于方舟 王自橋

摘 要：本文利用STC12C5A60S2單片機(jī)為主機(jī)，初步設(shè)計(jì)出了一套微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)。依據(jù)模塊化的設(shè)計(jì)思路，將硬件區(qū)分成各個(gè)功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)接口模塊、電源模塊和CPU主系統(tǒng)模塊，各模塊分別實(shí)現(xiàn)不同功能并互相配合。同時(shí)，選取適當(dāng)?shù)乃惴?，?duì)輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于110kV輸電線路的微機(jī)距離保護(hù)。

關(guān)鍵詞：輸電線路;微機(jī)保護(hù);STC12C5A60S2;設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.150

0 引言

在當(dāng)今世界，電能已發(fā)展為最主要的能源之一，幾乎融入到人類(lèi)一切的日常活動(dòng)中。等級(jí)逐漸提高的電網(wǎng)電壓，以及日益增加的負(fù)荷，都使得輸電安全成為了一項(xiàng)重要的研究課題。

繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)重要的一部分，擔(dān)負(fù)著整個(gè)電網(wǎng)安全、平穩(wěn)和可靠運(yùn)行的責(zé)任。伴隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和人們對(duì)電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求，為了實(shí)現(xiàn)輸電線路的安全可靠運(yùn)行，必須對(duì)其實(shí)施性能較高的微機(jī)保護(hù)[1]。因此，本文對(duì)于輸電線路微機(jī)保護(hù)的設(shè)計(jì)和研究，具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)總體概況

硬件電路作為整個(gè)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到微機(jī)保護(hù)裝置功能的實(shí)現(xiàn)與否，軟件的設(shè)計(jì)同樣起著決定性的作用。微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具體可分為數(shù)據(jù)采集模塊、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、人機(jī)接口模塊、電源模塊以及CPU主系統(tǒng)模塊等基本部分[2]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊：該模塊輸入端為各模擬電量，可利用該模塊將其轉(zhuǎn)化為待處理的數(shù)字量。

（2）開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊：主要進(jìn)行系統(tǒng)外開(kāi)關(guān)量輸入和人機(jī)交互、閘間保護(hù)、顯示信息及告警功能等。

（3）人機(jī)接口模塊：微機(jī)繼電保護(hù)的人機(jī)接口主要是鍵盤(pán)輸入、顯示模塊與CPU接口電路。

（4）電源模塊：微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的電源負(fù)責(zé)逆變功能，對(duì)交流電量進(jìn)行整流，獲得CPU系統(tǒng)要求輸入的直流電壓。

（5）CPU主系統(tǒng)：該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊輸出的電量進(jìn)行判斷和分析，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能和協(xié)調(diào)功能。

（6）算法：在輸電線路微機(jī)保護(hù)中，需要在實(shí)時(shí)性的前提下，快速而精準(zhǔn)地讀取系統(tǒng)各部分的電壓、電流、功率等信息，這就要通過(guò)算法把信號(hào)的有關(guān)特征電量計(jì)算出來(lái)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 CPU主系統(tǒng)模塊

CPU主系統(tǒng)是整個(gè)微機(jī)保護(hù)硬件系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)保護(hù)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、邏輯判斷和保護(hù)動(dòng)作[3]。在51系列中，國(guó)產(chǎn)STC公司生產(chǎn)的1T增強(qiáng)系列獲得了廣泛的應(yīng)用。例如，STC12C5A60S2就屬于宏晶公司自主研發(fā)的新一代1T單片機(jī)，其指令代碼可兼容傳統(tǒng)的8051，速度要快8-12倍，且涵蓋了MAX810專(zhuān)業(yè)的復(fù)位電路，兩個(gè)PWM電路，以及八路快速的十位A/D電路。

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2作為保護(hù)控制芯片，其管腳及時(shí)鐘電路、復(fù)位電路如圖2所示。其中，時(shí)鐘電路的提供方法采用無(wú)源晶振，即利用外部無(wú)源晶振和芯片內(nèi)部的振蕩電路組成并聯(lián)諧振電路，從而產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，電容一般選取10～30pF。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

微機(jī)保護(hù)中，一般需要輸入信號(hào)為、或等范圍內(nèi)的各電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)以110kV輸電線路距離保護(hù)為例，模擬量一般設(shè)置為、、、、、、總共七個(gè)模擬量[4]。在采集電路前端采用LV-20P型電壓互感器，可知其原邊的電流電壓數(shù)值，，且變比K為2500：1000。輸入該電壓互感器原邊電壓的最大有效值約為64V，故原邊的串聯(lián)電阻值。為形成0～3V范圍內(nèi)的電壓，要在電壓互感器副邊并聯(lián)一個(gè)電阻，，此處選擇36。第一級(jí)運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器，第二級(jí)運(yùn)算放大器構(gòu)成一種同相加法器，將經(jīng)電壓跟隨器傳送來(lái)的電壓信號(hào)整體向上平移，使其滿足微機(jī)系統(tǒng)的信號(hào)輸入要求，并在輸出端接有過(guò)壓保護(hù)二極管[5]。其輸入輸出電壓的公式可表示出：

