ＭＳＰ４３０在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)模塊中的應(yīng)用

陳　明　包　鑫　朱墨子

摘 要:為實(shí)現(xiàn)10 kV配電網(wǎng)的微機(jī)保護(hù)功能,在此采用MSP430F1611單片機(jī)采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開(kāi)關(guān)的狀態(tài),并根據(jù)所采集的電壓、電流對(duì)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能,利用串口總線實(shí)現(xiàn)與測(cè)量模塊、人機(jī)界面模塊的通信。從硬件和軟件兩方面詳細(xì)說(shuō)明該裝置的結(jié)構(gòu)和功能。對(duì)裝置的每一部分都做了詳細(xì)的介紹,并附有插圖。詳細(xì)分析了主要技術(shù)指標(biāo),并給出主程序和中段程序的流程圖。該裝置已經(jīng)可靠地應(yīng)用在10 kV配電網(wǎng)中。

關(guān)鍵詞:微機(jī)保護(hù);數(shù)據(jù)采集;三段電流保護(hù);零序保護(hù);自動(dòng)重合閘

中圖分類號(hào):TM76;TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1004-373X(2009)10-174-04

Application for Power System Microprocessor-based Protector on MSP430

CHEN Ming1,BAO Xin2,ZHU Mozi3

(1.Department of Communication,Headquarters of 94580 Army,Bengbu,233000,China;

2.State Key Lab of Industrial Control Technology,Zhejiang University,Hangzhou,310027,China;

3.Huawei Technologies Co.Ltd.,Nanjing,210005,China)

Abstract:In order to realize microprocessor-based protector of 10 kV power system,MSP430F1611 single chip computer is applied to collect current and voltage of power system in order to protect it.In addition,communication with measurement module and display module by serial bus is also completed.This protector is introduced in detail both on hardware and software.Every part is introduced in detail apart with a circuit diagram.Specifications are analyzed and flow charts are presented.This equipment has been applied in 10 kV power systems reliable.

Keywords:microprocessor-based protector;data acquisition;three sect current protection;zero-sequence protection;auto-reclosure

0 引 言

電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對(duì)繼電保護(hù)不斷提出新的要求,電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展不斷注入了新的活力。隨著微機(jī)保護(hù)裝置的研究,在微機(jī)保護(hù)軟件、算法等方面也取得了很多理論成果[1-8]。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始我國(guó)繼電保護(hù)技術(shù)已進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)的時(shí)代。

電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)的要求不斷提高,除了保護(hù)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(zhǎng)期存放空間,快速的數(shù)據(jù)處理功能,強(qiáng)大的通信能力,與其他保護(hù)、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(jí)語(yǔ)言編程等。這就要求微機(jī)保護(hù)裝置具有相當(dāng)于一臺(tái)PC機(jī)的功能。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運(yùn)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(hù)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(gè)微機(jī)保護(hù)裝置不但可完成繼電保護(hù)功能,而且在無(wú)故障正常運(yùn)行情況下還可完成測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)通信功能,亦即實(shí)現(xiàn)保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化。

本文以MSP430F1611單片機(jī)為基礎(chǔ),通過(guò)采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開(kāi)關(guān)的狀態(tài);對(duì)配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)保護(hù),其內(nèi)容包括電流速斷保護(hù)、三段式過(guò)流保護(hù)、反時(shí)限保護(hù)、零序保護(hù)和帶后加速的三相一次重合閘,并且利用串口總線實(shí)現(xiàn)與測(cè)量模塊、人機(jī)界面模塊的通信。

