基于嵌入式技術(shù)的TA開(kāi)路保護(hù)裝置

【摘 要】本文通過(guò)對(duì)電流互感器開(kāi)路過(guò)電壓原因的分析，給出了CT二次側(cè)開(kāi)路判斷原理。裝置判斷出CT開(kāi)路后，將其瞬時(shí)短接，然后能替代CT原連接的主要功能部件進(jìn)行工作，使電力系統(tǒng)能夠持續(xù)安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】電流互感器；開(kāi)路保護(hù)；ARM；人機(jī)交互

引 言

監(jiān)測(cè)、計(jì)量和繼電保護(hù)裝置等均要通過(guò)CT接入，這些二次設(shè)備是保證電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要設(shè)備。CT開(kāi)路將在二次側(cè)感應(yīng)出很高的過(guò)電壓，危及人員和設(shè)備的安全；將會(huì)導(dǎo)致電流保護(hù)裝置拒動(dòng)或誤動(dòng)，擴(kuò)大停電面積，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行形成威脅；將可能導(dǎo)致漏計(jì)電度量，影響供電部門(mén)的經(jīng)濟(jì)效益等。本文研究開(kāi)發(fā)了一套CT開(kāi)路保護(hù)裝置，該裝置能將開(kāi)路的CT瞬時(shí)短路，快速消除二次側(cè)產(chǎn)生的過(guò)電壓，并通過(guò)處理器部分替代完成該CT所連接的部分應(yīng)完成的功能。

1.裝置的設(shè)計(jì)思想

文獻(xiàn)1中介紹的四種CT開(kāi)路保護(hù)裝置，雖然能夠迅速短接開(kāi)路的CT，消除過(guò)電壓，但是與該CT所連接的裝置會(huì)失去作用，因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響。本裝置在短接開(kāi)路的CT后設(shè)置了一個(gè)替代功能模塊，能替代該CT所連接的裝置的基本功能，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本裝置與現(xiàn)存在的CT開(kāi)路保護(hù)裝置的對(duì)比見(jiàn)圖1所示。

2.CT開(kāi)路識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)

由于CT二次回路開(kāi)路的特征是輸出幅值很高、波形為正負(fù)尖峰狀的周期波形[2]。而CT開(kāi)路時(shí)，二次電壓幅值具有大于線路最嚴(yán)重短路故障下電壓幅值的特點(diǎn)，故可通過(guò)硬件設(shè)計(jì)識(shí)別出CT二次回路完好與開(kāi)路，保證可靠動(dòng)作[3]。其硬件邏輯圖如圖2所示。

信號(hào)處理電路直接與CT二次繞組輸出接線端子相連，通過(guò)放大開(kāi)路信號(hào)來(lái)提高該裝置的靈敏度，該電路具有輸入阻抗高、高閥值、吸收倒閘操作引起的暫態(tài)脈沖、電氣隔離等特點(diǎn)，盡可能減少對(duì)測(cè)量、計(jì)量、繼電保護(hù)裝置的分流作用，消除對(duì)其他裝置的精度影響要求。邏輯判斷電路根據(jù)信號(hào)處理電路輸出的電壓大小來(lái)判斷CT開(kāi)路或完好，以輸出不同的邏輯電平，具有快速識(shí)別CT開(kāi)路或完好的功能。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)邏輯判斷電路的輸出電平進(jìn)行功率放大，具有輸入阻抗高、輸出阻抗低等特點(diǎn)。執(zhí)行電路通過(guò)判斷輸入的電平來(lái)決定是否短接二次繞組端子，CT完好時(shí)不動(dòng)作，CT開(kāi)路時(shí)將其二次繞組端子短接，消除過(guò)電壓。接口電路是在驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上輸出國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字邏輯電平，將開(kāi)路CT的信號(hào)發(fā)送給處理器電路進(jìn)行下一步處理，也可作為其他綜合自動(dòng)化設(shè)備的直接接口。

3.主功能模塊電路設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)的單CPU的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已難以滿足多任務(wù)并行運(yùn)行的多功能綜合保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)要求，故本裝置的設(shè)計(jì)采用了雙CPU的冗余結(jié)構(gòu)。在本次設(shè)計(jì)中，采用ARM芯片作為主處理器，完成交流采樣、各種電氣量的計(jì)算、CT開(kāi)路類(lèi)型判斷、相應(yīng)的開(kāi)路CT功能替代等功能。單片機(jī)STC89C516則完成人機(jī)交互界面的控制，其主要用于控制液晶顯示、面板操作與主處理器ARM交換數(shù)據(jù)等功能。主處理器與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用串行通訊的方式實(shí)現(xiàn)。

