畢春艷

（福建省電力有限公司漳州電業(yè)局 福建 福州 350009）

1 消弧裝置的發(fā)展

國外對接地保護的處理方式各不相同。前蘇聯(lián)的小電流接地系統(tǒng)采用中性點不接地方式和經(jīng)消弧線圈接地方式，主要采用零序功率方向和首半波原理。

我國配電網(wǎng)和大型工礦企業(yè)的供電系統(tǒng)大多數(shù)采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的運行方式，近年來，一些城市電網(wǎng)改用電阻接地的運行方式。礦井6～10kV電網(wǎng)過去也一直是用中性點不接地方式，隨著井下供電線路的加長，電容電流增大，近年來消弧線圈在礦井電網(wǎng)得到了推廣應用，并主要采用消弧線圈并、串電阻的接地方式。

從50年代開始接地保護原理及裝置的研究，并推出了幾代產(chǎn)品。目前國內(nèi)的選線裝置主要是基于零序電流，零序功率方向原理原則，首半波原理，諧波方向原理和，“注入信號法”原理。在選線方案，除了傳統(tǒng)的絕對價值的保護方案，還有群體比幅比相方案，最大Isinφ或Δ(Isin φ)方案。

2 消弧線圈補償原理及其自動控制

2.1 消弧成套裝置簡介

消弧成套裝置主要由接地變壓器、消弧線圈、阻尼電阻和控制柜等四部分組成，其一次接線圖如圖1所示。

圖1 一次接線圖

諧振接地系統(tǒng)使用時，因為主變壓器三相繞組的,一般是三角形連接，沒有中性點來接消弧線圈，那么要想接入消弧線圈，那就需要建立一個中性點，然后在6KV或者是10KV的母線上連接星形接地變壓器，在中性點邊接上消弧線圈。接地變壓器具有以下特點。首先，采用Z型的接線方式，零序阻抗小于100，90%～100%接地變壓器容量消弧線圈。其次，消弧控制電容電流測量裝置，系統(tǒng)不平衡電壓不能太小，且與接地變壓器也存在系統(tǒng)非常平衡時，增加了系統(tǒng)的不平衡電壓功能。最后，接地變壓器二次側也可以帶來容量1/3的負載，因此，它也可以用做站用變。

當二次側負載時，接地變壓器的容量是消弧線圈容量和負載容量的總和。調(diào)匝式消弧線圈充分利用了有載分接開關調(diào)節(jié)消弧線圈的多抽頭改變電感值，消弧圈具有結構簡單，制造技術成熟、經(jīng)濟、可靠，因此，目前在國內(nèi)應用最多。在本文中，自動補償消弧控制裝置就是針對于調(diào)匝式消弧線圈而設計的。

2.2 消弧線圈補償原理

圖2 單相接地故障補償電網(wǎng)等值電路圖

消弧線圈其實就是一種帶有空氣間隙的可調(diào)電感線圈。消弧線圈的補償電流有分級(階段)調(diào)整和無級(連續(xù))調(diào)整之分，調(diào)整方式又有手動和自動之別，而自動調(diào)整者又有發(fā)生接地故障前預先調(diào)整的預調(diào)式和出現(xiàn)接地故障后迅即調(diào)整的隨調(diào)式兩種形式。在我國的補償系統(tǒng)中，雖然目前手動分級調(diào)整的消弧線圈較多，但是，自動跟蹤諧調(diào)的補償裝置正在迅速發(fā)展，并已大量投入運行。在圖2，為一中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)A相上發(fā)生接地故障時的等值電路圖，若忽略故障點的接地電阻與弧道電阻的影響，即相當于發(fā)生單相金屬性接地故障。

如圖3,A相接地故障時的電流電壓向量圖所示，故障相的電壓口降低到零，中性點電壓u。位移至一口，非故障相電壓口。與口升高到線電壓亡去與口會，相當于三相電壓均疊加了一個一口。雖然這時電網(wǎng)的中性點發(fā)生了位移，可是，電源發(fā)電機和電力用戶對該單相接地故障并無反應，所以，在這一條件下允許補償電網(wǎng)在一定時間內(nèi)帶故障繼續(xù)運行。

圖3 A相接地時的電流電壓向量圖

圖3中，IC包括對地泄露電流(有功電流)和電容電流(無功電流)，流過中性點電流I。也包括有功分量IL和無功分量IL，1為所有有功電流分量之和。據(jù)向量圖可知殘流I值為：Ia=IR+j(7。一I,)(2-1)殘流I的性質(zhì)(阻性、容性或感性)隨消弧線圈補償狀態(tài)的不同而改變。當IS為感性時消弧線圈過補償;為容性時消弧線圈欠補償;為純阻性時消弧線圈處于全補償狀態(tài)。

