基于MSP430F413单片机的零序过电流保护系统

1RES2RES2RES2RES2RLHZ5.63K5.63K5.63K11.25K11.25k11.25K33.76K33.76K33.76K33.76K33.76K33.76K0.01u0.01u0.01u++-++-++-DVcc1P6.32P6.43P6.54P6.65P6.76NC7XIN8XOUT/TCLK9NC10NC11P5.1/S012P5.0/S113P4.7/S214P4.6/S315P4.5/S416P4.4/S517P4.3/S618P4.2/S719P4.1/S820P4.0/S921P3.7/S1022P3.6/S1123P3.5/S1224P3.4/S1325P3.3/S1426P3.2/S1527P3.1/S1628P3.0/S1729P2.7/S1830P2.6/CAOUT/S1931P2.5//S2032P2.4/S2133P2.3/S2234P2.2/S2335COM036P5.2/COM137P5.3/COM238P5.4/COM339R0340P5.5/R1341P5.6/R2342P5.7/R3343P2.144P2.0/TA245P1.7/CA146P1.6/CA047P1.5/TALK/ACLK48P1.449P1.3/SVSOUT50P1.2/TA151P1.1/TA0/MCLK52P1.0/TA053TD0/TDI54TD1/TCLK55TMS56TCK57RST/NMI58P6.059P6.160P6.261AVss62DVss63AVcc64MSP430F41332768CRYSTAL15pF15pF1234VinVoutGNDLM78050.33uFC?DLHGQC?RES2RES25.63K0.01u11.25K33.76K33.76K++-lcd9013-2LCD4.7KSTC8050N4.7KSTC8050N4.7KSTC8050NLM7824VinVoutGND0.33uF0.1uF0.1uF+2200uF+5V+24VLM2576-3.3ON/OFFFBOUTC?100u100uHD?DIODE1000uF640K640K640K12345678910111213141516JTAG414868K104TLP521-1TLP521-1TLP521-13.3k3.3k3.3kJJJ0.01u0.01u0.01u0.01uLED一、硬件组成MSP430F413单片机系统信号采集系统开关量输出系统图1.1系统硬件组成Ⅰ信号采集系统1、电压形成回路：RLHZ图1.2电压形成回路由于电流不能直接由A/D转换器转换，因此必须先将其转变成电压信号，然后才能转换。所以，电流/电压转换在测试系统中占有很重要的地位。微机保护要从保护的电力线路或设备的电流互感器、电压互感器上取得信息，但这些互感器的二次数值输入范围对典型的微2机电路却不适用，故需要降低和变换。本文中采用电流变换器将电流信号变换为电压信号。改变电阻值可以改变输出范围的大小，具体并联电阻的大小取决于保护系统参数和后续电路的综合阻抗参数。一般中间变换器要求输出信号为5V或10V，具体决定于A/D芯片的型号2、二阶有源低通滤波器电力系统故障时，故障初瞬的电压电流里常含有高频分量，其频率往往高达2KHZ以上。为防止频率混叠微机保护系统的采样频率就得高达4KHZ以上。如果在AD转换之前，用一个模拟低通滤波器将高频分量滤掉，仅让12sf以下的频率分量通过就可以降低采样频率sf的值，从而降低对微机系统硬件过高的要求。5.63K11.25K33.76K33.76K0.01uF++-0.01uFVinVout图1.3二阶有源低通滤波器本系统采用的是如图1.3的二阶有源低通滤波器，电路中各参数为C1=C2=0.01u,R1=5.63K,R2=11.25K,R3=R4=33.76K,截止频率0f=1KHZ，增益系数0H=2，品质因数Q=0.707，这种滤波器具有结构简单、所有RC元件少，当运算放大器频率特性偏离滤波器频率特性时不易引起振荡等优点。3ⅡMSP430F413单片机系统1、MSP430F413单片机简介MSP430F413单片机是一款超低功率MCU，具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器能使MSP430微控制器达到最高的代码运行效率；具有灵活的时钟源，可以使器件达到最低的功率消耗；数字控制的振荡器(DCO)使MCU从低功耗模式被激活到正常工作模式的时间小于6uS。DVcc1P6.32P6.43P6.54P6.65P6.76NC7XIN8XOUT/TCLK9NC10NC11P5.1/S012P5.0/S113P4.7/S214P4.6/S315P4.5/S416P4.4/S517P4.3/S618P4.2/S719P4.1/S820P4.0/S921P3.7/S1022P3.6/S1123P3.5/S1224P3.4/S1325P3.3/S1426P3.2/S1527P3.1/S1628P3.0/S1729P2.7/S1830P2.6/CAOUT/S1931P2.5//S2032P2.4/S2133P2.3/S2234P2.2/S2335COM036P5.2/COM137P5.3/COM238P5.4/COM339R0340P5.5/R1341P5.6/R2342P5.7/R3343P2.144P2.0/TA245P1.7/CA146P1.6/CA047P1.5/TALK/ACLK48P1.449P1.3/SVSOUT50P1.2/TA151P1.1/TA0/MCLK52P1.0/TA053TD0/TDI54TD1/TCLK55TMS56TCK57RST/NMI58P6.059P6.160P6.261AVss62DVss63AVcc64MSP430F413图1.4MSP430F4132电源变换器4LM2576-3.3ON/OFFFBOUT100u100uHD?DIODE1000uFVinVout+7--40V+3.3V图1.5LM2576-3.3稳压电路MSP430F413的低电压范围是1.8-3.6V，所以从稳压电路出来的5V不能直接给单片机供电，需要DC/DC变换。