單片機在電力系統微機保護模塊中的應用

2014-01-02 15:10:17 電力信息化　點擊量：評論 (0)

0 引言　　電力系統的飛速發展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術、計算機技術與通信技術的飛速發展又為繼電保護技術的發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
　　電力系統的飛速發展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術、計算機技術與通信技術的飛速發展又為繼電保護技術的發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90年代開始我國繼電保護技術已進入了微機保護的時代。

　　電力系統對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能外，還應具有大容量故障信息和數據的長期存放空間，快速的數據處理功能，強大的通信能力，與其他保護、控制裝置和調度聯網，以共享全系統數據、信息和網絡資源的能力、高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺PC機的功能。

　　計算機網絡可從網上獲取電力系統運行和故障的任何信息和數據，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數據傳送給網絡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、數據通信功能，亦即實現保護、控制、測量、數據通信一體化。本文以 MSP430F1611單片機為基礎，通過采集配電網的電流、電壓以及開關的狀態;對配電網實現保護，其內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據采集系統、CPU主系統、開關量輸入輸出系統等組成。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 數據采集系統硬件組成
　　數據采集系統又稱模擬量輸入系統，它的作用是將互感器次側輸出的電壓、電流等模擬量經過隔離、采樣、A/D轉換等步驟轉化為計算機能接受與識別的數字量，然后經過CPU主系統進行數據處理與運算，開關量輸出輸入系統的作用主要是輸出跳閘、信號等信息。本文的裝置共有8路數據采集輸入，其中的一路見圖2。該系統中，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，一般將二次側的電流值變為5 A。另外，由于要求實現零序保護，將B相的電流互感器設定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側電流再一次變換。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大于平均值，所以設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。根據香農采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達到濾波的功能。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，而電網電流可能產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轉換器的電壓被限制在3.3 V以下。同時兩個電阻產生分壓效果。當電壓過高，會使二極管導通，輸入A/D轉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計開發的。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，功耗低等優點。具體介紹參考文獻。

1.4 開關量輸入/輸出系統硬件組成
　　對微機保護裝置的開關量輸入/輸出，即接點狀態的輸入/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異步通信。要從測量顯示模塊得到設定值及從自身得到閘刀的開關狀態，必須要有開關量的輸入輸出。從其他模塊得到的開關量直接接在P3口上，而自身得到的開關量需要有開關量輸入電路。

1.4.1 開關量輸入電路
　　圖5中，開關量經過光電隔離后與CPU相連。其中，當輸人端為高電平時，輸出端為低電平。

1.4.2 開關量輸出電路
　　開關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、數據采集模塊、故障計算模塊、故障檢出模塊、數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，這些模塊是根據所需保護的保護算法用高級語言編寫的。

2.1 主要技術指標
2.1.1 電流速斷保護
　　電流速斷保護指當電流超過一定值，閘刀立即斷開。這個一定值Idz1由用戶自行設定。用戶在顯示模塊中設定后，通過異步通信傳輸到保護模塊中。由于是計算機控制，所謂的立即斷開是指經過連續數次采樣，每次采樣值都在設定值之上，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，一般將二次側的電流值變為5 A。另外，由于要求實現零序保護，將B相的電流互感器設定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側電流再一次變換。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大于平均值，所以設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。根據香農采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達到濾波的功能。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，而電網電流可能產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轉換器的電壓被限制在3.3 V以下。同時兩個電阻產生分壓效果。當電壓過高，會使二極管導通，輸入A/D轉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計開發的。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，功耗低等優點。具體介紹參考文獻。

1.4 開關量輸入/輸出系統硬件組成
　對微機保護裝置的開關量輸入/輸出，即接點狀態的輸入/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異步通信。要從測量顯示模塊得到設定值及從自身得到閘刀的開關狀態，必須要有開關量的輸入輸出。從其他模塊得到的開關量直接接在P3口上，而自身得到的開關量需要有開關量輸入電路。

1.4.1 開關量輸入電路
　　圖5中，開關量經過光電隔離后與CPU相連。其中，當輸人端為高電平時，輸出端為低電平。

1.4.2 開關量輸出電路
　　開關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、數據采集模塊、故障計算模塊、故障檢出模塊、數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，這些模塊是根據所需保護的保護算法用高級語言編寫的。

2.1 主要技術指標
2.1.1 電流速斷保護
　　電流速斷保護指當電流超過一定值，閘刀立即斷開。這個一定值Idz1由用戶自行設定。用戶在顯示模塊中設定后，通過異步通信傳輸到保護模塊中。由于是計算機控制，所謂的立即斷開是指經過連續數次采樣，每次采樣值都在設定值之上，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定三個電流保護值，Idz1，Idz2，Idz3，當電流高過任何一個時都執行調閘，但每個跳閘延時不一樣。這里，當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的一種保護，當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
　　在大接地電流系統中，零序電流保護是利用中性點直接接地電網中發生接地故障時出現零序電流的特點而構成的。從保護構成情況看，零序電流保護與相間電流保護類似，其主要區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。零序保護的數值 I0dz和時間t0dz由用戶設定。

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，電網就能恢復正常供電。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，經過一段延時，閘刀自動合上，此時若故障在一段時間內仍然存在，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，測量值未大于設定值，則動作結束，系統正常供電。在軟件中，用定時器實現重合延時時間，重合后再檢測參數并判斷。由用戶設定重合時間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，不斷與測量顯示模塊實現通信。
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轉換，數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 結語
　　在總結前人對微機保護研究工作的基礎上，對微機保護的應用做了深入探討，設計了一種具有多功能的保護裝置，并可靠地應用在10 kV配電網中。但設計中，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的運行變化而自動調整等。