3 硬件框圖

圖4 裝置原理圖

實時檢測控制部分的控制器采用MCS-51單片機組成的實時測量控制系統(tǒng)。由兩部分組成,一是在正常運行時,用外加激磁電源注入補償電網(wǎng),使系統(tǒng)中性點每分鐘有(0～3%)Uφ的電壓波動,并取最大值進行Xc或Ic值計算。二是在發(fā)生單相接地故障時,由程序中斷激磁電源,啟動由消弧線圈提供的補償電源工作,單片機提供中斷前一周期測定好的補償觸發(fā)角給可控硅,使消弧線圈輸出的電感電流與系統(tǒng)電容電流相等,在全補償狀態(tài)下,使接地電弧熄滅。電網(wǎng)恢復正常后,控制器自動關閉補償電源啟動激磁電源,返回主程序測量補償電網(wǎng)的容性參數(shù)(Xc和Ic)。

其原理通常的構成情況如圖4。

本論文的硬件框圖,如圖5所示。

圖5 硬件框圖

4 MCS-51系列的基本功能及特點

MCS-51單片機是美國INTEL公司于1980年推出的產(chǎn)品，與MCS-48單片機相比，它的結構更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達111條。

MCS-51系列單片機主要包括8031、8051和8751等通用產(chǎn)品。

MCS-51以其典型的結構和完善的總線專用寄存器的集中管理，眾多的邏輯位操作功能及面向控制的豐富的指令系統(tǒng)。

圖6 MCS-51結構圖

下面以8051為代表分析一下MCS-51系列內(nèi)部結構。

8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。

8051內(nèi)部結構如圖6所示。

單片機的微處理器：CPU是單片機的內(nèi)部核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。微處理器由運算器和控制器等部件組成。運算器模塊包括算術邏輯部件ALU、位處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器以及程序狀態(tài)字寄存器等。該模塊的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)的傳送操作；時控制邏輯模塊是產(chǎn)生操作時序的，它是單片機的心臟，有時鐘電路和復位電路完成。

MCS-51的I/O端口：MCS-51單片機有4個雙向的8位并行I/O口P0～P3，每個口都有一個8位的鎖存器，復位后他們的初態(tài)全為0FFH。P0口是三態(tài)雙向口，稱為數(shù)據(jù)總線口。P0口還用于輸出外部存儲器的低8位地址。由于分時使用，先輸出外部存儲器的低8位地址，故應在外部加鎖存器將此地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存信號用ALE。然后，P0口才作為數(shù)據(jù)口使用。P1口專供用戶使用的I/O口，是準雙向口。P2口也是準雙向口，它是供系統(tǒng)擴展外部存儲器時輸出高8位地址。如果系統(tǒng)沒有擴展外部數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器時，P2口也可作為用戶I/O口使用。P3口是雙功能口，也是準雙向口。該口的每一位均可獨立地第一為第一I/O口功能和第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結構與操作與P1口相同。表1表示了P3口的第二功能時各位的定義。

表1 P3口的第二功能時各位的定義

單片機的引腳配置：現(xiàn)以8051為例進行介紹，8051內(nèi)部包括一個8位的CPU，128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個。8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。另外，8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向；4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位使用。8051是一個40引腳的集成電路，引腳如圖7所示：它有4個輸入／輸出口（I／O口），每個口有8條線共占32個引腳。剩余8個引腳分別為：電源、地線、接石英晶體（兩根）、復位和三個特殊功能引腳（ALE、EA、PSEN）。

圖7 MCS-51系列單片機的引腳配置圖

5 鍵盤和顯示器的應用

5.1 概述

圖8 工作原理圖

鍵盤和LED顯示器是兩種比較常見和低成本的外圍設備，在本論文中它們主要提供人機交互界面，方便操作人員對系統(tǒng)工作的實時監(jiān)控。

其工作原理圖如圖8所示。

5.2 鍵盤與單片機的接口

鍵盤是由若干個按鍵組成的開關矩陣，它是一種廉價的輸入設備。一個鍵盤，通常包括有數(shù)字鍵(0～9)，字母鍵(A～Z)以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算機輸入數(shù)據(jù)，地址、指令或其它控制命令，實現(xiàn)人機對話。

