一種電流突變量的檢測(cè)和控制電路的研究與實(shí)現(xiàn)

李建明

(南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046)

一種電流突變量的檢測(cè)和控制電路的研究與實(shí)現(xiàn)

李建明

(南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210046)

介紹了將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、通信、存儲(chǔ)功能分開的檢測(cè)和控制電路，用以檢測(cè)突變電流，迅速處理并發(fā)出斷路器動(dòng)作信號(hào)。為了定量測(cè)得系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間的快速，給出了測(cè)定系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間的實(shí)際電路。

電流突變量；檢測(cè)和控制；高速數(shù)據(jù)采集

過(guò)電流是供配電系統(tǒng)常見的故障，過(guò)流所產(chǎn)生的電弧往往燒壞設(shè)備，造成大面積停電，甚至造成人員傷亡[1]，故采用過(guò)電流保護(hù)裝置，將過(guò)電流時(shí)間控制在一個(gè)極短的時(shí)間有著極為重要的作用。文中介紹的檢測(cè)和控制電路將數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、通信、存儲(chǔ)功能分開，使得各個(gè)環(huán)節(jié)的處理效率得到提高；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集，以電流信號(hào)為判斷依據(jù)，準(zhǔn)確并迅速處理并發(fā)出斷路器動(dòng)作信號(hào)，將從故障出現(xiàn)到斷路器跳開的時(shí)間控制在10ms以內(nèi)。

1 高速數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

a) 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)采集是指對(duì)模擬信號(hào)以很高的采樣頻率進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采集到系統(tǒng)控制所需要的模擬信號(hào)。該系統(tǒng)主要是對(duì)供配電系統(tǒng)電流信號(hào)進(jìn)行高速采樣，以便進(jìn)一步進(jìn)行處理，為電流速斷保護(hù)提供支柱。

現(xiàn)采用高速數(shù)據(jù)采集芯片是ADI公司生產(chǎn)的AD9225，AD9225是由單電源供電、12位精度、25 Msps高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器,片內(nèi)集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源，采用帶有誤差校正邏輯的四級(jí)差分流水結(jié)構(gòu),以保證在25 Msps采樣率下獲得精確的12位數(shù)據(jù)。除了最后一級(jí),每一級(jí)都有一個(gè)低分辨率的閃速A/D與一個(gè)殘差放大器(MDAC)相連，此放大器用來(lái)放大重建DAC的輸出和下一級(jí)閃速A/D的輸入差,每一級(jí)的最后一位作為冗余位,以校驗(yàn)數(shù)字誤差。

b) 信號(hào)調(diào)理電路

通過(guò)電流互感器將一次回路電流轉(zhuǎn)化成小電流，再通過(guò)取樣電阻將電流轉(zhuǎn)化為模擬電壓。在電流數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，通常需要從電流周期開始的時(shí)間開始采集，故要為MCU提供一個(gè)同步信號(hào)加在處理器的中斷信號(hào)端口，為此采用了圖1所示的其中一路帶有同步信號(hào)的互感器信號(hào)調(diào)理電路。

圖1 帶有同步信號(hào)的互感器信號(hào)調(diào)理電路

圖中的A1是由TL072組成的跟隨器，A2是有LM393組成的電壓比較器。其中A1的同相輸入端輸入一個(gè)由互感器輸出電流經(jīng)由取樣電阻得到的一個(gè)正弦電壓信號(hào)uo1；而A2的同相端與地連接構(gòu)成一個(gè)過(guò)零比較器，其反相端與另外一個(gè)取樣電阻相連，輸入一個(gè)與A1同相端信號(hào)相位相反的正弦電壓信號(hào)uo2，作為過(guò)零比較器的輸入，其輸出端得到一個(gè)占空比為50%的方波信號(hào)，可在其下降沿觸發(fā)MCU中斷，如圖2所示的相序關(guān)系，當(dāng)A1輸出同相信號(hào)時(shí)A2輸出為高電平，而A1輸出反相信號(hào)時(shí)，A2輸出為低電平。

圖2 輸出信號(hào)相序關(guān)系圖

c) 完整的電流采樣系統(tǒng)

