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一、引言
在农网改造前各地选用的配电端保护装置仍是20世纪80年代中后期产品，主要是以保护人身安全为主的高灵敏度快速动作型剩余电流保护器。
由于农村电网负荷的增加以及性质的变化（如各种类型的空调、变频设备、各种家用电器的使用），给配电变压器的保护带来了很多新的问题。例如：在负荷过大的情况下如何进行自动化的循环限电，从而防止配电变压器长期超负荷运行造成事故。
为此我们设计开发了多功能配电变压器保护装置。该保护装置主要有下面四项功能：
1、剩余电流超限保护功能；
2、配电变压器过流、过热保护功能；
3、反时限切除负载与多分路循环限电功能；
4、通过GSM网络远程监测配电变压器状态功能。
因此，该多功能配电变压器保护装置能够提高我国农村电网用电的安全性、供电的可靠性以及限电的合理性。
二、主要硬件单元
本保护装置的硬件电流主要由电能计量芯片ATT7022B以及单片机MSP430F149构成，下面先对这两种芯片进行一个简单的介绍。
ATT7022B是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。其集成了七路二阶sigma－delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。ATT7022能够测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，采样通道多，精度高（电压测量误差≯0.1％，电流测量误差≯0.5％），并可通过采样值计算合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量等信息量。
ATT7022提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。
对ATT7022B芯片的各种控制以及对采样计算结果的读取均可通过SPI接口的操作完成。此外ATT7022内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。
装置中有TI公司的MSP430F149单片机作为系统的控制器。该单片机是TI公司2000年推出的超低功耗的微控制器系列之一，该系列由多种针对不同应用而以不同模块组成的型号组成，微控制器可使用电池长期工作，电压范围1.8～3.6Ｖ。
由于具有16位RISC结构，16位寄存器和常数寄存器，MSP430达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供快速从所有低功耗模式苏醒到活动模式的能力时间少于6μs。MSP430F149带有两个16位定时器（带看门狗功能）、速度极快的8通道12位A/D转换器（ADC）（带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能）、一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口（均可独立控制）的微处理器结构。硬件乘法器提高了单片机的性能并使单片机在编码和硬件上可兼容。MSP430FLASH擦写次数高达10万次，强力抗干扰。MSP430F149有60KB的FLASHROM和2KB的RAM。其中FLASH又分为120段(每段512B)的主存储器和两段(每段128B)的信息存儲器。FLASH可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软、硬件设计都带来了极大的便利和灵活性。
三、系统设计
为了能够达到多功能保护装置的各项功能，兼顾装置的多功能与实时性，在装置硬件电流的设计中采用了由两片MSP430F149单片机组成的双CPU结构。
整个硬件电流可分为三部分：以ATT7022B为核心的主采样单元、以一片MSP430单片机为核心的主控制单元以及主要由另一片MSP430单片机构成的辅助采样控制单元。
