摘要：低压配电线路保护装置为低压馈线设计，具体应用于工厂自动化、电厂电气监控、石化领域监控等场所，在具体运行中发挥着重要的作用。而现阶段低压配电线路保护装置多采用传统模拟式继电器，在使用过程中存在诸多弊端，同时还有少部分线路应用微机保护装置，但其成本较高，很难被广泛推广应用。因此设计一款效率高、成本低的低压配电线路保护装置意义重大。基于上述背景，本文简要概述了低压配电线路保护装置实际情况，并探讨了有效的设计策略，以期能为低压配电线路安全平稳运行提供支持与保障。
关键词：低压配电线路；保护装置；设计策略
前言
现阶段，受成本因素影响，我国低压配电线路保护装置多选择传统模拟式继电器，仅在比较重要的低压配电线路中才安装微机继电保护装置，但传统模拟式继电器在使用过程中存在诸多弊端，严重影响供配电质量。为了解决上述问题，相关部门必须结合我国低压配电线路实际情况，选择高性能且低成本的元件，以此设计高效科学的低压配电线路保护装置，促进低压配电网实现智能化和专一化发展。
1.低压配电线路保护装置概述
现阶段，我国低压配电线路中主要应用两种低压继电保护装置，即传统模拟式继电保护器和微机继电保护器，前者具有成本低廉，结构简单等特点，应用较为广泛，但是在具体测量与整定时极易出现严重误差，并且实际操作流程较为繁琐，很难保证配电线路运行的平稳性；后者主要包括ARM和DSP，具有可靠性强和测量精准度高等优势，多用于比较重要的低压配电线路，但是其使用成本较高，并且此类装置模拟量采集单元需要配置ADC芯片，极大地增加了外围电路设计的复杂性，从而导致此类保护装置具体应用受限。
2.低压配电线路保护装置设计策略
2.1低压配电线路保护装置设计思路
为了解决传统模拟式继电保护器和微机继电保护器的弊端，本次研究旨在设计一款基于多单片机结构的保护装置，具体设计思路如下：设计人员利用SPI总线将多个单片机进行互联，并保证每个单片机可独立执行自身功能。同时单片机上需配置ADC芯片，以此完成模拟量采集工作。对于多单片机保护装置而言，其主要包括：保护控制单元、人机接口单元、测量控制单元和模数转换单元四部分，其中前三者分别由高性能单机片组成，每个部分具体使用3个单机片。此外，各个部分具有其自身的独特功能，保护控制单元可计算电流故障，测量控制单元则起到测量芯片的作用，能够实时测量电网中的参数，人机接口单元为整个装置提供了有效的人机接口，经由其可输入参数，并能够清楚地显示参数。
2.2低压配电线路保护装置硬件设计方案
硬件设计是基于多单片机结构的保护装置设计的重要部分，具体设计方案如下：第一，电压形成电路，在具体设计时需将大电流、高电压信号转化为小电压信号，通常会采取电阻取样法和互感器隔离法，但前者缺乏高压侧、低压侧隔离功能，容易导致高压侧出现过电压，使得控制电路损坏，为了安全起见，本次设计中选取互感器隔离法，将电网中的大流量、高电压信号进行转换，首先对其进行一次TV、TA转换，接下来经由数据采集板进行二次小TV、TA转换，最后在信号调理电路的作用下将具体信息传至ADC。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在本次设计中，测量单元和保护单元使用同一个微型电流互感器，其中测量单元的额定电流设定为5A，保护单元额定电流则设定为40A，并且互感器一次侧必须串入110 kΩ（1 W） 的限流电阻；第二，保护单元，保护单元控制主要选择C8051F021单片机，具有如下优势：首先，其ADC包括9通道多路选择器，具有可编程模拟特点，在具体应用时能够配置为差分输入或单端输入形式；其次，此单片机控制器内核与MCS-51指令集完全兼容，并采取流水线结构，执行速度较快；第三，此单片机内含64KB存储器，能够实现系统编程Flash程序。而硬件则具备SPI接口，既能缩短数据交换时间，同时还可以提高交换过程的稳定性；第四，测量单元，通常情况下按原理结构分类，电能表的计量芯片可分为两种，其一为模拟型乘法器，其二为数字型乘法器，前者具体包括吉尔波特变跨导乘法器和时分割，后者主要依据ADC变换原理，具体分为Σ－Δ型数字乘法器、逐次比较型数字乘法器、双积分型数字乘法器三种，其中Σ－Δ型数字乘法器在转换速度、精准度等方面优势明显。本次研究选择了三相电能专用计量芯片ATT7022EU，其内部配置了Σ－Δ型转换器，能够测量各项电压、电流的有效值，并对无功率、视在功率、无功能量和有功能量进行测量。具体操作时需输入动态工作范围，实际范围值设定为1000:1，并将非线性测量误差务必低于1%。此外，芯片的供电电压为3.3v，并配置SPI接口，以此便于与外部MCU实现通信；第五，人机接口单元，控制器主要选择型号为STC15L2K60S2的单片机，保证指令系统与MCS-51兼容，应用SPI硬件电路，以此保证主模式下，运行速度可到3MB/s，并且单机片内设置了速度为1KB的E2PROM，以此保证存储参数设置的有效性。
2.3低压配电线路保护装置软件设计方案
软件设计是整个设计方案的关键部分，具体设计包含如下方面：第一，计算方法，在模数变换后，工作人员会获取电压量和电流量数据，随后需要对这些数据进行进一步幅值计算，具体采用继电保护算法，在计算后获取实时值和E2PROM储存中的整定值，并将二者进行比较，依次为依据判断是否出现故障；第二，实现流程，保护系统具体流程为：装置在复位或者上电后执行系统初始化，接下来进行硬件自检，若自检通过则开始数据采集操作，并采取高效的计算方法计算电网实时值，将其与整定值进行比较，一旦检测结果显示存在故障，此时驱动继电器会出现跳闸情况，并发出预警；监控系统流程为：装置在复位或者上电后执行系统初始化，接下来进行硬件自检，随后对报警标志位进行判断，合理设定整定值，并准确显示三相交流电气量；第三，软件设计实验测试，工作人员选取电流整定值为5A的情况进行测试，具体选取5组电流动作值，在具体试验时需遵循国家相关规定，其中电流保护固有动作时间必须低于50ms，试验结果显示，本次研发装置瞬时电流速断平均动作时间为40ms，充分考虑避雷器放电时间因素，本次设计基本符合相关要求。同时，行业规定要求低压配电线路保护装置电压、电流误差必须低于0.1%,有功测量则应达到0.2s级，以试验中两组电压为例，其中测量所得一组实际电压为80v，测量电压为80.06v，电压相对误差为0.075%，另一组实际电压为100v，测量电压为119.98v，电压相对误差为0.016%，本次设计装置均满足上述要求。
3、结束语
随着经济发展和社会进步，社会各领域对供配电质量提出了更高要求，而低压配电线路保护装置是提高供配电质量的重要装置，相关单位必须结合当前实际情况，采取有效措施设计合理的低压配电线路保护装置，以此有效处理传统模拟式继电保护器和微机继电保护器使用中存在的问题，在具体设计时选择多单片机结构，并建立相应的测试环境，遵循相关规定标准，进而提高继电保护装置的稳定性和可靠性。
参考文献：
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论文作者:邹,璋
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/27
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