基于双STC的低压线路保护装置的设计
山东科技大学电气与自动化工程学院的研究人员张智宇、于群、于梦瑶，在2015年第1期《电气技术》杂志上撰文，目前市面上的低压线路微机继电保护装置，大部分都是采用DSP或ARM处理器，价格昂贵使其应用范围受到限制。
随着单片机功能的强大，价格优势的凸显，设计了一款低成本简单的低压线路保护装置，解决当前存在的因低压线路微机继电保护装置价格昂贵而不能普及的问题。装置采用性价比较高的STC单片机，利用其自带的ADC并结合改进差分递推傅里叶算法，实现瞬时电流、限时电流速断保护，欠电压和过电压保护功能，同时可实时显示当前电网的电压、电流、有功功率和功率因数，并可通过RS485总线与上位机通信。
本装置经现场测试，运行效果很好，完全满足低压线路保护的要求。
市面上的低压线路微机继电保护装置，大部分都是采用DSP或ARM处理器。
文献[1]为基于DSP的线路保护装置，该装置可实现输电线路的保护、测控功能；
文献[2]为基于ARM处理器的线路保护装置的研究，采用在AT91RM9200处理器上运行嵌入式实时操作系统μC/OS-II来实现输电线路的全分布式的保护和测控；
文献[3]为针对中低压线路而设计的双DSP结构微机线路保护装置，采用半波傅氏算法和Mann-Morrison算法相结合。ARM或DSP信号处理能力强、运算速度快，这是众所周知的，但其价格昂贵使其应用范围受到限制。
随着科学技术发展，单片机技术也在快速发展，其功能已非常强大，价格优势也更加明显。STC公司的两款单片机STC15F2K60S2和STC11F32XE无论是功能还是价格都占有绝对优势，在实现和ARM或者DSP处理器相同功能的情况下，其保护装置成本价格远远低于其他处理器。
本文利用双STC单片机设计了一款低压线路保护装置，其具有瞬时电流、限时电流速断保护，监测电网中电压、电流、有功功率和功率因数等功能。
1 方案比较
从性能价格比较来说，有如下3个可行性方案。
a.方案1：国家半导体公司生产的ADC0809作为数据采集器、宏晶公司生产的STC11F32XE单片机作为控制器。
b.方案2：宏晶公司生产的STC15F2K60S2作为数据采集器和控制器。
c.方案3：STC15F2K60S2作为数据采集器、STC11F32XE作为控制器。
表1 方案比较
从表1方案比较中可知，方案3硬件连线简单，单片机利用率高，整套保护装置性能好，因此选择方案3，下面对方案3进行详细研究。
2 硬件设计
方案3利用STC公司两款不同硬件资源单片机相互配合来实现低压线路保护的功能，STC15F2K60S2负责ADC采集和开关量输出，STC11F32XE负责实时显示电压和监测开关量输入，两单片机通过3条普通I/O口进行通信。
本低压线路保护装置总体框图如图1所示，由双STC处理器单元、电压形成回路单元、开关量输出单元、开关量输入单元、通信单元、人机接口单元等组成[4]。
图1 总体框图
（1）双STC处理器单元，STC11F32XE、STC15F2K60S2是单时钟/机器周期（1T）单片机，STC15F2K60S2具有30万次/秒的8路高速10位A/D转换通道，并带有采样保持电路，完全可以取代外置ADC芯片。
（2）保护用电流互感器额定电流为40A，测量用电流互感器额定电流为5A。额定电流40A对应单片机ADC值最大为0x03FF，额定电流5A对应ADC值为0x7F，则通过计算得最小分辨率为0.039A，因此本线路保护装置电流通道共用一个电流互感器满足要求。
电压形成回路单元由以下3部分组成：
a.取样电路，电网中的高电压、大电流转换成小电压信号有3种方式：电阻分压；微型互感器；电子式互感器。本文选用如图2(a)所示的微型互感器，将电网中实际高电压、大电流信号转换成小电压信号。
b.低通滤波电路，经微型互感器采集的信号中含有大量高频分量，为了保障采样信号的准确性，应滤除高频分量，采用图2(b)所示的低通滤波电路，可以滤去信号中高频分量。
图2 取样-低通滤波电路
c.同相加法电路，STC15F2K60S2是单极性ADC，所以经滤波后信号还需要加偏置电压才能转换成被ADC所能接受的信号。如图3所示为同相加法器电路，将基准电压信号的一半加到交流信号上，使采样信号转变为直流信号。
图3 同相加法电路
（3）开关量输入、输出单元，开关量输入用于检测开关位置和状态，其信号经过限流电阻、去抖电路处理后，再经过光电隔离才能进入单片机。开关量输出用于控制断路器的跳合闸，其信号由单片机输出至锁存寄存器后，经过功率放大电路驱动继电器。