ATT7022B构成的采样单元作为装置的主要采样单元。ATT7022B芯片集成了七路二阶sigma-delta ADC，能够同时对电网的三相电压、三相电流和剩余电流进行高精度的采样，还能够自动计算电网频率、有功功率以及视在功率等特征量，然后通过SPI接口传送到控制单片机中。这样的采样单元设计采样、计算的准确性高，还能有效的节省控制单片机的资源。
由一片MSP430单片机与温度采样、GSM通讯模块、键盘阵列、LED显示阵列和继电器阵列等组成的控制单元是装置硬件电路的主体部分。本装置控制单元的设计充分体现出MSP430系列单片机外部设备丰富、中断功能强大的特点。主控单片机通过SPI接口控制主采样单元ATT7022B芯片的采样方式，读取采样结果；主控单片机通过自带的ADC模块对温度传感器的输出进行采样，完成对配电变压器温度监测功能；主控单片机通过异步串行接口对GSM通讯模块进行控制，完成GSM远程通讯功能；MSP430F149单片机有两组I/O口可用作外部中断口（每组8个），可大大简化键盘的硬件与软件设计；MSP430单片机还可以利用其丰富I/O口对LED阵列和继电器阵列进行控制，完成显示与各分路分合闸操作。
为了保证保护装置的实时性与可靠性，装置还采用一片MSP430单片机构成了辅助采样、控制单元（图2为采样通道的设计电路）。根据相关的国家标准，保护装置在剩余电流超限或负载电流超过额定电流五倍时必须立即进行分闸操作（响应时间小于0.2S），而由ATT7022B芯片构成的主采样单元采样速度较慢（数据更新时间大于0.3S），因此在本装置还设计了采样速度更快的辅助采样单元。
辅助采样单元主要由辅助单片机的12位ADC模块构成，辅助单片机对剩余电流与负荷电流进行快速采样分析，在任意信号超限时立即向控制单片机发出外中断信号，控制单片机立即进行分闸操作，从而保证保护装置的实时性。辅助单片机还可以分担控制单片机的部分负担，提高整个装置的可靠性。
四、功能实现
整个装置的硬件设计兼顾了装置功能与实时性的要求，保证了装置能够完成各种预期的四项功能。
由ATT7022B芯片构成的主采样单元与辅助采样单元分别对剩余电流进行采样，正常情况下控制单片机读取主采样单元中的高精度剩余电流采样值，并通过LED阵列显示。而当剩余电流超限时，辅助单片机立即向控制发出中断信号，控制单片机立即进行分闸操作，避免触电事故的发生。
在对剩余电流进行监测过程中，仪器可以根据四个小时内剩余电流的最大值来自动的选择跳闸的档位，保证在不同天气环境状况下剩余电流的保护都能稳定的动作。
此外，仪器可以对剩余电流保护动作的时间进行设定，从而使支路保护和总保护都能准确的动作。
由于温度变化较缓慢，装置采用控制单片机直接对变压器的温度进行采样，在温度超限时，控制单片机直接进行分闸操作，对变压器进行过热保护。而变压器的过流保护是通过辅助单片机的快速采样实现，当负载电流超过额定电流五倍时，辅助单片机立即向控制发出中断信号，控制单片机立即进行分闸操作，避免变压器发生过流事故。
当线路电流超过额定电流而小于额定电流的500％时，主控单片机延迟一段时间后驱动支路继电器执行跳闸操作，延迟的时间原则上与线路电流超过额定值的程度成反比，而支路继电器的跳闸的顺序则遵循循环限电的原则，力求公平。
主控单片机通过自带的异步串行接口控制GSM通讯控制模块，这样装置可以把各种电网信息与各支路继电器分合状态发给号码簿上的手机用户，而号码簿上存在的用户也可以使用手机完成分合闸操作，收集各种电网信息与装置存储的各种数据。装置上由16个键组成的键盘可以方便的完成人机交互，可以在现场完成设置预警值，输入存储手机号码，存储和发送各种信息等操作。
五、结束语
ATT7022B电能计量芯片作为装置的主采样单元保证了仪器具有较高的测量精度。通过现场试验，装置电流测量误差小于0.5％，电压测量误差小于0.1％。
在增加辅助单片机后，保护装置的硬件设计兼顾了装置功能与实时性的要求。经实验检验，保护装置在电网瞬时电流过大与负载过重的情况下仍然可以保证供电的可靠性，而在发生触电或短路时又能及时的进行跳闸操作，避免事故的发生。
参考文献：
1、王萍.单片机在剩余电流断路器上的应用[J].电工技术杂志，2004(1).
2、刘小端，曾国宏.用MSP430F149设计低成本智能电力监测仪[J].电子产品世界，2002(3).
3、魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京航空航天大学出版社，2003.