單片機系統(tǒng)中普遍使用非編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別由軟件來識別鍵盤接口應具備以下功能：

（1）鍵掃描功能，即檢測是否有健按下；

（2）產(chǎn)生相應的鍵代碼(鍵值)；

（3）消除按鍵抖動及多鍵按下。

在本論文中由于鍵盤主要作用是輸入設定的電感L值，因此我設計了2×3的鍵盤結構。

2×3鍵盤結構圖中的列線通過電阻接+5V。當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線斷開，列線y0～y2都呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應的列線與行線短路。

CPU對鍵盤掃描可以采取程序控制的隨機方式，CPU空閑時掃描鍵盤。也可以采取定時控制方式，每隔一定的時間CPU就對鍵盤掃描一次。也可以采取中斷方式，每當鍵盤上有鍵閉合時，向CPU請求中斷，CPU響應中斷后，對鍵盤掃描，以識別一個鍵處于閉合狀態(tài)，并對該鍵輸入信息做出相應處理。CPU對鍵盤上閉合鍵的鍵號確定，可根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計算求得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表得。

其鍵盤結構如圖9所示。

圖9 鍵盤結構圖

鍵閉合時列線電壓波形圖，如圖10所示。

在鍵盤結構圖9中，若x0為低電平，1號鍵閉合一次，y1的電壓波形如鍵閉合時列線電壓波形圖10所示。圖10中,t1和t2分別為鍵的閉合和斷開過程中的抖動期（呈現(xiàn)一串負脈沖），抖動時間長短與開關的機械特性有關，一般為5～10ms之間，t2為穩(wěn)定閉合期,其時間由操作員的按鍵動作所確定，一般為數(shù)百毫秒到幾秒。t0，t4為斷開期。為了保證CPU對鍵的閉合作一次處理，必須去除抖動,在鍵的穩(wěn)定閉合或斷開時，讀鍵的狀態(tài),以便判別到鍵由閉合到釋放時再作處理。非編碼鍵盤識別按鍵的方法有兩種：一是行掃描法，二是線反轉(zhuǎn)法。這里重點介紹行掃描法：行掃描法即通過行線發(fā)出低電平信號，如果該行線所連接的鍵沒有按下，則列線所接的端口得到的全是“1”信號，如果有鍵按下，則得到非全“1”信號。為防止雙鍵或多鍵同時按下，再從第0行一直掃描到最一行，若發(fā)現(xiàn)僅有一個“1”，則為有效鍵，否則全部作廢。找到有效的閉合鍵后，讀入相應的鍵值轉(zhuǎn)到對應的處理程序。本文的鍵盤共有6個鍵，功能分別為設置，左移，右移，加，減，確定鍵。

圖10 鍵閉合時列線電壓波形圖

設置鍵：需要對單片機輸入新的電感值時按下此鍵進行設置。

右移鍵：對某一位設置完畢后按此鍵設置下一位。

左移鍵：若發(fā)現(xiàn)前面位數(shù)設置錯誤可按此鍵進行修改。

加鍵：對指定位數(shù)進行加法加一運算。

減鍵：對指定位數(shù)進行減一運算。

確定鍵：當數(shù)值設置完畢時，按此鍵后開始CPU的運算。

5.3 顯示數(shù)碼管與單片機的接口

在本論文中我采用的是比較常見的動態(tài)顯示LED顯示器接口技術。所謂動態(tài)顯示LED，就是一位一位地輪流點亮各位顯示器，對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度跟導通的電流有關，也和點亮的時間與間隔的比例有關。動態(tài)顯示器因其硬件成本較低，而得到廣泛的應用。MCS-51系列單片機提供以下功能：2K字節(jié)閃速可編程可檫除只讀存儲器,128字節(jié)RAM,15根可編程I/O引線,2個16位定時器/計數(shù)器,1個5向量兩級中斷結構,1個全雙工串行口,1個精密模擬比較器,兩級程序加密,直接L ED驅(qū)動,掉電保護工作方式,以及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。由于MCS-51單片機功能強勁,且體積小(芯片只有20個引腳),所以它在許多嵌入式和便攜式測控系統(tǒng)中得到廣泛應用,如機電式或電子式電度表、智能煤氣表等智能儀器。在設計智能儀器中,既要達到預定功能指標、技術指標,還需要設法降低產(chǎn)品成本,因此在產(chǎn)品開發(fā)中應從技術上和經(jīng)濟上綜合考慮。數(shù)顯電路是智能儀器中一個非常重要的組成部分,以MCS-51為核心的智能儀表,由于其I/O引腳較少,因此在擴展數(shù)顯接口時應考慮應用系統(tǒng)對其I/O引線的需求,若需求較大時,應采用接口電路占用MCS-51的I/O引線少的,以便空出引腳用以其它功能。下面介紹兩種適用于MCS-51的I/O引線。

