一種基于att7022cu的低壓線路綜合保護(hù)裝置及其保護(hù)方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于ATT7022CU的低壓線路綜合保護(hù)裝置及其保護(hù)方法，包括依次連接的電網(wǎng)模型單元、電壓形成電路單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)采集單元采用三相電能專用計量芯片ATT7022CU，所述數(shù)據(jù)處理單元還連接有跳閘輸出單元、通信電路單元、顯示電路單元以及鍵盤單元,所述數(shù)據(jù)處理單元采用STC15F單片機(jī)。本發(fā)明給出一種由STC15F與ATT7022CU為主的低壓線路綜合保護(hù)電路設(shè)計方案，在不影響計量芯片精度的情況下，利用ATT7022CU開放的采樣數(shù)據(jù)緩存功能結(jié)合傅里葉算法，實現(xiàn)了瞬時速斷、限時速斷、過電流和低電壓保護(hù)功能。
【專利說明】一種基于ATT7022CU的低壓線路綜合保護(hù)裝置及其保護(hù)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電路保護(hù)，特別涉及一種基于ATT7022⑶的低壓線路綜合保護(hù)裝置及其保護(hù)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前以微處理器為核心的低壓線路綜合保護(hù)已廣泛應(yīng)用，這些綜合保護(hù)裝置不但要完成常規(guī)的保護(hù)功能，還要完成電氣設(shè)備正常運行時電流、電壓、有功功率和無功功率的監(jiān)測功能。這就使得以低成本的方案既要滿足保護(hù)的快速性又要滿足監(jiān)測的準(zhǔn)確性變得非常重要。ATT7022CU是一款廣泛應(yīng)用在電能采集電路中的高精度三相電能專用計量芯片，傳統(tǒng)的ATT7022CU芯片主要應(yīng)用于電能計量、電氣參數(shù)測量電路中，其數(shù)據(jù)為每隔330ms才更新一次，對于繼電保護(hù)快速動作要求顯然是無法滿足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明應(yīng)用ATT7022⑶開放的采樣數(shù)據(jù)緩存功能，將ATT7022⑶應(yīng)用到速斷保護(hù)中，提供了一款低壓線路綜合保護(hù)裝置，本保護(hù)裝置在不影響計量芯片精度的情況下實現(xiàn)了瞬時速斷、限時速斷、過電流和低電壓保護(hù)功能。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0005]一種基于ATT7022⑶的低壓線路綜合保護(hù)裝置，包括依次連接的電網(wǎng)模型單元、電壓形成電路單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)采集單元采用三相電能專用計量芯片ATT7022⑶，所述數(shù)據(jù)處理單元還連接有跳閘輸出單元、通信電路單元、顯示電路單元以及鍵盤單元。
[0006]優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理單元采用STC15F單片機(jī)。
[0007]優(yōu)選的，所述電壓形成電路單元采用互感器隔離法，電網(wǎng)中高電壓、大電流信號經(jīng)過一次TV、TA和數(shù)據(jù)采集板上的二次小TV、TA變換為后，再通過信號調(diào)理電路送到A/D轉(zhuǎn)換器中。
[0008]優(yōu)選的，所述STC15F單片機(jī)將跳閘輸出信號鎖存至輸出寄存器，經(jīng)過功率控制電路驅(qū)動跳閘輸出單元的繼電器。
[0009]優(yōu)選的，所述通信電路單元采用RS-485通信接口，并采用SN888C芯片進(jìn)行其收/發(fā)狀態(tài)控制。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選的,所述顯示電路單元采用12864液晶屏。
[0011]一種基于ATT7022⑶的低壓線路綜合保護(hù)裝置的保護(hù)方法，首先裝置上電或復(fù)位，然后對SPI硬件寄存器、各I/O 口寄存器、UART硬件寄存器等進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置。硬件自檢包括電流、電壓互感器斷線、短路檢測，自檢不通過則報警，自檢通過后進(jìn)入整定參數(shù)設(shè)定；開啟ATT7022⑶采樣緩存功能，顯示三相電壓、電流有效值，顯示有功、無功和視在功率，顯示電能計量；通信電路單元完成后，讀取ATT7022CU采樣緩存寄存器，根據(jù)繼電保護(hù)算法，計算電網(wǎng)中實時電流值，將實時值與整定值進(jìn)行比較，如果實時值比整定值大，則進(jìn)入保護(hù)程序，由保護(hù)程序輸出跳閘信號驅(qū)動繼電器斷開或報警提醒。