(作者单位:湖北工业大学电气与电子工程学院)
在农网改造前各地选用的配电端保护装置仍是20世纪80年代中后期产品，主要是以保护人身安全为主的高灵敏度快速动作型剩余电流保护器。
由于农村电网负荷的增加以及性质的变化（如各种类型的空调、变频设备、各种家用电器的使用），给配电变压器的保护带来了很多新的问题。例如：在负荷过大的情况下如何进行自动化的循环限电，从而防止配电变压器长期超负荷运行造成事故。
为此我们设计开发了多功能配电变压器保护装置。该保护装置主要有下面四项功能：
1、剩余电流超限保护功能；
2、配电变压器过流、过热保护功能；
3、反时限切除负载与多分路循环限电功能；
4、通过GSM网络远程监测配电变压器状态功能。
因此，该多功能配电变压器保护装置能够提高我国农村电网用电的安全性、供电的可靠性以及限电的合理性。
二、主要硬件单元
本保护装置的硬件电流主要由电能计量芯片ATT7022B以及单片机MSP430F149构成，下面先对这两种芯片进行一个简单的介绍。
ATT7022B是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。其集成了七路二阶sigma－delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理等电路。ATT7022能够测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，采样通道多，精度高（电压测量误差≯0.1％，电流测量误差≯0.5％），并可通过采样值计算合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量等信息量。
ATT7022提供一个SPI接口，方便与外部MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。
对ATT7022B芯片的各种控制以及对采样计算结果的读取均可通过SPI接口的操作完成。此外ATT7022内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作。
装置中有TI公司的MSP430F149单片机作为系统的控制器。该单片机是TI公司2000年推出的超低功耗的微控制器系列之一，该系列由多种针对不同应用而以不同模块组成的型号组成，微控制器可使用电池长期工作，电压范围1.8～3.6Ｖ。
由于具有16位RISC结构，16位寄存器和常数寄存器，MSP430达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供快速从所有低功耗模式苏醒到活动模式的能力时间少于6μs。MSP430F149带有两个16位定时器（带看门狗功能）、速度极快的8通道12位A/D转换器（ADC）（带内部参考电压、采样保持和自动扫描功能）、一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、48个I/O口（均可独立控制）的微处理器结构。硬件乘法器提高了单片机的性能并使单片机在编码和硬件上可兼容。MSP430FLASH擦写次数高达10万次，强力抗干扰。MSP430F149有60KB的FLASHROM和2KB的RAM。其中FLASH又分为120段(每段512B)的主存储器和两段(每段128B)的信息存儲器。FLASH可以整个擦除也可以分段擦除，这给系统的软、硬件设计都带来了极大的便利和灵活性。
三、系统设计
为了能够达到多功能保护装置的各项功能，兼顾装置的多功能与实时性，在装置硬件电流的设计中采用了由两片MSP430F149单片机组成的双CPU结构。
整个硬件电流可分为三部分：以ATT7022B为核心的主采样单元、以一片MSP430单片机为核心的主控制单元以及主要由另一片MSP430单片机构成的辅助采样控制单元。
ATT7022B构成的采样单元作为装置的主要采样单元。ATT7022B芯片集成了七路二阶sigma-delta ADC，能够同时对电网的三相电压、三相电流和剩余电流进行高精度的采样，还能够自动计算电网频率、有功功率以及视在功率等特征量，然后通过SPI接口传送到控制单片机中。这样的采样单元设计采样、计算的准确性高，还能有效的节省控制单片机的资源。
