單片機在電力系統(tǒng)微機保護模塊中的應(yīng)用

2014-01-02 15:10:17 電力信息化　點擊量：評論 (0)

0 引言　　電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護技術(shù)的發(fā)展不斷注入了新的活力。隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得

0 引言
　　電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護技術(shù)的發(fā)展不斷注入了新的活力。隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。從20世紀(jì)90年代開始我國繼電保護技術(shù)已進入了微機保護的時代。

　　電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能外，還應(yīng)具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù)據(jù)處理功能，強大的通信能力，與其他保護、控制裝置和調(diào)度聯(lián)網(wǎng)，以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)資源的能力、高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當(dāng)于一臺PC機的功能。

　　計算機網(wǎng)絡(luò)可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)控制中心或任一終端。因此，每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能，而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。本文以 MSP430F1611單片機為基礎(chǔ)，通過采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開關(guān)的狀態(tài);對配電網(wǎng)實現(xiàn)保護，其內(nèi)容包括電流速斷保護、三段式過流保護、反時限保護、零序保護和帶后加速的三相一次重合閘，并且利用串口總線實現(xiàn)與測量模塊、人機界面模塊的通信。

l 硬件部分

1.1 概述
　微機保護的硬件由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)等組成。整體原理圖如圖1所示。通常整套硬件是用單獨的專用機箱組裝的。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件組成
　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)又稱模擬量輸入系統(tǒng)，它的作用是將互感器次側(cè)輸出的電壓、電流等模擬量經(jīng)過隔離、采樣、A/D轉(zhuǎn)換等步驟轉(zhuǎn)化為計算機能接受與識別的數(shù)字量，然后經(jīng)過CPU主系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與運算，開關(guān)量輸出輸入系統(tǒng)的作用主要是輸出跳閘、信號等信息。本文的裝置共有8路數(shù)據(jù)采集輸入，其中的一路見圖2。該系統(tǒng)中，共有3個部分組成：互感器與變換器、低通有源濾波器、限壓電路。

　　互感器與變換器分別包括電流和電壓。互感器的作用是采集母線上的電流和電壓，并將其轉(zhuǎn)換成單片機可接受的電流和電壓值。這里選擇CS-TA1型互感器，一般將二次側(cè)的電流值變?yōu)? A。另外，由于要求實現(xiàn)零序保護，將B相的電流互感器設(shè)定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側(cè)電流再一次變換。MSP430F1611所接收的電壓最大值為3.3 V，但作為保護電路，要考慮到瞬時脈沖電流的最大值可能遠(yuǎn)大于平均值，所以設(shè)計的電路可以使單片機承受正常電流20倍以上的沖擊。

　　電網(wǎng)上采集的電流電壓有高次諧波，不利于軟件求出電流平均值，因此要加入低通有源濾波器，見圖3。

　　圖3中，Vo：Vi=1+R7/R6，可以選R*00 Ω，R，=240 Ω。該有源濾波器的特征頻率叫ωn=1/(RC)。對于工頻為50 Hz的交流電，采樣頻率f=600 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達(dá)到濾波的功能。另外，濾波器的地與單片機的地是一致的。

　　由于MSP430F1611的容許電壓是3.3 V，而電網(wǎng)電流可能產(chǎn)生瞬時脈動而造成單片機的燒毀，因而要有一限壓電路。如圖4所示。

　　圖4中，因二極管的存在，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓被限制在3.3 V以下。同時兩個電阻產(chǎn)生分壓效果。當(dāng)電壓過高，會使二極管導(dǎo)通，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓會箝制在3.3 V。

1.3 CPU
　　MSP430系列單片機是由美國德州儀器設(shè)計開發(fā)的。這是一種具有超低功耗特性、功能強大的單片機。它具有處理能力強，運行速度快，功耗低等優(yōu)點。具體介紹參考文獻。

1.4 開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)硬件組成
　　對微機保護裝置的開關(guān)量輸入/輸出，即接點狀態(tài)的輸入/輸出可以分為兩類：安裝在裝置面版上的接點;從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點。

