一种基于att7022cu的低压线路综合保护装置及其保护方法
【专利摘要】本发明一种基于ATT7022CU的低压线路综合保护装置及其保护方法，包括依次连接的电网模型单元、电压形成电路单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元采用三相电能专用计量芯片ATT7022CU，所述数据处理单元还连接有跳闸输出单元、通信电路单元、显示电路单元以及键盘单元,所述数据处理单元采用STC15F单片机。本发明给出一种由STC15F与ATT7022CU为主的低压线路综合保护电路设计方案，在不影响计量芯片精度的情况下，利用ATT7022CU开放的采样数据缓存功能结合傅里叶算法，实现了瞬时速断、限时速断、过电流和低电压保护功能。
【专利说明】一种基于ATT7022CU的低压线路综合保护装置及其保护方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电路保护，特别涉及一种基于ATT7022⑶的低压线路综合保护装置及其保护方法。
【背景技术】
[0002]当前以微处理器为核心的低压线路综合保护已广泛应用，这些综合保护装置不但要完成常规的保护功能，还要完成电气设备正常运行时电流、电压、有功功率和无功功率的监测功能。这就使得以低成本的方案既要满足保护的快速性又要满足监测的准确性变得非常重要。ATT7022CU是一款广泛应用在电能采集电路中的高精度三相电能专用计量芯片，传统的ATT7022CU芯片主要应用于电能计量、电气参数测量电路中，其数据为每隔330ms才更新一次，对于继电保护快速动作要求显然是无法满足。
【发明内容】
[0003]本发明应用ATT7022⑶开放的采样数据缓存功能，将ATT7022⑶应用到速断保护中，提供了一款低压线路综合保护装置，本保护装置在不影响计量芯片精度的情况下实现了瞬时速断、限时速断、过电流和低电压保护功能。
[0004]本发明的技术方案是:
[0005]一种基于ATT7022⑶的低压线路综合保护装置，包括依次连接的电网模型单元、电压形成电路单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元采用三相电能专用计量芯片ATT7022⑶，所述数据处理单元还连接有跳闸输出单元、通信电路单元、显示电路单元以及键盘单元。
[0006]优选的，所述数据处理单元采用STC15F单片机。
[0007]优选的，所述电压形成电路单元采用互感器隔离法，电网中高电压、大电流信号经过一次TV、TA和数据采集板上的二次小TV、TA变换为后，再通过信号调理电路送到A/D转换器中。
[0008]优选的，所述STC15F单片机将跳闸输出信号锁存至输出寄存器，经过功率控制电路驱动跳闸输出单元的继电器。
[0009]优选的，所述通信电路单元采用RS-485通信接口，并采用SN888C芯片进行其收/发状态控制。
[0010]进一步优选的,所述显示电路单元采用12864液晶屏。
[0011]一种基于ATT7022⑶的低压线路综合保护装置的保护方法，首先装置上电或复位，然后对SPI硬件寄存器、各I/O 口寄存器、UART硬件寄存器等进行系统初始化配置。硬件自检包括电流、电压互感器断线、短路检测，自检不通过则报警，自检通过后进入整定参数设定；开启ATT7022⑶采样缓存功能，显示三相电压、电流有效值，显示有功、无功和视在功率，显示电能计量；通信电路单元完成后，读取ATT7022CU采样缓存寄存器，根据继电保护算法，计算电网中实时电流值，将实时值与整定值进行比较，如果实时值比整定值大，则进入保护程序，由保护程序输出跳闸信号驱动继电器断开或报警提醒。
[0012]优选的，所述继电保护算法采用基于非正弦周期模型全波傅里叶算法。
[0013]本发明的有益效果:本发明给出一种由STC15F与ATT7022⑶为主的低压线路综合保护电路设计方案，在不影响计量芯片精度的情况下，利用ATT7022CU开放的采样数据缓存功能结合傅里叶算法，实现了瞬时速断、限时速断、过电流和低电压保护功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明所述的基于ATT7022⑶的低压线路综合保护装置的原理图；
