2020年12月25日 | 基于MSP430F1611单片机实现多功能电路保护装置的设计

电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入了新的活力。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。从20世纪90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。

电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其他保护、控制装置和调度联网，以共享全系统数据、信息和网络资源的能力、高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。

计算机网络可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。本文以 MSP430F1611单片机为基础，通过采集配电网的电流、电压以及开关的状态；对配电网实现保护，其内容包括电流速断保护、三段式过流保护、反时限保护、零序保护和带后加速的三相一次重合闸，并且利用串口总线实现与测量模块、人机界面模块的通信。

1 硬件部分

1．1 概述

微机保护的硬件由数据采集系统、CPU主系统、开关量输入输出系统等组成。整体原理图如图1所示。通常整套硬件是用单独的专用机箱组装的。

1．2 数据采集系统硬件组成

数据采集系统又称模拟量输入系统，它的作用是将互感器次侧输出的电压、电流等模拟量经过隔离、采样、A／D转换等步骤转化为计算机能接受与识别的数字量，然后经过CPU主系统进行数据处理与运算，开关量输出输入系统的作用主要是输出跳闸、信号等信息。本文的装置共有8路数据采集输入，其中的一路见图2。该系统中，共有3个部分组成：互感器与变换器、低通有源滤波器、限压电路。

互感器与变换器分别包括电流和电压。互感器的作用是采集母线上的电流和电压，并将其转换成单片机可接受的电流和电压值。这里选择CS-TA1型互感器，一般将二次侧的电流值变为5 A。另外，由于要求实现零序保护，将B相的电流互感器设定为零序互感器。电流变换器是将互感器的二次侧电流再一次变换。MSP430F1611所接收的电压最大值为3．3 V，但作为保护电路，要考虑到瞬时脉冲电流的最大值可能远大于平均值，所以设计的电路可以使单片机承受正常电流20倍以上的冲击。

电网上采集的电流电压有高次谐波，不利于软件求出电流平均值，因此要加入低通有源滤波器，见图3。

图3中，Vo：Vi=1+R7／R6，可以选R*00 Ω，R，=240 Ω。该有源滤波器的特征频率叫ωn=1／（RC）。对于工频为50 Hz的交流电，采样频率f=600 Hz。根据香农采样定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以达到滤波的功能。另外，滤波器的地与单片机的地是一致的。

由于MSP430F1611的容许电压是3．3 V，而电网电流可能产生瞬时脉动而造成单片机的烧毁，因而要有一限压电路。如图4所示。

图4中，因二极管的存在，输入A／D转换器的电压被限制在3．3 V以下。同时两个电阻产生分压效果。当电压过高，会使二极管导通，输入A／D转换器的电压会箝制在3．3 V。

1．3 CPU

MSP430系列单片机是由美国德州仪器设计开发的。这是一种具有超低功耗特性、功能强大的单片机。它具有处理能力强，运行速度快，功耗低等优点。具体介绍参考文献。

1．4 开关量输入／输出系统硬件组成

对微机保护装置的开关量输入／输出，即接点状态的输入／输出可以分为两类：安装在装置面版上的接点；从装置外部经过端子排引入装置的接点。

保护模块不仅要有保护装置，还要与测量显示模块实现异步通信。要从测量显示模块得到设定值及从自身得到闸刀的开关状态，必须要有开关量的输入输出。从其他模块得到的开关量直接接在P3口上，而自身得到的开关量需要有开关量输入电路。

1．4．1 开关量输入电路

图5中，开关量经过光电隔离后与CPU相连。其中，当输人端为高电平时，输出端为低电平。

1．4．2 开关量输出电路

开关量输出电路是跳闸合闸信号的通道，低电平有效，如图6所示。

2 软件部分

微机保护的软件由初始化模块、数据采集模块、故障计算模块、故障检出模块、数字滤波模块及自检模块等组成。其核心部分是故障计算模块和故障检出模块，这些模块是根据所需保护的保护算法用高级语言编写的。

2．1 主要技术指标

2．1．1 电流速断保护

电流速断保护指当电流超过一定值，闸刀立即断开。这个一定值Idz1由用户自行设定。用户在显示模块中设定后，通过异步通信传输到保护模块中。由于是计算机控制，所谓的立即断开是指经过连续数次采样，每次采样值都在设定值之上，CPU输出跳闸信号。这里采用6次采样后跳闸。

互感器与变换器分别包括电流和电压。互感器的作用是采集母线上的电流和电压，并将其转换成单片机可接受的电流和电压值。这里选择CS-TA1型互感器，一般将二次侧的电流值变为5 A。另外，由于要求实现零序保护，将B相的电流互感器设定为零序互感器。电流变换器是将互感器的二次侧电流再一次变换。MSP430F1611所接收的电压最大值为3．3 V，但作为保护电路，要考虑到瞬时脉冲电流的最大值可能远大于平均值，所以设计的电路可以使单片机承受正常电流20倍以上的冲击。