　　保護模塊不僅要有保護裝置，還要與測量顯示模塊實現(xiàn)異步通信。要從測量顯示模塊得到設(shè)定值及從自身得到閘刀的開關(guān)狀態(tài)，必須要有開關(guān)量的輸入輸出。從其他模塊得到的開關(guān)量直接接在P3口上，而自身得到的開關(guān)量需要有開關(guān)量輸入電路。

1.4.1 開關(guān)量輸入電路
　　圖5中，開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后與CPU相連。其中，當(dāng)輸人端為高電平時，輸出端為低電平。

1.4.2 開關(guān)量輸出電路
　　開關(guān)量輸出電路是跳閘合閘信號的通道，低電平有效，如圖6所示。

2 軟件部分
　　微機保護的軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障計算模塊、故障檢出模塊、數(shù)字濾波模塊及自檢模塊等組成。其核心部分是故障計算模塊和故障檢出模塊，這些模塊是根據(jù)所需保護的保護算法用高級語言編寫的。

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)
2.1.1 電流速斷保護
　　電流速斷保護指當(dāng)電流超過一定值，閘刀立即斷開。這個一定值Idz1由用戶自行設(shè)定。用戶在顯示模塊中設(shè)定后，通過異步通信傳輸?shù)奖Ｗo模塊中。由于是計算機控制，所謂的立即斷開是指經(jīng)過連續(xù)數(shù)次采樣，每次采樣值都在設(shè)定值之上，CPU輸出跳閘信號。這里采用6次采樣后跳閘。

　　互感器與變換器分別包括電流和電壓。互感器的作用是采集母線上的電流和電壓，并將其轉(zhuǎn)換成單片機可接受的電流和電壓值。這里選擇CS-TA1型互感器，一般將二次側(cè)的電流值變?yōu)? A。另外，由于要求實現(xiàn)零序保護，將B相的電流互感器設(shè)定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側(cè)電流再一次變換。MSP430F1611所接收的電壓最大值為3.3 V，但作為保護電路，要考慮到瞬時脈沖電流的最大值可能遠(yuǎn)大于平均值，所以設(shè)計的電路可以使單片機承受正常電流20倍以上的沖擊。

　　電網(wǎng)上采集的電流電壓有高次諧波，不利于軟件求出電流平均值，因此要加入低通有源濾波器，見圖3。

　　圖3中，Vo：Vi=1+R7/R6，可以選R*00 Ω，R，=240 Ω。該有源濾波器的特征頻率叫ωn=1/(RC)。對于工頻為50 Hz的交流電，采樣頻率f=600 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達(dá)到濾波的功能。另外，濾波器的地與單片機的地是一致的。

　　由于MSP430F1611的容許電壓是3.3 V，而電網(wǎng)電流可能產(chǎn)生瞬時脈動而造成單片機的燒毀，因而要有一限壓電路。如圖4所示。

　　圖4中，因二極管的存在，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓被限制在3.3 V以下。同時兩個電阻產(chǎn)生分壓效果。當(dāng)電壓過高，會使二極管導(dǎo)通，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓會箝制在3.3 V。

1.3 CPU
　　MSP430系列單片機是由美國德州儀器設(shè)計開發(fā)的。這是一種具有超低功耗特性、功能強大的單片機。它具有處理能力強，運行速度快，功耗低等優(yōu)點。具體介紹參考文獻。

1.4 開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)硬件組成
　對微機保護裝置的開關(guān)量輸入/輸出，即接點狀態(tài)的輸入/輸出可以分為兩類：安裝在裝置面版上的接點;從裝置外部經(jīng)過端子排引入裝置的接點。
保護模塊不僅要有保護裝置，還要與測量顯示模塊實現(xiàn)異步通信。要從測量顯示模塊得到設(shè)定值及從自身得到閘刀的開關(guān)狀態(tài)，必須要有開關(guān)量的輸入輸出。從其他模塊得到的開關(guān)量直接接在P3口上，而自身得到的開關(guān)量需要有開關(guān)量輸入電路。

1.4.1 開關(guān)量輸入電路
　　圖5中，開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后與CPU相連。其中，當(dāng)輸人端為高電平時，輸出端為低電平。