[0015]图2为本发明的系统主程序设计流程图。
【具体实施方式】
[0016]为方便本领域的技术人员了解本发明的技术内容，下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0017]1.本实施例的硬件设计方案
[0018]如图1所示，本发明所揭示的基于ATT7022CU的低压线路综合保护装置的硬件系统包括依次连接的电网模型单元、电压形成电路单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元采用三相电能专用计量芯片ATT7022⑶，所述数据处理单元还连接有跳闸输出单元、通信电路单元、显示电路单元以及键盘单元。具体的:
[0019]1.1数据处理电路
[0020]数据处理电路中控制器选择STC15F2K60S2单片机，STC15F具有以下优点:
[0021]a.STC15F系列单片机不需要外部晶振，内部有高精度R/C时钟，常温下温漂为5%。，本装置设置R/C时钟为30MHz ；
[0022]b.STC15F系列单片机比普通单片机性能增强，指令运行所需时钟数量减少，运算速度是普通单片机的8-12倍；
[0023]c.含有60KByteSFlaSh程序存储器和2048Bytes数据存储器，指令系统与标准的MCS-51指令兼容；
[0024]d.内部集成SPI硬件电路，在主模式下速度可以达到3Mbps，利用SPI总线可以缩短单片机与计量芯片之间数据交换时间；
[0025]e.片内含有IKBytes的EEPR0M，无需外部存储电路就可以方便保存设置的参数。STC15F具有ISP/IAP功能，无需编程器和仿真器。
[0026]I.2电压、电流取样电路
[0027]电网中被测高电压、大电流信号转换为小电压的方法有两种，一种是互感器隔离法，另一种是电阻取样法。电阻取样法所需电路简单，不具备高压侧信号和低压侧信号电气隔离，很容易因为高压侧过电压而造成控制电路损坏。本文采用互感器隔离法，电网中高电压、大电流信号经过一次TV、TA和数据采集板上的二次小TV、TA变换为后，再通过信号调理电路才能直接送到A/D转换器中。
[0028]1.3数据采集及保护电路
[0029]本发明专利选用钜泉光电公司的一款高精度三相电能专用计量芯片ATT7022⑶。它内置六路二阶Σ-Λ转换器，提供有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值。在输入动态工作范围1000:1，非线性测量误差小于0.1%，单+5V供电，并且具有SPI接口，方便与外部MCU通信。
[0030]ATT7022⑶新增一个用以实时保存原始采样数据长度为240的缓存存储区，用户发送开启采样功能命令后，ATT7022CU在每个采样周期将相应A/D数据保存到缓存存储区中，直到缓存存储区满为止。缓存存储区数据会保持上一次的数据，直到发送新的开启采样功能命令。用户可以通过改变地址命令和指定要读的缓存存储区起始地址命令，随时读取缓存存储区内容。
[0031]1.4跳闸输出、通信及人机接口电路
[0032]跳闸输出信号由STC15F2K60S2单片机锁存至输出寄存器，经过功率控制电路驱动继电器。
[0033]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。SN888C芯片显著优点是片内含有极性校正器和高能量瞬变抗干扰保护，并具有热插拔功能。
[0034]液晶采用金鹏公司生产的12864液晶屏，该液晶屏采用7920控制芯片，自带字库；按键采用独立按键。
[0035]2.软件设计及保护算法
[0036]系统软件部分包括系统主程序设计、保护算法和电气参数读写。本低压线路综合保护装置软件程序设计采用C语言和汇编语言混合编程，C语言可使各功能程序模块化；汇编语言可使指令更加精简，MCU利用率更高。
[0037]2.1主程序设计