使用電流互感器將強(qiáng)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電信號(hào)和電壓信號(hào)，信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理變換為標(biāo)準(zhǔn)可靠的電信號(hào)；數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)可以處理的數(shù)字信號(hào)。

電流的瞬時(shí)值Ik可表示為：

(1)

式中：Ik為瞬間電流，Dk是經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)化后得到的數(shù)字量，T為電流互感器的變比。在模擬電路中電流的有效值可表示為[2]：

(2)

式中：I為有效值，T為電流周期，i為瞬時(shí)值表達(dá)式。將式(2)推廣到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中其有效值的計(jì)算方法可表示為：

(3)

式中：I為有效值，T為電流周期，n為一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，ik為k點(diǎn)的電流采樣值。通過(guò)式(1)和式(3)可以根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果很簡(jiǎn)單的計(jì)算出電流的瞬時(shí)值和有效值，構(gòu)成完整的電流采樣系統(tǒng)。

2 電流突變量算法

微機(jī)保護(hù)中常采用相電流突變量作為啟動(dòng)元件。相電流突變量為：

Δik=ik-ik-N

(4)

式中：ik為kTs時(shí)刻的采樣值，N為一個(gè)工頻周期的采樣點(diǎn)數(shù)，若Ts=1ms，則一個(gè)工頻周期采樣點(diǎn)數(shù)N=20，ik-N為ik前NTs=20ms時(shí)刻的采樣值，Δik為KTs采樣時(shí)刻的電流突變量[3]。

電流突變量啟動(dòng)原理如圖3所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷雖有變化，但不會(huì)在一個(gè)工頻周期(20ms)內(nèi)有很大的變化，故兩采樣值ik與ik-N應(yīng)接近相等，即Δik≈0。

圖3 電流突變量啟動(dòng)原理示意圖

當(dāng)某一時(shí)刻發(fā)生短路故障時(shí)，故障相電流突然增大，如圖3中虛線所示。采樣值ik突然增大很多，其中包含有負(fù)荷分量，與ik-N做差后，得到的Δik中不包含負(fù)荷分量，僅為短路時(shí)的故障分量電流Δik≠0，使啟動(dòng)元件動(dòng)作。但是，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)偏離50Hz 時(shí)，ik與ik-N將不是同一相角的電流值，將會(huì)產(chǎn)生較大的不平衡電流，致使啟動(dòng)元件誤動(dòng)作。為消除因電網(wǎng)頻率波動(dòng)引起的不平衡電流，相電流突變量按式(5)計(jì)算：

Δik=|(ik-ik-N)-(ik-N-ik-2N)|

(5)

式中，(ik-ik-N)和(ik-N-ik-2N) 兩相中的不平衡電流相抵消，防止了啟動(dòng)元件的誤動(dòng)作。為提高抗干擾能力，避免突變量元件誤動(dòng)作，可在連續(xù)幾次計(jì)算Δik都超過(guò)額定值時(shí)，元件才動(dòng)作。

3 數(shù)據(jù)采集流程圖

檢測(cè)部分將檢測(cè)到的最新5個(gè)周期的電流波形通過(guò)循環(huán)隊(duì)列的形式存放在雙口RAM中，并將最新的8個(gè)周期電流波形存放在靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器62256中，與此同時(shí)檢測(cè)單元擔(dān)任了故障判斷功能，通過(guò)相電流突變算法，每次檢測(cè)到一個(gè)電流值均與前一個(gè)周期的相應(yīng)電流值進(jìn)行差值比較，當(dāng)結(jié)果超出額定值δs時(shí)向從單元通信部分發(fā)出故障報(bào)警中斷，并將故障之后3個(gè)周期波形放入雙口RAM，單元采集流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

控制單元部分將接收到的報(bào)警信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的處理，并進(jìn)行相應(yīng)的跳閘動(dòng)作，切除該單元對(duì)應(yīng)的出口單元斷路器。之后啟動(dòng)0.1s定時(shí)，判斷是否繼續(xù)過(guò)流，當(dāng)0.1s以后仍然有過(guò)流信號(hào)，說(shuō)明斷路器拒動(dòng)，需要發(fā)送出口斷路器拒動(dòng)信號(hào)，直接切斷進(jìn)線，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)功能。0.1s以內(nèi)過(guò)流信號(hào)消失則清除過(guò)流標(biāo)志，并讀取故障發(fā)生前5個(gè)周期、故障發(fā)生后3個(gè)周期的電流波形以及故障發(fā)生的時(shí)間，按照時(shí)間順序?qū)⒉ㄐ未嫒霐?shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行永久保存。