2.3 開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊

本次設(shè)計(jì)采用了4組24V的開(kāi)關(guān)量輸入電路，每組均裝設(shè)光電耦合器。當(dāng)系統(tǒng)外的接點(diǎn)處于連接狀態(tài)，光電耦合的二極管相應(yīng)導(dǎo)通，晶體管隨之連通，集電極此時(shí)產(chǎn)生低電位;當(dāng)外部觸點(diǎn)斷開(kāi)，集電極將產(chǎn)生高電位。CPU通過(guò)并行口的狀態(tài)，便可獲得外部觸點(diǎn)的狀態(tài)。此外該電路中，二極管起保護(hù)作用，不但有效防止外部干擾高電壓信號(hào)的串入而擊穿光電耦合器，還可加速繼電器的返回;電容為抗干擾電容，僅為幾皮法可大大削弱輸入回路的干擾信號(hào);輸入電阻、主要用于限制輸入電流，其值可由下式確定：

式中，為光電耦合器輸入二極管的正向壓降，一般為0.9～1.1V，此處選用1V;輸入電流I可取5mA，代入式（3）算得，如圖4所示。

要想增加開(kāi)關(guān)量輸出電路的可靠度，提高抗干擾性能，也應(yīng)在數(shù)據(jù)輸出端和繼電器間采用光電耦合器。此外，任何一路的輸出均使用了兩條并行輸出線和與非門(mén)，用來(lái)控制開(kāi)關(guān)量輸出電路，可加強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力，抑制了干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)。圖中兩路輸出P2.4和P2.5中，一路經(jīng)反相器，一路不經(jīng)反相器，使得兩個(gè)相反的條件互相制衡，能預(yù)防拉合直流電源時(shí)繼電器產(chǎn)生的誤動(dòng)[6]。電阻可由外接電源值除以輸入電流值來(lái)確定，如圖5所示。

2.4 人機(jī)接口模塊

為了簡(jiǎn)化操作，保護(hù)系統(tǒng)的鍵盤(pán)數(shù)量應(yīng)當(dāng)盡量少。本設(shè)計(jì)采用4個(gè)獨(dú)立式按鍵，通過(guò)按鍵對(duì)液晶顯示器進(jìn)行菜單操作，如對(duì)裝置進(jìn)行定值、保護(hù)方式設(shè)置等，也可通過(guò)按鍵直接進(jìn)行合分閘操作。由于只需要少量按鍵，因此可用最簡(jiǎn)單的獨(dú)立式鍵盤(pán)電路，每個(gè)按鍵經(jīng)上拉電阻連接+5V電源，簡(jiǎn)化了電路，使得鍵盤(pán)程序更簡(jiǎn)便易行，如圖6所示。

顯示器選用了OCMJ型中文液晶模塊，驅(qū)動(dòng)電壓+5V。該系列的液晶顯示器具有位點(diǎn)陣和字節(jié)點(diǎn)陣兩種圖形顯示功能，標(biāo)準(zhǔn)用戶硬件接口采用REQ/BUSY握手通訊協(xié)議，簡(jiǎn)單可靠。如圖7所示。

2.5 電源模塊

采用了逆變穩(wěn)壓電源，總共三組穩(wěn)壓電源：+5V供給CPU系統(tǒng)使用，12V供給數(shù)據(jù)采集模塊使用，+24V則供給起動(dòng)、跳閘、信號(hào)及報(bào)警繼電器[7]。各輸出電源設(shè)有發(fā)光二極管作正常運(yùn)行指示信號(hào)，輸入正、負(fù)220V各采取雙LC濾波措施，以增加其抗干擾能力，如圖8所示。

3 算法選擇

分析評(píng)估不同的算法優(yōu)缺點(diǎn)，主要考慮精度和速度。實(shí)際情況下，輸電線路產(chǎn)生故障時(shí)電路電壓和電流會(huì)發(fā)生變化，不是純正弦量。本身具有數(shù)字濾波作用的交流采樣算法基于周期函數(shù)模型，可準(zhǔn)確求出基波諧波分量，包括傅立葉算法和沃爾什函數(shù)。其中，全波傅立葉算法原理簡(jiǎn)易，計(jì)算精度高，在濾波、穩(wěn)定度和精度上都有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，因此在微機(jī)保護(hù)中得到廣泛使用[8]。本設(shè)計(jì)結(jié)合距離保護(hù)的原理，經(jīng)過(guò)綜合考量，采用了全波傅立葉算法。

傅立葉算法假定待處理的各信號(hào)為周期性，即為恒穩(wěn)直流、基波以及各諧波量，如下式：

式中，表示n次輸入諧波量振幅的實(shí)部;表示n次輸入諧波量振幅的虛部;表示n次輸入諧波量振幅的有效值;表示n次輸入諧波量振幅的相角。

為了縮小衰減直流分量對(duì)于傅立葉算法的影響，可以在算法前增加一次差分濾波環(huán)節(jié)。不但可削弱直流分量，并在可控范圍內(nèi)上減輕衰弱的非周期分量，并且當(dāng)基波信號(hào)頻率相對(duì)額定值偏離時(shí)，單獨(dú)的一次差分對(duì)清除衰減非周期分量具有較好的效果，得到的基波的幅值與實(shí)際值最為接近。

4 結(jié)語(yǔ)

微機(jī)繼電保護(hù)是當(dāng)今電繼電保護(hù)領(lǐng)域的前進(jìn)方向，具備傳統(tǒng)保護(hù)方式無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。本文以110kV輸電線路的距離保護(hù)為例，完成了微機(jī)繼電保護(hù)的初步設(shè)計(jì)，還存在諸多待改進(jìn)的地方，如在硬件設(shè)計(jì)中，還可附加以太網(wǎng)通信和報(bào)警電路等。

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作者簡(jiǎn)介：于方舟（1996-），男，山東泰安人，碩士研究生在讀，研究方向：電氣工程。