基于單片機(jī)的自供電過電流繼電器的設(shè)計(jì)

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(hù)技術(shù)發(fā)展先后經(jīng)歷了電磁式保護(hù)、晶體管式保護(hù)、集成電路保護(hù)以及現(xiàn)在應(yīng)用很廣的微機(jī)保護(hù)技術(shù)。繼電保護(hù)裝置研究與設(shè)計(jì)是繼電保護(hù)技術(shù)研究的重要課題。

　　現(xiàn)有的數(shù)字繼電保護(hù)裝置大多數(shù)從電壓互感器二次側(cè)或獨(dú)立電源如直流屏獲取工作能量，但是對(duì)于35 kV及以下電壓等級(jí)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(chǎng)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(hù)裝置不能滿足實(shí)際需要。

　　本文結(jié)合開關(guān)電源技術(shù)，以具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力的單片機(jī)作為控制器，設(shè)計(jì)實(shí)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(jiǎn)化了繼電保護(hù)裝置。用本繼電器結(jié)合斷路器可取代負(fù)荷開關(guān)和高壓保險(xiǎn)絲組合，明顯改善線路繼電保護(hù)性能，節(jié)約建設(shè)成本，也可用于有操作電源的場(chǎng)合。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

　　為改變現(xiàn)有繼電保護(hù)裝置供電解決方案，本設(shè)計(jì)方案以單片機(jī)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(shí)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(jì)思路：輸入電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后進(jìn)行A／D采樣，利用單片機(jī)計(jì)算電流有效值參數(shù)及接地電流大小、保護(hù)判別、發(fā)出斷路器控制信號(hào)。遠(yuǎn)方跳閘回路提供在系統(tǒng)正常工作或空載時(shí)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)斷路器跳閘。由于系統(tǒng)需要自供電，遠(yuǎn)方跳閘回路及通信回路均應(yīng)提供系統(tǒng)工作時(shí)所需電源。通信回路保證當(dāng)系統(tǒng)主回路無工作電源時(shí)電路采用手動(dòng)方式由上位機(jī)通過RS485通信電路實(shí)現(xiàn)斷路器跳閘操作，并進(jìn)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(shí)，線路電源從故障電流獲取。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1自供電電路設(shè)計(jì)

由于電網(wǎng)負(fù)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(jì)中要克服以下問題：

　?。?）故障時(shí)一次側(cè)電流是額定值的十幾倍，而在低負(fù)荷時(shí)負(fù)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。

　?。?）驅(qū)動(dòng)跳閘的能量很大，它要求無論在低負(fù)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。

　?。?）故障時(shí)，瞬間能量泄放很大，不能對(duì)電路的工作產(chǎn)生影響，要處理好各級(jí)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(jì)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(hào)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(dòng)調(diào)節(jié)泄放電流的大小，使電路電源穩(wěn)定工作，同時(shí)不會(huì)增加電流互感器的負(fù)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(jì)

　　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(hào)采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、電源監(jiān)控電路、單片機(jī)控制和I／o電路、后備保護(hù)電路、通信電路、斷路器驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路、遠(yuǎn)方跳閘信號(hào)電路等。

電源和電流信號(hào)采集電路主要提供電路工作5 V電源、24 V電源，同時(shí)將電流互感器二次側(cè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，提供信號(hào)調(diào)理回路的電流采樣信號(hào)；信號(hào)調(diào)理電路將根據(jù)前級(jí)電路提供的實(shí)時(shí)表示CT一次側(cè)電流變化的模擬電壓信號(hào)大小由可編程放大器實(shí)時(shí)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(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，保證單片機(jī)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(jì)算并根據(jù)繼電保護(hù)算法和控制邏輯發(fā)出相應(yīng)的控制動(dòng)作信號(hào)，另外，還要完成與上位機(jī)通信、參數(shù)整定輸入；當(dāng)單片機(jī)發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)后備保護(hù)電路，它發(fā)出故障指示信號(hào)，提供后備電流速斷保護(hù)；通信電路完成與上位機(jī)的通信，上位機(jī)可以發(fā)出跳閘命令，查詢跳閘時(shí)三相電流參數(shù)及整定繼電保護(hù)參數(shù)；斷路器驅(qū)動(dòng)電路提供電路瞬間跳閘能量，滿足外接電路對(duì)跳閘能量的需求；遠(yuǎn)方跳閘信號(hào)電路能在三相未接入時(shí)提供電路工作能量同時(shí)執(zhí)行遠(yuǎn)方跳閘命令。

