【低壓供電線路的微機保護裝置的設計11000字（論文）】

低壓供電線路的微機保護裝置的設計目錄TOC\o"1-3"\h\u163301緒論 69071.1研究背景及意義 687631.2微機保護的研究概況 7225931.2.1國外研究概況 7205081.2.2國內研究概況 8271881.3微機保護的要求及發(fā)展趨勢 9267871.3.1微機保護的要求 9210261.3.2微機保護的發(fā)展趨勢 10180292低壓線路微機保護的原理與系統(tǒng)架構 11311472.1低壓線路微機保護的基本原理 1121172.1.1三段式電流保護 1165042.1.2零序電流保護 12198012.1.3低壓減載 13248082.2低壓線路微機保護的算法原理 14101843設計方案 16244263.1總體設計方案 1684343.2硬件設計 16152393.2.1電壓形成電路 16176463.2.2保護單元 17310313.2.3測量單元 1859063.3軟件設計 18186333.3.1計算方法 1880623.3.2流程圖 19283574實驗測試 21496參考文獻 241緒論1.1研究背景及意義電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、輸變電設備、配電設備和用電設備四大環(huán)節(jié)組成的。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，用電量越來越大，電力系統(tǒng)也在飛速的發(fā)展。由于電力系統(tǒng)覆蓋地域遼闊，運行環(huán)境復雜，以及各種人為因素的影響，故障的發(fā)生是不可避免的。如果故障得不到及時有效的控制，將可能會給電力系統(tǒng)造成不可估量的后果。因此，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運行是一個亟待解決的課題。微機保護測控裝置可以有效的預防和減少可能存在的故障，是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要裝置之一。20世紀60年代，人們就開始對電力系統(tǒng)的可靠性進行研究。電力系統(tǒng)通過配電網(wǎng)對電能進行分配，因此配電網(wǎng)與人們的生活息息相關。起初，人們對電力系統(tǒng)可靠性評估的重點在于發(fā)電設備和輸電設備，而配電系統(tǒng)的可靠性研究尚未受到應有的重視。從70年代開始，特別是進入90年代以來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于供電質量的要求越來越高，配電網(wǎng)的可靠性越來越受到人們的關注。電能的最大特點是不能儲存，如果配電網(wǎng)出現(xiàn)故障，將造成停電，給用戶帶來不便?？煽繑?shù)據(jù)顯示，80%以上的用戶停電事故是由于配電線路出現(xiàn)故障而造成的。10kV配電系統(tǒng)相當復雜，且與人們的日常生活聯(lián)系比較密切，比如居民生活及工作用電、企業(yè)用電等，故障也頻頻發(fā)生。目前，常見的主要故障有短路、過負荷、低壓等。以短路故障為例，當配電網(wǎng)的某處因為外部或者內部的原因發(fā)生短路時，線路阻抗會降低，電流會大幅升高，如不能得到及時有效的處理，短路電流的熱效應和電動力效應就會造成電力設備或線路的損壞，還可能破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，造成嚴重的后果。目前我國的10kV配電網(wǎng)體系在不斷發(fā)展和完善，配電網(wǎng)的可靠性也在不斷的提高，但是與發(fā)達國家相比，還是有很大的差距。結合我們國家的具體情況，我國定義了一些配電網(wǎng)可靠性的基本指標。如下：供電可靠率：在有效統(tǒng)計時間內，對用戶有效供電時間總小時數(shù)占統(tǒng)計時間小時數(shù)的比重，記作RS-1。