張智宇 于 群 于夢瑤 朱昆賢

（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590）

市面上的低壓線路微機(jī)繼電保護(hù)裝置，大部分都是采用DSP 或ARM 處理器。文獻(xiàn)[1]為基于DSP的線路保護(hù)裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)輸電線路的保護(hù)、測控功能；文獻(xiàn)[2]為基于ARM 處理器的線路保護(hù)裝置的研究，采用在AT91RM9200 處理器上運(yùn)行嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II 來實(shí)現(xiàn)輸電線路的全分布式的保護(hù)和測控；文獻(xiàn)[3]為針對中低壓線路而設(shè)計(jì)的雙DSP 結(jié)構(gòu)微機(jī)線路保護(hù)裝置，采用半波傅氏算法和Mann-Morrison 算法相結(jié)合。ARM 或DSP信號(hào)處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快，這是眾所周知的，但其價(jià)格昂貴使其應(yīng)用范圍受到限制。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)也在快速發(fā)展，其功能已非常強(qiáng)大，價(jià)格優(yōu)勢也更加明顯。STC 公司的兩款單片機(jī)STC15F2K60S2 和STC11F32XE 無論是功能還是價(jià)格都占有絕對優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)和ARM或者DSP 處理器相同功能的情況下，其保護(hù)裝置成本價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他處理器。本文利用雙STC 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款低壓線路保護(hù)裝置，其具有瞬時(shí)電流、限時(shí)電流速斷保護(hù)，監(jiān)測電網(wǎng)中電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)等功能。

1 方案比較

從性能價(jià)格比較來說，有如下3 個(gè)可行性方案。

方案1：國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ADC0809 作為數(shù)據(jù)采集器、宏晶公司生產(chǎn)的STC11F32XE 單片機(jī)作為控制器。

方案2：宏晶公司生產(chǎn)的STC15F2K60S2 作為數(shù)據(jù)采集器和控制器。

方案 3：STC15F2K60S2 作為數(shù)據(jù)采集器、STC11F32XE 作為控制器。

從表1方案比較中可知，方案3 硬件連線簡單，單片機(jī)利用率高，整套保護(hù)裝置性能好，因此選擇方案3，下面對方案3 進(jìn)行詳細(xì)研究。

表1 方案比較

2 硬件設(shè)計(jì)

方案3 利用STC 公司兩款不同硬件資源單片機(jī)相互配合來實(shí)現(xiàn)低壓線路保護(hù)的功能，STC15F2K60S2負(fù)責(zé)ADC 采集和開關(guān)量輸出，STC11F32XE 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示電壓和監(jiān)測開關(guān)量輸入，兩單片機(jī)通過3 條普通I/O 口進(jìn)行通信。本低壓線路保護(hù)裝置總體框圖如圖1所示，由雙STC 處理器單元、電壓形成回路單元、開關(guān)量輸出單元、開關(guān)量輸入單元、通信單元、人機(jī)接口單元等組成[4]。

圖1 總體框圖

1）雙 STC 處理器單元，STC11F32XE、STC15F2K60S2 是單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）單片機(jī)，STC15F2K60S2 具有30 萬次/s 的8 路高速10 位A/D轉(zhuǎn)換通道，并帶有采樣保持電路，完全可以取代外置ADC 芯片。

2）保護(hù)用電流互感器額定電流為40A，測量用電流互感器額定電流為5A。額定電流40A 對應(yīng)單片機(jī)ADC 值最大為0x03FF，額定電流5A 對應(yīng)ADC值為0x7F，則通過計(jì)算得最小分辨率為0.039A，因此本線路保護(hù)裝置電流通道共用一個(gè)電流互感器滿足要求。電壓形成回路單元由以下3 部分組成：

（1）取樣電路，電網(wǎng)中的高電壓、大電流轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)有3 種方式：電阻分壓；微型互感器；電子式互感器。本文選用如圖2（a）所示的微型互感器，將電網(wǎng)中實(shí)際高電壓、大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成小電壓信號(hào)。