[0012]優(yōu)選的，所述繼電保護(hù)算法采用基于非正弦周期模型全波傅里葉算法。
[0013]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明給出一種由STC15F與ATT7022⑶為主的低壓線路綜合保護(hù)電路設(shè)計方案，在不影響計量芯片精度的情況下，利用ATT7022CU開放的采樣數(shù)據(jù)緩存功能結(jié)合傅里葉算法，實現(xiàn)了瞬時速斷、限時速斷、過電流和低電壓保護(hù)功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明所述的基于ATT7022⑶的低壓線路綜合保護(hù)裝置的原理圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)主程序設(shè)計流程圖。

【具體實施方式】
[0016]為方便本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0017]1.本實施例的硬件設(shè)計方案
[0018]如圖1所示，本發(fā)明所揭示的基于ATT7022CU的低壓線路綜合保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)包括依次連接的電網(wǎng)模型單元、電壓形成電路單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)采集單元采用三相電能專用計量芯片ATT7022⑶，所述數(shù)據(jù)處理單元還連接有跳閘輸出單元、通信電路單元、顯示電路單元以及鍵盤單元。具體的:
[0019]1.1數(shù)據(jù)處理電路
[0020]數(shù)據(jù)處理電路中控制器選擇STC15F2K60S2單片機(jī)，STC15F具有以下優(yōu)點:
[0021]a.STC15F系列單片機(jī)不需要外部晶振，內(nèi)部有高精度R/C時鐘，常溫下溫漂為5%。，本裝置設(shè)置R/C時鐘為30MHz ；
[0022]b.STC15F系列單片機(jī)比普通單片機(jī)性能增強(qiáng)，指令運行所需時鐘數(shù)量減少，運算速度是普通單片機(jī)的8-12倍；
[0023]c.含有60KByteSFlaSh程序存儲器和2048Bytes數(shù)據(jù)存儲器，指令系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令兼容；
[0024]d.內(nèi)部集成SPI硬件電路，在主模式下速度可以達(dá)到3Mbps，利用SPI總線可以縮短單片機(jī)與計量芯片之間數(shù)據(jù)交換時間；
[0025]e.片內(nèi)含有IKBytes的EEPR0M，無需外部存儲電路就可以方便保存設(shè)置的參數(shù)。STC15F具有ISP/IAP功能，無需編程器和仿真器。
[0026]I.2電壓、電流取樣電路
[0027]電網(wǎng)中被測高電壓、大電流信號轉(zhuǎn)換為小電壓的方法有兩種，一種是互感器隔離法，另一種是電阻取樣法。電阻取樣法所需電路簡單，不具備高壓側(cè)信號和低壓側(cè)信號電氣隔離，很容易因為高壓側(cè)過電壓而造成控制電路損壞。本文采用互感器隔離法，電網(wǎng)中高電壓、大電流信號經(jīng)過一次TV、TA和數(shù)據(jù)采集板上的二次小TV、TA變換為后，再通過信號調(diào)理電路才能直接送到A/D轉(zhuǎn)換器中。
[0028]1.3數(shù)據(jù)采集及保護(hù)電路
[0029]本發(fā)明專利選用鉅泉光電公司的一款高精度三相電能專用計量芯片ATT7022⑶。它內(nèi)置六路二階Σ-Λ轉(zhuǎn)換器，提供有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值。在輸入動態(tài)工作范圍1000:1，非線性測量誤差小于0.1%，單+5V供電，并且具有SPI接口，方便與外部MCU通信。
