基于ARM控制器在含DG配电网中继电保护的研究

摘 要分布式电源（DG）的接入改变了配电网络单电源结构，使原有的继电保护装置不再适用。根据方向比较式纵联保护方案以LPC1768为主芯片设计了保护从机控制器。根据保护逻辑设计软件系统。

【关键词】分布式电源 纵联保护 保护从机 LPC1768

随着单片机性能越来越优越，嵌入式继电保护装置已成为电力系统的主要保护设备。DG接入配电网后，改变了保护装置的保护范围和灵敏度，并使配电网变成多电源结构，原有的继电保护装置如三段式过流保护、距离保护等仅反映其安装处一点电气量信息，已不再适用。

为解决DG接入带来的问题，采用输电网中成熟的纵联保护作为主保护，而用三段式过流保护作为后备保护。本文采用价格低廉且性能优越的ARM Cortex-M3系列32位单片机LPC1768来设计，提出其设计方案。

1 含DG的纵联保护系统工作原理

方向比较式纵联保护的基本原理是在一个保护区域中，变电站中设置一个站级主机，在断路开关处设置保护从机；保护从机负责判断出是否有故障电流和故障的方向并上传，而不必考虑DG的接入对短路电流的影响；主站通过计算保护从机检测到的故障信息来判断故障点。

1.1 从机上传逻辑

保护从机内部均安装方向模块，用来测量其安装点处的故障方向。当从机控制器的方向模块输出高电平“1”时，则说明有故障，且方向信息为上游故障；当从机控制器的方向模块输出低电平“0”时，说明检测到故障信息为下游或者没有故障。从机获得故障信息通过光纤上传主站。

1.2 主站故障定位算法

配电系统往往带有大量的分支线，网络结构复杂。简单配电网络结构如图1所示。

故障定位算法中用关联矩阵L描述从机与线路区段直接的关系。关联矩阵L为m*n阶矩阵，m为保护从机的数目，n为线路区段数目。元素lij表示第i个节点与第j个支路的连接关系，当第i个节点与第j个支路直接相连且支路j位于节点i的正向时，lij=1；当第i个节点与第j个支路直接相连且支路j位于节点i的反向时，lij=-1；节点i与支蹄不直接相连时，lij=0。其中，正方向为变电站侧指向配电系统的用户侧方向。

从机控制器上传的故障信息用一个行向量G来表示。向量G中的元素与保护从机一一对应。

根据定义，关联矩阵L为：

当故障发生在区段L6上，则从机故障方向信息向量G为

将向量G与关联矩阵L进行乘运算，得到线路故障信息向量P

从向量P中元素的值可以发现，第六元素的值为1，据此可以判断L6为故障区段，与实际吻合。

2 微机保护从机装置硬件系统设计

基于方向比较式纵联保护的微机继电保护装置可分为7个基本功能模块，CPU主系统、模拟量输入/输出模块、方向模块、电源模块、辅助检测、人机接口及通信模块。

2.1 cpu主系统

LPC1768是一款基于ARM Cortex-M3内核的微控制器，在进行实时信号处理和控制时是个理想选择。LPC1768扩展MAX706看门狗芯片。看门狗用于监控MCU的活动。当系统处于未知状态，比如程序跑飞或进入死循环，看门狗在1.6秒内WDI端没有收到来自MCU 的触发信号，则WDO输出变低，给系统复位信号。LPC1768扩展FM24CK64 芯片用于存放设定的参数。FM24CL64写操作可以在一微妙内完成，可以有效避免噪音或电源波动的干扰，因此有更高的可靠性。LPC1768扩展Flash存储器M25P64。M25P64有8M字节的存储空间用于存放字库。

2.2 模拟量输入/输出模块

采集线路PT，CT二次侧经过互感器ZMCT112C进入控制板，通过三端子滤波器ACF321825进行处理。互感器CT或PT是将电压、电流信号转换成与所接测量设备的模拟量输入通道相匹配的电压，并可以实现测量设备与互感器回路的完全隔离，从而提高了设备的绝缘能力及抗干扰能力。主系统发出开关量后用IR2113s芯片驱动全控型功率开关器件IGBT。IR2113是一款双通道，栅极驱动专用驱动芯片，高压端的工作电压可达500V，可以提供高达4A的驱动电流，可以满足IGBT的驱动要求并减小驱动电路的体积。

2.3 其他模块

辅助检测包括开关量检测和储能检测。辅助检测信号需要经过光电耦合器来提高设备的抗干扰能力。光电耦合器用于减少信号对于控制器的干扰，增强系统的安全性，在此选择TLP521。

电源模块负责为控制器中众多的芯片提供供电电源。电源模块从PT取市电。230V电压经mornsun公司的LB05-10D0515模块转变为+12V、+5V、15V。5v再经SPX1117-1.8，SPX1117-3.3转换为1.8v、3.3v。12V为分合闸驱动提供工作电源。

功率方向判断使用方向元件判断过流方向。方向元件简单工作原理是电压Uu和电流Ui采集值先通过过零比较器；当Uu或Ui为正半周时，相应的过零比较器输出高电平，Uu或Ui 为负半周时， 相应的过零比较器输出低电平；比较器输出的方波电压经稳压管、异或门送单片机。

人机接口模块主要为ULN2003驱动的显示屏。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列，适用于5v的TTL，用于控制可控大功率器件。

纵联保护方案对故障信息有很强的依赖，要求可靠、迅速地获得故障信息，因此对通信要求严苛。现在配电网中常用的GPRS等无线通信技术不能满足要求。在此选择光纤通信。

3 软件系统设计

基于uc_Ⅱ 操作系统作为系统软件平台可以保证从机保护装置多个任务能有序、按时完成，其核心是处理好任务和中断的优先级。

基于光纤通信的纵联保护的应用程序中，系统主要完成信息采集，通信，开关量输出及基本配套功能。其中数据预处理、通信、开关量输出等任务实时性最高，设计中设置为优先级最高的任务。其他主要功能任务：辅助检测、闭锁及警报、后备保护等，基本任务的优先级次之。人机交互和系统设置任务：数据记录、参数修改、显示等，优先级低于其他主要功能任务。

系统初始化后接受任务调度和中断调度。

4 结论

本文根据方向比较式纵联保护理论设计了适用于含DG的配电网络的保护从机控制器。在实际运行中还需要考虑抗电磁干扰问题，主从机配合问题及分布式发电孤岛问题。

参考文献

[1]张保会，尹项根主编.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]冯建勤，路康.新型微机式电流方向继电器研究[J].继电器，2005，33（9）： 58-61.

[3]郭毅，马卫红，刘福财.实时操作系统在微机继电保护装置中的应用[J].电力科学与工程，2008，24（3）：20-22.

[4]谢培元.基于LC/OS-II和DSP的微机保护方案研究[D].武汉：华中科技大学，2004.

作者简介

刘庆瑞（1959-），男，河北省石家庄市人。 硕士学位。现为河北科技大学电气工程学院副教授。主要研究方向为电力电子。

徐子熠（1988-），男，河北省石家庄市人。硕士研究生学历。现供职于河北科技大学电气工程学院。主要研究方向为微网继电保护。

石建华，男，河北省石家庄市人。大学本科学历。现为宏秀电气公司控制器研究总工程师。

刘嘉元 （1993-），男，河北省石家庄市人。现就读于河北科技大学电气工程学院。

作者单位

1.河北科技大学 电气工程学院 河北省石家庄市 050810

2.中国宏秀电气有限公司 河北省石家庄市 050810