基于PIC16F716的涌流控制保護(hù)裝置的研究

文化賓 宋永端 張自民 潘永成

(1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044;2.正泰電氣自動化軟件系統(tǒng)公司，上海 201614;3.日升集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315700)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求的增長，電力網(wǎng)絡(luò)在不斷的擴(kuò)大，更多的配電設(shè)備應(yīng)用在電網(wǎng)中，電力設(shè)備的安全運(yùn)行顯的越來越重要。

在10kV配電線路上，大量的柱上斷路器在投入運(yùn)行，柱上斷路器由于沒有控制電源，采用電流互感器與電流脫扣器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)線路過流和短路故障保護(hù)，但是，線路上有大量的變壓器在運(yùn)行，由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特征，會產(chǎn)生相當(dāng)大的勵磁電流，稱為勵磁涌流［1-3］。在斷路器合閘過程中，產(chǎn)生的勵磁涌流使電流脫扣器動作，從而使斷路器合閘操作失敗，或引起上一級斷路器可能會超過保護(hù)裝置的速斷保護(hù)電流整定值，造成保護(hù)誤動作，使線路投運(yùn)失敗，降低供電可靠性，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失［4-5］。

本文基于此問題，提出一種解決線路柱上斷路器涌流控制保護(hù)裝置，分析涌流產(chǎn)生的原因，并根據(jù)涌流特性設(shè)計了涌流控制保護(hù)裝置原理，基于單片機(jī)PIC16F716技術(shù)實(shí)現(xiàn)了涌流控制保護(hù)裝置的研制，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了可行性。

1 涌流產(chǎn)生的原因分析

變壓器鐵芯材料具有非線性特性，其鐵芯磁通Φ和勵磁電流ie關(guān)系如的圖1所示。

定義飽和磁通為Φs，將飽和曲線近似看作直線ΦsP。當(dāng)鐵芯磁通小于飽和磁通Φs時，勵磁電流ie很小，可以近似認(rèn)為0;當(dāng)Φ＞Φs時，勵磁電流ie隨著鐵芯磁通量增大而迅速增加。

因?yàn)閯畲庞苛魇氰F芯飽和引起的，所以我們先分析空載合閘時鐵芯中磁通Φ的變化。以一單相變壓器為例，分析勵磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理，設(shè)外施電壓按正弦規(guī)律變化

空載合閘時可列出微分方程

圖1 鐵芯磁化曲線

鐵芯中的磁通為

其中:Um為電壓峰值;α為合閘瞬間電源電壓的相位角;Φ為一次繞組全部匝數(shù)相交鏈的磁通量;im為一次繞組空載合閘的電流瞬時值;N1為一次繞組的匝數(shù);R1為一次繞組電阻;L1為一次繞組等效自感;Φr為鐵芯剩磁。

分析式(4)，在變壓器空載投入的過渡過程中，磁通量的大小與合閘時刻的相位角α有關(guān)。當(dāng)關(guān)合相位角在電壓過零時關(guān)合，在關(guān)合后約1/4工頻周期，峰點(diǎn)的暫態(tài)磁通值將達(dá)到最大值，鐵芯磁通高度飽和，此時所產(chǎn)生的勵磁涌流可能達(dá)到額定電流的6-8 倍［6-7］。

通常線路上裝有大量的配電變壓器，在線路投入時，這些配電變壓器在合閘瞬間，各變壓器所產(chǎn)生的勵磁涌流在線路上相互疊加，產(chǎn)生了一個復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，在系統(tǒng)阻抗較小時，會出現(xiàn)較大的涌流［8］。文獻(xiàn)［4］分析了10 kV線路的合閘涌流特性，得出了以下結(jié)論:

(1)10 kV線路合閘涌流特性與單臺變壓器勵磁涌流特性基本一致，但由于存在線路對地電容影響，電流升高倍數(shù)普遍小于單臺變壓器的勵磁涌流倍數(shù);

(2)10 kV線路的合閘涌流衰減速度快于單臺變壓器勵磁涌流衰減速度;

(3)10 kV線路合閘涌流大小不僅與合閘相角有關(guān)，還與線路單位長度配變臺數(shù)(即配變密度)存在一定正相關(guān)關(guān)系。

線路的瞬時速斷保護(hù)由于要兼顧靈敏度，動作電流往往取得較小，特別在長線路或系統(tǒng)阻抗大時更明顯，勵磁涌流值可能會大于裝置整定值，使保護(hù)誤動，造成線路投運(yùn)失敗。

2 基于單片機(jī)PIC16F716的涌流控制器的設(shè)計方案

勵磁涌流的一個主要特征就是它的大小隨時間而衰減，一開始涌流峰值很大，對于小型變壓器，大致經(jīng)過7-10個工頻周波(0.14～0 2 s)后，涌流幾乎衰減為可以忽略的范圍［6］。本文利用涌流的這一特點(diǎn)，設(shè)計了基于PIC16F716的電流型涌流控制保護(hù)裝置。該裝置具有過流和速斷保護(hù)功能，同時能夠避免涌流造成保護(hù)誤動。