（4）通信单元，RS-485通信接口采用德州仪器生产的SN888C芯片进行其收/发状态控制，该芯片可以在上电后的第一个76ms内检测和校正设备总线的极性。其高能量瞬变干扰保护功能可以防止雷电、短路等引起的高电压击穿控制器危险。因此，本文采用高速光电隔离方式将STC15F2K60S2与SN888C进行隔离，以避免因外部通信线路所带来的噪声对内部系统产生的干扰。
（5）开关电源单元，ADC转换过程中电压基准的稳定性对采样精确度的影响较大，本文采用78L05作为ADC基准电压，能有效保证ADC的转换精度。并且，本装置在硬件上采取电源模块滤波、加磁环，印制板合理布线，接地系统正确选择等措施。
（6）人机接口单元，液晶采用金鹏公司生产的12864液晶屏，该液晶屏采用7920芯片，自带字库；采用独立按键。
3计算方法
对于单片机ADC转换后的小电压信号需要经过微机继电保护算法才能得到其幅值和相角，现在比较成熟的保护算法主要有三采样值乘积算法、傅里叶算法和最小二乘法等[5]。由于单片机硬件资源限制和傅里叶算法占用数据窗口较多，对低压线路保护装置傅里叶算法无法满足其动作时间要求，因此本装置采用递推傅里叶算法[6]。
通过分析220/380V配电线路参数[7]，经MATLAB/Simulink软件仿真可知，低压配电线路发生短路故障时除了有正弦基波分量外，还含有衰减的非周期直流分量、高次谐波分量及其它干扰等[8]。
因此，本文采用改进差分法来消除衰减的非周期直流分量对有效值计算准确度的影响，改进差分法计算公式为：y(n)=x(n+1)-hx(n)，式中h为常数，与直流分量的衰减常数有关[9]。
采用改进差分法计算公式，显著地降低了由于非周期分量的存在所带来的误差，提高了测量精度，保证了微机继电保护的可靠动作。本文硬件设计中低通滤波电路可以滤除6次以上谐波，其他次谐波可以通过递推傅里叶算法来滤除。
通过MATLAB/Simulink分析得出如图4所示的不同算法对有效值计算结果影响的仿真图。从图中可以看出衰减的非周期直流分量对有效值的计算结果有较大影响，加入差分滤波算法后其有效值摆动幅度减小，采用改进差分算法可使其有效值趋于稳定的时间大大缩短。
图4 不同算法有效值的计算结果
4 软件设计
本低压线路保护装置的软件设计分为保护和监控两部分，STC15F2K60S2执行本装置保护功能，STC11F32XE执行本装置监控功能。通过配置STC15F2K60S2中ADC控制寄存器、中断允许寄存器可以很容易实现采集数据的功能，采用定时器中断实现对数据采样点的控制，检测ADC转换结束时的中断信号来读取转换结果。
图5 保护流程图
保护部分流程图如图5所示，装置上电或复位后进行系统初始化，然后进行硬件自检，自检通过后进行数据采集，利用递推傅里叶算法快速、精确的计算电网实时值，将实时值与整定值比较，如果检测到故障则驱动继电器跳闸并发出警报。
监控部分流程图如图6所示，监控部分有两个主要功能：整定值设定和电网电气量参数计算。整定值通过按键进行设定，利用离散的电气量参数计算公式来计算电网中的电压、电流和有功功率[10]。保护和监控部分采取程序结构化、功能模块化、设置软件陷阱和冗余设计提高抗干扰的能力。
图6 监控流程图
5实验测试
实验设备采用武汉中试高测电气有限公司生产的ZSJB-702微机继电保护测试仪，该继电保护测试仪符合DL/T474.4-1999和DL/T848.2-2002电力行业标准。中华人民共和国国家标准GB/T 7261-2000《继电保护及其自动化装置基本试验方法》指出微机型产品测量次数为5次，表2是按照基本试验方法所测得数据，其中最小动作时间为5次实验中最小值、最大动作时间为5次实验中最大值。
《电力系统继电保护原理》中指出定值精度：电流保护固有动作时间小于50ms。表2为瞬时电流速断动作时间测试数据，动作时间在10~30ms之间，在考虑避雷器放电时间情况下，对于测量与保护一体化仪表来说基本满足要求[11]；表3为电压、电流、有功功率和功率因数测试数据，其等级达到DL/T 614-2007电力行业标准[12]中的1级计量要求。
6 结论
通过分析目前低压线路微机继电保护装置应用范围和传统继电器缺陷，本文采用STC15F2K60S2和STC11F32XE设计并研发了一款低成本简单的低压线路保护装置，具有瞬时电流、限时电流速断保护，欠电压和过电压保护的功能，并可实时显示当前电网的电压、电流、有功功率和功率因数，可通过RS485或CAN总线上传数据。
经继电保护测试仪测试，各项功能均达到电力行业标准。现场运行表明，与同类其他装置相比，本装置具有动作时间快、测量精度高、抗干扰能力强的优点，更能满足实际生产的要求。