基于DSPIC单片机的消弧消谐控制器的设计

摘 要： 针对目前配电网中极易出现的弧光、金属接地过电压，以及铁磁谐振现象及其危害，提出了相关的消弧消谐控制算法，并介绍了如何利用单片机进行硬件和软件的设计，使对接地、谐振故障做出准确的判断，兼备一定的稳定性和容错性。

关键词：弧光接地； 金属接地；铁磁谐振 

中图分类号：TM864文献标识码：A

[WT]文章编号：1672-1098(2011)02-0066-05

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收稿日期：2011-03-31

基金项目：合肥学院科研发展基金计划资助项目(08KY008ZR)

作者简介：龙夏 (1982-)，男，湖南湘西自治州人，助教，硕士，主要研究方向为测控技术。

[JZ(〗[WT3BZ]Design of DSPIC-based Arc-Suppression and Resonance Eliminating Device

LONG Xia, TAN Ming , XIAO Lian-jun

(Department of Computer Science & Technology, Hefei University, Hefei Anhui 230601, Chian)

Abstract:In order to solve easy occurrence of arc in current distribution network, over-voltage of metal grounding, magnetic resonance phenomena and its hazards, control algorithm of arc and harmonic elimination was proposed.

How to use the microcontroller hardware and software design to make accurate judgments of grounding and resonant failure, and make them a certain degree of stability and fault tolerance were presented.

Key words:arc grounding; metal grounding; ferro resonance

在我国3~35 kV供电系统中，大部分为中性点不接地系统，这种系统在发生单相接地时，电网仍可带故障运行，这就大大降低了运行成本，提高供电系统的可靠性，但这种供电方式在单相接地电流较大时容易产生弧光接地过电压和相间短路，给供电设备造成了极大的危害。以前的解决办法是在中性点加装消弧线圈补偿电容电流来抑制故障点弧光发生的机率。很显然，这种方法的目的是为了消除弧光，但由于消弧线圈的自身的诸多特点，很难对电容电流进行有效补偿，特别是高频分量部分对供电设备造成的危害无法克服［1］。

而当电压互感器的非线性电感与线路对地电容发生匹配时会引起铁磁谐振过电压，会威胁到电力系统的安全运行，损坏电气设备，严重时会引起电压互感器的爆炸，造成变电站母线停电事故，造成严重后果［2］。长期以来，电力系统中消除铁磁谐振的方法一般是在PT开口三角绕组中并联一个电阻来破坏谐振点，复杂的电力环境造成谐振点的不唯一，所以这种方法很难做到完全消谐，费时费力。

智能消弧装置，该装置在出现弧光接地时，通过一组可以分相控制的真空接触器，使故障相接地，达到彻底消除弧光的目的［3］。 

本设计采用PIC高性能DSP系列单片机为处理器，实时采集电网三相电压及PT开口电压，采用合理的算法，当检测到故障相出现弧光接地时发出控制信号，使故障相弧光接地迅速转变为金属性接地，而检测到铁磁谐振时驱动可控硅动作消除由铁磁谐振引起的过电压，并配以监控界面，便于修改参数，能够很好地起到消弧消谐的目的，保护电网安全。

1装置工作原理

当电网正常工作时，PT开口三角处零序电压为零，一旦线路发生故障，中性点对地绝缘的供电系统会出现零序电压，将零序电压作为启动信号开始计算，然后再根据发生故障时每相电压的情况进行逻辑分析计算，判定接地故障发生的相别及接地属性，再根据判定结果做出以下处理：

1) 如果发生间歇性弧光接地，控制器使故障相对应的真空接触器闭合，使系统由不稳定的弧光接地瞬间转变为稳定的金属接地，故障相电压降为零，电弧消失。500 ms后断开真空接触器，并再次判断，若故障消失，则说明本地弧光接地为电网电压冲击引起的瞬时性接地故障，系统已恢复。若再次检测到故障，则认定为永久性的接地故障，再次闭合真空接触器，记录故障，声光报警，并向上位机上传故障记录，等待工作人员处理。