1 硬件部分

1.1 概述

微機(jī)保護(hù)的硬件由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、CPU主系統(tǒng)、開(kāi)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(dú)的專用機(jī)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(guò)隔離、采樣、A/D轉(zhuǎn)換等步驟轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能接受與識(shí)別的數(shù)字量,然后經(jīng)過(guò)CPU主系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算,開(kāi)關(guān)量輸出輸入系統(tǒng)的作用主要是輸出跳閘、信號(hào)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(jiàn)圖2。該系統(tǒng)中,共有3個(gè)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。互感器的作用是采集母線上的電流和電壓,并將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)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(shí)現(xiàn)零序保護(hù),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(hù)電路,要考慮到瞬時(shí)脈沖電流的最大值可能遠(yuǎn)大于平均值,所以設(shè)計(jì)的電路可以使單片機(jī)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(jiàn)圖3。

圖3中,Vo:V_i=1+R₇/R₆,可以選R₆=400 Ω,R₇=240 Ω。該有源濾波器的特征頻率ω_n=1/(RC)。對(duì)于工頻為50 Hz的交流電,采樣頻率f_s=600 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理,取R8=4 kΩ,C1=1 μF,可以達(dá)到濾波的功能。另外,濾波器的地與單片機(jī)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(shí)脈動(dòng)而造成單片機(jī)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(shí)兩個(gè)電阻產(chǎn)生分壓效果。當(dāng)電壓過(guò)高,會(huì)使二極管導(dǎo)通,輸入A/D轉(zhuǎn)換器的電壓會(huì)箝制在3.3 V。

1.3 CPU

MSP430系列單片機(jī)是由美國(guó)德州儀器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。這是一種具有超低功耗特性、功能強(qiáng)大的單片機(jī)。它具有處理能力強(qiáng),運(yùn)行速度快,功耗低等優(yōu)點(diǎn)。具體介紹

參考文獻(xiàn)[9]。

1.4 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng)硬件組成

對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出,即接點(diǎn)狀態(tài)的輸入/輸出可以分為兩類:安裝在裝置面版上的接點(diǎn);從裝置外部經(jīng)過(guò)端子排引入裝置的接點(diǎn)。

保護(hù)模塊不僅要有保護(hù)裝置,還要與測(cè)量顯示模塊實(shí)現(xiàn)異步通信。要從測(cè)量顯示模塊得到設(shè)定值及從自身得到閘刀的開(kāi)關(guān)狀態(tài),必須要有開(kāi)關(guān)量的輸入輸出。從其他模塊得到的開(kāi)關(guān)量直接接在P3口上,而自身得到的開(kāi)關(guān)量需要有開(kāi)關(guān)量輸入電路。

1.4.1 開(kāi)關(guān)量輸入電路

圖5中,開(kāi)關(guān)量經(jīng)過(guò)光電隔離后與CPU相連。其中,當(dāng)輸入端為高電平時(shí),輸出端為低電平。

1.4.2 開(kāi)關(guān)量輸出電路

開(kāi)關(guān)量輸出電路是跳閘合閘信號(hào)的通道,低電平有效,如圖6所示。

2 軟件部分

微機(jī)保護(hù)的軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、故障計(jì)算模塊、故障檢出模塊、數(shù)字濾波模塊及自檢模塊等組成。其核心部分是故障計(jì)算模塊和故障檢出模塊,這些模塊是根據(jù)所需保護(hù)的保護(hù)算法用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的[10]。

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)[11]

2.1.1 電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)指當(dāng)電流超過(guò)一定值,閘刀立即斷開(kāi)。這個(gè)一定值I_dz1由用戶自行設(shè)定。用戶在顯示模塊中設(shè)定后,通過(guò)異步通信傳輸?shù)奖Ｗo(hù)模塊中。由于是計(jì)算機(jī)控制,所謂的立即斷開(kāi)是指經(jīng)過(guò)連續(xù)數(shù)次采樣,每次采樣值都在設(shè)定值之上,CPU輸出跳閘信號(hào)。這里采用6次采樣后跳閘。

2.1.2 三段式過(guò)流保護(hù)

