变压器保护CAN通讯程序设计开题报告.docx
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变压器保护CAN通讯程序设计开题报告
开题报告
变压器保护CAN通讯程序设计
[摘要]本文介绍了毕业设计中所需要的专业知识:
变压器的微机保护,现场总线CAN的发展,MOTOROLA68K单片机的情况。
[关键词]继电保护现场总线CAN单片机
目录
前言----------------------------------------------------2
第一章变压器保护--------------------------------------------------------4
§1变压器可能发生的故障和不正常运行方式------------------------------4
§2变压器保护装置装设的原则----------------------------------------6
§3变压器差动保护构成方式------------------------------------------6
第二章CAN现场总线------------------------------------------------------7
第三章单片机技术发展与原理----------------------------------------------8
参考文献----------------------------------------------------------------11
前言
继电保护
继电保护是伴随着电力系统的出现应运而生的。
从继电保护的基本原理来看,19世纪末开始利用熔断器防止再发生短路时损坏设备,建立了过电流保护原理;1910年起开始采用方向性电流保护;20世纪20年代生产除距离保护;30年代初有了快速动作的高频保护。
可以这么说,到20世纪20年代末现在普遍应用的继电保护原理基本上都已建立,迄今在保护原理上没有出现突破性发展。
从实现保护装置的硬件上看,从1901年出现的感应型继电器至今大体上经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微型计算机式等发展阶段。
纵观继电保护百年的技术发展史可以看出,虽然继电保护的基本原理早已提出,但它总是在根据电力系统发展的需要,不断地从相关地科学技术中取得的最新成果里发展和完善自身。
总的看来,继电保护技术的发展可以概括为三个阶段,两次飞跃。
三个阶段是机电式、半导体式、微机式。
第一次飞跃是由机电式到半导体式,主要体现在无触点化、小型化、低功耗。
第二次飞跃式由半导体式到微机式,主要在数字化和智能化。
显而易见,第二次飞跃有着尤为重要的意义,它为继电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。
动作于跳闸的继电保护,在技术上有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。
现分述如下:
1.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,使停电范围尽量减小,以保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。
2.速动性
根据故障判断情况快速切除故障,可提高电力系统并列运行的稳定性,缩小故障元件的损坏程度。
3.灵敏性
是指对于保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。
4.可靠性
指保护装置对于保护范围那应该动作的故障,不应拒动;不应该动作时,不能误动。
不难想象,应用了电子计算机技术的微机保护在满足以上四个要求时有得天独厚的优势,微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力,有存储、记忆功能,因而可用以实现任何性能完善且复杂的保护原理。
微机保护可连续不断地对本身工作情况进行自检,其工作可靠性很高,此外微机保护可用同一硬件实现不同的保护原理,可使保护装置的制造大为简化,也容易实现保护装置的标准化。
由于微机保护装置的巨大优越性和潜力,进入20世纪90年代末,在我国得到大量的应用,将成为继电保护装置的主要形式。
微机保护
电力系统继电保护经历了机电式、整流式、晶体管式和集成电路式几个阶段后发展到微机保护的阶段。
利用计算机实现继电保护的设想早已在20世纪60年代提出,尽管由于当时技术和经济条件的限制,计算机在伺候的十多年中,除少量的实验装置外没有得到实际推广应用,但大量的研究成果为计算机保护的进一步发展奠定了必要的理论基础。
随着微电子技术的迅速发展和微型计算机的出现,在70年代末期已出现了对微机保护的研制高潮,由于微机保护与模拟式保护相比有许多优点,因此它一出现就受到继电保护使用单位的热烈欢迎。
微机保护与传统的模拟式保护的基本区别在于数字化,现将其特点归纳如下:
一、可靠性
1.数字元件的特性不受电源电压波动,周围温度变化以及元件老化的影响。
因此,以数字化元件为基础的微机保护的性能比较稳定。
2.微机保护中采用了大规模继承电路构成的芯片,与分立元件、小集成度的模拟保护相比有更好的可靠性。
3.微机保护具有实时自诊断能力。
可以及时发现装置故障,随时进行处理。
4.
