基于單片機的自供電過電流繼電器的設計

引言

　　自1901年出現了感應型過電流繼電器以來，繼電保護技術發展先后經歷了電磁式保護、晶體管式保護、集成電路保護以及現在應用很廣的微機保護技術。繼電保護裝置研究與設計是繼電保護技術研究的重要課題。

　　現有的數字繼電保護裝置大多數從電壓互感器二次側或獨立電源如直流屏獲取工作能量，但是對于35 kV及以下電壓等級無操作電源的變電站、架空線路柱上開關以及帶開關的電纜分接箱等特殊應用場合，不需要外加輔助電源、直流屏等，則現有數字繼電保護裝置不能滿足實際需要。

　　本文結合開關電源技術，以具有較強的數學運算能力的單片機作為控制器，設計實現了從電流互感器二次側直接獲取電路工作能量的自供電數字繼電器，不需要外加輔助電源、直流屏等，簡化了繼電保護裝置。用本繼電器結合斷路器可取代負荷開關和高壓保險絲組合，明顯改善線路繼電保護性能，節約建設成本，也可用于有操作電源的場合。

　　1 系統總體設計思路

　　為改變現有繼電保護裝置供電解決方案，本設計方案以單片機作為控制器，結合現代功率電子技術和開關電源技術實現從電流互感器的二次側獲取電路工作的能量，為電路提供正常工作電源。本文的設計思路：輸入電流信號經信號調理后進行A／D采樣，利用單片機計算電流有效值參數及接地電流大小、保護判別、發出斷路器控制信號。遠方跳閘回路提供在系統正常工作或空載時手動實現斷路器跳閘。由于系統需要自供電，遠方跳閘回路及通信回路均應提供系統工作時所需電源。通信回路保證當系統主回路無工作電源時電路采用手動方式由上位機通過RS485通信電路實現斷路器跳閘操作，并進行參數設定和故障參數查詢等。系統框圖如圖1所示。

　　當線路空載短路或手合故障線路時，線路電源從故障電流獲取。

　　2 硬件電路設計

　　2.1自供電電路設計

由于電網負荷電流是無規則地變化的，要從系統中獲得電路工作的能量，在電路設計中要克服以下問題：

　　（1）故障時一次側電流是額定值的十幾倍，而在低負荷時負荷電流小于額定值，故要求該自供電繼電器具有很好電流適應性。

　　（2）驅動跳閘的能量很大，它要求無論在低負荷或過電流（短路狀態）都要穩定地從電路中獲得跳閘工作能量。

　　（3）故障時，瞬間能量泄放很大，不能對電路的工作產生影響，要處理好各級電源能量的分配關系，保證供電可靠性和系統正常工作。

　　為解決上述問題，在自供電電路設計中，我們結合新型開關電源理論和功率器件開關特性，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，保證系統可靠穩定工作。自供電電路原理框圖如圖2示。

　　CT二次側電流經整流后，分別通過24 V穩壓電路、5 V穩壓電路以及電流泄放電路。5 V電源提供信號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。電流泄放回路根據電路工作電流的大小自動調節泄放電流的大小，使電路電源穩定工作，同時不會增加電流互感器的負荷。

　　為提供充足跳閘能量，自供電電容量應大于等于500 pF，輸出電壓大于等于24 V。

　　2.2 主體控制電路設計

　　主體控制電路框圖如圖3所示，主要由以下電路模塊組成：電源和電流信號采集電路、信號調理電路、電源監控電路、單片機控制和I／o電路、后備保護電路、通信電路、斷路器驅動信號電路、遠方跳閘信號電路等。