　　3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)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(hù)的軟件設(shè)計(jì)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(shí)器采樣中斷復(fù)位程序和定時(shí)器延時(shí)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(jìn)行初始化設(shè)置和檢測(cè)，例如堆棧指針設(shè)置、串行口、定時(shí)器工作方式的初始化等。進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的初始化，包括計(jì)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(gè)周波）后投入突變量啟動(dòng)元件的計(jì)算。如果開放中斷后就立即投入啟動(dòng)元件，由于洲區(qū)的數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，會(huì)造成啟動(dòng)元件的誤動(dòng)作。在主程序循環(huán)中，根據(jù)采樣已計(jì)算三相電流參數(shù)，計(jì)算電流有效值，調(diào)節(jié)放大器增益；接著進(jìn)入開關(guān)量輸入狀態(tài)監(jiān)測(cè)、串口通信數(shù)據(jù)處理程序，最后進(jìn)入EEPROM保護(hù)定值參數(shù)與隨機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)保護(hù)定值參數(shù)統(tǒng)一性校驗(yàn)程序。

　　3.2 定時(shí)采樣中斷程序設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)定時(shí)器To定時(shí)發(fā)出采樣脈沖，在定時(shí)器T0采樣中斷程序中，首先啟動(dòng)AD通道0采樣后對(duì)前一次采樣值進(jìn)行一階差分濾波，按照傅氏算法計(jì)算電流有效參數(shù)并存儲(chǔ)區(qū)供后續(xù)程序調(diào)用；判斷三相電流突變量差起動(dòng)是否發(fā)生。如果發(fā)生起動(dòng)標(biāo)志加t，否則清零起動(dòng)標(biāo)志。只要連續(xù)三點(diǎn)相電流突變量差變化量大于整定值，則確定第一突變點(diǎn)為故障發(fā)生點(diǎn)并置位故障起動(dòng)標(biāo)志，否則清除故障起動(dòng)標(biāo)志返回主程序。故障起動(dòng)標(biāo)志置位且保護(hù)計(jì)算有出口時(shí)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(jì)

　　在故障處理程序中，實(shí)現(xiàn)限時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、定時(shí)限接地電流保護(hù)等保護(hù)功能的邏輯判斷和故障處理。首先根據(jù)定時(shí)器TO中斷程序計(jì)算的電流有效值參數(shù)計(jì)算三相電流有效值；判斷保護(hù)是否投入，未投入則進(jìn)入其他保護(hù)處理程序，投入則將計(jì)算值與整定值比較，若大于則進(jìn)入保護(hù)邏輯判斷程序，判斷保護(hù)動(dòng)作則置位本相保護(hù)動(dòng)作標(biāo)志并進(jìn)入跳閘處理程序，否則進(jìn)入下一相本保護(hù)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(duì)跳閘前的故障數(shù)據(jù)參數(shù)保存在單片機(jī)的E2PROM中。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，保護(hù)系統(tǒng)正常投入時(shí)最小動(dòng)作時(shí)間為39 ms。在測(cè)試空載狀態(tài)手合故障線路動(dòng)作時(shí)間時(shí)，以單相為例，限時(shí)速斷動(dòng)作時(shí)間整定為最小值40 ms，測(cè)定保護(hù)系統(tǒng)最小動(dòng)作時(shí)間為114 ms。

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

　　表2數(shù)據(jù)表明所有保護(hù)的相對(duì)誤差都小于5％。

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了自供電過電流保護(hù)繼電器，實(shí)現(xiàn)了限時(shí)電流速斷保護(hù)、定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、定時(shí)限接地電流保護(hù)等繼電保護(hù)功能，具有可靠性高、免維護(hù)、參數(shù)整定簡(jiǎn)單、體積小、節(jié)約建設(shè)成本等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。