二、经济性
微机保护装置主要由硬件和软件构成,随着大规模集成电路的技术的驯熟发展和微机的广泛使用,微机硬件价格日益下降,且软件费用具有一次性投资的性质。
从运行和维护的费用来看,微机保护能及时发现自身故障,使维护工作量大为减少,支出降低。
顺便掷出,微机保护的经济性优势目前只表现在复杂保护方面,对于简单的保护装置(例如过电流保护),传统的继电保护仍然比较便宜。
三、灵活性
微机保护的灵活性首先表现在编程方面:
使用不同的软件就可以得到不同的保护性能;同一个软件中可以设置不同的保护原理、特性和方案;可以根据系统的实际运行条件或故扎情况实时自动采取相宜对策,使保护具有自适应能力。
其次,微机的高速运算能力,使模拟式装置无法实现的新原理、新方案和新特性得以实现,也使实时改变保护的性能或定值成为可能。
最后,微机保护的灵活性还表现在便于与整体分层计算机控制和保护系统相配合,使数据信息的传输更为流畅。
四、方便性
微机保护的方便性主要表现在运行、维护和调试方面。
如故障发生后可以提供较多的信息;可随时保护装置的整体值。
而且可以很容易地获得许多附加功能。
第一章变压器保护
§1变压器可能发生的故障和不正常运行方式
变压器常见故障
现代生产的变压器,虽然在结构上比较可靠,故障机会较少,但在实际运行中,仍有可能发生各种类型的故障和不正常运行方式。
为了保证电力系统安全连续地运行,并将故障和不正常运行方式对电力系统地影响限制到最小范围,必须根据变压器地容量等级和重要程度的不同,而装饰必要的,性能良好及动作可靠性高的各种继电保护装置。
变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。
内部故障是指变压器油箱里面发生的故障,主要是绕组的相间短路,单相匝间短路,单相接地短路等。
发生内部故障是很危险的,因为短路电流产生的高温电弧不仅会损坏绕组的绝缘,烧毁铁芯,而且由于绝缘材料和变压器油因受热分解而产生的大量气体,有可能引起变压器油箱爆炸。
因此,在变压器内部故障时,必须迅速地将变压器切除。
变压器最常见地外部故障,是油箱外部的绝缘套管及引出线上的故障,可能导致引出线的相间短路或一相碰接变压器外壳的单相接地短路。
配电变压器在运行中,常见的故障和异常现象有:
(1)变压器在经过停运后送电或试送电时,往往发现电压不正常,如两相高一相低或指示为零;有的新投运变压器三相电压都很高,使部分用电设备因电压过高而烧毁;
(2)高压保险丝熔断送不上电;
(3)雷雨过后变压器送不上电;
(4)变压器声音不正常,如发出“吱吱”或“霹啪”响声;在运行中发出如青蛙“唧哇唧哇”的叫声等;
(5)高压接线柱烧坏,高压套管有严重破损和闪络痕迹;
(6)在正常冷却情况下,变压器温度失常并且不断上升;
(7)油色变化过甚,油内出现炭质;
(8)变压器发出吼叫声,从安全气道、储油柜向外喷油,油箱及散热管变形、漏油、渗油等。
变压器故障分析
从变压器的声音判断故障
(1)缺相时的响声
当变压器发生缺相时,若第二相不通,送上第二相仍无声,送上第三相时才有响声;如果第三相不通,响声不发生变化,和二相时一样。
发生缺相的原因大致有三方面:
①电源缺一相电;②变压器高压保险丝熔断一相;③变压器由于运输不慎,加上高压引线较细,造成振动断线(但未接壳)。
(2)调压分接开关不到位或接触不良
当变压器投入运行时,若分接开关不到位,将发出较大的“啾啾”响声,严重时造成高压熔丝熔断;如果分接开关接触不良,就会产生轻微的“吱吱”火花放电声,一旦负荷加大,就有可能烧坏分接开关的触头。
遇到这种情况,要及时停电修理。
(3)掉入异物和穿心螺杆松动
当变压器夹紧铁心的穿心螺杆松动,铁心上遗留有螺帽零件或变压器中掉入小金属物件时,变压器将发出“叮叮当当”的敲击声或“呼…呼…”的吹风声以及“吱啦吱啦”的像磁铁吸动小垫片的响声,而变压器的电压、电流和温度却正常。
这类情况一般不影响变压器的正常运行,可等到停电时进行处理。
(4)变压器高压套管脏污和裂损
当变压器的高压套管脏污,表面釉质脱落或裂损时,会发生表面闪络,听到“嘶嘶”或“哧哧”的响声,晚上可以看到火花。
(5)变压器的铁心接地断线
当变压器的铁心接地断线时,变压器将产生“哔剥哔剥”的轻微放电声。
(6)内部放电
送电时听到“噼啪噼啦”的清脆击铁声,则是导电引线通过空气对变压器外壳的放电声;如果听到通过液体沉闷的“噼啪”声,则是导体通过变压器油面对外壳的放电声。
如属绝缘距离不够,则应停电吊心检查,加强绝缘或增设绝缘隔板。
(7)外部线路断线或短路
当线路在导线的连接处或T接处发生断线,在刮风时时接时断,接触时发生弧光或火花,这时变压器就发出像青蛙的“唧哇唧哇”的叫声;当低压线路发生接地或出现短路事故时,变压器就发出“轰轰”的声音;如果短路点较近,变压器将发出像老虎的吼叫声。
(8)变压器过负荷
当变压器过负荷严重时,就发出低沉的如重载飞机的“嗡嗡”声。
(9)电压过高
当电源电压过高时,会使变压器过励磁,响声增大且尖锐。
(10)绕组发生短路
当变压器绕组发生层间或匝间短路而烧坏时,变压器会发出“咕嘟咕嘟”的开水沸腾声。
实践证明,变压器引出线上的相间短路,单相接地短路和绕组的匝间短路是比较常见的故障形式。
三个单相变压器组成的变压器组,发生内部相间短路是不可能的,在三相变压器中发生内部相间短路的可能性也很少。
变压器的不正常工作状态主要是:
由于外部短路和过负荷引起的过电流、油面过渡降低和变压器中型点电压过高。
§2变压器保护装置装设的原则
为了限制各种故障和不正常工作状态的影响,根据《继电保护和自动装置设计技术规程》的规定,变压器一般应装设到下列继电保护装置:
1.反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护
容量为800千伏安以上的油浸式变压器,均应装设瓦斯保护。
当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时,保护装置应瞬时动作于信号;当产生大量瓦斯时,保护装置通常应动作于跳闸,断开变压器各电源侧的断路器。
2.反应变压器绕组和引出线的相间短路、中性点直接接地侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路的阿纵联差动保护或电流速断保护
纵联差动保护装置通常装设在单独运行的容量为10000千伏安以上的变压器上。
或装设在并列运行的容量为6300千伏安以上的变压器上,有选择性地切除故障变压器。
容量为6300千伏安及以上地厂用工作变压器也装设纵联差动保护。
对厂用备用变压器,为了简化保护,可装设电流速断保护来替代差动保护。
3.反应外部相间短路地过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流保护。
以上保护又可作为变压器保护的后备。
4.反应中性点直接接地电网中、外部接地短路的零序电流保护
5.反应对称过负荷的保护
§3变压器差动保护构成方式
实现变压器差动保护需要解决的主要矛盾之一,时采取各种措施避越不平衡电流的影响。
因此,在满足选择性的条件下,还要保证在内部故障时有足够的灵敏度和速动性。
1按照避越励磁涌流方法的不同,变压器差动保护可按不同的工作原理来实现。
目前活的广泛应用的变压器差动保护有以护
采用带磁制动特性型差动继电器下几种类型:
2差动电流速断保护
3采用带短路线圈的差动继电器的差动保的差动保护
4多侧磁制动特性型差动继电器的差动保护
5鉴别涌流间断角的差动保护
6二次谐波制动的差动保护
7相位比较的差动保护
第二章CAN现场总线
随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展,工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支,并取得了巨大进步。
由于对系统可靠性和灵活性的高要求,工业控制系统的发展主要表现为:
控制面向多元化,系统面向分散化,即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。
分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。
这类系统是以微型机为核心,将5C技术——Computer(计算机技术)、Control(自动控制技术)、Communication(通信技术)、CRT(显示技术)和Changer(转换技术紧密结合的产物。
它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面,较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。
典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。
现场总线(FieldBus)能同时满足过程控制和制造业自动化的需要,因此现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。
尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准,但现场总线高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。
CAN(ControllerAreaNetwork)总线是德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。
CAN总线以其卓越的特性,低廉的价格,极高的可靠性和灵活的结构,特别适合工业过程监控设备的互联,并已公认为最有前途的现场总线之一。
CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
CAN可实现全分布式多机系统,且无主、从机之分;CAN可以用点对点、一点对多点及全局广播几种方式传送和接收数据;CAN直接通讯距离最远可达10km(传输率为5kbps),通迅速率最高可达1Mbps(传输距离为40m);CAN总线上节点数可达110个。
CAN通信协议规定有4种不同的帧格式,即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。
CAN总线基于下列5条基本规则进行通信协调:
1.总线访问 CAN控制器只能在总线空闲状态期间开始发送。
所有CAN控制器同步于帧起始的前沿(硬同步)。
2.仲裁 若有两个或更多的CAN控制器同时发送,总线访问冲突通过仲裁场发送期间位仲裁处理方法予以解决。
3.编码/解码 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列使用位填充技术进行编码。
4.出错标注 当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时,检测出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。