1.4.2 開關(guān)量輸出電路
　　開關(guān)量輸出電路是跳閘合閘信號的通道，低電平有效，如圖6所示。

2 軟件部分
　　微機保護的軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障計算模塊、故障檢出模塊、數(shù)字濾波模塊及自檢模塊等組成。其核心部分是故障計算模塊和故障檢出模塊，這些模塊是根據(jù)所需保護的保護算法用高級語言編寫的。

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)
2.1.1 電流速斷保護
　　電流速斷保護指當(dāng)電流超過一定值，閘刀立即斷開。這個一定值Idz1由用戶自行設(shè)定。用戶在顯示模塊中設(shè)定后，通過異步通信傳輸?shù)奖Ｗo模塊中。由于是計算機控制，所謂的立即斷開是指經(jīng)過連續(xù)數(shù)次采樣，每次采樣值都在設(shè)定值之上，CPU輸出跳閘信號。這里采用6次采樣后跳閘。

2.1.2 三段式過流保護
　　三段式過流保護指用戶設(shè)定三個電流保護值，Idz1，Idz2，Idz3，當(dāng)電流高過任何一個時都執(zhí)行調(diào)閘，但每個跳閘延時不一樣。這里，當(dāng)測量值高過一段值時進行速斷保護，測量值在一段值和二段值之間時，延時跳閘。同樣在二段值和三段值之間也進行延時跳閘。兩次延時時間tdz2和tdz3不同，且都由用戶設(shè)定。延時時間的測定在程序中由定時器提供。

2.1.3 反時限保護
　　反時限保護是動作時間與被保護線路電流大小有關(guān)的一種保護，當(dāng)電流大時保護的動作時限短，而電流小時動作時限長。

2.1.4 零序保護
　　在大接地電流系統(tǒng)中，零序電流保護是利用中性點直接接地電網(wǎng)中發(fā)生接地故障時出現(xiàn)零序電流的特點而構(gòu)成的。從保護構(gòu)成情況看，零序電流保護與相間電流保護類似，其主要區(qū)別在于零序電流保護的測量元件(電流繼電器)接人的電流量性質(zhì)不同，零序保護的測量元件則接在零序電流濾波器的出口。零序保護的數(shù)值 I0dz和時間t0dz由用戶設(shè)定。

2.1.5 帶后加速的三相一次重合閘
　　自動重合閘的作用是針對電網(wǎng)故障的不同類型起作用的。對于瞬時性故障，斷路器斷開后再合上，電網(wǎng)就能恢復(fù)正常供電。對于永久性故障，即使合上電源，由于故障的存在，線路還要被繼電保護再一次斷開，因而就不能恢復(fù)正常的供電。

　　帶后加速的三相一次重合閘是指在閘刀斷開后，經(jīng)過一段延時，閘刀自動合上，此時若故障在一段時間內(nèi)仍然存在，就再次斷開閘刀，這一次斷開后閘刀就不再自動合上。若在一段時間內(nèi)，測量值未大于設(shè)定值，則動作結(jié)束，系統(tǒng)正常供電。在軟件中，用定時器實現(xiàn)重合延時時間，重合后再檢測參數(shù)并判斷。由用戶設(shè)定重合時間tch和記憶時間tjy。

2.2 軟件流程圖
2.2.1 程序流程圖

　　主程序的流程比較簡單，如圖7所示。主程序作為一個永久循環(huán)，不斷與測量顯示模塊實現(xiàn)通信。
2.2.2 中斷程序流程圖

　　在編寫程序時，可采用一個中斷，其中A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波及所有的保護都在該中斷中。一個中斷周期與一個采樣周期的時間相同。中斷程序流程圖如圖8所示。

3 結(jié) 語
　　在總結(jié)前人對微機保護研究工作的基礎(chǔ)上，對微機保護的應(yīng)用做了深入探討，設(shè)計了一種具有多功能的保護裝置，并可靠地應(yīng)用在10 kV配電網(wǎng)中。但設(shè)計中，由于筆者的水平有限，論文還需進一步研究和改進，如保護定值不能隨電力系統(tǒng)的運行變化而自動調(diào)整等。

責(zé)任編輯：和碩涵

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