據(jù)資料顯示，2009年我國城鎮(zhèn)地區(qū)的10kV配電用戶年平均停電時間為9小時7分鐘，RS-1為99.896%；2010年我國城市用戶年平均停電時間為6.722小時，RS-為99.923%。而歐美、日本等一些發(fā)達國家城市的供電可靠率在20世紀80年代就已經(jīng)達到了99.99%。由此可見，我國配電網(wǎng)可靠性提高之路還很長。提高配電線路供電可靠性最重要的措施是在線路上加裝相應的微機保護裝置。微機保護測控裝置屬于電力系統(tǒng)二次設備的一種，是指以微處理器、微型機等作為硬件核心器件和相應的軟件（程序）組成，來實現(xiàn)測量、保護、控制、數(shù)據(jù)通信一體化等復雜功能的繼電保護裝置。它具有高可靠性，高選擇性，高靈敏度，在電力系統(tǒng)中受到應用廣泛。線路微機保護測控裝置可以反映電力系統(tǒng)故障和不正常運行狀態(tài)，并及時有效的切除線路故障。因此，為了確保10kV配電網(wǎng)的正常運行，提高其供電可靠性，必須正確地設置相應的微機保護裝置。1.2微機保護的研究概況微機保護測控裝置始于繼電保護裝置，1890年，首次出現(xiàn)了電磁型過電流繼電器。19世紀初，繼電器開始廣泛用于電力系統(tǒng)的保護領域，這被認為是繼電保護技術發(fā)展的開端。在經(jīng)歷了機電型、整流型、晶體管型、集成電路型等四個階段的發(fā)展后，達到現(xiàn)在的微機保護階段。1.2.1國外研究概況國外繼電保護領域的研究起步較早。20世紀60年代，有些學者就提出了用小型計算機來實現(xiàn)電力系統(tǒng)繼電保護的設想，但當時受到一些硬件條件和技術條件的限制，主要對微機保護的硬件結構設計和算法展開了大量的研究。到了20世紀70年代，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應用，使得微處理器體積縮小，價格大幅降低，運算速度及可靠性大大提高，對微機保護的研究進入高潮期。美國首先研制成功了線路微機保護裝置的樣機，并運行于電力系統(tǒng)中，它具備了微機保護的基本組成部分，可以實現(xiàn)保護的基本功能。上世紀90年代初以來，微機保護測控裝置的硬件技術和軟件技術隨著計算機技術的迅速發(fā)展，不斷完善，趨于成熟。迄今為止，英國、美國、德國、日本等國家已經(jīng)研究出了不同系列多種功能的微機保護測控裝置，并在很多國家得到了廣泛的應用。國外的微機保護測控裝置雖然種類多、功能強，但是操作性復雜，且價格昂貴。國外的產(chǎn)品在測量和保護是用同一組電流互感器（CurrentTransformer，簡稱CT），在我國電力系統(tǒng)中，要求測量用CT和保護用CT分開，能測量在一次額定電流下運行的最大誤差和在大電流下能夠準確反應實際運行的狀況，且我國的配電網(wǎng)有中性點不接地的顯著特征，所以，我國的配電自動化系統(tǒng)不能無縫連接國外的設備，必須根據(jù)我國配電網(wǎng)的實際情況設計自己的裝置。1.2.2國內研究概況我國的微機保護研究始于20世紀70年代末期，第一套微機保護測控裝置在80年代初期研發(fā)成功，并投入運行。進過十年的發(fā)展，到80年代末，90年代初期，我國已經(jīng)在線路微機保護領域有一定的成果，達到了實用階段。高校和科研院在微機保護的研究中起到了先導作用，華中科技大學、華北電力大學、天津大學、東南大學、西安交通大學、上海交通大學，重慶大學、南京電力自動化研究院等都相繼研制出了不同系列，不同型號的微機保護測控裝置。另外，國內的一些企業(yè)，比如許繼集團、國電南瑞、南京南自、北京四方、東方電子等也研發(fā)出了自己的微機保護產(chǎn)品，并投入市場。從大體上來講，國內微機保護裝置的發(fā)展從硬件上可分為四個階段：第一階段：單個8位單片機的中央處理器（CentralProcessingUnit,簡稱CPU）結構。第一代微機保護測控裝置以8位的微處理器MC6809為CPU，其功能有限，需要擴展大量地外部硬件電路，存儲容量較小，不易修改和維護，不具備遠距離數(shù)據(jù)傳送通信功能，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)速度低，精度差。