4 系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間的測(cè)定

為了說(shuō)明系統(tǒng)動(dòng)作的快速性，需要測(cè)定系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間，即從故障發(fā)生到系統(tǒng)發(fā)出出口斷路器跳閘信號(hào)的間隔時(shí)間?？紤]到通過(guò)實(shí)際短路實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間的難度和危險(xiǎn)性，設(shè)計(jì)了另外一個(gè)測(cè)定系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間的嵌入式故障模擬實(shí)驗(yàn)裝置[4]。

實(shí)驗(yàn)方法是：采用一個(gè)輔助單片機(jī)構(gòu)建一個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)RS232串口接收上位機(jī)“開始測(cè)試”命令，通過(guò)P1.0上升沿產(chǎn)生一個(gè)超出電流測(cè)量額定值的電壓信號(hào)加在測(cè)控單元A/D芯片AD9225的輸入端，以此來(lái)模擬實(shí)測(cè)電流過(guò)大；控制單元檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)后進(jìn)行處理，然后就可以發(fā)出跳閘信號(hào)。與此同時(shí)單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器T0進(jìn)行較為準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，當(dāng)控制單元發(fā)出跳閘信號(hào)后，將跳閘的繼電器信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)下降沿信號(hào)加在單片機(jī)的/INT0信號(hào)端，在單片機(jī)的/INT0中斷服務(wù)程序中停止定時(shí)器T0的計(jì)時(shí)，同時(shí)去掉過(guò)流信號(hào)，并計(jì)算出斷路器跳閘所用時(shí)間，通過(guò)RS232串口發(fā)送至上位計(jì)算機(jī)。

該時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)的原理圖，如圖5所示。

圖5 時(shí)間測(cè)試系統(tǒng)原理圖

該測(cè)試系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1) 有效地模擬了過(guò)流信號(hào)的實(shí)際情況；

2) 無(wú)需實(shí)際短路電流來(lái)測(cè)定系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，安全性高；

3) 通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器精準(zhǔn)可靠地計(jì)算出開通時(shí)間；

4) 與上位機(jī)聯(lián)機(jī)，人機(jī)交互接口友好。

該測(cè)試系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

由此可知系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了選擇性動(dòng)作，而且電流切除時(shí)間有效的控制在極短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了快速動(dòng)作，避免了短路電流的產(chǎn)生而引起事故。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)軟件流程

5 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)采用雙CPU，將高速數(shù)據(jù)采集和通信、處理、動(dòng)作分別處理，對(duì)于縮短動(dòng)作時(shí)間，將斷路器開閘時(shí)間控制在10ms以內(nèi)是切實(shí)可行的。

[1] 稅正中，施懷瑾. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，1993.

[2] 邱關(guān)源. 電路(第一版)[M] . 北京：人民教育出版社，1978.

[3] 張明君，等. 電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)[M] . 北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[4] 王勇. 基于CAN總線的供配電系統(tǒng)電流保護(hù)裝置的研究[D]. 碩士學(xué)位論文，2009.

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Research on Detection and Control Circuit of Current Mutation and Realization

LI Jianming

(Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China)

This paper introduces a detection and control circuit with the separate function of data acquisition and processing, communication and storage. The circuit is used to rapidly deal the detected sudden-changing current, meanwhile send the trip signals to breaker. In addition, the actual time-measured circuit is proposed for verifying the quick response capacity of the system.

current mutation; detection and control; High speed data acquisition

李建明(1965-)，男，江蘇如皋人，工程師，大專，曾獲南京市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)，江蘇省科技進(jìn)步四等獎(jiǎng)，從事工業(yè)工程自動(dòng)化、變電所綜合自動(dòng)化工作。

TM762;TP274

B

1671-5276(2015)05-0168-03

2014-03-10