[0038]低压线路综合保护装置主程序设计流程如图2所示。首先装置上电或复位，然后对SPI硬件寄存器、各I/O 口寄存器、UART硬件寄存器等进行系统初始化配置。硬件自检包括电流、电压互感器断线、短路检测，自检不通过则报警，自检通过后进入整定参数设定。开启ATT7022⑶采样缓存功能，显示三相电压、电流有效值，显示有功、无功和视在功率，显示电能计量。通信模块完成后，读取ATT7022CU采样缓存寄存器，根据继电保护算法，计算电网中实时电流值，将实时值与整定值进行比较，如果实时值比整定值大，则进入保护程序，由保护程序输出跳闸信号驱动继电器断开或报警提醒。
[0039]2.2保护算法
[0040]ATT7022⑶第一次上电需要650ms才能使寄存器中有正确值，以后大约每330ms更新一次寄存器中数据，根据速断保护动作时间要求一般快速保护动作时间为20ms?40ms，利用ATT7022CU自带的测量寄存器，是远不能达到要求，因此需要采用保护算法来提高测量实时参数更新时间。
[0041]继电保护算法有很多种，例如基于精确正弦模型算法、基于非正弦周期模型算法、随机函数模型算法和小波分析算法。发明专利采用基于非正弦周期模型全波傅里叶算法。在微机继电保护中傅里叶算法作为计算电压、电流信号幅值被广泛采用。傅里叶算法可用于求出各谐波分量的幅值，其基本思路来自傅里叶级数，即周期性函数可以分解为直流分量、基波分量及各次谐波分量的无穷级数，如
OO
[0042]kt) = X[^? Cos(WW1Z) +a^in^w^)](I)
n=0
[0043]式中W1为基波角频率；an和bn分别为各次谐波分量的正弦和余弦幅值，k为直流分量，B1, Id1分别为基波分量的正弦和余弦幅值。依据傅里叶级数原理，可以得出a?、比分别为
2 Ct
[0044]an = —Jo2
2
[0045]bn -1(l) cos(/m.'/)i"j )
[0046]于是n次谐波电流分量可表示为
[0047]in(t) = bncos (nw^) +ansin (nw^)(4)
[0048]n次谐波电流分量的有效值为
[0049]In(5)
[0050]用梯形积分法近似求出an、bn为
IΓ * γ—Ι..L hii τι.....,、
[0051]
TV HTsl
[0052]b? = -^[Z0 + 2j] ik cosC 7)
N ti N
[0053]式中，N为基波信号一周期采样点数；ik为第k次采样值JciUn分别为k = 0、k =N时的采样值。
[0054]由于单片机硬件资源有限，为了简化单片机的计算工作，加快单片机的响应时间，对傅里叶算法采用了特殊的处理方法。ATT7022⑶的A/D采样速率为3200Hz，即每周波采样64个点，如果对64点进行傅立叶算法，则运算量比较大。下面推导出基于16点的傅里叶算法，从64点中每间隔4个点，用于傅里叶计算，计算公式为:
I49.90....118......
[0055]aI = g(tDjrib-h-1H)+(iI +h ~^+l2S^2 +?4_；8( 8)
,Ir49,....、 90 ,...., 118广...,,.
[0056]b' = g[^(；2+i12 _*4_Z10)+:j^(*l +? _h _Ζ9)+ρ^(Α)+?Ι4?)+(Ζ15 ~h)](9)
[0057]ATT7022CU将模拟的电压、电流等电气量转换成离散的电压、电流等电气量，然后需要STC15F2K60S2单片机利用全波傅里叶算法计算出其幅值、相位等实时参数，将得到的实时值与EEPROM中存储的整定值进行比较，从而判断是否发生故障而进行继电保护。从采样数据到得到实时电流值需要以下五个步骤。
[0058]a.发送地址为OxCO、命令为OxCCCCCB到ATT7022CU开启采样功能。
[0059]b.不断读取ATT7022⑶中地址为0x7E的寄存器，若该寄存器的数值等于240，表示采样数据更新完毕。
[0060]c.采样数据更新完毕后，发送地址为OxCl、命令为0x000000到ATT7022CU设置读指针的起始地址，读取ATT7022⑶中地址为0x7F的寄存器，将采样数据放到单片机指定寄存器中。
[0061]d.根据公式(8)、(9)基于16点的傅里叶算法计算实时电流值。
[0062]e.将实时值与整定值进行比较，若实时值比整定值大，则进行继电器输出；如实时值比整定值小，则进行a—d。
[0063]2.3电气参数读写