（2）低通濾波電路，經(jīng)微型互感器采集的信號(hào)中含有大量高頻分量，為了保障采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性，應(yīng)濾除高頻分量，采用圖2（b）所示的低通濾波電路，可以濾去信號(hào)中高頻分量。

圖2 取樣-低通濾波電路

（3）同相加法電路，STC15F2K60S2 是單極性ADC，所以經(jīng)濾波后信號(hào)還需要加偏置電壓才能轉(zhuǎn)換成被ADC 所能接受的信號(hào)。如圖3所示為同相加法器電路，將基準(zhǔn)電壓信號(hào)的一半加到交流信號(hào)上，使采樣信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。

圖3 同相加法電路

3）開關(guān)量輸入、輸出單元，開關(guān)量輸入用于檢測開關(guān)位置和狀態(tài)，其信號(hào)經(jīng)過限流電阻、去抖電路處理后，再經(jīng)過光電隔離才能進(jìn)入單片機(jī)。開關(guān)量輸出用于控制斷路器的跳合閘，其信號(hào)由單片機(jī)輸出至鎖存寄存器后，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)繼電器。

4）通信單元，RS-485 通信接口采用德州儀器生產(chǎn)的SN888C 芯片進(jìn)行其收/發(fā)狀態(tài)控制，該芯片可以在上電后的第一個(gè)76ms 內(nèi)檢測和校正設(shè)備總線的極性。其高能量瞬變干擾保護(hù)功能可以防止雷電、短路等引起的高電壓擊穿控制器危險(xiǎn)。因此，本文采用高速光電隔離方式將STC15F2K60S2 與SN888C 進(jìn)行隔離，以避免因外部通信線路所帶來的噪聲對內(nèi)部系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

5）開關(guān)電源單元，ADC 轉(zhuǎn)換過程中電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定性對采樣精確度的影響較大，本文采用78L05 作為ADC 基準(zhǔn)電壓，能有效保證ADC 的轉(zhuǎn)換精度。并且，本裝置在硬件上采取電源模塊濾波、加磁環(huán)，印制板合理布線，接地系統(tǒng)正確選擇等措施。

6）人機(jī)接口單元，液晶采用金鵬公司生產(chǎn)的12864 液晶屏，該液晶屏采用7920 芯片，自帶字庫；采用獨(dú)立按鍵。

3 計(jì)算方法

對于單片機(jī)ADC 轉(zhuǎn)換后的小電壓信號(hào)需要經(jīng)過微機(jī)繼電保護(hù)算法才能得到其幅值和相角，現(xiàn)在比較成熟的保護(hù)算法主要有三采樣值乘積算法、傅里葉算法和最小二乘法等[5]。由于單片機(jī)硬件資源限制和傅里葉算法占用數(shù)據(jù)窗口較多，對低壓線路保護(hù)裝置傅里葉算法無法滿足其動(dòng)作時(shí)間要求，因此本裝置采用遞推傅里葉算法[6]。

通過分析 220/380V 配電線路參數(shù)[7]，經(jīng)Matlab/Simulink 軟件仿真可知，低壓配電線路發(fā)生短路故障時(shí)除了有正弦基波分量外，還含有衰減的非周期直流分量、高次諧波分量及其它干擾等[8]。因此，本文采用改進(jìn)差分法來消除衰減的非周期直流分量對有效值計(jì)算準(zhǔn)確度的影響，改進(jìn)差分法計(jì)算公式為：y(n)=x(n+1)-hx(n)，式中h為常數(shù)，與直流分量的衰減常數(shù)有關(guān)[9]。采用改進(jìn)差分法計(jì)算公式，顯著地降低了由于非周期分量的存在所帶來的誤差，提高了測量精度，保證了微機(jī)繼電保護(hù)的可靠動(dòng)作。本文硬件設(shè)計(jì)中低通濾波電路可以濾除6次以上諧波，其他次諧波可以通過遞推傅里葉算法來濾除。

