基于DSPIC單片機的消弧消諧控制器的設計

摘 要： 針對目前配電網中極易出現的弧光、金屬接地過電壓，以及鐵磁諧振現象及其危害，提出了相關的消弧消諧控制算法，并介紹了如何利用單片機進行硬件和軟件的設計，使對接地、諧振故障做出準確的判斷，兼備一定的穩定性和容錯性。

關鍵詞：弧光接地； 金屬接地；鐵磁諧振 

中圖分類號：TM864文獻標識碼：A

[WT]文章編號：1672-1098(2011)02-0066-05

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收稿日期：2011-03-31

基金項目：合肥學院科研發展基金計劃資助項目(08KY008ZR)

作者簡介：龍夏 (1982-)，男，湖南湘西自治州人，助教，碩士，主要研究方向為測控技術。

[JZ(〗[WT3BZ]Design of DSPIC-based Arc-Suppression and Resonance Eliminating Device

LONG Xia， TAN Ming ， XIAO Lian-jun

(Department of Computer Science Technology， Hefei University， Hefei Anhui 230601， Chian)

Abstract:In order to solve easy occurrence of arc in current distribution network， over-voltage of metal grounding， magnetic resonance phenomena and its hazards， control algorithm of arc and harmonic elimination was proposed.

How to use the microcontroller hardware and software design to make accurate judgments of grounding and resonant failure， and make them a certain degree of stability and fault tolerance were presented.

Key words:arc grounding; metal grounding; ferro resonance

在我國3~35 kV供電系統中，大部分為中性點不接地系統，這種系統在發生單相接地時，電網仍可帶故障運行，這就大大降低了運行成本，提高供電系統的可靠性，但這種供電方式在單相接地電流較大時容易產生弧光接地過電壓和相間短路，給供電設備造成了極大的危害。以前的解決辦法是在中性點加裝消弧線圈補償電容電流來抑制故障點弧光發生的機率。很顯然，這種方法的目的是為了消除弧光，但由于消弧線圈的自身的諸多特點，很難對電容電流進行有效補償，特別是高頻分量部分對供電設備造成的危害無法克服［1］。

而當電壓互感器的非線性電感與線路對地電容發生匹配時會引起鐵磁諧振過電壓，會威脅到電力系統的安全運行，損壞電氣設備，嚴重時會引起電壓互感器的爆炸，造成變電站母線停電事故，造成嚴重后果［2］。長期以來，電力系統中消除鐵磁諧振的方法一般是在PT開口三角繞組中并聯一個電阻來破壞諧振點，復雜的電力環境造成諧振點的不唯一，所以這種方法很難做到完全消諧，費時費力。

智能消弧裝置，該裝置在出現弧光接地時，通過一組可以分相控制的真空接觸器，使故障相接地，達到徹底消除弧光的目的［3］。 

本設計采用PIC高性能DSP系列單片機為處理器，實時采集電網三相電壓及PT開口電壓，采用合理的算法，當檢測到故障相出現弧光接地時發出控制信號，使故障相弧光接地迅速轉變為金屬性接地，而檢測到鐵磁諧振時驅動可控硅動作消除由鐵磁諧振引起的過電壓，并配以監控界面，便于修改參數，能夠很好地起到消弧消諧的目的，保護電網安全。

1裝置工作原理

當電網正常工作時，PT開口三角處零序電壓為零，一旦線路發生故障，中性點對地絕緣的供電系統會出現零序電壓，將零序電壓作為啟動信號開始計算，然后再根據發生故障時每相電壓的情況進行邏輯分析計算，判定接地故障發生的相別及接地屬性，再根據判定結果做出以下處理：

1) 如果發生間歇性弧光接地，控制器使故障相對應的真空接觸器閉合，使系統由不穩定的弧光接地瞬間轉變為穩定的金屬接地，故障相電壓降為零，電弧消失。500 ms后斷開真空接觸器，并再次判斷，若故障消失，則說明本地弧光接地為電網電壓沖擊引起的瞬時性接地故障，系統已恢復。若再次檢測到故障，則認定為永久性的接地故障，再次閉合真空接觸器，記錄故障，聲光報警，并向上位機上傳故障記錄，等待工作人員處理。