電源和電流信號采集電路主要提供電路工作5 V電源、24 V電源，同時將電流互感器二次側電流信號轉換為電壓信號，提供信號調理回路的電流采樣信號；信號調理電路將根據前級電路提供的實時表示CT一次側電流變化的模擬電壓信號大小由可編程放大器實時調節，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性；電源監控回路由TL7705及其外圍電路組成，監視5 V工作電源，當電源電壓出現瞬間干擾脈沖或系統上電時產生復位信號，保證單片機電源穩定復位可靠工作；微控制器控制和I／O電路完成電流采樣計算并根據繼電保護算法和控制邏輯發出相應的控制動作信號，另外，還要完成與上位機通信、參數整定輸入；當單片機發生故障時啟動后備保護電路，它發出故障指示信號，提供后備電流速斷保護；通信電路完成與上位機的通信，上位機可以發出跳閘命令，查詢跳閘時三相電流參數及整定繼電保護參數；斷路器驅動電路提供電路瞬間跳閘能量，滿足外接電路對跳閘能量的需求；遠方跳閘信號電路能在三相未接入時提供電路工作能量同時執行遠方跳閘命令。

　　3 軟件設計與實現

　　為提供充足跳閘能量，自供電電容量應大于等繼電保護的軟件設計分為主程序和中斷服務程序兩大部分。主程序由三大模塊構成：初始化、主循環程序和故障處理程序；中斷服務程序有AD采樣中斷服務程序、通信中斷、定時器采樣中斷復位程序和定時器延時中斷服務程序等。

　　3.1 系統初始化及自檢循環

　　如圖4示，系統上電后必須進行初始化設置和檢測，例如堆棧指針設置、串行口、定時器工作方式的初始化等。進入數據采集系統的初始化，包括計數器的初始化、采樣值存放地址指針的初始化，然后開放中斷，等待60 ms（三個周波）后投入突變量啟動元件的計算。如果開放中斷后就立即投入啟動元件，由于洲區的數據是隨機的，會造成啟動元件的誤動作。在主程序循環中，根據采樣已計算三相電流參數，計算電流有效值，調節放大器增益；接著進入開關量輸入狀態監測、串口通信數據處理程序，最后進入EEPROM保護定值參數與隨機存儲器內保護定值參數統一性校驗程序。

　　3.2 定時采樣中斷程序設計

　　單片機定時器To定時發出采樣脈沖，在定時器T0采樣中斷程序中，首先啟動AD通道0采樣后對前一次采樣值進行一階差分濾波，按照傅氏算法計算電流有效參數并存儲區供后續程序調用；判斷三相電流突變量差起動是否發生。如果發生起動標志加t，否則清零起動標志。只要連續三點相電流突變量差變化量大于整定值，則確定第一突變點為故障發生點并置位故障起動標志，否則清除故障起動標志返回主程序。故障起動標志置位且保護計算有出口時則修改中斷返回地址為故障處理程序首地址，調用故障處理程序，否則返回主程序中。

　　3.3 故障處理程序設計

　　在故障處理程序中，實現限時電流速斷保護、定時限過電流保護、反時限過電流保護、定時限接地電流保護等保護功能的邏輯判斷和故障處理。首先根據定時器TO中斷程序計算的電流有效值參數計算三相電流有效值；判斷保護是否投入，未投入則進入其他保護處理程序，投入則將計算值與整定值比較，若大于則進入保護邏輯判斷程序，判斷保護動作則置位本相保護動作標志并進入跳閘處理程序，否則進入下一相本保護故障處理程序。系統采用自供電，跳閘后線路斷電，RAM數據丟失，故要對跳閘前的故障數據參數保存在單片機的E2PROM中。

　　4 試驗結果及分析

　　經試驗測試，保護系統正常投入時最小動作時間為39 ms。在測試空載狀態手合故障線路動作時間時，以單相為例，限時速斷動作時間整定為最小值40 ms，測定保護系統最小動作時間為114 ms。

　　在電流互感器的測試線圈加測試電流，得到保護動作值測試數據，如表2示。電流互感器的一次側線圈、測試線圈、保護線圈的匝數比為0.26：1：50。

　　表2數據表明所有保護的相對誤差都小于5％。

　　5 結論

　　本文設計了自供電過電流保護繼電器，實現了限時電流速斷保護、定時限過電流保護、反時限過電流保護、定時限接地電流保護等繼電保護功能，具有可靠性高、免維護、參數整定簡單、體積小、節約建設成本等優點，適應性強，應用廣泛。