[0064]为了使读写ATT7022CU电气参数不影响继电保护过程，对读写电气参数过程做了特殊处理。从采样数据到实时电流值的计算步骤b为等待采样数据完成，将电气参数显示和通信功能程序放在等待A/D缓存器填满的过程中。这样使得本综合保护装置动作时间大大加快。STC15F2K60S2通过SPI硬件接口完成对ATT7022⑶中相关寄存器的读写，来完成电参数的更新。
[0065]3.实验测试数据
[0066]本发明专利对设计的低压线路综合保护装置速断动作值、动作时间、电压、电流和有功功率进行实验测试，测试仪器选用昂立公司生产的AD331继电保护测试仪，该继电保护测试仪满足电力行业对微机型继电保护测试检验的基本条件。
[0067]中华人民共和国国家标准GB/T7261-2000《继电保护及其自动化装置基本试验方法》指出动作特性和时间特性是衡量继电保护及自动化装置性能的重要指标。微机型产品测量次数为5次，表1、2、3是按照基本试验方法所测得数据。GB/T7261标准中规定，其动作特性准确度不应超过动作值平均误差的±3%。平均误差计算公式如下:
[0068]
平均误差(%) = 5次测量，，-整定值
整足值
[0069]表I为瞬时电流速断动作测试，按照平均误差计算公式，在电流整定值为3Α时，其动作平均误差为-0.47% ;在电流整定值为5Α时，其动作平均误差为0.6% ;在电流整定值为7Α时，其动作平均误差为-0.53%,瞬时电流速断动作特性满足国家标准。陕西银河网电科技有限公司ΥΗ3000变电站综合自动化系统微机保护装置技术说明书指出定值精度:电流保护固有动作时间小于50ms。由表I可知，瞬时电流速断平均动作时间为40ms左右，在考虑避雷器放电时间情况下，对于保护测控装置基本满足要求。
[0070]表I瞬时电流速断动作测试
[0071]
【权利要求】
1.一种基于ATT7022⑶的低压线路综合保护装置，其特征在于:包括依次连接的电网模型单元、电压形成电路单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元采用三相电能专用计量芯片ATT7022⑶，所述数据处理单元还连接有跳闸输出单元、通信电路单元、显示电路单元以及键盘单元。
2.根据权利要求1所述的低压线路综合保护装置，其特征在于:所述数据处理单元采用STC15F单片机。
3.根据权利要求2所述的低压线路综合保护装置，其特征在于:所述电压形成电路单元采用互感器隔离法，电网中高电压、大电流信号经过一次TV、TA和数据采集板上的二次小TV、TA变换为后，再通过信号调理电路送到A/D转换器中。
4.根据权利要求2所述的低压线路综合保护装置，其特征在于:所述STC15F单片机将跳闸输出信号锁存至输出寄存器，经过功率控制电路驱动跳闸输出单元的继电器。
5.根据权利要求2所述的低压线路综合保护装置，其特征在于:所述通信电路单元采用RS-485通信接口，并采用SN888C芯片进行其收/发状态控制。
6.根据权利要求2所述的低压线路综合保护装置，其特征在于:所述显示电路单元采用12864液晶屏。
7.一种基于ATT7022⑶的低压线路综合保护装置的保护方法，其特征在于:首先装置上电或复位，然后对SPI硬件寄存器、各I/O 口寄存器、UART硬件寄存器等进行系统初始化配置，硬件自检包括电流、电压互感器断线、短路检测，自检不通过则报警，自检通过后进入整定参数设定；开启ATT7022⑶采样缓存功能，显示三相电压、电流有效值，显示有功、无功和视在功率，显示电能计量；通信电路单元完成后，读取ATT7022CU采样缓存寄存器，根据继电保护算法，计算电网中实时电流值，将实时值与整定值进行比较，如果实时值比整定值大，则进入保护程序，由保护程序输出跳闸信号驱动继电器断开或报警提醒。
8.根据权利要求7所述的基于ATT7022CU的低压线路综合保护装置的保护方法，其特征在于:所述继电保护算法采用基于非正弦周期模型全波傅里叶算法。
【文档编号】H02H7/26GK104184133SQ201410396269
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】于群, 张智宇, 曹娜, 单才伟 申请人:山东科技大学