2) 如果发生金属接地故障，则记录故障，声光报警，不做任何处理，等待工作人员处理。

3) 如果发生三相断线故障，则记录故障，声光报警，等待工作人员处理。

4) 如果发生50 Hz基频、100 Hz、150 Hz倍频铁磁谐振，驱动可控硅三次瞬间短接PT开口端，破坏谐振条件，消除铁磁谐振，并记录故障。谐振频率的判定可以通过快速FFT判别谐振频率［4］。

2 硬件设计

2.1 系统介绍

控制器是系统的核心，其性能的优劣直接影响系统的性能。选用DSPIC33FJ128GP206为处理器，外围电路包括模拟量采样转换电路、485通信电路、可控硅触发电路、真空接触器触发电路、HMI电路及声光报警等(见图1)。由4路电压互感器采样三相电压及PT开口电压，经过一定处理变换为单片机AD口能够处理的0~3V电压，单片机利用采样得的4路电压，辅助以一定的算法，判断当前接入电网是否存在弧光接地、金属接地、PT断线以及电磁谐振现象，若存在，在液晶屏上显示当前的故障，存储故障，并做出相应的处理。

图1 系统框图

2.2 MCU介绍

在本设计采用PIC公司的高性能16位数字信号控制器DSPIC33FJ128GP206，16位宽数据总线，24位宽指令，可寻址最大4M 指令字的线性程序存储空间，可寻址最大64 kB 的线性数据存储空间，具有最多67个中断源，最多85个IO口，具有SPI、IIC、UART、DCI、增强型CAN、PWM等外部接口，方便使用，同时具有两个AD通道，可进行顺序、同时等各种方式的采样。在此利用其同时采样4路电压信号，并判定是否发生弧光接地、谐振等故障，同时外扩键盘、显示、通信、报警等功能。

2.3 信号采样电路

根据分析需采样三相交流相电压电压UA、UB、UC及PT开口电压UPT，送入单片机内部AD采样前需经过一定的变换，即降压、交转直。4路交流电先通过电压互感器降压，再通过基准电压抬升至直流。电压互感器选用南京择明电子的ZM-BPT系列电压互感器，变比为456 V/3.53 V，额定输入电压为380 V，额定输出电压为2.941 V，过载倍数1.2，耐压强度3 000 V，完全能达到要求。电压互感器输出小信号交流电，而AD只能处理单极性电压，所以通过由LM258输出的1.65 V基准电压抬升后转为单极性AD合理范围的电压信号，并通过滤波送入AD，同时加入一个3.3 V的稳压管保护AD端口(见图2)。

图2 信号处理电路

对于DSPIC33系列的单片机，内部有两个10位/12位AD模块，最多有32个模拟量输入引脚，转换速度最高达1.1MSPS，最多4通道同时采样，可以选择不同的触发源，转换结果通过DMA传送，预排转换序列，在精度要求不是很高的情况下完全能达到要求。在本设计中，要求同时采样三相电压及PT开口电压，由此算出4路通道的有效值，并判断开口电压序列是否出现谐振，DSPIC33的内部AD完全能达到转换要求。 在此选用AN5、AN4、AN3、AN2分别作为三相电压及PT开口电压的输入通道，采用4通道同时采样、分时转换的策略。

2.4 开关量电路

在系统中需要监控机柜中多路开关量的状态，包括三路真空接触器合闸信号、三路高压熔丝熔断信号、一路隔离刀开关信号及一路远程复位信号。同时需要输出多路开关量，包括失电报警、断线报警、谐振报警、三相弧光接地报警等。电网环境比较恶劣，现场信号极易串入弱电系统，使系统控制逻辑紊乱甚至损坏。为保护弱电控制系统，所有输入输出量与系统接入时均通过光电隔离，实现了测控系统和现场环境的隔离，增强了系统的抗干扰能力。选用Toshiba的4通道非线性光耦TLP523-4，最大输出电流可达150 mA。输出开关量通过光耦后驱动固态继电器给机柜相应的24 V控制报警信号。机柜相应的输入信号均为24 V开关量，有一定的杂波，为保证系统正确运行，送入前经过简单的滤波，具体如图3所示。