2) 如果發生金屬接地故障，則記錄故障，聲光報警，不做任何處理，等待工作人員處理。

3) 如果發生三相斷線故障，則記錄故障，聲光報警，等待工作人員處理。

4) 如果發生50 Hz基頻、100 Hz、150 Hz倍頻鐵磁諧振，驅動可控硅三次瞬間短接PT開口端，破壞諧振條件，消除鐵磁諧振，并記錄故障。諧振頻率的判定可以通過快速FFT判別諧振頻率［4］。

2 硬件設計

2.1 系統介紹

控制器是系統的核心，其性能的優劣直接影響系統的性能。選用DSPIC33FJ128GP206為處理器，外圍電路包括模擬量采樣轉換電路、485通信電路、可控硅觸發電路、真空接觸器觸發電路、HMI電路及聲光報警等(見圖1)。由4路電壓互感器采樣三相電壓及PT開口電壓，經過一定處理變換為單片機AD口能夠處理的0~3V電壓，單片機利用采樣得的4路電壓，輔助以一定的算法，判斷當前接入電網是否存在弧光接地、金屬接地、PT斷線以及電磁諧振現象，若存在，在液晶屏上顯示當前的故障，存儲故障，并做出相應的處理。

圖1 系統框圖

2.2 MCU介紹

在本設計采用PIC公司的高性能16位數字信號控制器DSPIC33FJ128GP206，16位寬數據總線，24位寬指令，可尋址最大4M 指令字的線性程序存儲空間，可尋址最大64 kB 的線性數據存儲空間，具有最多67個中斷源，最多85個IO口，具有SPI、IIC、UART、DCI、增強型CAN、PWM等外部接口，方便使用，同時具有兩個AD通道，可進行順序、同時等各種方式的采樣。在此利用其同時采樣4路電壓信號，并判定是否發生弧光接地、諧振等故障，同時外擴鍵盤、顯示、通信、報警等功能。

2.3 信號采樣電路

根據分析需采樣三相交流相電壓電壓UA、UB、UC及PT開口電壓UPT，送入單片機內部AD采樣前需經過一定的變換，即降壓、交轉直。4路交流電先通過電壓互感器降壓，再通過基準電壓抬升至直流。電壓互感器選用南京擇明電子的ZM-BPT系列電壓互感器，變比為456 V/3.53 V，額定輸入電壓為380 V，額定輸出電壓為2.941 V，過載倍數1.2，耐壓強度3 000 V，完全能達到要求。電壓互感器輸出小信號交流電，而AD只能處理單極性電壓，所以通過由LM258輸出的1.65 V基準電壓抬升后轉為單極性AD合理范圍的電壓信號，并通過濾波送入AD，同時加入一個3.3 V的穩壓管保護AD端口(見圖2)。

圖2 信號處理電路

對于DSPIC33系列的單片機，內部有兩個10位/12位AD模塊，最多有32個模擬量輸入引腳，轉換速度最高達1.1MSPS，最多4通道同時采樣，可以選擇不同的觸發源，轉換結果通過DMA傳送，預排轉換序列，在精度要求不是很高的情況下完全能達到要求。在本設計中，要求同時采樣三相電壓及PT開口電壓，由此算出4路通道的有效值，并判斷開口電壓序列是否出現諧振，DSPIC33的內部AD完全能達到轉換要求。 在此選用AN5、AN4、AN3、AN2分別作為三相電壓及PT開口電壓的輸入通道，采用4通道同時采樣、分時轉換的策略。