由于是單個CPU結構，結構和功能比較單一，可靠性低。第二階段：多個8位單片機CPU結構。以多個8位CPU組成的微機保護裝置在第一代產(chǎn)品的基礎上進行了升級，不需要擴展大量的外部硬件電路，并模塊化。升級后的產(chǎn)品具備自檢、互檢、故障定位等功能，在硬件的抗干擾、防拒動、防誤動等方面趨于完善，還增加了串口通信。在數(shù)據(jù)采集方面，應用電壓頻率轉換的計數(shù)式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)采集的速度和精度有了很大的提高。多單片機系統(tǒng)使故障處理時間大大減少，增加了裝置的可靠性。第三階段：16位或者32位單片機結構。隨著微處理器的集成度越來越高，其內部資源越來越豐富，有多種外圍設備，無需外部擴展存儲器，有更加完善的通信功能，抗干擾能力進一步加強。第四階段：16位或者32位單片機+32位數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor，簡稱DSP）的多CPU結構。這是目前應用最多的設計方案，將系統(tǒng)模塊化，DSP用作核心CPU，來完成保護功能、保護算法和邏輯判斷，單片機主要用來作為通信及人機交互功能的CPU。這種結構利用DSP高速數(shù)據(jù)處理的能力，加速對故障的判斷，使系統(tǒng)的反應速度更加迅速，運行更加穩(wěn)定。DSP技術就是利用數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號進行采集、分析、變換、綜合、識別等的一個加工過程，目的在于從眾多的信號中提取出有效的信息，并便于高效的利用。DSP技術是目前在數(shù)字信號處理領域應用最廣泛的技術之一，DSP技術的出現(xiàn)，使微機保護技術的發(fā)展有了很大提高，其豐富的內嵌資源方便的實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，強大的運算能力以及高速度、高精度的計算為保護算法的實現(xiàn)提供了硬件支持，使得微機保護測控裝置的性能得到不斷的提升。1.3微機保護的要求及發(fā)展趨勢1.3.1微機保護的要求電力系統(tǒng)配電線路通過斷路器與變電站母線相連，為了保證能夠徹底切除故障線路，每臺斷路器都要裝有微機保護測控裝置，并且根據(jù)線路運行狀況設置相應的保護。當線路發(fā)生故障時，微機保護測控裝置向繼電器發(fā)出開關量輸出信號，實現(xiàn)斷路器跳閘動作，快速切除線路故障部分，從而不影響其余部分的正常運行。微機保護控制斷路器的分合閘動作，在技術上應該滿足四個基本要求：1.可靠性可靠性包括安全性和信賴性，是要求微機保護裝置在保護范圍內應能正確地控制繼電器動作，不拒動，保護范圍外不誤動。不拒動和不誤動在可靠性設計上是相互矛盾的，因此，要根據(jù)實際情況設置微機保護的動作來平衡兩者之間的邏輯關系，提高可靠性。速動性由于線路故障大部分為短路故障，會有大電流發(fā)生，迅速動作于繼電器，以最短的時間切斷故障線路，縮小事故范圍，對電力系統(tǒng)的安全運行有很重要的意義。這里對一般故障的保護動作時間要求為60ms~120ms，最快的可達20ms~40ms。靈敏性根據(jù)GB14285-1993《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》，保護動作的靈敏系數(shù)在1.2~2之間，這要求微機保護測控裝置要對保護范圍內的任何故障都有敏銳的感應能力，并做出正確的判斷。選擇性在保護范圍內發(fā)生故障時，利用相鄰保護原件元件的配合和保護動作設置，只選擇切除故障線路，非故障線路正常運行。若保護裝置拒動，仍要保證在停電范圍最小的原則下切出故障。1.3.2微機保護的發(fā)展趨勢隨著技術的發(fā)展，線路微機保護裝置不僅越來越小型化，而且還大量引入了高集成電子技術、計算機技術、通信網(wǎng)絡技術，使裝置的自動化程度越來越高。