电网上采集的电流电压有高次谐波，不利于软件求出电流平均值，因此要加入低通有源滤波器，见图3。

图3中，Vo：Vi=1+R7／R6，可以选R*00 Ω，R，=240 Ω。该有源滤波器的特征频率叫ωn=1／（RC）。对于工频为50 Hz的交流电，采样频率f=600 Hz。根据香农采样定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以达到滤波的功能。另外，滤波器的地与单片机的地是一致的。

由于MSP430F1611的容许电压是3．3 V，而电网电流可能产生瞬时脉动而造成单片机的烧毁，因而要有一限压电路。如图4所示。

图4中，因二极管的存在，输入A／D转换器的电压被限制在3．3 V以下。同时两个电阻产生分压效果。当电压过高，会使二极管导通，输入A／D转换器的电压会箝制在3．3 V。

1．3 CPU

MSP430系列单片机是由美国德州仪器设计开发的。这是一种具有超低功耗特性、功能强大的单片机。它具有处理能力强，运行速度快，功耗低等优点。具体介绍参考文献。

1．4 开关量输入／输出系统硬件组成

对微机保护装置的开关量输入／输出，即接点状态的输入／输出可以分为两类：安装在装置面版上的接点；从装置外部经过端子排引入装置的接点。

保护模块不仅要有保护装置，还要与测量显示模块实现异步通信。要从测量显示模块得到设定值及从自身得到闸刀的开关状态，必须要有开关量的输入输出。从其他模块得到的开关量直接接在P3口上，而自身得到的开关量需要有开关量输入电路。

1．4．1 开关量输入电路

图5中，开关量经过光电隔离后与CPU相连。其中，当输人端为高电平时，输出端为低电平。

1．4．2 开关量输出电路

开关量输出电路是跳闸合闸信号的通道，低电平有效，如图6所示。

2 软件部分

微机保护的软件由初始化模块、数据采集模块、故障计算模块、故障检出模块、数字滤波模块及自检模块等组成。其核心部分是故障计算模块和故障检出模块，这些模块是根据所需保护的保护算法用高级语言编写的。

2．1 主要技术指标

2．1．1 电流速断保护

电流速断保护指当电流超过一定值，闸刀立即断开。这个一定值Idz1由用户自行设定。用户在显示模块中设定后，通过异步通信传输到保护模块中。由于是计算机控制，所谓的立即断开是指经过连续数次采样，每次采样值都在设定值之上，CPU输出跳闸信号。这里采用6次采样后跳闸。

2．1．2 三段式过流保护

三段式过流保护指用户设定三个电流保护值，Idz1，Idz2，Idz3，当电流高过任何一个时都执行调闸，但每个跳闸延时不一样。这里，当测量值高过一段值时进行速断保护，测量值在一段值和二段值之间时，延时跳闸。同样在二段值和三段值之间也进行延时跳闸。两次延时时间tdz2和tdz3不同，且都由用户设定。延时时间的测定在程序中由定时器提供。

2．1．3 反时限保护

反时限保护是动作时间与被保护线路电流大小有关的一种保护，当电流大时保护的动作时限短，而电流小时动作时限长。

2．1．4 零序保护

在大接地电流系统中，零序电流保护是利用中性点直接接地电网中发生接地故障时出现零序电流的特点而构成的。从保护构成情况看，零序电流保护与相间电流保护类似，其主要区别在于零序电流保护的测量元件（电流继电器）接人的电流量性质不同，零序保护的测量元件则接在零序电流滤波器的出口。零序保护的数值 I0dz和时间t0dz由用户设定。

2．1．5 带后加速的三相一次重合闸

自动重合闸的作用是针对电网故障的不同类型起作用的。对于瞬时性故障，断路器断开后再合上，电网就能恢复正常供电。对于永久性故障，即使合上电源，由于故障的存在，线路还要被继电保护再一次断开，因而就不能恢复正常的供电。

带后加速的三相一次重合闸是指在闸刀断开后，经过一段延时，闸刀自动合上，此时若故障在一段时间内仍然存在，就再次断开闸刀，这一次断开后闸刀就不再自动合上。若在一段时间内，测量值未大于设定值，则动作结束，系统正常供电。在软件中，用定时器实现重合延时时间，重合后再检测参数并判断。由用户设定重合时间tch和记忆时间tjy。

2．2 软件流程图

2．2．1 程序流程图

主程序的流程比较简单，如图7所示。主程序作为一个永久循环，不断与测量显示模块实现通信。

2．2．2 中断程序流程图

在编写程序时，可采用一个中断，其中A／D转换，数字滤波及所有的保护都在该中断中。一个中断周期与一个采样周期的时间相同。中断程序流程图如图8所示。

3 结 语

在总结前人对微机保护研究工作的基础上，对微机保护的应用做了深入探讨，设计了一种具有多功能的保护装置，并可靠地应用在10 kV配电网中。