2.1 PIC16F716型單片機(jī)簡介

PIC16F716是美國Microchip公司生產(chǎn)的一款帶A/D轉(zhuǎn)換器的8位閃存單片機(jī)。它具有高性能RISC CPU內(nèi)核，時鐘輸入可達(dá)20 MHz，指令周期為200 ns，除了程序轉(zhuǎn)移指令為雙周期指令外，其他指令均為單周期指令?？梢蕴峁?3個用戶I/O，內(nèi)部集成一個4通道的8位A/D轉(zhuǎn)換器，可以將模擬量直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供CPU處理，集成了豐富的存儲器資源，包括2048x14Bit的Flash和128x8Bit的數(shù)據(jù)存儲器，可以滿足大多數(shù)嵌入式控制應(yīng)用，此外，還具有工作電壓低，工作電壓范圍寬，功耗低、功能強(qiáng)大、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

通常，柱上斷路器一般無法提供控制電源，如果單獨(dú)增加輔助電源回路，無疑會增加成本，考慮到保護(hù)用電流互感器都具有一定的帶載能力，所以保護(hù)系統(tǒng)可以利用電流互感器的二次輸出提供電能，將電流互感器二次輸出的電流源轉(zhuǎn)化為電壓源。保護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

保護(hù)CT的二次輸出接保護(hù)裝置的取樣CT和取電CT，取樣CT和取電CT的一次繞組串聯(lián)，構(gòu)成了保護(hù)CT的二次輸出回路。取樣CT的二次輸出為正比于保護(hù)CT二次電流的一個交流小電流(因保護(hù)CT二次輸出電流正比于與線路中的電流，故該電流正比于線路中的電流)，該電流通過整流電路、取樣電路后，在取樣電阻上產(chǎn)生一個正比于線路一次電流的一個模擬電壓值，該模擬電壓接至PIC16F716單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器做模數(shù)轉(zhuǎn)換，微處理器就可以獲取到正比于線路電流的一個數(shù)字信號，通過對該數(shù)字信號的計算處理，做出相應(yīng)的判斷。如果通過計算后判斷需要保護(hù)動作，則輸出控制信號控制分閘回路，使斷路器執(zhí)行跳閘操作，分?jǐn)嗑€路，達(dá)到保護(hù)目的。

取電CT的二次輸出的電流信號通過電源電路的變換，為整個系統(tǒng)提供可靠的操作電源。

單片機(jī)外圍電路包括單片機(jī)的外部時鐘電路和上電復(fù)位電路等部分。

保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)電壓鉗位功能，當(dāng)線路中的電流過大，導(dǎo)致取樣電阻上輸出的電壓信號過大時，保護(hù)電路動作，使輸入到單片機(jī)中的模擬信號鉗位在5V左右，保護(hù)單片機(jī)不被燒毀。

手動配置電路主要由撥碼開關(guān)構(gòu)成，通過撥碼開關(guān)的設(shè)置過流倍數(shù)、過流延時時間等參數(shù)，可以根據(jù)不同的工況，進(jìn)行不同的設(shè)置。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

PIC16F716作為系統(tǒng)的控制核心，主要的保護(hù)功能通過軟件實(shí)現(xiàn)。軟件流程如圖3所示。

軟件開始工作，首先進(jìn)入初始化子程序，初始化程序主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)的存儲器資源、變量、I/O端口進(jìn)行初始化。初始化結(jié)束后，開始掃描單片機(jī)連接手動配置撥碼開關(guān)的I/O端口，根據(jù)撥碼開關(guān)設(shè)置的值進(jìn)行不同的操作。

若檢測到撥碼開關(guān)設(shè)置為整定模式，則進(jìn)入整定子程序，整定子程序的工作原理是檢測模擬量進(jìn)行A/D變換后的數(shù)字量值，若該數(shù)字量與軟件中預(yù)先設(shè)定的值相同，則輸出整定成功的提示，整定完成。軟件繼續(xù)返回掃描I/O的操作。

患者既往先后行兩次剖宮產(chǎn)史，于第二次剖宮產(chǎn)術(shù)術(shù)中發(fā)現(xiàn)右側(cè)卵巢包塊，病檢提示為惡性腫瘤，于剖腹產(chǎn)術(shù)后4天行右側(cè)卵巢腫瘤根治術(shù)；1個月前因左側(cè)股骨頸骨折，于我院行股骨頸骨折固定術(shù)；無輸血及獻(xiàn)血史，無高血壓、糖尿病、慢性支氣管炎等慢性疾病；預(yù)防接種史具體不詳。曾有青霉素、頭孢類藥物過敏史。

若檢測到撥碼開關(guān)設(shè)置為非整定模式(即工作模式)，則根據(jù)撥碼開關(guān)的設(shè)置配置相關(guān)的參數(shù)，如過流倍數(shù)、速斷倍數(shù)、延時時間等。