它的發(fā)展趨勢如下幾點：通信網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，使微機保護系統(tǒng)網(wǎng)絡化，系統(tǒng)內部能共享全系統(tǒng)運行和故障信息的數(shù)據(jù)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；（2）隨著技術的發(fā)展，微機保護系統(tǒng)功能會越來越完善，能自動的完成測量、控制、保護、數(shù)據(jù)通信等功能；（3）隨著電力系統(tǒng)自動化技術的發(fā)展，人工智能技術如神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊邏輯等被大量的應用于電力系統(tǒng)中，使裝置向智能化發(fā)展。本文針對低壓配電線路的特點，借鑒國內外微機保護的發(fā)展歷史經(jīng)驗，結合微機保護測控裝置網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化和智能化的發(fā)展趨勢，利用DSP技術設計開發(fā)低壓線路微機保護測控裝置，以實現(xiàn)控制、保護、測量和數(shù)據(jù)通信等功能的一體化，使線路微機保護測控裝置成為電力系統(tǒng)的一個智能終端。2低壓線路微機保護的原理與系統(tǒng)架構2.1低壓線路微機保護的基本原理低壓等級的配電線路是不接地或小電流接地系統(tǒng)，通常相電流保護配置為三段式電流保護，接地短路電流保護配置為零序電流保護，一般還配置低周減載、低壓減載、過負荷保護、自動重合閘、PT斷線保護等。在微機保護中，為了實現(xiàn)最好的保護效果，根據(jù)實際情況達到不同的保護要求，裝置不再固定于某一種保護動作原理，而是充分利用各種保護原理的優(yōu)點進行不同保護原理的組合。為防止由于出現(xiàn)拒動和誤動而給系統(tǒng)造成巨大危害，就要對微機保護裝置的可靠性、速動性、靈敏性和選擇性提出很高的要求。但同時，這四種特性又是相互矛盾的。為了在各種復雜的環(huán)境下保證系統(tǒng)及時、正確的動作，保護原理方案的設計就顯得尤為重要。2.1.1三段式電流保護電力系統(tǒng)在運行時，線路上相與相之間或相與地之間可能會發(fā)生短路等故障，伴隨著故障，會有相電流的增大和相電壓的降低。根據(jù)這一特征，當確定故障線路上的電流大于某一“定值”或保護安裝處母線電壓小于某一個“定值”時，保護將跳開故障線路上的斷路器而將故障切除，“定值”就是電流、電壓保護的整定值，它是電流保護動作的最小電流和電壓保護動作的最大電壓。根據(jù)電流整定值選取的原則和保護的時限，電流保護可分為無時限電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限電流速斷保護，統(tǒng)稱為三段式電流保護。通常，無時限電流速斷保護一般不帶時限，稱為Ⅰ段，限時電流速斷保護有較小時限，為Ⅱ段，定時限過電流速斷保護時限較長，稱為Ⅲ段。Ⅰ、Ⅱ段為三段式電流保護的主保護，第Ⅲ段為后備保護段。無時限電流速斷保護（Ⅰ段）反應電流增加時不帶時限動作的電流保護稱為無時限電流速斷保護。為實現(xiàn)微機保護速動性的特點，且要保證可靠性和選擇性要求，在線路保護范圍內發(fā)生短路故障時迅速動作，在盡可能短的時間里切除線路故障。圖2-1單側電源網(wǎng)絡相間短路的無時限電流速斷保護工作原理圖2-1為單側電源網(wǎng)絡中線路所裝的電流保護。A、B、C配電線路母線，QF為電源側的斷路器，P為相應設置的無時限電流速斷保護。若k1點處發(fā)生三相短路，則線路上的短路電流為（2-1）由式2-1可知，當系統(tǒng)等效電源一定時，流過保護的短路電流與短路點到保護安裝處的阻抗、背阻抗及短路類型有關。1為最大運行方式下的電流曲線，即當系統(tǒng)阻抗最小時，流經(jīng)被保護元件短路電流最大。2為最小運行方式時電流曲線，即系統(tǒng)阻抗最大時，流經(jīng)被保護元件短路電流最小。當短路點離保護安裝處越近，系統(tǒng)阻抗越小，在同一種運行方式下的短路電流越大。