[0030]ATT7022⑶新增一個用以實時保存原始采樣數(shù)據(jù)長度為240的緩存存儲區(qū)，用戶發(fā)送開啟采樣功能命令后，ATT7022CU在每個采樣周期將相應(yīng)A/D數(shù)據(jù)保存到緩存存儲區(qū)中，直到緩存存儲區(qū)滿為止。緩存存儲區(qū)數(shù)據(jù)會保持上一次的數(shù)據(jù)，直到發(fā)送新的開啟采樣功能命令。用戶可以通過改變地址命令和指定要讀的緩存存儲區(qū)起始地址命令，隨時讀取緩存存儲區(qū)內(nèi)容。
[0031]1.4跳閘輸出、通信及人機(jī)接口電路
[0032]跳閘輸出信號由STC15F2K60S2單片機(jī)鎖存至輸出寄存器，經(jīng)過功率控制電路驅(qū)動繼電器。
[0033]RS-485通信接口采用德州儀器生產(chǎn)的SN888C芯片進(jìn)行其收/發(fā)狀態(tài)控制。SN888C芯片顯著優(yōu)點是片內(nèi)含有極性校正器和高能量瞬變抗干擾保護(hù)，并具有熱插拔功能。
[0034]液晶采用金鵬公司生產(chǎn)的12864液晶屏，該液晶屏采用7920控制芯片，自帶字庫；按鍵采用獨立按鍵。
[0035]2.軟件設(shè)計及保護(hù)算法
[0036]系統(tǒng)軟件部分包括系統(tǒng)主程序設(shè)計、保護(hù)算法和電氣參數(shù)讀寫。本低壓線路綜合保護(hù)裝置軟件程序設(shè)計采用C語言和匯編語言混合編程，C語言可使各功能程序模塊化；匯編語言可使指令更加精簡，MCU利用率更高。
[0037]2.1主程序設(shè)計
[0038]低壓線路綜合保護(hù)裝置主程序設(shè)計流程如圖2所示。首先裝置上電或復(fù)位，然后對SPI硬件寄存器、各I/O 口寄存器、UART硬件寄存器等進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置。硬件自檢包括電流、電壓互感器斷線、短路檢測，自檢不通過則報警，自檢通過后進(jìn)入整定參數(shù)設(shè)定。開啟ATT7022⑶采樣緩存功能，顯示三相電壓、電流有效值，顯示有功、無功和視在功率，顯示電能計量。通信模塊完成后，讀取ATT7022CU采樣緩存寄存器，根據(jù)繼電保護(hù)算法，計算電網(wǎng)中實時電流值，將實時值與整定值進(jìn)行比較，如果實時值比整定值大，則進(jìn)入保護(hù)程序，由保護(hù)程序輸出跳閘信號驅(qū)動繼電器斷開或報警提醒。
[0039]2.2保護(hù)算法
[0040]ATT7022⑶第一次上電需要650ms才能使寄存器中有正確值，以后大約每330ms更新一次寄存器中數(shù)據(jù)，根據(jù)速斷保護(hù)動作時間要求一般快速保護(hù)動作時間為20ms?40ms，利用ATT7022CU自帶的測量寄存器，是遠(yuǎn)不能達(dá)到要求，因此需要采用保護(hù)算法來提高測量實時參數(shù)更新時間。
[0041]繼電保護(hù)算法有很多種，例如基于精確正弦模型算法、基于非正弦周期模型算法、隨機(jī)函數(shù)模型算法和小波分析算法。發(fā)明專利采用基于非正弦周期模型全波傅里葉算法。在微機(jī)繼電保護(hù)中傅里葉算法作為計算電壓、電流信號幅值被廣泛采用。傅里葉算法可用于求出各諧波分量的幅值，其基本思路來自傅里葉級數(shù)，即周期性函數(shù)可以分解為直流分量、基波分量及各次諧波分量的無窮級數(shù)，如

OO
[0042]kt) = X[^? Cos(WW1Z) +a^in^w^)](I)

n=0
[0043]式中W1為基波角頻率；an和bn分別為各次諧波分量的正弦和余弦幅值，k為直流分量，B1, Id1分別為基波分量的正弦和余弦幅值。依據(jù)傅里葉級數(shù)原理，可以得出a?、比分別為

2 Ct
[0044]an = —Jo2

2
[0045]bn -1(l) cos(/m.'/)i"j )
[0046]于是n次諧波電流分量可表示為
[0047]in(t) = bncos (nw^) +ansin (nw^)(4)
[0048]n次諧波電流分量的有效值為
[0049]In(5)
[0050]用梯形積分法近似求出an、bn為
IΓ * γ—Ι..L hii τι.....,、
[0051]
TV HTsl
[0052]b? = -^[Z0 + 2j] ik cosC 7)
N ti N
[0053]式中，N為基波信號一周期采樣點數(shù)；ik為第k次采樣值JciUn分別為k = 0、k =N時的采樣值。
[0054]由于單片機(jī)硬件資源有限，為了簡化單片機(jī)的計算工作，加快單片機(jī)的響應(yīng)時間，對傅里葉算法采用了特殊的處理方法。ATT7022⑶的A/D采樣速率為3200Hz，即每周波采樣64個點，如果對64點進(jìn)行傅立葉算法，則運算量比較大。下面推導(dǎo)出基于16點的傅里葉算法，從64點中每間隔4個點，用于傅里葉計算，計算公式為:
I49.90....118......
