《一种基于ATT7022CU的低压线路综合保护装置及其保护方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于ATT7022CU的低压线路综合保护装置及其保护方法.pdf（12页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、10申请公布号CN104184133A43申请公布日20141203CN104184133A21申请号201410396269622申请日20140813H02H7/2620060171申请人山东科技大学地址266590山东省青岛市经济技术开发区前湾港路579号72发明人于群张智宇曹娜单才伟74专利代理机构北京科亿知识产权代理事务所普通合伙11350代理人汤东凤54发明名称一种基于ATT7022CU的低压线路综合保护装置及其保护方法57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。
2、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。51INTCL权利要求书1页说明书8页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书8页附图2页10申请公布号CN104184133ACN104184133A1/1页21一种基于AT。
3、T7022CU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。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。
4、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RS485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ATT7022CU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。
5、定参数设定；开启ATT7022CU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。权利要求书CN104184133A1/8页3一种基于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。
6、保护，特别涉及一种基于ATT7022CU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ATT7022CU开放的采。
7、样数据缓存功能，将ATT7022CU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ATT7022CU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。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。
8、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RS485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ATT7022CU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。
9、报警，自检通过后进入整定参数设定；开启ATT7022CU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，根据继电保说明书CN104184133A2/8页4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A。
10、TT7022CU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。附图说明0014图1为本发明所述的基于ATT7022CU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。00171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ATT7022CU。
11、，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001911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0021ASTC15F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；0022BSTC15F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812倍；0023C含有60KBYTESFLASH程序存储器和2048BYTES数据存储器，指令系统与标准的MCS51指令兼容；0024D内部集成SPI硬件电路，在主模式下速度可。
12、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；0025E片内含有1KBYTES的EEPROM，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。002612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。
13、换器中。002813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ATT7022CU。说明书CN104184133A3/8页5它内置六路二阶转换器，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10001，非线性测量误差小于01，单5V供电，并且具有SPI接口，方便与外部MCU通信。0030ATT7022CU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。
14、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。003114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。0033RS485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。00352软件设计及保护算法0036系统软件部分包括系。
15、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。003721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ATT7022CU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。
16、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。003922保护算法0040ATT7022CU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20MS40MS，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。
17、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0042说明书CN104184133A4/8页60043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，B0为直流分量，A1、B1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AN、BN分别为004400450046于是N次谐波电流分量可表示为0047INTBNCOSNW1TANSINNW1T40048N次谐波电流分量的有效值为00490050用梯形积分。
18、法近似求出AN、BN为005100520053式中，N为基波信号一周期采样点数；IK为第K次采样值；I0、IN分别为K0、KN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。ATT7022CU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005500560057ATT7022CU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。
19、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。0058A发送地址为0XC0、命令为0XCCCCCB到ATT7022CU开启采样功能。0059B不断读取ATT7022CU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。0060C采样数据更新完毕后，发送地址为0XC1、命令为0X000000到ATT7022CU设置读指针的起始地址，读取ATT7022CU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。0061D根据公式8、9基于16点的。
20、傅里叶算法计算实时电流值。说明书CN104184133A5/8页70062E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AD。006323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ATT7022CU中相关寄存器的读写，来完成电参数的更新。00653实验测试数据0066本发明专利对设计。
21、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/T72612000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00680069表1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3A时，其动作。
22、平均误差为047；在电流整定值为5A时，其动作平均误差为06；在电流整定值为7A时，其动作平均误差为053，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YH3000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1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1瞬时电流速断动作测试0071说明书CN104184133A6/8页80072注；ISET整定值；IACT动作值；TACT动作时间；0073表2300MS限时电流速断动作测试00740075注ISET整定值；IAC。
23、T动作值；TACT动作时间；0076中华人民共和国国家计量技术规范JJF12822011电子式时间继电器校准规范计量特性中指出数字时间继电器延时整定最大允许误差为1整定值150MS；在延说明书CN104184133A7/8页9时整定值不大于5S时，数字时间继电器延时重复误差为不大于50MS。0077表3500MS限时电流速断动作测试00780079注ISET整定值；IACT动作值；TACT动作时间；0080表2、表3分别为300MS限时电流速断动作测试、500MS限时电流速断动作测试，其动作特性均满足国家标准。在300MS限时电流速断时，其最大允许误差为153MS，由表2可知300MS限时电流。
24、速断动作满足规定的最大允许误差和延时重复误差。在500MS限时电流速断时，其最大允许误差为155MS，由表3可知500MS限时电流速断动作满足规定的最大允许误差和延时重复误差。0081表4为电压、电流和有功功率测量数据，依据中华人民共和国电力行业标准DL/T6142007多功能电能表规定，该低压线路综合保护装置监测电压、电流误差不大于01，有功测量满足02S级，完全满足行业标准。0082本发明专利研制了一套低压线路综合保护装置，分析测试数据可知，其瞬时速断动作特性、限时速断动作特性和电量参数准确度均达到行业标准。0083表4电压、电流和有功功率测量数据0084说明书CN104184133A8/8页10说明书CN104184133A101/2页11图1说明书附图CN104184133A112/2页12图2说明书附图CN104184133A12。