在實現(xiàn)裝置速動性的同時，為保證其可靠性與選擇性，我們要從保護裝置啟動參數(shù)的整定上保證當某一線路短路時，本線路保護裝置啟動，下一條線路出口處保護裝置不啟動。在微機保護技術中，這被稱為按躲過下一條線路的出口處的條件整定。2.1.2零序電流保護低壓線路屬于中性點不直接接地系統(tǒng)，線路在正常運行的情況下，A、B、C三相的相電壓Ua、Ub、Uc相互對稱，三相相電壓之和為零，即為中性點零序電壓U0。三相都有相同的對地電容，在相電壓的作用下，A、B、C三相都有超前于相電壓90o的電容電流Ia、Ib、Ic流入地中，三相電流之和也為零，即零序電流I0。若線路發(fā)生C相單相接地時，如圖2-2所示，此時，Uc=0V，Ic=0A，A、B兩相正常，線路的相電壓和相電流不再對稱，就會產(chǎn)生零序電壓和零序電流。由于發(fā)生單相接地短路故障時，線電壓與負荷電流依然對稱，故障線路可以暫時正常運行一段時間而不被切除，這也是中性點不直接接地系統(tǒng)的優(yōu)點。圖2-2中性點不直接接地系統(tǒng)單相接地故障情況本論文中，對于低壓中性點不直接接地系統(tǒng)保護來說，采用零序方向過流保護，當發(fā)生單相接地短路故障后，保護啟動電流為按照非故障線路零序電流值來整定，動作于跳閘和告警，方向元件可獨立投退，從而實現(xiàn)零序電流保護。零序電流保護邏輯如圖2-3所示：圖2-3零序電流保護邏輯2.1.3低壓減載低壓減載類似于低周減載，不同的是監(jiān)測的對象不同，低壓減載針對的是線路上的電壓。電力系統(tǒng)有時會發(fā)生有功和無功功率同時缺額的情況，當系統(tǒng)無功功率缺額時，會帶來系統(tǒng)電壓的降低，從而使總有功功率的負荷降低[14]，這時，系統(tǒng)頻率可能變化不大。為了使系統(tǒng)功率恢復平衡，電壓恢復正常，就要切除部分不重要的運行負荷，因此，除了設置低周減載，還要設置低壓減載。低壓減載的保護動作啟動條件為：合位繼電器判據(jù)；（2）和可投退的無流閉鎖環(huán)節(jié)，原理同低周減載；（3）三相線電壓均小于低壓減載電壓定值；（4）為防止PT斷線而引起的誤動，三相線電壓大于20V；（5）滿足延時要求。周壓載保護邏輯如圖2-4所示：圖2-4低壓減載邏輯圖2.2低壓線路微機保護的算法原理微機保護的算法是利用有效的數(shù)學運算思想，在一定精度的要求下，盡量快速的得到計算結果的邏輯。本設計中PT、CT輸出的電壓、電流信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)量化、數(shù)字濾波處理，再輸入DSP進行數(shù)字信號處理，并對處理結果進行分析、判斷，進而通過保護動作判據(jù)或動作方程以決定是否發(fā)出跳閘命令或故障信號，從而實現(xiàn)各種微機保護功能。保護算法可分為兩大類：一類是測量算法，用來計算保護所需要的各種電氣量值，如低壓線路電壓有效值、電流有效值、頻率、功率、功率因數(shù)、電度等，測量數(shù)據(jù)對計算精度的要求非常高，本設計采用ATT7022B多功能三相電能專用計量芯片對測量數(shù)據(jù)進行采集；另一類是保護算法，其與微機保護具體功能的實現(xiàn)有密切的相關性，保護算法對計算的速度有很高的要求。由于本設計中采用ATT7022B多功能三相電能專用計量芯片對線路數(shù)據(jù)進行測量，其內部集成有專門的數(shù)字處理器，針對不同的測量數(shù)據(jù)有專門的算法。因此，關于測量算法的內容不再介紹，這里只對常用的保護算法進行介紹。從理想的情況出發(fā)，即電壓電流是純正弦變化的，以電壓為例：正弦信號為：式中，Um、——分別為正弦電壓的幅值、相位。設正弦信號的周期為T，每周期采樣數(shù)為N，Ts為采樣時間間隔，則有：但實際情況下，當線路發(fā)生故障時，電路中電壓和電流會發(fā)生變化，其不是純正弦量。電壓電流函數(shù)是在基波分量的基礎上，疊加有衰減的非周期分量、整數(shù)倍頻周期分量、非整數(shù)倍頻周期分量和其他干擾信號。