基于ＭＳＰ４３０單片機的多功能配電變壓器保護裝置的研制

　　一、引言
　　
　　在農網改造前各地選用的配電端保護裝置仍是20世紀80年代中后期產品，主要是以保護人身安全為主的高靈敏度快速動作型剩余電流保護器。
　　由于農村電網負荷的增加以及性質的變化（如各種類型的空調、變頻設備、各種家用電器的使用），給配電變壓器的保護帶來了很多新的問題。例如：在負荷過大的情況下如何進行自動化的循環限電，從而防止配電變壓器長期超負荷運行造成事故。
　　為此我們設計開發了多功能配電變壓器保護裝置。該保護裝置主要有下面四項功能：
　　1、剩余電流超限保護功能；
　　2、配電變壓器過流、過熱保護功能；
　　3、反時限切除負載與多分路循環限電功能；
　　4、通過GSM網絡遠程監測配電變壓器狀態功能。
　　因此，該多功能配電變壓器保護裝置能夠提高我國農村電網用電的安全性、供電的可靠性以及限電的合理性。
　　
　　二、主要硬件單元
　　
　　本保護裝置的硬件電流主要由電能計量芯片ATT7022B以及單片機MSP430F149構成，下面先對這兩種芯片進行一個簡單的介紹。
　　ATT7022B是一顆高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用。其集成了七路二階sigma－delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理等電路。ATT7022能夠測量各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，采樣通道多，精度高（電壓測量誤差≯0.1％，電流測量誤差≯0.5％），并可通過采樣值計算合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量等信息量。
　　ATT7022提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數以及校表參數的傳遞。
　　對ATT7022B芯片的各種控制以及對采樣計算結果的讀取均可通過SPI接口的操作完成。此外ATT7022內部的電壓監測電路可以保證加電和斷電時正常工作。
　　裝置中有TI公司的MSP430F149單片機作為系統的控制器。該單片機是TI公司2000年推出的超低功耗的微控制器系列之一，該系列由多種針對不同應用而以不同模塊組成的型號組成，微控制器可使用電池長期工作，電壓范圍1.8～3.6Ｖ。
　　由于具有16位RISC結構，16位寄存器和常數寄存器，MSP430達到了最大的代碼效率。數字控制的振蕩器提供快速從所有低功耗模式蘇醒到活動模式的能力時間少于6μs。MSP430F149帶有兩個16位定時器（帶看門狗功能）、速度極快的8通道12位A/D轉換器（ADC）（帶內部參考電壓、采樣保持和自動掃描功能）、一個內部比較器和兩個通用同步/異步發射接收器、48個I/O口（均可獨立控制）的微處理器結構。硬件乘法器提高了單片機的性能并使單片機在編碼和硬件上可兼容。MSP430FLASH擦寫次數高達10萬次，強力抗干擾。MSP430F149有60KB的FLASHROM和2KB的RAM。其中FLASH又分為120段(每段512B)的主存儲器和兩段(每段128B)的信息存儲器。FLASH可以整個擦除也可以分段擦除，這給系統的軟、硬件設計都帶來了極大的便利和靈活性。
　　
　　三、系統設計
　　
　　為了能夠達到多功能保護裝置的各項功能，兼顧裝置的多功能與實時性，在裝置硬件電流的設計中采用了由兩片MSP430F149單片機組成的雙CPU結構。
　　整個硬件電流可分為三部分：以ATT7022B為核心的主采樣單元、以一片MSP430單片機為核心的主控制單元以及主要由另一片MSP430單片機構成的輔助采樣控制單元。
　　
　　ATT7022B構成的采樣單元作為裝置的主要采樣單元。ATT7022B芯片集成了七路二階sigma-delta ADC，能夠同時對電網的三相電壓、三相電流和剩余電流進行高精度的采樣，還能夠自動計算電網頻率、有功功率以及視在功率等特征量，然后通過SPI接口傳送到控制單片機中。這樣的采樣單元設計采樣、計算的準確性高，還能有效的節省控制單片機的資源。