通過Matlab/Simulink分析得出如圖4所示的不同算法對有效值計(jì)算結(jié)果影響的仿真圖。從圖中可以看出衰減的非周期直流分量對有效值的計(jì)算結(jié)果有較大影響，加入差分濾波算法后其有效值擺動(dòng)幅度減小，采用改進(jìn)差分算法可使其有效值趨于穩(wěn)定的時(shí)間大大縮短。

圖4 不同算法有效值的計(jì)算結(jié)果

4 軟件設(shè)計(jì)

本低壓線路保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)分為保護(hù)和監(jiān)控兩部分，STC15F2K60S2 執(zhí)行本裝置保護(hù)功能，STC11F32XE 執(zhí)行本裝置監(jiān)控功能。通過配置STC15F2K60S2 中ADC 控制寄存器、中斷允許寄存器可以很容易實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的功能，采用定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的控制，檢測ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)的中斷信號(hào)來讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖5 保護(hù)流程圖

保護(hù)部分流程圖如圖5所示，裝置上電或復(fù)位 后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)行硬件自檢，自檢通過后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用遞推傅里葉算法快速、精確的計(jì)算電網(wǎng)實(shí)時(shí)值，將實(shí)時(shí)值與整定值比較，如果檢測到故障則驅(qū)動(dòng)繼電器跳閘并發(fā)出警報(bào)。監(jiān)控部分流程圖如圖6所示，監(jiān)控部分有兩個(gè)主要功能：整定值設(shè)定和電網(wǎng)電氣量參數(shù)計(jì)算。整定值通過按鍵進(jìn)行設(shè)定，利用離散的電氣量參數(shù)計(jì)算公式來計(jì)算電網(wǎng)中的電壓、電流和有功功率[10]。保護(hù)和監(jiān)控部分采取程序結(jié)構(gòu)化、功能模塊化、設(shè)置軟件陷阱和冗余設(shè)計(jì)提高抗干擾的能力。

圖6 監(jiān)控流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用武漢中試高測電氣有限公司生產(chǎn)的ZSJB-702 微機(jī)繼電保護(hù)測試儀，該繼電保護(hù)測試儀符合DL/T 474.4—1999 和DL/T 848.2—2002 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7261—2000《繼電保護(hù)及其自動(dòng)化裝置基本試驗(yàn)方法》指出微機(jī)型產(chǎn)品測量次數(shù)為5 次，表2是按照基本試驗(yàn)方法所測得數(shù)據(jù)，其中最小動(dòng)作時(shí)間為5 次實(shí)驗(yàn)中最小值、最大動(dòng)作時(shí)間為5 次實(shí)驗(yàn)中最大值。

表2 瞬時(shí)電流速斷動(dòng)作時(shí)間

《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理》中指出定值精度：電流保護(hù)固有動(dòng)作時(shí)間小于50ms。表2為瞬時(shí)電流速斷動(dòng)作時(shí)間測試數(shù)據(jù)，動(dòng)作時(shí)間在10～30ms 之間，在考慮避雷器放電時(shí)間情況下，對于測量與保護(hù)一體化儀表來說基本滿足要求[11]；表3為電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)測試數(shù)據(jù)，其等級(jí)達(dá)到DL/T 614—2007 電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12]中的1 級(jí)計(jì)量要求。

表3 電氣參數(shù)測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

通過分析目前低壓線路微機(jī)繼電保護(hù)裝置應(yīng)用范圍和傳統(tǒng)繼電器缺陷，本文采用STC15F2K60S2和STC11F32XE 設(shè)計(jì)并研發(fā)了一款低成本簡單的低壓線路保護(hù)裝置，具有瞬時(shí)電流、限時(shí)電流速斷保護(hù)，欠電壓和過電壓保護(hù)的功能，并可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電網(wǎng)的電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)，可通過RS485 或CAN 總線上傳數(shù)據(jù)。經(jīng)繼電保護(hù)測試儀測試，各項(xiàng)功能均達(dá)到電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場運(yùn)行表明，與同類其他裝置相比，本裝置具有動(dòng)作時(shí)間快、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，更能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。

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