基于继电保护装置相位控制的设计

工业社会的持续发展, 离不开稳定可靠的电力供应。要保证电力的运行长久可靠, 对设备的检测调试就显得极其重要。继电保护装置中有很多是基于相位保护, 如电流相位比较式母差保护。母差保护一旦误动或拒动, 就会造成大面积停电、系统瓦解等事故, 严重地影响电力系统安全、可靠运行, 给国民经济带来严重损失。产生这些事故的原因大多是母差保护相位错误所致, 因此, 设计一输出相位可控的信号来检测该类装置就显得尤为必要。该设计采用数字式的方式产生多相正弦信号, 保证了输出相位的可控性, 操作的简单性, 完全实现了自动化测试功能。本设计采用TI公司的MSP430单片机, 由于端口丰富, 指令少, 编程语言采用C语言编程 (C430) , 具有在线编程的功能, 可以大大缩短开发周期, 降低开发成本。相对于系统机而言, 基于单片机的设备由于携带方便, 性能可靠, 且具有价格优势, 更适合于基层的检测调试。

1 相位的描述

正弦交流信号的函数解析式为y=Asin (ωt+θ) , 由该解析式可以得知决定正弦交流信号的三要素:峰值A、角频率ω、初相位θ。对于单相信号而言, 由于不存在相位差, 初始相位显得并不重要 (除瞬态响应外) , 所以相位控制主要是针对多相信号而言, 根据相与相之间的初始相位的不同, 确定其相位差 (同周期信号) 。如A=310sin (100πt+45°) , B=310sin (100πt+20°) , 则A信号与B信号之间的相位差为θAB=θA-θB=45°-20°=25°。

2 单片机选型及MSP430FG4618的特点

单片机选型应从以下几个方面入手:单片机在市场上的流通性即是否容易采购, 单片机系列产品的完整性是否利于后续产品的升级, 其管脚能否兼容, RAM的空间容量, 程序空间的大小, 端口及中断的多少, 是否支持高级语言编程, 编程方式是否容易, 有无硬件乘法器等。参数的选择需要根据项目的要求而定, 在我们开发的这个项目中, 选用的单片机是T I公司的MSP430FG4618。其特点有以下几点。

(1) 低电源电压范围:1.8~3.6V。 (2) 从等待到唤醒时间:6μs。 (3) 基本时钟模块配置:高速晶体 (最高8 M H z) 、低速晶体 (32768Hz) 、DCO。 (4) 具有3/7个捕获/比较寄存器的1 6位定时器T i m e r_A 3/Timer_B7。 (5) 串行通信接口可用于异步与同步 (软件选择USART/SPI模式) 。 (6) 具有一个硬件乘法器、一路12位A/D转换器ADC12、两路12位DA转换器DAC12、3路DMA控制器。 (7) 多达10个8位I/O端口, 2个具有中断功能:P1、P2。 (8) 片内多达116KB FLASH ROM和8KB RAM。 (9) 串行在线编程、安全熔丝的程序代码保护。

3 系统设计与实现

3.1 硬件部分

由单片机MSP430的P1、P4口输出正弦函数数值, 经过D/A转换, 输出正弦波形滤波后经功率放大电路得到输出波形, 驱动外围设备。D/A选用16位、有四路输出的7644。

由于D/A输出为阶梯波形, 含有较高的高频成分, 需要经过低通滤波才能得到需要的低频信号。考虑到滤波电路对相位影响较大, 为了提高相位精度, 在设计滤波电路时需要考虑元件参数 (选择精密元件) 对电路的影响。

3.2 模型建立及算法分析

由于单片机处理的是数字信号, 而输出的具有可控相位的正弦波是一个连续变化的模拟量, 所以必须对一个周期内的正弦波形进行描点 (斩波) 处理。当然, 一方面我们希望获得的是近似理想的真实模拟波形, 就需要在一个周期内处理尽可能多的点, 但另一方面, 由于单片机处理的速度有限, 点数如果选取过多, 系统开销增大, 会影响程序的运行。因而在该设计中, 我们在一个周期内 (一个周期360°) 选择100点, 即每隔3.6°计算一个正弦函数值, 由单片机中断送出。

由于单片机处理正弦函数的计算会耗去较长时间, 如果采用一边送数一边计算的方式, 在速度响应上就会存在问题, 即可能下一点数据还没计算出结果, 单片机又开始中断送数, 这样只能送出错误的数据。因此该项目采用先计算好一个周期 (100点) 的正弦函数值, 存放在FLASH中, 在中断送数的过程中只负责取出数据即可, 即采用查表方式。

根据设计对相位误差的要求, 选定相位分辨率为0.1°。故存储在正弦函数表里的正弦函数值其步进为0.1°, 所以要存储一个周期360°内的正弦函数值, 就需要存放N=360/0.1=3600个点的数据 (需要占用空间3600*2字节) 。考虑到受单片机空间的限制, 再结合正弦函数的特点:当90°≤θ≤180°sinθ=sin (180°-θ) ;当180°<θ≤270°sinθ=-sin (θ-180°) 当270°<θ≤360°sinθ=-sin (360°-θ) 只要我们求出0°≤θ≤90°的函数值, 通过上面的公式转化, 周期内其它函数值也就相应确定。故本设计在正弦函数表里只存储了0°≤θ≤90°的函数值, 共占用1.8K字节。

由于数组只存储了0°≤θ≤90°的函数值, 所以在求整个周期内的函数值时, 需要判断该点所处象限, 再进行查表计算。

4 相位控制及准确度测量

以Ua为基准, 输出电压50V, 输出电流1A (如表1、2) 。

5 结语

通过单片机实现多相正弦信号的输出, 外接电压、电流功率放大模块, 就可方便的实现电流之间、电压之间、电流与电压相位的随意控制, 可广泛应用于电力系统中的继电保护的测试。

摘要：结合继电保护装置对相位测试的需要, 介绍用MSP430单片机产生多路可控制相位的正弦信号来模拟测试继电保护装置的实际动作。该系统利用了MSP430单片机的片内资源, 既简化了系统设计, 又提高了系统的可靠性。

关键词：继电保护装置,相位,正弦交流信号,MSP430FG4618,在线编程,可靠性

参考文献

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