基于單片機的自供電過電流繼電器的設(shè)計

引言

　　自1901年出現(xiàn)了感應(yīng)型過電流繼電器以來，繼電保護技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了電磁式保護、晶體管式保護、集成電路保護以及現(xiàn)在應(yīng)用很廣的微機保護技術(shù)。繼電保護裝置研究與設(shè)計是繼電保護技術(shù)研究的重要課題。

　　現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護裝置大多數(shù)從電壓互感器二次側(cè)或獨立電源如直流屏獲取工作能量，但是對于35 kV及以下電壓等級無操作電源的變電站、架空線路柱上開關(guān)以及帶開關(guān)的電纜分接箱等特殊應(yīng)用場合，不需要外加輔助電源、直流屏等，則現(xiàn)有數(shù)字繼電保護裝置不能滿足實際需要。

　　本文結(jié)合開關(guān)電源技術(shù)，以具有較強的數(shù)學(xué)運算能力的單片機作為控制器，設(shè)計實現(xiàn)了從電流互感器二次側(cè)直接獲取電路工作能量的自供電數(shù)字繼電器，不需要外加輔助電源、直流屏等，簡化了繼電保護裝置。用本繼電器結(jié)合斷路器可取代負荷開關(guān)和高壓保險絲組合，明顯改善線路繼電保護性能，節(jié)約建設(shè)成本，也可用于有操作電源的場合。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

　　為改變現(xiàn)有繼電保護裝置供電解決方案，本設(shè)計方案以單片機作為控制器，結(jié)合現(xiàn)代功率電子技術(shù)和開關(guān)電源技術(shù)實現(xiàn)從電流互感器的二次側(cè)獲取電路工作的能量，為電路提供正常工作電源。本文的設(shè)計思路：輸入電流信號經(jīng)信號調(diào)理后進行A／D采樣，利用單片機計算電流有效值參數(shù)及接地電流大小、保護判別、發(fā)出斷路器控制信號。遠方跳閘回路提供在系統(tǒng)正常工作或空載時手動實現(xiàn)斷路器跳閘。由于系統(tǒng)需要自供電，遠方跳閘回路及通信回路均應(yīng)提供系統(tǒng)工作時所需電源。通信回路保證當(dāng)系統(tǒng)主回路無工作電源時電路采用手動方式由上位機通過RS485通信電路實現(xiàn)斷路器跳閘操作，并進行參數(shù)設(shè)定和故障參數(shù)查詢等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　當(dāng)線路空載短路或手合故障線路時，線路電源從故障電流獲取。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1自供電電路設(shè)計

由于電網(wǎng)負荷電流是無規(guī)則地變化的，要從系統(tǒng)中獲得電路工作的能量，在電路設(shè)計中要克服以下問題：

　?。?）故障時一次側(cè)電流是額定值的十幾倍，而在低負荷時負荷電流小于額定值，故要求該自供電繼電器具有很好電流適應(yīng)性。

　　（2）驅(qū)動跳閘的能量很大，它要求無論在低負荷或過電流（短路狀態(tài)）都要穩(wěn)定地從電路中獲得跳閘工作能量。

　　（3）故障時，瞬間能量泄放很大，不能對電路的工作產(chǎn)生影響，要處理好各級電源能量的分配關(guān)系，保證供電可靠性和系統(tǒng)正常工作。

　　為解決上述問題，在自供電電路設(shè)計中，我們結(jié)合新型開關(guān)電源理論和功率器件開關(guān)特性，直接從CT二次回路取得能量，提供電路工作的5 V和24 V電源。兩路電源互不影響，互相隔離，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定工作。自供電電路原理框圖如圖2示。

　　CT二次側(cè)電流經(jīng)整流后，分別通過24 V穩(wěn)壓電路、5 V穩(wěn)壓電路以及電流泄放電路。5 V電源提供信號采樣和控制電路的工作能量，24 V電源提供跳閘電路工作的能量。電流泄放回路根據(jù)電路工作電流的大小自動調(diào)節(jié)泄放電流的大小，使電路電源穩(wěn)定工作，同時不會增加電流互感器的負荷。

　　為提供充足跳閘能量，自供電電容量應(yīng)大于等于500 pF，輸出電壓大于等于24 V。

　　2.2 主體控制電路設(shè)計

　　主體控制電路框圖如圖3所示，主要由以下電路模塊組成：電源和電流信號采集電路、信號調(diào)理電路、電源監(jiān)控電路、單片機控制和I／o電路、后備保護電路、通信電路、斷路器驅(qū)動信號電路、遠方跳閘信號電路等。