裝置的硬件結(jié)構(gòu)采用模塊化的設(shè)計(jì)，使各模塊之間分工明確，便于調(diào)整。整個(gè)裝置分為5個(gè)功能模塊，即：（1）電源模塊：負(fù)責(zé)連續(xù)可靠的給各個(gè)模塊提供不同電壓的直流電源；（2）主處理器模塊：主要包括ARM芯片、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換器等[4]；（3）信號(hào)及出口模塊：包括所有的信號(hào)繼電器和出口繼電器，是當(dāng)其作為保護(hù)裝置時(shí)的出口執(zhí)行部分；（4）模擬量輸入處理模塊：包括電流互感器CT和電壓互感器PT、變送器、低通濾波電路；（5）人機(jī)交互模塊：包括單片機(jī)STC89C516、點(diǎn)陣液晶顯示器YM12864、鍵盤(pán)、通訊接口卡等組成[5]。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

4.主程序軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中，需要主處理器通過(guò)查詢(xún)方式對(duì)開(kāi)路識(shí)別電路所輸入的數(shù)字邏輯電平進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，根據(jù)輸入開(kāi)關(guān)量的不同，即所對(duì)應(yīng)的開(kāi)路CT類(lèi)型不同，實(shí)現(xiàn)不同的功能。主程序流程圖如圖4所示。

在硬件的劃分中明確了兩片CPU的任務(wù)分工，即主CPU完成裝置的基本功能：根據(jù)開(kāi)關(guān)量輸入的通道號(hào)不同，確定是哪種CT開(kāi)路：如果為測(cè)量CT開(kāi)路，則主CPU將各種電氣量采集計(jì)算；如果是計(jì)量CT開(kāi)路，則主CPU可以分時(shí)段（峰段、谷段、平段）計(jì)量所漏計(jì)的電度量；如果是保護(hù)CT開(kāi)路，則主CPU可以作為一個(gè)三段式方向性電流保護(hù)裝置，當(dāng)保護(hù)跳閘時(shí)，可以辨別出故障類(lèi)型并計(jì)算出故障距離；并且能將CT開(kāi)路的記錄存放到E2PROM中，便于查詢(xún)。面板單片機(jī)完成人機(jī)交互功能：控制液晶模塊，將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)鍵盤(pán)完成各種整定值的輸入，畫(huà)面的切換，開(kāi)路記錄的查詢(xún)等。兩CPU之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)串行通訊的方式來(lái)進(jìn)行。當(dāng)ARM作為數(shù)據(jù)接收方時(shí)，采用了中斷方式；當(dāng)單片機(jī)作為數(shù)據(jù)接收方時(shí)，采用了查詢(xún)方式。

5.實(shí)驗(yàn)

在硬件設(shè)計(jì)及軟件程序完善的基礎(chǔ)上，對(duì)裝置進(jìn)行了一系列測(cè)試，包括基本功能測(cè)試，測(cè)量功能、計(jì)量功能、保護(hù)功能測(cè)試。基本功能測(cè)試中對(duì)上電、熱插拔功能、查詢(xún)功能、參數(shù)設(shè)置功能、復(fù)位按鍵功能進(jìn)行了測(cè)試；測(cè)量功能部分對(duì)相電流、線電壓、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)進(jìn)行了測(cè)試；計(jì)量功能對(duì)各峰谷平時(shí)段對(duì)應(yīng)的電度量進(jìn)行了測(cè)試；保護(hù)功能部分對(duì)三段式方向性電流保護(hù)分別進(jìn)行了測(cè)試；限于篇幅原因，這里僅對(duì)三段式保護(hù)功能的測(cè)試結(jié)果予以展示，如表1所示。

表1 保護(hù)功能測(cè)試結(jié)果

整定值動(dòng)作值誤差時(shí)間整定值動(dòng)作時(shí)間誤差

電流5A5.071.40%0s

(實(shí)際延時(shí)80ms)81.4ms/

速斷6A6.050.83%81.7ms

保護(hù)7A7.050.71%82.4ms

限時(shí)5A5.061.20%2S2.0088S+0.44%

電流速6A6.081.33%2.0073S+0.37%

斷保護(hù)7A7.050.71%1.9944S-0.28%

定時(shí)限5A5.061.20%4S4.0091S+0.23%

過(guò)電流6A6.071.17%3.9907S-0.23%

保護(hù)7A7.071.00%3.9995S-0.01%

依據(jù)以所設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)功能進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試，從得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本次設(shè)計(jì)完成了對(duì)CT開(kāi)路保護(hù)裝置各項(xiàng)功能的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝置的整體性能已經(jīng)基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

6.結(jié)論

本文分析了CT開(kāi)路運(yùn)行所產(chǎn)生的各種后果，并利用硬件電路和微機(jī)技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算、分析、處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CT開(kāi)路運(yùn)行的綜合保護(hù)。整個(gè)裝置經(jīng)過(guò)測(cè)試表明反應(yīng)靈敏，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

參考文獻(xiàn)

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[2]沈建輝，周文俊.電流互感器二次側(cè)開(kāi)路過(guò)電壓與保護(hù)[J]. 高電壓技術(shù)，1997，23(2):85-86.

[3]靳建峰，翁利民等.一種新型的電流互感器開(kāi)路保護(hù)裝置[J].電力電容器，2005:6-10

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[5]馬忠梅，藉順心等.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用與程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002