2.4 開關量電路

在系統中需要監控機柜中多路開關量的狀態，包括三路真空接觸器合閘信號、三路高壓熔絲熔斷信號、一路隔離刀開關信號及一路遠程復位信號。同時需要輸出多路開關量，包括失電報警、斷線報警、諧振報警、三相弧光接地報警等。電網環境比較惡劣，現場信號極易串入弱電系統，使系統控制邏輯紊亂甚至損壞。為保護弱電控制系統，所有輸入輸出量與系統接入時均通過光電隔離，實現了測控系統和現場環境的隔離，增強了系統的抗干擾能力。選用Toshiba的4通道非線性光耦TLP523-4，最大輸出電流可達150 mA。輸出開關量通過光耦后驅動固態繼電器給機柜相應的24 V控制報警信號。機柜相應的輸入信號均為24 V開關量，有一定的雜波，為保證系統正確運行，送入前經過簡單的濾波，具體如圖3所示。

圖3 光電隔離

2.5 可控硅觸發電路

采用先進的過零觸發電路， 以電壓過零型雙向可控硅取代由分立元件組成的功放電路及脈沖變壓器等驅動環節， 簡化了觸發控制電路的結構， 并提高了控制器的可靠性［5］。

采用MOC3081芯片設計晶閘管過零觸發電路。當電力系統正常工作時， PT開口三角處零序電壓為零，一旦系統發生諧振或單相接地， PT開口三角處即伴有不同頻率成分的零序電壓，多為倍頻電壓和分頻電壓。發生諧波時，MCU 只需改變MOC3081輸入端電平即可立即觸發雙向晶閘管導通；切除時，只要撤銷觸發信號即可，開關在電流過零之后會自行關斷。這樣，MCU就可有效控制晶閘管的導通及導通時間，消除有害諧波。具體電路如圖4所示。

圖4 可控硅觸發電路

2.6 人機接口

人機接口由LCD顯示和鍵盤組成。LCD主要顯示一次側電壓互感器三相電壓、PT開口電壓、故障類型及故障記錄、系統時間等。鍵盤主要用于系統參數設置、故障記錄瀏覽、通信參數設置、系統時間設置等。

2.7 通信設置

系統采用485通信，485通信采用差分方式傳輸，可靠性高、傳輸距離遠，在電力系統中得到廣泛應用。采用MODBUS通信規約，報文格式分為下行報文(監控向裝置下發報文)、無故障上行報文(裝置向監控中心上發報文)、故障上行報文(裝置向監控中心上發報文)。報文用于上傳故障記錄、三相電壓及PT開口電壓、開關量狀態等。

3 軟件設計

控制器實時采樣三相電壓及PT開口電壓，分別計算三相電壓及PT開口電壓的有效值。DSPIC33內部AD可以實現4通道同時采樣，并可以切換通道，實現任意采樣。在此采樣同步采樣、分時轉換的策略，為方便進行FFT，每周波采樣點數定為128個點，采樣每個點的時間為156.25μs，DSPIC內部AD完全能達到要求。在采樣并判斷4路電壓有效值的同時，通過快速FFT判斷PT開口電壓是否出現倍頻、基頻及分頻諧振，主要判斷50 Hz基頻諧振、 100 Hz和150 Hz倍頻諧振、 25 Hz和15 Hz的分頻諧振。為防止由于外部環境的擾動造成控制器的誤動作，在設計中采用了延時動作的策略，根據實驗，選定在10個周波內連續出現故障的周波數大于6個時認定為故障，否則認定為擾動，取得了良好的效果，不僅能及時動作，同時提高了抗擾動能力（見圖5）。

圖5 控制器主程序流程圖

經過理論分析和長期的各種環境的實驗及經驗， 總結出一套判斷各種故障的數據組， 取得了良好的效果， 并在長期使用中證明是穩定可靠的（見表1）。

4 結束語

本文提出一種基于DSPIC單片機的消弧消諧一體機的研制方案，并對信號采樣處理、開關量控制、可控硅控制、人機接口及通信等模塊進行了詳細的描述，并給出實現方案。該裝置能夠準確測量三相電壓及PT開口電壓，并能準確判定并消除弧光接地、鐵磁諧振、短線等故障。將故障狀態記錄在液晶屏上的同時將故障數據記錄并上傳至PC監控中心。該系統具有一定的穩定性和抗干擾能力，已經在某公司研發成功并投入使用，取得了良好穩定的效果。

參考文獻：

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(責任編輯：何學華，吳曉紅)