图3 光电隔离

2.5 可控硅触发电路

采用先进的过零触发电路, 以电压过零型双向可控硅取代由分立元件组成的功放电路及脉冲变压器等驱动环节, 简化了触发控制电路的结构, 并提高了控制器的可靠性［5］。

采用MOC3081芯片设计晶闸管过零触发电路。当电力系统正常工作时, PT开口三角处零序电压为零,一旦系统发生谐振或单相接地, PT开口三角处即伴有不同频率成分的零序电压，多为倍频电压和分频电压。发生谐波时,MCU 只需改变MOC3081输入端电平即可立即触发双向晶闸管导通；切除时,只要撤销触发信号即可,开关在电流过零之后会自行关断。这样,MCU就可有效控制晶闸管的导通及导通时间,消除有害谐波。具体电路如图4所示。

图4 可控硅触发电路

2.6 人机接口

人机接口由LCD显示和键盘组成。LCD主要显示一次侧电压互感器三相电压、PT开口电压、故障类型及故障记录、系统时间等。键盘主要用于系统参数设置、故障记录浏览、通信参数设置、系统时间设置等。

2.7 通信设置

系统采用485通信，485通信采用差分方式传输，可靠性高、传输距离远，在电力系统中得到广泛应用。采用MODBUS通信规约，报文格式分为下行报文(监控向装置下发报文)、无故障上行报文(装置向监控中心上发报文)、故障上行报文(装置向监控中心上发报文)。报文用于上传故障记录、三相电压及PT开口电压、开关量状态等。

3 软件设计

控制器实时采样三相电压及PT开口电压，分别计算三相电压及PT开口电压的有效值。DSPIC33内部AD可以实现4通道同时采样，并可以切换通道，实现任意采样。在此采样同步采样、分时转换的策略，为方便进行FFT，每周波采样点数定为128个点，采样每个点的时间为156.25μs，DSPIC内部AD完全能达到要求。在采样并判断4路电压有效值的同时，通过快速FFT判断PT开口电压是否出现倍频、基频及分频谐振，主要判断50 Hz基频谐振、 100 Hz和150 Hz倍频谐振、 25 Hz和15 Hz的分频谐振。为防止由于外部环境的扰动造成控制器的误动作，在设计中采用了延时动作的策略，根据实验，选定在10个周波内连续出现故障的周波数大于6个时认定为故障，否则认定为扰动，取得了良好的效果，不仅能及时动作，同时提高了抗扰动能力（见图5）。

图5 控制器主程序流程图

经过理论分析和长期的各种环境的实验及经验， 总结出一套判断各种故障的数据组， 取得了良好的效果， 并在长期使用中证明是稳定可靠的（见表1）。

4 结束语

本文提出一种基于DSPIC单片机的消弧消谐一体机的研制方案，并对信号采样处理、开关量控制、可控硅控制、人机接口及通信等模块进行了详细的描述，并给出实现方案。该装置能够准确测量三相电压及PT开口电压，并能准确判定并消除弧光接地、铁磁谐振、短线等故障。将故障状态记录在液晶屏上的同时将故障数据记录并上传至PC监控中心。该系统具有一定的稳定性和抗干扰能力，已经在某公司研发成功并投入使用，取得了良好稳定的效果。

参考文献：

［1］ 高亚栋，杜斌.中性点经小电阻接地配电网中弧光接地过电压的研究［J ］. 高压电器, 2004, 40 (5)：345 - 348.

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［3］ 陈忠仁，董浩斌，李景禄.自动消弧装置的接入对配电网运行的影响及对策［J］.华北电力技术，2003(8)：18- 21.

［4］杜志叶，阮江军，王伟刚.铁磁谐振仿真模型的改进［J］.继电器,2004,32(8):26-29.

［5］ 鲁铁成，陈维贤.配电系统PT 引起的铁磁谐振及抑制新方法［J ］. 高电压技术, 1998, 24 (3)：13-16 . 

(责任编辑：何学华，吴晓红)