MSP430在电力系统微机保护模块中的应用

摘 要：为实现10 kV配电网的微机保护功能，在此采用MSP430F1611单片机采集配电网的电流、电压以及开关的状态，并根据所采集的电压、电流对配电网实现保护功能，利用串口总线实现与测量模块、人机界面模块的通信。从硬件和软件两方面详细说明该装置的结构和功能。对装置的每一部分都做了详细的介绍，并附有插图。详细分析了主要技术指标，并给出主程序和中段程序的流程图。该装置已经可靠地应用在10 kV配电网中。
关键词：微机保护；数据采集；三段电流保护；零序保护；自动重合闸

0 引 言
电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断注入了新的活力。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。从20世纪90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。
电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其他保护、控制装置和调度联网，以共享全系统数据、信息和网络资源的能力、高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。
计算机网络可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。本文以 MSP430F1611单片机为基础，通过采集配电网的电流、电压以及开关的状态；对配电网实现保护，其内容包括电流速断保护、三段式过流保护、反时限保护、零序保护和带后加速的三相一次重合闸，并且利用串口总线实现与测量模块、人机界面模块的通信。

l 硬件部分
1．1 概述
微机保护的硬件由数据采集系统、CPU主系统、开关量输入输出系统等组成。整体原理图如图1所示。通常整套硬件是用单独的专用机箱组装的。

1．2 数据采集系统硬件组成
数据采集系统又称模拟量输入系统，它的作用是将互感器次侧输出的电压、电流等模拟量经过隔离、采样、A／D转换等步骤转化为计算机能接受与识别的数字量，然后经过CPU主系统进行数据处理与运算，开关量输出输入系统的作用主要是输出跳闸、信号等信息。本文的装置共有8路数据采集输入，其中的一路见图2。该系统中，共有3个部分组成：互感器与变换器、低通有源滤波器、限压电路。
互感器与变换器分别包括电流和电压。互感器的作用是采集母线上的电流和电压，并将其转换成单片机可接受的电流和电压值。这里选择CS-TA1型互感器，一般将二次侧的电流值变为5 A。另外，由于要求实现零序保护，将B相的电流互感器设定为零序互感器。电流变换器是将互感器的二次侧电流再一次变换。MSP430F1611所接收的电压最大值为3．3 V，但作为保护电路，要考虑到瞬时脉冲电流的最大值可能远大于平均值，所以设计的电路可以使单片机承受正常电流20倍以上的冲击。
电网上采集的电流电压有高次谐波，不利于软件求出电流平均值，因此要加入低通有源滤波器，见图3。

图3中，Vo：Vi=1+R7／R6，可以选R6=400 Ω，R，=240 Ω。该有源滤波器的特征频率叫ωn=1／(RC)。对于工频为50 Hz的交流电，采样频率f=600 Hz。根据香农采样定理，取R8=4 kΩ，C1=1μF，可以达到滤波的功能。另外，滤波器的地与单片机的地是一致的。

由于MSP430F1611的容许电压是3．3 V，而电网电流可能产生瞬时脉动而造成单片机的烧毁，因而要有一限压电路。如图4所示。

图4中，因二极管的存在，输入A／D转换器的电压被限制在3．3 V以下。同时两个电阻产生分压效果。当电压过高，会使二极管导通，输入A／D转换器的电压会箝制在3．3 V。
1．3 CPU
MSP430系列单片机是由美国德州仪器设计开发的。这是一种具有超低功耗特性、功能强大的单片机。它具有处理能力强，运行速度快，功耗低等优点。具体介绍参考文献。
1．4 开关量输入／输出系统硬件组成
对微机保护装置的开关量输入／输出，即接点状态的输入／输出可以分为两类：安装在装置面版上的接点；从装置外部经过端子排引入装置的接点。
保护模块不仅要有保护装置，还要与测量显示模块实现异步通信。要从测量显示模块得到设定值及从自身得到闸刀的开关状态，必须要有开关量的输入输出。从其他模块得到的开关量直接接在P3口上，而自身得到的开关量需要有开关量输入电路。
1．4．1 开关量输入电路
图5中，开关量经过光电隔离后与CPU相连。其中，当输人端为高电平时，输出端为低电平。