LED數(shù)顯接口電路利用移位寄存器74HC164實現(xiàn)。74HC164是8位串行輸入,并行輸出,異步清除的移位寄存器,它有兩個串行輸入端A、B;8個并行輸出端Q0～Q7;一個時鐘脈沖輸入端CL K;一個清除端MR。其功能真值表如圖11所示。

圖11 74HC164功能真值表

數(shù)顯接口電路如圖12所示，給出了利用74HC164的擴展。

圖12 數(shù)顯接口電路圖

MCS-51的數(shù)顯接口電路,圖11中是以四個8段LED為例給出的。該顯示電路為動態(tài)掃描顯示。MCS-51的串行口采用方式0,為移位寄存器方圖1，利用74HC164擴展4位LED數(shù)顯接口電路式,也稱為同步方式。該工作方式的設置可放置在主程序的初始化中。顯示程序作為子程序,在調(diào)用顯示子程序之前,將需要顯示的數(shù)據(jù)先放在數(shù)據(jù)顯示緩沖區(qū)中,由顯示緩沖區(qū)數(shù)據(jù)在字型碼表中查出對應的段選碼,將此碼串行發(fā)送,并且發(fā)送位選信號選通相應的LED。由于該顯示電路為動態(tài)掃描方式,為消除閃爍現(xiàn)象,每位LED的顯示應延時5ms～6 ms,程序流程如圖13所示。由上述可知,這種數(shù)顯接口電路軟硬件實現(xiàn)簡單,電路成本低,但其占用了較多的I/O引線,當應用系統(tǒng)中I/O引線較為緊張時就不適用了。下面介紹的利用MC14499構成的數(shù)顯接口電路可大大減少I/O引線的占用數(shù)量。

圖13 顯示子程序流程

6 4052多路選擇開關和采樣保持器

6.1 4052多路選擇開關的作用及控制

雙四通道模擬多路復用器/多路分解器在本論文中也是重要的一個器件，它的作用是為A/D轉(zhuǎn)換器在電壓電流信號之間進行切換選擇。我們選擇的型號是74HCT4052，它由菲立浦公司開發(fā)。

74HCT4052內(nèi)部結構原理見圖14所示。

圖14 74HCT4052內(nèi)部結構

其控制原理見圖15。

圖15 74HCT4052的控制原理

6.2 采樣／保持器在裝置中的作用及控制

模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時間。在這個轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，模擬信號要基本保持不變。否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別當輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將輸入信號的電平保持住，而在A／D轉(zhuǎn)換結束后又能跟蹤輸入信號的變化。能完成這種功能的器件叫采樣／保持器。采樣／保持器在保持階段相當于一個“模擬信號存儲器”。

系統(tǒng)可采集的信號頻率受A／D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和轉(zhuǎn)換時間的限制。

采樣／保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：（1）跟蹤狀態(tài)。在此期間它盡可能快地接收模擬輸入信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。（2）保持狀態(tài)。對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸入信號進行保持。

7 結束語

該論文首先介紹了在中壓配電網(wǎng)中，使用中性點經(jīng)消弧線圈接地保護的國內(nèi)外現(xiàn)狀及其必要性。并且通過理論論證和國內(nèi)外同類產(chǎn)品的使用經(jīng)驗說明了中性點經(jīng)消弧線圈接地保護裝置在實際應用中的可行性。通過對三相配電網(wǎng)的分析，得出了保護裝置的工作過程。然后，采用示波器，單片機開發(fā)機對系統(tǒng)中性點經(jīng)消弧線圈接地的各種狀態(tài) (包括正常運行和單相接地故障)進行了仿真，并且通過仿真實驗對系統(tǒng)的消弧效果進行了驗證，事實證明了裝置的可行性與可靠性。在有了理論分析和實驗證明以后，本文開發(fā)了基于MCS-51系列單片機的控制裝置，該裝置使得消弧線圈能夠補償系統(tǒng)的接地電容，從而達到了當發(fā)生單相接地故障時限制接地點電流的目的。本文采用的方案進行了仿真，仿真結果也符合要求。在本文的最后給出了對于本裝置的改進意見。

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