基于ＭＳＰ４３０單片機(jī)的多功能配電變壓器保護(hù)裝置的研制

　　一、引言
　　
　　在農(nóng)網(wǎng)改造前各地選用的配電端保護(hù)裝置仍是20世紀(jì)80年代中后期產(chǎn)品，主要是以保護(hù)人身安全為主的高靈敏度快速動(dòng)作型剩余電流保護(hù)器。
　　由于農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷的增加以及性質(zhì)的變化（如各種類型的空調(diào)、變頻設(shè)備、各種家用電器的使用），給配電變壓器的保護(hù)帶來了很多新的問題。例如：在負(fù)荷過大的情況下如何進(jìn)行自動(dòng)化的循環(huán)限電，從而防止配電變壓器長期超負(fù)荷運(yùn)行造成事故。
　　為此我們設(shè)計(jì)開發(fā)了多功能配電變壓器保護(hù)裝置。該保護(hù)裝置主要有下面四項(xiàng)功能：
　　1、剩余電流超限保護(hù)功能；
　　2、配電變壓器過流、過熱保護(hù)功能；
　　3、反時(shí)限切除負(fù)載與多分路循環(huán)限電功能；
　　4、通過GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測配電變壓器狀態(tài)功能。
　　因此，該多功能配電變壓器保護(hù)裝置能夠提高我國農(nóng)村電網(wǎng)用電的安全性、供電的可靠性以及限電的合理性。
　　
　　二、主要硬件單元
　　
　　本保護(hù)裝置的硬件電流主要由電能計(jì)量芯片ATT7022B以及單片機(jī)MSP430F149構(gòu)成，下面先對這兩種芯片進(jìn)行一個(gè)簡單的介紹。
　　ATT7022B是一顆高精度三相電能專用計(jì)量芯片，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用。其集成了七路二階sigma－delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。ATT7022能夠測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，采樣通道多，精度高（電壓測量誤差≯0.1％，電流測量誤差≯0.5％），并可通過采樣值計(jì)算合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量等信息量。
　　ATT7022提供一個(gè)SPI接口，方便與外部MCU之間進(jìn)行計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)的傳遞。
　　對ATT7022B芯片的各種控制以及對采樣計(jì)算結(jié)果的讀取均可通過SPI接口的操作完成。此外ATT7022內(nèi)部的電壓監(jiān)測電路可以保證加電和斷電時(shí)正常工作。
　　裝置中有TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。該單片機(jī)是TI公司2000年推出的超低功耗的微控制器系列之一，該系列由多種針對不同應(yīng)用而以不同模塊組成的型號組成，微控制器可使用電池長期工作，電壓范圍1.8～3.6Ｖ。
　　由于具有16位RISC結(jié)構(gòu)，16位寄存器和常數(shù)寄存器，MSP430達(dá)到了最大的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器提供快速從所有低功耗模式蘇醒到活動(dòng)模式的能力時(shí)間少于6μs。MSP430F149帶有兩個(gè)16位定時(shí)器（帶看門狗功能）、速度極快的8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）（帶內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動(dòng)掃描功能）、一個(gè)內(nèi)部比較器和兩個(gè)通用同步/異步發(fā)射接收器、48個(gè)I/O口（均可獨(dú)立控制）的微處理器結(jié)構(gòu)。硬件乘法器提高了單片機(jī)的性能并使單片機(jī)在編碼和硬件上可兼容。MSP430FLASH擦寫次數(shù)高達(dá)10萬次，強(qiáng)力抗干擾。MSP430F149有60KB的FLASHROM和2KB的RAM。其中FLASH又分為120段(每段512B)的主存儲(chǔ)器和兩段(每段128B)的信息存儲(chǔ)器。FLASH可以整個(gè)擦除也可以分段擦除，這給系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)都帶來了極大的便利和靈活性。
　　
　　三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　為了能夠達(dá)到多功能保護(hù)裝置的各項(xiàng)功能，兼顧裝置的多功能與實(shí)時(shí)性，在裝置硬件電流的設(shè)計(jì)中采用了由兩片MSP430F149單片機(jī)組成的雙CPU結(jié)構(gòu)。
　　整個(gè)硬件電流可分為三部分：以ATT7022B為核心的主采樣單元、以一片MSP430單片機(jī)為核心的主控制單元以及主要由另一片MSP430單片機(jī)構(gòu)成的輔助采樣控制單元。
　　
　　ATT7022B構(gòu)成的采樣單元作為裝置的主要采樣單元。ATT7022B芯片集成了七路二階sigma-delta ADC，能夠同時(shí)對電網(wǎng)的三相電壓、三相電流和剩余電流進(jìn)行高精度的采樣，還能夠自動(dòng)計(jì)算電網(wǎng)頻率、有功功率以及視在功率等特征量，然后通過SPI接口傳送到控制單片機(jī)中。這樣的采樣單元設(shè)計(jì)采樣、計(jì)算的準(zhǔn)確性高，還能有效的節(jié)省控制單片機(jī)的資源。
