基于雙STC的低壓線路保護裝置的設計

張智宇 于 群 于夢瑤 朱昆賢

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590）

市面上的低壓線路微機繼電保護裝置，大部分都是采用DSP 或ARM 處理器。文獻[1]為基于DSP的線路保護裝置，該裝置可實現輸電線路的保護、測控功能；文獻[2]為基于ARM 處理器的線路保護裝置的研究，采用在AT91RM9200 處理器上運行嵌入式實時操作系統μC/OS-II 來實現輸電線路的全分布式的保護和測控；文獻[3]為針對中低壓線路而設計的雙DSP 結構微機線路保護裝置，采用半波傅氏算法和Mann-Morrison 算法相結合。ARM 或DSP信號處理能力強、運算速度快，這是眾所周知的，但其價格昂貴使其應用范圍受到限制。

隨著科學技術發展，單片機技術也在快速發展，其功能已非常強大，價格優勢也更加明顯。STC 公司的兩款單片機STC15F2K60S2 和STC11F32XE 無論是功能還是價格都占有絕對優勢，在實現和ARM或者DSP 處理器相同功能的情況下，其保護裝置成本價格遠遠低于其他處理器。本文利用雙STC 單片機設計了一款低壓線路保護裝置，其具有瞬時電流、限時電流速斷保護，監測電網中電壓、電流、有功功率和功率因數等功能。

1 方案比較

從性能價格比較來說，有如下3 個可行性方案。

方案1：國家半導體公司生產的ADC0809 作為數據采集器、宏晶公司生產的STC11F32XE 單片機作為控制器。

方案2：宏晶公司生產的STC15F2K60S2 作為數據采集器和控制器。

方案 3：STC15F2K60S2 作為數據采集器、STC11F32XE 作為控制器。

從表1方案比較中可知，方案3 硬件連線簡單，單片機利用率高，整套保護裝置性能好，因此選擇方案3，下面對方案3 進行詳細研究。

表1 方案比較

2 硬件設計

方案3 利用STC 公司兩款不同硬件資源單片機相互配合來實現低壓線路保護的功能，STC15F2K60S2負責ADC 采集和開關量輸出，STC11F32XE 負責實時顯示電壓和監測開關量輸入，兩單片機通過3 條普通I/O 口進行通信。本低壓線路保護裝置總體框圖如圖1所示，由雙STC 處理器單元、電壓形成回路單元、開關量輸出單元、開關量輸入單元、通信單元、人機接口單元等組成[4]。

圖1 總體框圖

1）雙 STC 處理器單元，STC11F32XE、STC15F2K60S2 是單時鐘/機器周期（1T）單片機，STC15F2K60S2 具有30 萬次/s 的8 路高速10 位A/D轉換通道，并帶有采樣保持電路，完全可以取代外置ADC 芯片。

2）保護用電流互感器額定電流為40A，測量用電流互感器額定電流為5A。額定電流40A 對應單片機ADC 值最大為0x03FF，額定電流5A 對應ADC值為0x7F，則通過計算得最小分辨率為0.039A，因此本線路保護裝置電流通道共用一個電流互感器滿足要求。電壓形成回路單元由以下3 部分組成：

（1）取樣電路，電網中的高電壓、大電流轉換成小電壓信號有3 種方式：電阻分壓；微型互感器；電子式互感器。本文選用如圖2（a）所示的微型互感器，將電網中實際高電壓、大電流信號轉換成小電壓信號。

（2）低通濾波電路，經微型互感器采集的信號中含有大量高頻分量，為了保障采樣信號的準確性，應濾除高頻分量，采用圖2（b）所示的低通濾波電路，可以濾去信號中高頻分量。

圖2 取樣-低通濾波電路

（3）同相加法電路，STC15F2K60S2 是單極性ADC，所以經濾波后信號還需要加偏置電壓才能轉換成被ADC 所能接受的信號。如圖3所示為同相加法器電路，將基準電壓信號的一半加到交流信號上，使采樣信號轉變為直流信號。

圖3 同相加法電路

3）開關量輸入、輸出單元，開關量輸入用于檢測開關位置和狀態，其信號經過限流電阻、去抖電路處理后，再經過光電隔離才能進入單片機。開關量輸出用于控制斷路器的跳合閘，其信號由單片機輸出至鎖存寄存器后，經過功率放大電路驅動繼電器。

4）通信單元，RS-485 通信接口采用德州儀器生產的SN888C 芯片進行其收/發狀態控制，該芯片可以在上電后的第一個76ms 內檢測和校正設備總線的極性。其高能量瞬變干擾保護功能可以防止雷電、短路等引起的高電壓擊穿控制器危險。因此，本文采用高速光電隔離方式將STC15F2K60S2 與SN888C 進行隔離，以避免因外部通信線路所帶來的噪聲對內部系統產生的干擾。