電壓電流f(t)的解析式為：保護算法將連續(xù)的電流、電壓信號經(jīng)過離散采樣，從中提取出需要的基波或某次諧波分量，濾除其他的周期、非周期以及衰減直流分量，經(jīng)模數(shù)轉換成為能被計算機識別、處理的數(shù)字量，再求出能表征線路運行特點的電流、電壓有效值、相位及阻抗等物理量，最終經(jīng)分析、判斷得出結果，并將結果用于保護動作。本文設計的低壓線路保護測控裝置采用交流采樣方法，目前，用于配電線路微機保護的交流采樣方法主要有三類：基于標準正弦波模型的交流采樣算法、基于隨機函數(shù)模型的交流采樣算法、基于周期函數(shù)模型的交流采樣算法。3設計方案3.1總體設計方案傳統(tǒng)模擬式繼電器結構簡單，測量、整定誤差較大，操作煩瑣，不便于安裝在對保護動作可靠性要求較高的線路上。雖然微機繼電保護裝置有很多優(yōu)點，但其價格偏高，使其應用范圍受到限制。這是因為現(xiàn)在的微機繼電保護裝置控制器都是采用運算速度快、高性能的單DSP或者單ARM，其價格昂貴；模擬量采集單元用外置高準確度的ADC芯片，造成外圍電路設計復雜；由于采用單處理器結構，使得編寫和調試軟件程序比較繁瑣。而本裝置采用多單片機結構，每個單片機執(zhí)行某一項功能，通過SPI總線互連單片機，利用單片機片上系統(tǒng)自帶的ADC實現(xiàn)模擬量采集功能。與傳統(tǒng)模擬式繼電器和微機繼電保護裝置相比，本裝置結構簡單，器件利用率高，可以很好地保護用戶用電安全，同時計量準確度也達到相應標準。低壓配電線路保護裝置結構框圖如圖1所示，由電網(wǎng)模型單元、電壓形成電路、保護單元、測量單元和人機接口單元組成。其中，C8051F021作為保護單元控制器計算故障電流；ATT7022EU作為測量單元計量芯片實時測量電網(wǎng)中電參量；STC15L2K60S2作為人機接口單元控制器實現(xiàn)參數(shù)輸入、電參量顯示功能。圖3.1結構框圖3.2硬件設計3.2.1電壓形成電路將電網(wǎng)中的高電壓、大電流信號轉換為小電壓的方法有兩種：一種是互感器隔離法；另一種是電阻取樣法。其中，電阻取樣法所需電路簡單，但不具備將高壓與低壓側信號隔離的功能，很容易因高壓側過電壓而造成控制電路損壞。因此，本文采用互感器隔離法，將電網(wǎng)中高電壓、大電流信號經(jīng)過一次TV、TA和數(shù)據(jù)采集板上的二次小TV、TA變換后，再通過信號調理電路傳至ADC中。圖3-2為本裝置的模擬量采集電路，保護單元與測量單元共用一個微型電流互感器（二次小TA）。選用型號為元星電子生產(chǎn)的TA22B11，其額定輸入電流為5～80A，匝比為2000∶1。其中，測量用微型電流互感器額定電流為5A，而保護用微型電流互感器選取的額定準確限制一次電流一般為8倍的額定電流，則保護用微型電流互感器的額定準確限制一次電流為40A。因此，所選的微型電流互感器能夠滿足保護和測量的要求。微型電壓互感器（二次小TV）選用型號為元星電子生產(chǎn)的TV31B，其輸入/輸出額定電流為2/2mA，互感器一次側需要串入110kΩ（1W）的限流電阻。圖3.2模擬量采集電路3.2.2保護單元保護單元模塊控制器選用SiliconLabs公司生產(chǎn)的C8051F021單片機，該單片機有以下優(yōu)點。C8051F021的ADC包括9通道的可編程模擬多路選擇器，可編程增益放大器，100KS/s、12bit分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，其可編程模擬多路選擇器可以配置為單端輸入或者差分輸入。2）C8051F021使用SiliconLabs的專利CIP－51微控制器內核，與標準的MCS－51指令集完全兼容。CIP－51采用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。3）C8051F021內部含有64KB可在系統(tǒng)編程的Flash程序存儲器和（4096＋256）B的數(shù)據(jù)存儲器。硬件實現(xiàn)SPI接口，利用SPI總線不僅可以縮短數(shù)據(jù)交換時間，還能提高數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定性。