單片機在電力系統微機保護模塊中的應用

　　0 引 言

　　電力系統的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護技術(shù)的發(fā)展不斷注入了新的活力。隨著(zhù)微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果。從20世紀90年代開(kāi)始我國繼電保護技術(shù)已進(jìn)入了微機保護的時(shí)代。

　　電力系統對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能外，還應具有大容量故障信息和數據的長(cháng)期存放空間，快速的數據處理功能，強大的通信能力，與其他保護、控制裝置和調度聯(lián)網(wǎng)，以共享全系統數據、信息和網(wǎng)絡(luò )資源的能力、高級語(yǔ)言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺PC機的功能。

　　計算機網(wǎng)絡(luò )可從網(wǎng)上獲取電力系統運行和故障的任何信息和數據，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數據傳送給網(wǎng)絡(luò )控制中心或任一終端。因此，每個(gè)微機保護裝置不但可完成繼電保護功能，而且在無(wú)故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數據通信功能，亦即實(shí)現保護、控制、測量、數據通信一體化。本文以 MSP430F1611單片機為基礎，通過(guò)采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；對配電網(wǎng)實(shí)現保護，其內容包括電流速斷保護、三段式過(guò)流保護、反時(shí)限保護、零序保護和帶后加速的三相一次重合閘，并且利用串口總線(xiàn)實(shí)現與測量模塊、人機界面模塊的通信。

　　l 硬件部分

　　1．1 概述

　　微機保護的硬件由數據采集系統、CPU主系統、開(kāi)關(guān)量輸入輸出系統等組成。整體原理圖如圖1所示。通常整套硬件是用單獨的專(zhuān)用機箱組裝的。

　　1．2 數據采集系統硬件組成

　　數據采集系統又稱(chēng)模擬量輸入系統，它的作用是將互感器次側輸出的電壓、電流等模擬量經(jīng)過(guò)隔離、采樣、A／D轉換等步驟轉化為計算機能接受與識別的數字量，然后經(jīng)過(guò)CPU主系統進(jìn)行數據處理與運算，開(kāi)關(guān)量輸出輸入系統的作用主要是輸出跳閘、信號等信息。本文的裝置共有8路數據采集輸入，其中的一路見(jiàn)圖2。該系統中，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€(xiàn)上的電流和電壓，并將其轉換成單片機可接受的電流和電壓值。這里選擇CS-TA1型互感器，一般將二次側的電流值變?yōu)? A。另外，由于要求實(shí)現零序保護，將B相的電流互感器設定為零序互感器。電流變換器是將互感器的二次側電流再一次變換。MSP430F1611所接收的電壓最大值為3．3 V，但作為保護電路，要考慮到瞬時(shí)脈沖電流的最大值可能遠大于平均值，所以設計的電路可以使單片機承受正常電流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)。對于工頻為50 Hz的交流電，采樣頻率f=600 Hz。根據香農采樣定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以達到濾波的功能。另外，濾波器的地與單片機的地是一致的。

　　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。當電壓過(guò)高，會(huì )使二極管導通，輸入A／D轉換器的電壓會(huì )箝制在3．3 V。