[0055]aI = g(tDjrib-h-1H)+(iI +h ~^+l2S^2 +?4_；8( 8)
,Ir49,....、 90 ,...., 118廣...,,.
[0056]b' = g[^(；2+i12 _*4_Z10)+:j^(*l +? _h _Ζ9)+ρ^(Α)+?Ι4?)+(Ζ15 ~h)](9)
[0057]ATT7022CU將模擬的電壓、電流等電氣量轉(zhuǎn)換成離散的電壓、電流等電氣量，然后需要STC15F2K60S2單片機(jī)利用全波傅里葉算法計算出其幅值、相位等實時參數(shù)，將得到的實時值與EEPROM中存儲的整定值進(jìn)行比較，從而判斷是否發(fā)生故障而進(jìn)行繼電保護(hù)。從采樣數(shù)據(jù)到得到實時電流值需要以下五個步驟。
[0058]a.發(fā)送地址為OxCO、命令為OxCCCCCB到ATT7022CU開啟采樣功能。
[0059]b.不斷讀取ATT7022⑶中地址為0x7E的寄存器，若該寄存器的數(shù)值等于240，表示采樣數(shù)據(jù)更新完畢。
[0060]c.采樣數(shù)據(jù)更新完畢后，發(fā)送地址為OxCl、命令為0x000000到ATT7022CU設(shè)置讀指針的起始地址，讀取ATT7022⑶中地址為0x7F的寄存器，將采樣數(shù)據(jù)放到單片機(jī)指定寄存器中。
[0061]d.根據(jù)公式(8)、(9)基于16點的傅里葉算法計算實時電流值。
[0062]e.將實時值與整定值進(jìn)行比較，若實時值比整定值大，則進(jìn)行繼電器輸出；如實時值比整定值小，則進(jìn)行a—d。
[0063]2.3電氣參數(shù)讀寫
[0064]為了使讀寫ATT7022CU電氣參數(shù)不影響繼電保護(hù)過程，對讀寫電氣參數(shù)過程做了特殊處理。從采樣數(shù)據(jù)到實時電流值的計算步驟b為等待采樣數(shù)據(jù)完成，將電氣參數(shù)顯示和通信功能程序放在等待A/D緩存器填滿的過程中。這樣使得本綜合保護(hù)裝置動作時間大大加快。STC15F2K60S2通過SPI硬件接口完成對ATT7022⑶中相關(guān)寄存器的讀寫，來完成電參數(shù)的更新。
[0065]3.實驗測試數(shù)據(jù)
[0066]本發(fā)明專利對設(shè)計的低壓線路綜合保護(hù)裝置速斷動作值、動作時間、電壓、電流和有功功率進(jìn)行實驗測試，測試儀器選用昂立公司生產(chǎn)的AD331繼電保護(hù)測試儀，該繼電保護(hù)測試儀滿足電力行業(yè)對微機(jī)型繼電保護(hù)測試檢驗的基本條件。
[0067]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7261-2000《繼電保護(hù)及其自動化裝置基本試驗方法》指出動作特性和時間特性是衡量繼電保護(hù)及自動化裝置性能的重要指標(biāo)。微機(jī)型產(chǎn)品測量次數(shù)為5次，表1、2、3是按照基本試驗方法所測得數(shù)據(jù)。GB/T7261標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，其動作特性準(zhǔn)確度不應(yīng)超過動作值平均誤差的±3%。平均誤差計算公式如下:
[0068]
平均誤差(%) = 5次測量，，-整定值

整足值
[0069]表I為瞬時電流速斷動作測試，按照平均誤差計算公式，在電流整定值為3Α時，其動作平均誤差為-0.47% ;在電流整定值為5Α時，其動作平均誤差為0.6% ;在電流整定值為7Α時，其動作平均誤差為-0.53%,瞬時電流速斷動作特性滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。陜西銀河網(wǎng)電科技有限公司ΥΗ3000變電站綜合自動化系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置技術(shù)說明書指出定值精度:電流保護(hù)固有動作時間小于50ms。由表I可知，瞬時電流速斷平均動作時間為40ms左右，在考慮避雷器放電時間情況下，對于保護(hù)測控裝置基本滿足要求。
