑部分逻辑部分是根据各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，是保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。

继电保护中常用的逻辑回路有或与否延时启动延时返回以及记忆等回路。

着一部分的硬件电路主要是ＤＳＰ或ＣＰＵ（3）执行部分执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所负担的任务。

如故障时动作于跳闸；不正常运行时发出信号，正常运行时，不动作等。

这一部分的硬件电路主要由控制器和继电器组成的开关部分组成。

2.2继电保护装置的基本要求动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

1）选择性继电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电的范围尽量小，以保证系统中得无故障部分仍能继续工作。

2)速动性快速的切除故障可以提高电力系统并联运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。

对继电保护速动性的要求，应该根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况来确定。

3）灵敏性继电保护的灵敏性是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。

满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置和短路类型如何，都能灵敏的正确的反应。

4）可靠性保护装置的考考性是指在该保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他保护不应该动作的情况下，则不应该错误动作。

以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，也使贯穿全文的一个基本线索。

在它们之间吗，即由矛盾的一面，又有统一的一面。

3.1微机继电保护装置的硬件设计 3.1.1硬件系统框图微机继电保护的系统框图如图所示：|图1-2微机继电保护系统框图本装置的硬件部分按功能可分为6个模块。

其中，信号采集模块负责将电网来得大电压大电流信号转换为系统可接受的小电压信号，并且将数字量转化为模拟量，供处理器进行信号处理；人机交互模块承担着人与机器的交互任务，主要是指键盘和液晶显示；存储系统有FLASH 和SDRAM 组成，负责存储代码和数据；通信模块由串口和以太网口组成，负责远程通信、控制和组网；出口继电器模块是保护的动作出口，实现对电网的保护控制；电源系统负责对其他模块进行供电，将220V 交流电转换成各个模块所需要得直流电。

3.2微机继电保护装置的硬件设计 3.2.1CPU89C51单片机核心子模块控制芯片是系统的核心控制单元。

89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM ）的低电压、高性能CMOS 微处理器，俗称单片机。

最高工作频率24MHZ ，具有32位可编程I/O 线 ，两个16位定时器/计数器 ，5个中断源 ，低功耗的闲置和掉电模式。

其引脚图如下：图1-3 89C51的引脚图图1-4外部存储器硬件接线图3.2.2交流信号采集模块交流信号采集模块框图如下：、图1-5交流信号采集模块如图1-5所示，信号采集模块主要由3个部分组成：互感器、低通滤波器和A/D转换芯片。

微机保护要从被保护的电力系统线路或设备的电流互感器的变化范围与微机保护装置硬件电路并不匹配，故需要降低或变换。

对于电压变换可采用较小的降压变压器，如图1-6（a）所示。

对于电流变换可采用电流变换器如图1-6（b）所示。

(a)(b)图1-6电压电流变换电路电流变换器最大的优点是只要铁芯不饱和，其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次电流波形相同且同向，即它的转换可使电流不失真。

这点对微机继电保护具有重要意义。

本文选用的是南京择明高精度超小型精密电流电压互感器。

CT的变比为2000:1，精度达到0.2级，线性度为千分之一，可以满足装置采用的精度要求。

互感器及其滤波电路如图1-6和图1-7所示。

图1-6电流转换电路图中是T1电流互感器，用于将电网来得大电流信号转换成微机保护装置可以接受的小信号，R2、C1、R3、C2构成了二阶无源低通滤波网络，D1和D2组成保护电路，用于钳住大于5V和小于0V的信号图1-7电压转换电路图中T9是电压互感器，用来将电网的电压信号转换成微机继电保护装置可以接受的小信号。

R19是限流电阻，R20是采样电阻。

其余部分和电流转换电路相同。

图1-6和图1-7中得输出信号AIN接A/D转换器的模拟量输入端，由于本装置采用的AD 转换器电压的输入范围是0-5V。

为了确保进入A/D的信号是正电压且具有最大的输入范围，需要将输入的电压抬升至2.5V，所以在互感器的输出端接一个VREF=2.5V的基准电压来抬升从电网采集来得信号。

本装置采用的A/D转换器为AD7490，其接口原理图如下：图1-8 AD7490接口原理图由于继电保护需要选用采集多通道的电流、电压，所以选A/D应具备多通道信号采集能力，本文采用的A/D转换器为AD7490，它是12位16通道、高速高精度的串行数模芯片。

其最高转换速度可以到达1MSPS，可以满足电力系统KHZ级别的采样要求。

3.2.3开入开出模块本模块包括开关量的输入与输出模块，其中输入主要是接点状态的输入信号；输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等，一般开入开出是分开设计的。

其开关量的输入电路如图1-9及开关量的输出电路如图1-10.图1-9开关量输入电路原理图图1-10开关量的输出原理图3.2.4人机交互模块人机交互模块是微机继电保护装置同操作者之间的纽带，操作人员和装置之间信息的传送由人机交互装置完成的。

人机交互模块由键盘、LED和液晶显示组成。

键盘主要负责操作人员对装置的信息输入，将控制信息等传递给装置。

LED能直观的指出装置的状态，如警告、运行、跳闸、跳闸。

液晶显示用来显示实时的电信号、装置状态、控制字等。

人机接口电路如下所示。

图1-11人机接口控制电路3.2.5电源电源是嵌入式系统是否能稳定运行的关键因素。

本文所涉及的电源主要有：给开出量供电的24V电压，给网卡供电的5V电压，给供电的3.3V电压以及1.8V等。

另外装置还要给AD 采集器提供一路3.3V模拟电压和一路2.5V的参考电压，RS485通信线路需要单独的对其提供5V的数字电压，以防干扰。

图1-12 24/5V电源产生电路。