單片機在電力系統(tǒng)微機保護模塊中的應(yīng)用

　　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?；ジ衅鞯淖饔檬遣杉妇€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。