三段式過(guò)流保護(hù)指用戶設(shè)定三個(gè)電流保護(hù)值I_dz1,I_dz2,I_dz3,當(dāng)電流高過(guò)任何一個(gè)時(shí)都執(zhí)行調(diào)閘,但每個(gè)跳閘延時(shí)不一樣。這里,當(dāng)測(cè)量值高過(guò)一段值時(shí)進(jìn)行速斷保護(hù),測(cè)量值在一段值和二段值之間時(shí),延時(shí)跳閘。同樣在二段值和三段值之間也進(jìn)行延時(shí)跳閘。兩次延時(shí)時(shí)間tdz2和tdz3不同,且都由用戶設(shè)定。延時(shí)時(shí)間的測(cè)定在程序中由定時(shí)器提供。

2.1.3 反時(shí)限保護(hù)

反時(shí)限保護(hù)是動(dòng)作時(shí)間與被保護(hù)線路電流大小有關(guān)的一種保護(hù),當(dāng)電流大時(shí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限短,而電流小時(shí)動(dòng)作時(shí)限長(zhǎng)。

2.1.4 零序保護(hù)

在大接地電流系統(tǒng)中,零序電流保護(hù)是利用中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)中發(fā)生接地故障時(shí)出現(xiàn)零序電流的特點(diǎn)而構(gòu)成的。從保護(hù)構(gòu)成情況看,零序電流保護(hù)與相間電流保護(hù)類似,其主要區(qū)別在于零序電流保護(hù)的測(cè)量元件(電流繼電器)接入的電流量性質(zhì)不同,零序保護(hù)的測(cè)量元件則接在零序電流濾波器的出口。

零序保護(hù)的數(shù)值I_0dz和時(shí)間t_0dz由用戶設(shè)定。

2.1.5 帶后加速的三相一次重合閘

自動(dòng)重合閘的作用是針對(duì)電網(wǎng)故障的不同類型起作用的。對(duì)于瞬時(shí)性故障,斷路器斷開(kāi)后再合上,電網(wǎng)就能恢復(fù)正常供電。對(duì)于永久性故障,即使合上電源,由于故障的存在,線路還要被繼電保護(hù)再一次斷開(kāi),因而就不能恢復(fù)正常的供電。

帶后加速的三相一次重合閘是指在閘刀斷開(kāi)后,經(jīng)過(guò)一段延時(shí),閘刀自動(dòng)合上,此時(shí)若故障在一段時(shí)間內(nèi)仍然存在,就再次斷開(kāi)閘刀,這一次斷開(kāi)后閘刀就不再自動(dòng)合上。若在一段時(shí)間內(nèi),測(cè)量值未大于設(shè)定值,則動(dòng)作結(jié)束,系統(tǒng)正常供電。

在軟件中,用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)重合延時(shí)時(shí)間,重合后再檢測(cè)參數(shù)并判斷。由用戶設(shè)定重合時(shí)間tch和記憶時(shí)間tjy。

2.2 軟件流程圖

2.2.1 程序流程圖

主程序的流程比較簡(jiǎn)單,如圖7所示。主程序作為一個(gè)永久循環(huán),不斷與測(cè)量顯示模塊實(shí)現(xiàn)通信。

2.2.2 中斷程序流程圖

在編寫(xiě)程序時(shí),可采用一個(gè)中斷,其中A/D轉(zhuǎn)換,數(shù)字濾波及所有的保護(hù)都在該中斷中。一個(gè)中斷周期與一個(gè)采樣周期的時(shí)間相同。中斷程序流程圖如圖8所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

在總結(jié)前人對(duì)微機(jī)保護(hù)研究工作的基礎(chǔ)上,對(duì)微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用做了深入探討,設(shè)計(jì)了一種具有多功能的保護(hù)裝置,并可靠地應(yīng)用在10 kV配電網(wǎng)中。但設(shè)計(jì)中,由于筆者的水平有限,論文還需進(jìn)一步研究和改進(jìn),如保護(hù)定值不能隨電力系統(tǒng)的運(yùn)行變化而自動(dòng)調(diào)整等。

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