　　由一片MSP430單片機與溫度采樣、GSM通訊模塊、鍵盤陣列、LED顯示陣列和繼電器陣列等組成的控制單元是裝置硬件電路的主體部分。本裝置控制單元的設計充分體現出MSP430系列單片機外部設備豐富、中斷功能強大的特點。主控單片機通過SPI接口控制主采樣單元ATT7022B芯片的采樣方式，讀取采樣結果；主控單片機通過自帶的ADC模塊對溫度傳感器的輸出進行采樣，完成對配電變壓器溫度監測功能；主控單片機通過異步串行接口對GSM通訊模塊進行控制，完成GSM遠程通訊功能；MSP430F149單片機有兩組I/O口可用作外部中斷口（每組8個），可大大簡化鍵盤的硬件與軟件設計；MSP430單片機還可以利用其豐富I/O口對LED陣列和繼電器陣列進行控制，完成顯示與各分路分合閘操作。
　　為了保證保護裝置的實時性與可靠性，裝置還采用一片MSP430單片機構成了輔助采樣、控制單元（圖2為采樣通道的設計電路）。根據相關的國家標準，保護裝置在剩余電流超限或負載電流超過額定電流五倍時必須立即進行分閘操作（響應時間小于0.2S），而由ATT7022B芯片構成的主采樣單元采樣速度較慢（數據更新時間大于0.3S），因此在本裝置還設計了采樣速度更快的輔助采樣單元。
　　輔助采樣單元主要由輔助單片機的12位ADC模塊構成，輔助單片機對剩余電流與負荷電流進行快速采樣分析，在任意信號超限時立即向控制單片機發出外中斷信號，控制單片機立即進行分閘操作，從而保證保護裝置的實時性。輔助單片機還可以分擔控制單片機的部分負擔，提高整個裝置的可靠性。
　　
　　
　　四、功能實現
　　
　　整個裝置的硬件設計兼顧了裝置功能與實時性的要求，保證了裝置能夠完成各種預期的四項功能。
　　由ATT7022B芯片構成的主采樣單元與輔助采樣單元分別對剩余電流進行采樣，正常情況下控制單片機讀取主采樣單元中的高精度剩余電流采樣值，并通過LED陣列顯示。而當剩余電流超限時，輔助單片機立即向控制發出中斷信號，控制單片機立即進行分閘操作，避免觸電事故的發生。
　　在對剩余電流進行監測過程中，儀器可以根據四個小時內剩余電流的最大值來自動的選擇跳閘的檔位，保證在不同天氣環境狀況下剩余電流的保護都能穩定的動作。
　　此外，儀器可以對剩余電流保護動作的時間進行設定，從而使支路保護和總保護都能準確的動作。
　　由于溫度變化較緩慢，裝置采用控制單片機直接對變壓器的溫度進行采樣，在溫度超限時，控制單片機直接進行分閘操作，對變壓器進行過熱保護。而變壓器的過流保護是通過輔助單片機的快速采樣實現，當負載電流超過額定電流五倍時，輔助單片機立即向控制發出中斷信號，控制單片機立即進行分閘操作，避免變壓器發生過流事故。
　　當線路電流超過額定電流而小于額定電流的500％時，主控單片機延遲一段時間后驅動支路繼電器執行跳閘操作，延遲的時間原則上與線路電流超過額定值的程度成反比，而支路繼電器的跳閘的順序則遵循循環限電的原則，力求公平。
　　主控單片機通過自帶的異步串行接口控制GSM通訊控制模塊，這樣裝置可以把各種電網信息與各支路繼電器分合狀態發給號碼簿上的手機用戶，而號碼簿上存在的用戶也可以使用手機完成分合閘操作，收集各種電網信息與裝置存儲的各種數據。裝置上由16個鍵組成的鍵盤可以方便的完成人機交互，可以在現場完成設置預警值，輸入存儲手機號碼，存儲和發送各種信息等操作。
　　
　　五、結束語
　　
　　ATT7022B電能計量芯片作為裝置的主采樣單元保證了儀器具有較高的測量精度。通過現場試驗，裝置電流測量誤差小于0.5％，電壓測量誤差小于0.1％。
　　在增加輔助單片機后，保護裝置的硬件設計兼顧了裝置功能與實時性的要求。經實驗檢驗，保護裝置在電網瞬時電流過大與負載過重的情況下仍然可以保證供電的可靠性，而在發生觸電或短路時又能及時的進行跳閘操作，避免事故的發生。
　　
　　參考文獻：
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　　2、劉小端，曾國宏.用MSP430F149設計低成本智能電力監測儀[J].電子產品世界，2002(3).
　　3、魏小龍.MSP430系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京航空航天大學出版社，2003.
　　(作者單位:湖北工業大學電氣與電子工程學院)