[0070]表I瞬時電流速斷動作測試
[0071]

【權(quán)利要求】
1.一種基于ATT7022⑶的低壓線路綜合保護(hù)裝置，其特征在于:包括依次連接的電網(wǎng)模型單元、電壓形成電路單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)據(jù)采集單元采用三相電能專用計量芯片ATT7022⑶，所述數(shù)據(jù)處理單元還連接有跳閘輸出單元、通信電路單元、顯示電路單元以及鍵盤單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓線路綜合保護(hù)裝置，其特征在于:所述數(shù)據(jù)處理單元采用STC15F單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓線路綜合保護(hù)裝置，其特征在于:所述電壓形成電路單元采用互感器隔離法，電網(wǎng)中高電壓、大電流信號經(jīng)過一次TV、TA和數(shù)據(jù)采集板上的二次小TV、TA變換為后，再通過信號調(diào)理電路送到A/D轉(zhuǎn)換器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓線路綜合保護(hù)裝置，其特征在于:所述STC15F單片機(jī)將跳閘輸出信號鎖存至輸出寄存器，經(jīng)過功率控制電路驅(qū)動跳閘輸出單元的繼電器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓線路綜合保護(hù)裝置，其特征在于:所述通信電路單元采用RS-485通信接口，并采用SN888C芯片進(jìn)行其收/發(fā)狀態(tài)控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓線路綜合保護(hù)裝置，其特征在于:所述顯示電路單元采用12864液晶屏。
7.一種基于ATT7022⑶的低壓線路綜合保護(hù)裝置的保護(hù)方法，其特征在于:首先裝置上電或復(fù)位，然后對SPI硬件寄存器、各I/O 口寄存器、UART硬件寄存器等進(jìn)行系統(tǒng)初始化配置，硬件自檢包括電流、電壓互感器斷線、短路檢測，自檢不通過則報警，自檢通過后進(jìn)入整定參數(shù)設(shè)定；開啟ATT7022⑶采樣緩存功能，顯示三相電壓、電流有效值，顯示有功、無功和視在功率，顯示電能計量；通信電路單元完成后，讀取ATT7022CU采樣緩存寄存器，根據(jù)繼電保護(hù)算法，計算電網(wǎng)中實時電流值，將實時值與整定值進(jìn)行比較，如果實時值比整定值大，則進(jìn)入保護(hù)程序，由保護(hù)程序輸出跳閘信號驅(qū)動繼電器斷開或報警提醒。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于ATT7022CU的低壓線路綜合保護(hù)裝置的保護(hù)方法，其特征在于:所述繼電保護(hù)算法采用基于非正弦周期模型全波傅里葉算法。
【文檔編號】H02H7/26GK104184133SQ201410396269
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月13日
【發(fā)明者】于群, 張智宇, 曹娜, 單才偉 申請人:山東科技大學(xué)