5.超载标注 一些CAN控制器发送一个或多个超载帧以延迟下一个数据帧或远程帧的发送。
由于现场总线是双向的,因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行标定、调整及运行诊断,甚至可在故障发生前进行预测。
远程维护和控制在采用数字通信和现场仪表后也将成为可能。
现场总线不单单是一种通信技术,关键是用新一代的现场总线控制系统FCS(FieldBusControlSystem)代替传统的集散控制系统DCS(DistributedControlSystem),实现现场通信网络与控制系统的集成。
其本质即要实现在现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能块、通信线供电、开放式互连网络等功能。
第三章单片机技术发展与原理
1单片机技术的发展特点
自单片机出现至今,单片机技术已走过了近20年的发展路程。
纵观20年来单片机发展历程可以看出,单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,以广泛的应用领域拉动,表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
单片机长寿命 这里所说的长寿命,一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年,另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
随着半导体技术的飞速发展,MPU更新换代的速度越来越快,以386、486、586为代表的MPU,很短的时间内就被淘汰出局,而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁,产量仍是上升的。
这一方面是由于其对相应应用领域的适应性,另一方面是由于以该类CPU为核心,集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。
可以预见,一些成功上市的相对年轻的CPU核心,也会随着I/O功能模块的不断丰富,有着相当长的生存周期。
新的CPU类型的加盟,使单片机队伍不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。
8位、16位、32位单片机共同发展 这是当前单片机技术发展的另一动向。
长期以来,单片机技术的发展是以8位机为主的。
随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭,32位单片机应用得到了长足发展。
以Motorola68K为CPU的32位单片机97年的销售量达8千万枚。
过去认为由于8位单片机功能越来越强,32位机越来越便宜,使16位单片机生存空间有限,而16位单片机的发展无论从品种和产量方面,近年来都有较大幅度的增长。
单片机速度越来越快 MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。
而单片机则有所不同,为提高单片机抗干扰能力,降低噪声,降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。
一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序,在不提高时钟频率的条件下,使运算速度提高了很多,Motorola单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。
68HC08单片机使用4.9M外部振荡器而内部时钟达32M,而M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡器频率内部时钟可达16MHz以上。
低电压与低功耗 自80年代中期以来,NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替,功耗得以大幅度下降,随着超大规模集成电路技术由3μm工艺发展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35近而实现0.2μm工艺,全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选,都使功耗不断下降。
Motorola最近推出任选的M.CORE可在1.8V电压下以50M/48MIPS全速工作,功率约为20mW。
几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。
允许使用的电源电压范围也越来越宽。
一般单片机都能在3到6V范围内工作,对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。
低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。
0.9V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性技术 为提高单片机系统的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。
如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路,增强了“看门狗”的性能。