參數(shù)設(shè)置完成后，讀取A/D轉(zhuǎn)換值，并進(jìn)行判斷。當(dāng)線路合閘時，線路中的電流從0突然增大(發(fā)生涌流)，一段時間后衰減到正常值。因此，當(dāng)檢測到的電流較小時(AD＜=K1)，則認(rèn)為可能是合閘過程，則進(jìn)入合閘涌流流程，不斷讀取A/D轉(zhuǎn)換值，如果檢測到電流突然增大(AD＞KA)，則延時T1時間后，再檢測A/D轉(zhuǎn)換值，若A/D轉(zhuǎn)換值為正常(AD＜KB)，則返回掃描I/O操作，進(jìn)行下一檢測循環(huán)。若A/D轉(zhuǎn)換值仍然超過設(shè)定值，則調(diào)用跳閘子程序，驅(qū)動繼電器動作，使斷路器跳閘。

線路正常工作時，參數(shù)設(shè)置步驟完成后，若讀取到的A/D轉(zhuǎn)換值在一個正常的范圍內(nèi)(K1＜AD＜=K2)，則返回掃描I/O操作，進(jìn)行下一檢測循環(huán);若發(fā)生過流(K2＜AD＜K3)，則進(jìn)入過流控制流程，延時T2時間后，再檢測A/D轉(zhuǎn)換值，若正常，則返回進(jìn)入下一檢測循環(huán)，否則，執(zhí)行跳閘操作。若發(fā)生短路等故障(AD＞=K3)，則進(jìn)入速斷保護(hù)控制流程，延時T3時間(根據(jù)需要設(shè)定，可為0)后，再檢測 A/D轉(zhuǎn)換值，若正常，則返回進(jìn)入下一檢測循環(huán)，否則，執(zhí)行跳閘操作。

其中 的 K1、K2、K3、KA、KB、T1、T2、T3等參數(shù)，是根據(jù)撥碼開關(guān)的設(shè)定值進(jìn)行設(shè)置的。

當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行完跳閘操作后，斷路器跳閘，線路斷電，保護(hù)裝置也斷電停止工作，直到下一次線路合閘，重新上電后，軟件從開始處重新執(zhí)行。

3 樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證

樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)框圖如圖4所示，測試回路由電流源AC1、AC2、控制系統(tǒng)、繼電器、開關(guān)、線路等部分組成。電流源模擬保護(hù)CT的二次輸出，繼電器KM模擬斷路器，由樣機(jī)引出跳閘驅(qū)動信號，用以控制繼電器KM;電流源 AC1用以模擬涌流，繼電器KN由控制系統(tǒng)控制。

驗(yàn)證涌流控制時，首先將AC2的輸出設(shè)定為保護(hù)CT二次輸出的額定值，AC1的輸出設(shè)定為保護(hù)CT二次輸出額定值的k倍。閉合K1，同時，控制系統(tǒng)控制繼電器KN工作，KN常開觸點(diǎn)閉合，AC1接入到回路中，控制系統(tǒng)延時一段時間T后，使KN不工作，KN常開觸點(diǎn)斷開。即相當(dāng)于為樣機(jī)的輸入疊加了一個k倍的電流。時間T較短(實(shí)際涌流很快衰減)，小于程序的涌流延時，則繼電器KM不動作。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，再次控制KN通斷，驗(yàn)證過流保護(hù)和速斷保護(hù)功能。通過修改k值和T值，模擬不同工況，驗(yàn)證保護(hù)功能。

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)，對研制出的涌流控制保護(hù)裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，保護(hù)裝置能夠有效避免涌流產(chǎn)生的誤動，并具備過流、速斷保護(hù)功能。

4 結(jié)束語

(1)本文針對線路涌流的產(chǎn)生及危害進(jìn)行分析，并提出了柱上斷路器的涌流控制保護(hù)裝置的原理設(shè)計和樣機(jī)研制及試驗(yàn)測試，結(jié)果表明，該設(shè)計方案是可行的。

(2)針對柱上斷路器無控制電源的缺陷，提出用電流互感器的二次輸出經(jīng)過轉(zhuǎn)換來作為斷路器涌流控制保護(hù)裝置的控制電源，為柱上斷路器實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能帶來了方便。

［1］彭靜萍，張俊芳，楊偉.一種新的變壓器勵磁涌流抑制技術(shù)［J］.海河大學(xué)常州分校學(xué)報，2007，21(4):72-74，90.

［2］陳振華.淺談電力變壓器的勵磁涌流［J］.裝備制造技術(shù)，2007(7):123-124.

［3］陳劍，李煒.變壓器勵磁涌流的特性分析及應(yīng)用［J］.湖南電力，2005，25(4):5，10.

［4］趙明奇，劉忠，徐慶中.10 kV配電線路合閘涌流測試分析［J］.江蘇電機(jī)工程學(xué)報，2006，25(1):33-34.

［5］姜軍，王志超.變壓器勵磁涌流的危害及抑制方法［J］.北華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，8(5):469-471.

［6］唐博，彭安金，王高豐，等.采用選相位關(guān)合技術(shù)消除變壓器空載合閘的勵磁涌流［J］.電氣開關(guān)，2007(3):22-25.

［7］康錦萍，王靖，劉明基，等.基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的變壓器空載合閘涌流仿真［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2008，30(4):50-53.

［8］蔡日.淺談10 kV供電系統(tǒng)常見問題分析［J］.廣東科技，2008(1):98-99.