電源和電流信號采集電路主要提供電路工作5 V電源、24 V電源，同時將電流互感器二次側(cè)電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，提供信號調(diào)理回路的電流采樣信號；信號調(diào)理電路將根據(jù)前級電路提供的實時表示CT一次側(cè)電流變化的模擬電壓信號大小由可編程放大器實時調(diào)節(jié)，使之與AD模擬采樣輸入電壓相匹配，使電路具有很好的電流適應(yīng)性；電源監(jiān)控回路由TL7705及其外圍電路組成，監(jiān)視5 V工作電源，當(dāng)電源電壓出現(xiàn)瞬間干擾脈沖或系統(tǒng)上電時產(chǎn)生復(fù)位信號，保證單片機電源穩(wěn)定復(fù)位可靠工作；微控制器控制和I／O電路完成電流采樣計算并根據(jù)繼電保護算法和控制邏輯發(fā)出相應(yīng)的控制動作信號，另外，還要完成與上位機通信、參數(shù)整定輸入；當(dāng)單片機發(fā)生故障時啟動后備保護電路，它發(fā)出故障指示信號，提供后備電流速斷保護；通信電路完成與上位機的通信，上位機可以發(fā)出跳閘命令，查詢跳閘時三相電流參數(shù)及整定繼電保護參數(shù)；斷路器驅(qū)動電路提供電路瞬間跳閘能量，滿足外接電路對跳閘能量的需求；遠方跳閘信號電路能在三相未接入時提供電路工作能量同時執(zhí)行遠方跳閘命令。

　　3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　為提供充足跳閘能量，自供電電容量應(yīng)大于等繼電保護的軟件設(shè)計分為主程序和中斷服務(wù)程序兩大部分。主程序由三大模塊構(gòu)成：初始化、主循環(huán)程序和故障處理程序；中斷服務(wù)程序有AD采樣中斷服務(wù)程序、通信中斷、定時器采樣中斷復(fù)位程序和定時器延時中斷服務(wù)程序等。

　　3.1 系統(tǒng)初始化及自檢循環(huán)

　　如圖4示，系統(tǒng)上電后必須進行初始化設(shè)置和檢測，例如堆棧指針設(shè)置、串行口、定時器工作方式的初始化等。進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化，包括計數(shù)器的初始化、采樣值存放地址指針的初始化，然后開放中斷，等待60 ms（三個周波）后投入突變量啟動元件的計算。如果開放中斷后就立即投入啟動元件，由于洲區(qū)的數(shù)據(jù)是隨機的，會造成啟動元件的誤動作。在主程序循環(huán)中，根據(jù)采樣已計算三相電流參數(shù)，計算電流有效值，調(diào)節(jié)放大器增益；接著進入開關(guān)量輸入狀態(tài)監(jiān)測、串口通信數(shù)據(jù)處理程序，最后進入EEPROM保護定值參數(shù)與隨機存儲器內(nèi)保護定值參數(shù)統(tǒng)一性校驗程序。

　　3.2 定時采樣中斷程序設(shè)計

　　單片機定時器To定時發(fā)出采樣脈沖，在定時器T0采樣中斷程序中，首先啟動AD通道0采樣后對前一次采樣值進行一階差分濾波，按照傅氏算法計算電流有效參數(shù)并存儲區(qū)供后續(xù)程序調(diào)用；判斷三相電流突變量差起動是否發(fā)生。如果發(fā)生起動標(biāo)志加t，否則清零起動標(biāo)志。只要連續(xù)三點相電流突變量差變化量大于整定值，則確定第一突變點為故障發(fā)生點并置位故障起動標(biāo)志，否則清除故障起動標(biāo)志返回主程序。故障起動標(biāo)志置位且保護計算有出口時則修改中斷返回地址為故障處理程序首地址，調(diào)用故障處理程序，否則返回主程序中。

　　3.3 故障處理程序設(shè)計

　　在故障處理程序中，實現(xiàn)限時電流速斷保護、定時限過電流保護、反時限過電流保護、定時限接地電流保護等保護功能的邏輯判斷和故障處理。首先根據(jù)定時器TO中斷程序計算的電流有效值參數(shù)計算三相電流有效值；判斷保護是否投入，未投入則進入其他保護處理程序，投入則將計算值與整定值比較，若大于則進入保護邏輯判斷程序，判斷保護動作則置位本相保護動作標(biāo)志并進入跳閘處理程序，否則進入下一相本保護故障處理程序。系統(tǒng)采用自供電，跳閘后線路斷電，RAM數(shù)據(jù)丟失，故要對跳閘前的故障數(shù)據(jù)參數(shù)保存在單片機的E2PROM中。

　　4 試驗結(jié)果及分析

　　經(jīng)試驗測試，保護系統(tǒng)正常投入時最小動作時間為39 ms。在測試空載狀態(tài)手合故障線路動作時間時，以單相為例，限時速斷動作時間整定為最小值40 ms，測定保護系統(tǒng)最小動作時間為114 ms。

　　在電流互感器的測試線圈加測試電流，得到保護動作值測試數(shù)據(jù)，如表2示。電流互感器的一次側(cè)線圈、測試線圈、保護線圈的匝數(shù)比為0.26：1：50。

　　表2數(shù)據(jù)表明所有保護的相對誤差都小于5％。

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計了自供電過電流保護繼電器，實現(xiàn)了限時電流速斷保護、定時限過電流保護、反時限過電流保護、定時限接地電流保護等繼電保護功能，具有可靠性高、免維護、參數(shù)整定簡單、體積小、節(jié)約建設(shè)成本等優(yōu)點，適應(yīng)性強，應(yīng)用廣泛。