　　由一片MSP430單片機(jī)與溫度采樣、GSM通訊模塊、鍵盤陣列、LED顯示陣列和繼電器陣列等組成的控制單元是裝置硬件電路的主體部分。本裝置控制單元的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)出MSP430系列單片機(jī)外部設(shè)備豐富、中斷功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。主控單片機(jī)通過SPI接口控制主采樣單元ATT7022B芯片的采樣方式，讀取采樣結(jié)果；主控單片機(jī)通過自帶的ADC模塊對溫度傳感器的輸出進(jìn)行采樣，完成對配電變壓器溫度監(jiān)測功能；主控單片機(jī)通過異步串行接口對GSM通訊模塊進(jìn)行控制，完成GSM遠(yuǎn)程通訊功能；MSP430F149單片機(jī)有兩組I/O口可用作外部中斷口（每組8個(gè)），可大大簡化鍵盤的硬件與軟件設(shè)計(jì)；MSP430單片機(jī)還可以利用其豐富I/O口對LED陣列和繼電器陣列進(jìn)行控制，完成顯示與各分路分合閘操作。
　　為了保證保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)性與可靠性，裝置還采用一片MSP430單片機(jī)構(gòu)成了輔助采樣、控制單元（圖2為采樣通道的設(shè)計(jì)電路）。根據(jù)相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)裝置在剩余電流超限或負(fù)載電流超過額定電流五倍時(shí)必須立即進(jìn)行分閘操作（響應(yīng)時(shí)間小于0.2S），而由ATT7022B芯片構(gòu)成的主采樣單元采樣速度較慢（數(shù)據(jù)更新時(shí)間大于0.3S），因此在本裝置還設(shè)計(jì)了采樣速度更快的輔助采樣單元。
　　輔助采樣單元主要由輔助單片機(jī)的12位ADC模塊構(gòu)成，輔助單片機(jī)對剩余電流與負(fù)荷電流進(jìn)行快速采樣分析，在任意信號超限時(shí)立即向控制單片機(jī)發(fā)出外中斷信號，控制單片機(jī)立即進(jìn)行分閘操作，從而保證保護(hù)裝置的實(shí)時(shí)性。輔助單片機(jī)還可以分擔(dān)控制單片機(jī)的部分負(fù)擔(dān)，提高整個(gè)裝置的可靠性。
　　
　　
　　四、功能實(shí)現(xiàn)
　　
　　整個(gè)裝置的硬件設(shè)計(jì)兼顧了裝置功能與實(shí)時(shí)性的要求，保證了裝置能夠完成各種預(yù)期的四項(xiàng)功能。
　　由ATT7022B芯片構(gòu)成的主采樣單元與輔助采樣單元分別對剩余電流進(jìn)行采樣，正常情況下控制單片機(jī)讀取主采樣單元中的高精度剩余電流采樣值，并通過LED陣列顯示。而當(dāng)剩余電流超限時(shí)，輔助單片機(jī)立即向控制發(fā)出中斷信號，控制單片機(jī)立即進(jìn)行分閘操作，避免觸電事故的發(fā)生。
　　在對剩余電流進(jìn)行監(jiān)測過程中，儀器可以根據(jù)四個(gè)小時(shí)內(nèi)剩余電流的最大值來自動(dòng)的選擇跳閘的檔位，保證在不同天氣環(huán)境狀況下剩余電流的保護(hù)都能穩(wěn)定的動(dòng)作。
　　此外，儀器可以對剩余電流保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，從而使支路保護(hù)和總保護(hù)都能準(zhǔn)確的動(dòng)作。
　　由于溫度變化較緩慢，裝置采用控制單片機(jī)直接對變壓器的溫度進(jìn)行采樣，在溫度超限時(shí)，控制單片機(jī)直接進(jìn)行分閘操作，對變壓器進(jìn)行過熱保護(hù)。而變壓器的過流保護(hù)是通過輔助單片機(jī)的快速采樣實(shí)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載電流超過額定電流五倍時(shí)，輔助單片機(jī)立即向控制發(fā)出中斷信號，控制單片機(jī)立即進(jìn)行分閘操作，避免變壓器發(fā)生過流事故。
　　當(dāng)線路電流超過額定電流而小于額定電流的500％時(shí)，主控單片機(jī)延遲一段時(shí)間后驅(qū)動(dòng)支路繼電器執(zhí)行跳閘操作，延遲的時(shí)間原則上與線路電流超過額定值的程度成反比，而支路繼電器的跳閘的順序則遵循循環(huán)限電的原則，力求公平。
　　主控單片機(jī)通過自帶的異步串行接口控制GSM通訊控制模塊，這樣裝置可以把各種電網(wǎng)信息與各支路繼電器分合狀態(tài)發(fā)給號碼簿上的手機(jī)用戶，而號碼簿上存在的用戶也可以使用手機(jī)完成分合閘操作，收集各種電網(wǎng)信息與裝置存儲(chǔ)的各種數(shù)據(jù)。裝置上由16個(gè)鍵組成的鍵盤可以方便的完成人機(jī)交互，可以在現(xiàn)場完成設(shè)置預(yù)警值，輸入存儲(chǔ)手機(jī)號碼，存儲(chǔ)和發(fā)送各種信息等操作。
　　
　　五、結(jié)束語
　　
　　ATT7022B電能計(jì)量芯片作為裝置的主采樣單元保證了儀器具有較高的測量精度。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，裝置電流測量誤差小于0.5％，電壓測量誤差小于0.1％。
　　在增加輔助單片機(jī)后，保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)兼顧了裝置功能與實(shí)時(shí)性的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，保護(hù)裝置在電網(wǎng)瞬時(shí)電流過大與負(fù)載過重的情況下仍然可以保證供電的可靠性，而在發(fā)生觸電或短路時(shí)又能及時(shí)的進(jìn)行跳閘操作，避免事故的發(fā)生。
　　
　　參考文獻(xiàn)：
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　　2、劉小端，曾國宏.用MSP430F149設(shè)計(jì)低成本智能電力監(jiān)測儀[J].電子產(chǎn)品世界，2002(3).
　　3、魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
　　(作者單位:湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院)