其中，速度和準確度是選擇ADC的關鍵因數(shù)，本裝置單相ADC的速度為600S/s，三相的速度即為1800S/s，速度上滿足要求。因為額定準確限制一次電流為40A對應單片機ADC的最大值為0x07FF，通過計算得最小分辨率為0.019A，因此在準確度方面滿足本裝置保護和測量的要求。3.2.3測量單元電能表的計量芯片按原理結構分為兩種：①模擬型乘法器；②數(shù)字型乘法器。前一種主要分為時分割和吉爾波特變跨導乘法器兩類，后一種則根據(jù)ADC變換原理不同分成雙積分型數(shù)字乘法器、逐次比較型數(shù)字乘法器和Σ－Δ型數(shù)字乘法器。其中，Σ－Δ型數(shù)字乘法器電能計量芯片因計算其準確度高、轉換速度快而占據(jù)了較大的市場份額。因此，本文選用鉅泉光電公司的一款高準確度三相電能專用計量芯片ATT7022EU。內置六路二階Σ－Δ轉換器，能夠計量有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓的有效值。在輸入動態(tài)工作范圍為1000∶1時，其非線性測量誤差小于0.1%，同時，本芯片為單＋3.3V供電，并且具有SPI接口，方便與外部MCU通信。3.2.4人機接口單元控制器選用宏晶公司生產(chǎn)的STC15L2K60S2型單片機，其內部含有60KBFlash程序存儲器和2048B數(shù)據(jù)存儲器，指令系統(tǒng)與標準的MCS－51指令兼容；集成SPI硬件電路，在主模式下速度可以達到3MB/s；片內含有1KB的E2PROM，方便保存設置的參數(shù)。3.3軟件設計3.3.1計算方法低壓配電線路保護裝置在得到模數(shù)變換后的電流、電壓量數(shù)據(jù)后，需要利用繼電保護算法，進一步計算其幅值，將得到的實時值與E2PROM中保存的整定值進行比較，從而判斷是否發(fā)生故障。而繼電保護算法有很多種，如基于準確正弦模型算法、基于非正弦周期模型算法、隨機函數(shù)模型算法和小波分析算法等。其中，在微機繼電保護中傅里葉算法作為計算電壓、電流信號幅值被廣泛采用，計算公式中，an(m)、bn(m)分別為第n次諧波分量在t＝mTs采樣時刻計算的正、余弦項的幅值；x(i＋m－N)為t＝(i＋m－N)Ts時刻的采樣值；N為每周期采樣點數(shù)；Ts＝2π/N為采樣間隔。衰減的非周期直流分量對傅里葉算法影響較大，因此在基于文獻介紹的傅里葉算法基礎上，通過增加改進的差分算法，式中，h為常數(shù)，與直流分量的衰減常數(shù)有關。根據(jù)式（3）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。如圖3.3所示，與傅里葉算法相比，采用改進差分傅里葉算法后其有效值擺動幅度減小，且有效值趨于穩(wěn)定的時間也大大縮短。圖3.3Matlab算法仿真圖3.3.2流程圖本低壓配電線路保護裝置的軟件設計流程圖分為保護流程圖和監(jiān)控流程圖兩部分，如圖3.4所示，C8051F021執(zhí)行本裝置的保護功能，STC15L2K60S2執(zhí)行本裝置的監(jiān)控功能。圖3.4系統(tǒng)流程圖保護系統(tǒng)流程圖如圖3.4a所示，裝置上電或復位后進行系統(tǒng)初始化，然后進行硬件自檢，自檢通過后進行電流數(shù)據(jù)采集，利用改進差分傅里葉算法快速、準確地計算電網(wǎng)實時值，并將實時值與整定值進行比較，如果檢測到故障則驅動繼電器跳閘并發(fā)出警報。監(jiān)控系統(tǒng)流程圖如圖3.4b所示，裝置上電或復位后進行系統(tǒng)初始化，然后進行硬件自檢，自檢通過后進行報警標志位判斷、設置整定值等系統(tǒng)參數(shù)及顯示三相交流電氣量。保護和監(jiān)控軟件設計采取程序結構化、功能模塊化、設置軟件陷阱和冗余設計來提高裝置的抗干擾的能力。4實驗測試本文對設計的低壓配電線路保護裝置的速斷動作值、動作時間、電壓、電流和有功功率進行試驗測試。按照《繼電保護及其自動化裝置基本試驗方法》的規(guī)定，在電流整定值為5A的情況下測量5組電流動作值、保護動作時間，所得數(shù)據(jù)如表4.1所示。