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

　　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。從20世紀(jì)90年代開始我國(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。

　　l 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?；ジ衅鞯淖饔檬遣杉妇€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：Vi=1+R7／R6，可以選R*00 Ω，R，=240 Ω。該有源濾波器的特征頻率叫ωn=1／(RC)。對(duì)于工頻為50 Hz的交流電，采樣頻率f=600 Hz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，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。