Motorola也推出了低噪声的LN系列单片机。
OTP与掩膜 OTP是一次性写入的单片机。
过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。
由于掩膜需要一定的生产周期,而OTP型单片机价格不断下降,使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。
它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。
近年来,OTP型单片机需量大幅度上扬,为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术(InSystemProgramming)。
未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或表面贴技术,先焊在印刷板上,然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。
解决了批量写OTP芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。
使OTP的裸片得以广泛使用,降低了产品的成本。
编程线与I/O线共用,不增加单片机的额外引脚。
而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型,全部为有ISP功能的OTP。
MTP向OTP挑战 MTP是可多次编程的意思。
一些单片机厂商以MTP的性能、OTP的价位推出他们的单片机,如ATMELAVR单片机,片内采用FLASH,可多次编程。
华邦公司生产的与8051兼容的单片机也采用了MTP性能,OTP的价位。
这些单片机都使用了ISP技术,等安装到印刷线路板上以后再下载程序。
2DSP、MCU、MPU的关系
微控制器MCU通俗的称呼是单片机,它与微处理器MPU是微机技术的两大分支。
MPU的发展动力是人类对无止境的海量数值运算的需求,速度越来越快。
MCU的发展是为了满足被控制对象的要求,向高可靠性、低功耗、低成本发展。
一般MCU的引脚数在60以下,MCU以8位机为主、32位机为辅。
有趋势提高MCU的运算功能,将DSP集成到MCU中,比如32位的MC68356集成了Motorola的DSP56002。
微控制器MCU一直存在两种基本结构:
哈佛(Harvard)结构和冯诺伊曼(vonMeumann)结构,还可进一步讲是对应成复杂指令集计算机CISC和精简指令计算机RISC。
冯诺伊曼结构具有单一总线PRAM或DRAM都映射到同一地址空间,总线宽度与CPU类型匹配。
哈佛结构具有独立的程序总线和数据总线,CISC的指令一般是微码miscode,每条指令由CPU解码为许多基本指令,基于CISC的微控制器一般很复杂,都采用冯诺伊曼结构,所需要的程序存储器比RISC产品少。
微码在CPU产生而限制了CISC器件的带宽,其指令集也比RISC器件大。
68000的MPU是准32位的MPU,内部32位,外部总线是16位。
苹果机就是用68000系列,它的运行分成系统态和用户态,其设计是面向分时多任务或实时操作系统的,68000的总线后来变成VME总线标准。
到68020就是全32位了。
1991年IEEE1149.1即JTAG的公布满足了IC制造商的措施需求,也给ASIC、MCU、MPU、DSP、PLD、FPGA等的用户带来方便。
一般十万门以上的IC都有JTAG接口,1993年IEEE1149.5对JTAG作了修正(5线接口)。
IC的测试分成晶片级、IC封装级、电路板与系统极,JTAG完成了前两者的测试。
适于68000系列的32位机的开发工具ICD32是一段扁平电缆,一端接IC的JTAG的5线接口,一端通过25芯头(里面有GAL)接PC机并行口。
传统上,微控制器MCU与微处理器MPU是两大分支,而DSP是MCU的一种特殊变形。
但是从实质讲,MPU多半是CISC,除了DSP之外的MCU也是CISC。
而DSP是RISC。
所以比较时更适合DSP与MPU相比,MPU适宜于相同管理这样的应用中,以条件判断为主的应用,以软件管理的操作系统为核心的产品,MPU的设计侧重于不妨碍程序的流程,以保证操作系统支持功能及转移预测功能等。
而DSP侧重于保证数据的顺利通行,结构尽量简单。
3单片机的广泛选择
Motorola单片机 Motorola是世界上最大的单片机厂商。
品种全、选择余地大、低很多,因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合用于工控领域及恶劣的环境。
Motorola8位单片机过去的策略是以掩膜为主的,最近推出OTP计划以适应单片机发展新趋势,在32位机上,M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。
因为我们在毕业设计中采用的正是motorola68k32位单片机,所以这里我们对其他厂家的单片机不作赘述新产品多是其特点,在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08,68HC05有三十多个系列,二百多个品种,产量已超过20亿片。
8位增强型单片机68HC11也有三十多个品种,年产量在1亿片以上。
升级产品有68HC12。
16位机68HC16
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