由一片MSP430单片机与温度采样、GSM通讯模块、键盘阵列、LED显示阵列和继电器阵列等组成的控制单元是装置硬件电路的主体部分。本装置控制单元的设计充分体现出MSP430系列单片机外部设备丰富、中断功能强大的特点。主控单片机通过SPI接口控制主采样单元ATT7022B芯片的采样方式，读取采样结果；主控单片机通过自带的ADC模块对温度传感器的输出进行采样，完成对配电变压器温度监测功能；主控单片机通过异步串行接口对GSM通讯模块进行控制，完成GSM远程通讯功能；MSP430F149单片机有两组I/O口可用作外部中断口（每组8个），可大大简化键盘的硬件与软件设计；MSP430单片机还可以利用其丰富I/O口对LED阵列和继电器阵列进行控制，完成显示与各分路分合闸操作。
为了保证保护装置的实时性与可靠性，装置还采用一片MSP430单片机构成了辅助采样、控制单元（图2为采样通道的设计电路）。根据相关的国家标准，保护装置在剩余电流超限或负载电流超过额定电流五倍时必须立即进行分闸操作（响应时间小于0.2S），而由ATT7022B芯片构成的主采样单元采样速度较慢（数据更新时间大于0.3S），因此在本装置还设计了采样速度更快的辅助采样单元。
辅助采样单元主要由辅助单片机的12位ADC模块构成，辅助单片机对剩余电流与负荷电流进行快速采样分析，在任意信号超限时立即向控制单片机发出外中断信号，控制单片机立即进行分闸操作，从而保证保护装置的实时性。辅助单片机还可以分担控制单片机的部分负担，提高整个装置的可靠性。
四、功能实现
整个装置的硬件设计兼顾了装置功能与实时性的要求，保证了装置能够完成各种预期的四项功能。
由ATT7022B芯片构成的主采样单元与辅助采样单元分别对剩余电流进行采样，正常情况下控制单片机读取主采样单元中的高精度剩余电流采样值，并通过LED阵列显示。而当剩余电流超限时，辅助单片机立即向控制发出中断信号，控制单片机立即进行分闸操作，避免触电事故的发生。
在对剩余电流进行监测过程中，仪器可以根据四个小时内剩余电流的最大值来自动的选择跳闸的档位，保证在不同天气环境状况下剩余电流的保护都能稳定的动作。
此外，仪器可以对剩余电流保护动作的时间进行设定，从而使支路保护和总保护都能准确的动作。
由于温度变化较缓慢，装置采用控制单片机直接对变压器的温度进行采样，在温度超限时，控制单片机直接进行分闸操作，对变压器进行过热保护。而变压器的过流保护是通过辅助单片机的快速采样实现，当负载电流超过额定电流五倍时，辅助单片机立即向控制发出中断信号，控制单片机立即进行分闸操作，避免变压器发生过流事故。
当线路电流超过额定电流而小于额定电流的500％时，主控单片机延迟一段时间后驱动支路继电器执行跳闸操作，延迟的时间原则上与线路电流超过额定值的程度成反比，而支路继电器的跳闸的顺序则遵循循环限电的原则，力求公平。
主控单片机通过自带的异步串行接口控制GSM通讯控制模块，这样装置可以把各种电网信息与各支路继电器分合状态发给号码簿上的手机用户，而号码簿上存在的用户也可以使用手机完成分合闸操作，收集各种电网信息与装置存储的各种数据。装置上由16个键组成的键盘可以方便的完成人机交互，可以在现场完成设置预警值，输入存储手机号码，存储和发送各种信息等操作。
五、结束语
ATT7022B电能计量芯片作为装置的主采样单元保证了仪器具有较高的测量精度。通过现场试验，装置电流测量误差小于0.5％，电压测量误差小于0.1％。
在增加辅助单片机后，保护装置的硬件设计兼顾了装置功能与实时性的要求。经实验检验，保护装置在电网瞬时电流过大与负载过重的情况下仍然可以保证供电的可靠性，而在发生触电或短路时又能及时的进行跳闸操作，避免事故的发生。
参考文献：
1、王萍.单片机在剩余电流断路器上的应用[J].电工技术杂志，2004(1).
2、刘小端，曾国宏.用MSP430F149设计低成本智能电力监测仪[J].电子产品世界，2002(3).
3、魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京航空航天大学出版社，2003.
(作者单位:湖北工业大学电气与电子工程学院)