表4.1繼電保護特性動作測試序號12345Ave.Iact/A5.0085.0535.0575.0384.9945.03Tact/ms25.447.226.549.147.639.16I′act/A5.0085.0394.9945.0534.9915.017T′act/ms503.1502.6511.5495.6484.5499.4表4.1中，Iact為瞬時動作值；Tact為瞬時動作時間；I′act為500ms限時動作值；T′act為500ms限時動作時間。由表4.1中瞬時動作值、瞬時動作時間可知，其動作平均誤差為0.6%，動作特性滿足國家標準。同時，陜西銀河網(wǎng)電科技有限公司YH3000變電站綜合自動化系統(tǒng)微機保護裝置技術說明書指出定值準確度：電流保護固有動作時間小于50ms。而由表4.1可知，瞬時電流速斷平均動作時間為40ms左右，在考慮避雷器放電時間情況下，滿足保護測控裝置的基本要求。且《電子式時間繼電器校準規(guī)范》計量特性指出其最大允許誤差為±155ms，由表4.1中500ms限時動作值、限時動作時間可知，保護動作時間滿足規(guī)定的最大允許誤差，且其動作特性滿足國家標準。同時，依據(jù)《多功能電能表》規(guī)定，低壓配電線路保護裝置監(jiān)測電壓、電流誤差不大于0.1%，有功測量滿足0.2s級。如表4.2所示，表4.2中的電壓、電流和有功功率測量數(shù)據(jù)說明該裝置滿足行業(yè)標準。且本低壓線路綜合保護裝置監(jiān)控系統(tǒng)性能指標比陜西銀河網(wǎng)電科技有限公司YH3211線路保護測控裝置（電流、電壓誤差和有功誤差均不大于0.5%）高出一個等級。表4.2電壓、電流和有功功率測量數(shù)據(jù)實際電壓/V測量電壓/V電壓相對誤差（%）8080.060.075100100.020.02120119.980.016實際電流/A測量電流/A電流相對誤差（%）44.0010.02555.0020.0465.9990.016實際功率/W測量功率/W功率相對誤差（%）320320.040.013500500.020.004720719.80.0275結束語本文根據(jù)線路微機保護的發(fā)展與現(xiàn)狀，結合目前配電網(wǎng)存在的問題，在符合發(fā)展趨勢的情況下，設計了基于浮點DSP芯片TMS320F28335的10kV線路微機保護測控裝置。本文提出了設計的框架結構、裝置要實現(xiàn)的功能，利用模塊化的設計思想，有針對性的進行了軟硬件方案的設計，提高裝置的可靠性與可維護性。主要成果如下：對微機保護的基本原理進行了深入了的研究，確定要實現(xiàn)的保護功能，包括三段式電流保護、零序電流保護、低周減載、低壓減載、過負荷保護、PT斷線保護以及自動重合閘等，確保保護功能的完善和設計的合理性。結合需要計算的電壓、電流、頻率、功率等相關保護數(shù)據(jù)的要求，列舉了幾種基于不同模型的采樣算法，通過對它們優(yōu)缺點的比較，確定最優(yōu)算法，使控制器可以快速、精確地對參數(shù)的進行計算、處理。（2）硬件方面，保護模塊完成了以浮點型DSP芯片作為硬件核心的電路原理圖的設計及PCB板的制作，實現(xiàn)了信號采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、保護動作等功能，實現(xiàn)微機保護的速動性、可靠性、靈敏性及選擇性要求；計量模塊完成了采用多功能防竊電基波諧波三相電能專用計量芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量，并確保了測量數(shù)據(jù)的精度；通信、人機界面等功能采用單片機來完成，通信方面完成了裝置與后臺監(jiān)控處理中心之間的以太網(wǎng)通信，并預留RS485串口以作備用，人機界面完成了液晶顯示裝置的設計，并能良好的顯示裝置工作狀態(tài)及線路的運行情況，還可以使用按鍵來對保護方式、參數(shù)等進行設置。（3）軟件方面，同樣利用模塊化的思想完成了裝置軟件