5）開關電源單元，ADC 轉換過程中電壓基準的穩定性對采樣精確度的影響較大，本文采用78L05 作為ADC 基準電壓，能有效保證ADC 的轉換精度。并且，本裝置在硬件上采取電源模塊濾波、加磁環，印制板合理布線，接地系統正確選擇等措施。

6）人機接口單元，液晶采用金鵬公司生產的12864 液晶屏，該液晶屏采用7920 芯片，自帶字庫；采用獨立按鍵。

3 計算方法

對于單片機ADC 轉換后的小電壓信號需要經過微機繼電保護算法才能得到其幅值和相角，現在比較成熟的保護算法主要有三采樣值乘積算法、傅里葉算法和最小二乘法等[5]。由于單片機硬件資源限制和傅里葉算法占用數據窗口較多，對低壓線路保護裝置傅里葉算法無法滿足其動作時間要求，因此本裝置采用遞推傅里葉算法[6]。

通過分析 220/380V 配電線路參數[7]，經Matlab/Simulink 軟件仿真可知，低壓配電線路發生短路故障時除了有正弦基波分量外，還含有衰減的非周期直流分量、高次諧波分量及其它干擾等[8]。因此，本文采用改進差分法來消除衰減的非周期直流分量對有效值計算準確度的影響，改進差分法計算公式為：y(n)=x(n+1)-hx(n)，式中h為常數，與直流分量的衰減常數有關[9]。采用改進差分法計算公式，顯著地降低了由于非周期分量的存在所帶來的誤差，提高了測量精度，保證了微機繼電保護的可靠動作。本文硬件設計中低通濾波電路可以濾除6次以上諧波，其他次諧波可以通過遞推傅里葉算法來濾除。

通過Matlab/Simulink分析得出如圖4所示的不同算法對有效值計算結果影響的仿真圖。從圖中可以看出衰減的非周期直流分量對有效值的計算結果有較大影響，加入差分濾波算法后其有效值擺動幅度減小，采用改進差分算法可使其有效值趨于穩定的時間大大縮短。

圖4 不同算法有效值的計算結果

4 軟件設計

本低壓線路保護裝置的軟件設計分為保護和監控兩部分，STC15F2K60S2 執行本裝置保護功能，STC11F32XE 執行本裝置監控功能。通過配置STC15F2K60S2 中ADC 控制寄存器、中斷允許寄存器可以很容易實現采集數據的功能，采用定時器中斷實現對數據采樣點的控制，檢測ADC 轉換結束時的中斷信號來讀取轉換結果。

圖5 保護流程圖

保護部分流程圖如圖5所示，裝置上電或復位 后進行系統初始化，然后進行硬件自檢，自檢通過后進行數據采集，利用遞推傅里葉算法快速、精確的計算電網實時值，將實時值與整定值比較，如果檢測到故障則驅動繼電器跳閘并發出警報。監控部分流程圖如圖6所示，監控部分有兩個主要功能：整定值設定和電網電氣量參數計算。整定值通過按鍵進行設定，利用離散的電氣量參數計算公式來計算電網中的電壓、電流和有功功率[10]。保護和監控部分采取程序結構化、功能模塊化、設置軟件陷阱和冗余設計提高抗干擾的能力。

圖6 監控流程圖

5 實驗測試

實驗設備采用武漢中試高測電氣有限公司生產的ZSJB-702 微機繼電保護測試儀，該繼電保護測試儀符合DL/T 474.4—1999 和DL/T 848.2—2002 電力行業標準。中華人民共和國國家標準GB/T 7261—2000《繼電保護及其自動化裝置基本試驗方法》指出微機型產品測量次數為5 次，表2是按照基本試驗方法所測得數據，其中最小動作時間為5 次實驗中最小值、最大動作時間為5 次實驗中最大值。

表2 瞬時電流速斷動作時間

《電力系統繼電保護原理》中指出定值精度：電流保護固有動作時間小于50ms。表2為瞬時電流速斷動作時間測試數據，動作時間在10～30ms 之間，在考慮避雷器放電時間情況下，對于測量與保護一體化儀表來說基本滿足要求[11]；表3為電壓、電流、有功功率和功率因數測試數據，其等級達到DL/T 614—2007 電力行業標準[12]中的1 級計量要求。

表3 電氣參數測試數據

6 結論

通過分析目前低壓線路微機繼電保護裝置應用范圍和傳統繼電器缺陷，本文采用STC15F2K60S2和STC11F32XE 設計并研發了一款低成本簡單的低壓線路保護裝置，具有瞬時電流、限時電流速斷保護，欠電壓和過電壓保護的功能，并可實時顯示當前電網的電壓、電流、有功功率和功率因數，可通過RS485 或CAN 總線上傳數據。經繼電保護測試儀測試，各項功能均達到電力行業標準。現場運行表明，與同類其他裝置相比，本裝置具有動作時間快、測量精度高、抗干擾能力強的優點，更能滿足實際生產的要求。

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