本文采用LM2576-3.3降压稳压器将24V直流电变换为3.3V直流电。输入电压范围是：+7V---40V，选择24V，输出电压是+3.3V。Ⅲ开关量输出系统1、光电耦合TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等。电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。TLP521-13.3kVCC+5V继电器驱动单片机输出图1.6TLP521-1光电耦合电路5图1.7TLP521-1光电耦合内部原理图2、继电器驱动电路单片机是一个弱电器件,本文中MSP430F413工作在3.3V。驱动电流在mA级以下.而要把它用于一些大功率场合显然是不行的。所以，就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的功率驱动。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节，继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件，继电器驱动对继电器进行驱动。当NPN晶体管基极被输入高电平时，晶体管饱和导通，集电极变为低电平，因此继电器线圈通电，触电吸合，动作跳闸。当晶体管基极输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点断开，动作合闸。64.7KJSTC8050N+24V图1.8继电器驱动电路3、LCDlcd9013-2LCD图1.9LCD9013-2本系统采用，lcd9013-2作为显示，当被保护的电力系统出现单相接地短路或两相短路接地时，根据单片机已变好的程序在lcd上会显示故障相，并闪烁报警。最右面4个管脚为COM端。Ⅳ稳压系统稳压电源是单片机、继电器驱动电路等系统的重要组成部分，它不仅为系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。本系统是有220V交流电通过整流稳压电路对各系统模块进行供电。采用的是LM78XX芯片，LM78XX系列是三端正电源稳压电路，它有一系列的电压输出。每种类型由于内部电流的限制以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。71234VinVoutGNDLM78050.33uFLM7824VinVoutGND0.33uF0.1uF0.1uF+2200uF+5V+24V图1.10LM78XX系列稳压电路图1.11LM78XX系列稳压器典型应用电路其中LM7805的输入电压为35V，输出电压为+5V；LM7824的输入电压为40V，输出电压为24V二、数字滤波输电线路发生故障后，在最初的瞬变过程中，电压和电流信号由于混有衰减的直流分量和复杂的谐波成分而发生严重畸变，所以选择一种合适的滤波算法对于输电线路的微机保护具有很重要的意义。数字滤波具有精度高，可靠性高，灵活性高的优点。常用的傅里叶算法具有很强的滤出谐波能力，但它无法滤除衰减的直流分量。本文采用改进的傅里叶滤波算法，能够滤除衰减的直流分量。全周傅氏算法中，输入信号x(t)的n次谐波分量及其系数为800()cos()sin()22()cos()22()sin()nnnNnkNnkxtantbntaxkknNNbxkknNN由na、nb求出各次波的幅值和相角22111aXb；111barctga假设信号在基频周期下采样点数N是4的倍数，推导出各次波的实部和虚部误差为：22(1cos)2a212cosnkABNkNBBN22sin)2212cosnkABNbkNBBN其中：10112200(1)(2)(21)(2)NnNNnnABxkBxkxk只需将傅氏变换后的基波与误差的实部虚部值相减即可。三、保护的实现9初始化工作方式？全面自检通过？调用采样模块03I定值？调用故障处理程序调试运行告警NYNY调用故障判别子程序LCD故障相闪烁故障相输出口输出低电平跳闸命令延时40ms03I定值？过5s?报警输出口输出高电平，LED灯亮报警故障相输出口输出高电平重合闸调用采样模块03I定值？永久性故障，故障相输出口输出低电平跳闸LCD故障相停止闪烁故障处理程序入口YNNYYN复位图3.1软件实现主程序流程图图3.2故障处理程序流程图故障相判别程序入口计算和比较三种相电流差的突变量ACCBIIII5BACBIIII5A相接地比较三种相电流差找出最大者CBII最大最大最大BAIIACIIAB接地短路BC接地短路AC接地短路NNYBAIICBIIACII最小最小最小Y图3.3故障判别程序流程图