基于ATmega16 單片機的電流互感器二次防開路系統設計

劉 罡，田 奎，姜春陽

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；2.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

電力電流互感器試驗過程中，被檢電流互感器需配有互感器校驗儀、互感器負荷箱共同完成試驗，其本體二次側外接計量裝置或保護裝置，總體試驗線路復雜，存在二次回路開路的安全隱患。隨著電力電子技術飛速發展，通過微控制單元MCU 檢測回路開路故障并發出動作信號完成分閘保護技術已成為可能。常用的微控制單元MCU 主要有單片機、DSP、PLC 等芯片。DSP、PLC 雖然應用廣泛但成本較高，單片機雖前期編程復雜但成本低廉，調試完畢可長期使用，尤其是ATmega16 單片機在指令執行速度、兼容性等方面優勢明顯［1］。

提出一種以ATmega16 單片機為微控制單元的電流互感器二次防開路系統，可有效解決電流互感器試驗人員因疏忽等原因造成互感器二次開路問題，保護了作業人員和設備的安全，提高了工作效率。

1 裝置外圍電路分析

裝置外圍電路如圖1 所示，電源模塊的輸出端分別與標準電流互感器一次側尾端L20、被檢電流互感器的一次側尾端L2相連。標準電流互感器一次側頭端L10與被檢電流互感器的一次側頭端L1相連。標準電流互感器二次側頭端K10與被檢電流互感器的二次側頭端K1相連并與互感器校驗儀K 相連。標準電流互感器二次側尾端K20與互感器校驗儀T0相連。被檢電流互感器二次側尾端K2與防開路系統、負荷箱串聯并與互感器校驗儀TX相連。當電源模塊接通電源時，由于標準、被檢電流互感器一次側串聯，兩者一次電流相同，由于標準、被檢電流互感器準確度等級不同，因而感應至二次側電流會有細微誤差，通過互感器校驗儀KD 回路將細微誤差測出。當二次回路中出現開路情況時，防開路系統接收信號，通過ATmega16 單片機I/O 端口向繼電器發出異常信號，完成分閘指令［2-3］。

圖1 裝置外圍電路

2 電源模塊和防開路系統硬件設計

2.1 電源模塊

電源模塊主要由繼電器、調壓器和升流器3 部分組成，結構如圖2 所示。繼電器輸入端接工頻電源，輸出端接調壓器，控制電路接防開路系統的輸出。調壓器輸入端接繼電器輸出，輸出端接升流器，調壓器容量按照20 kVA 進行匹配。升流器輸入端接調壓器輸出，輸出端接裝置外圍電路，采用額定容量為15～20 kVA 電流發生器進行匹配。

圖2 電源模塊結構

2.2 防開路系統

防開路系統主要由電源、A/D 和D/A 轉換電路、內部RC 晶振電路以及ATmega16 單片機芯片等部分組成，系統結構如圖3 所示。電源從互感器校驗儀二次側采集，經變壓器、整流器、穩壓管輸出穩定直流+5 V 電源對單片機及外圍電路供電。A／D 轉換電路采用＋5 V 電源供電，利用單片機內部A／D 轉換功能完成。D／A 轉換電路外接集成電路DAC0832 芯片，芯片8 位輸入端子與單片機I／O 口8 位輸出端子相連，其余各功能端子與單片機功能端子對應相連。晶振電路為減少干擾采用內部晶振，頻率設定為16 MHz。ATmega16 單片機芯片有直插式和貼片式2 種封裝：直插式成本低廉、可移植性好但占用空間較大；貼片式成本較高，必須固定在整個電路中，但節省空間。由于防開路系統對試驗空間要求較小，故推薦采用直插式封裝。

試驗開始之前將防開路系統和電流互感器負荷箱串聯接入被檢電流互感器二次回路中，將繼電器觸點初始狀態設置為常閉觸點。當二次回路沒有開路時，系統正常工作；當二次回路發生開路時，故障信號通過A/D 轉換電路傳輸至ATmega16 單片機芯片中，單片機發生分閘指令，通過DAC0832 芯片將數字信號變為模擬信號，傳輸至繼電器中，繼電器常閉觸點斷開，完成分閘功能，試驗停止進行，有效保護試驗人員和裝置的安全。

圖3 防開路系統結構

3 系統軟件設計

軟件系統依托ATmega16 仿真軟件，采用C 語言進行編程，通過ISP 下載接口以及JTAG 仿真接口進行下載和調試，其主程序流程如圖4 所示［4］。

由圖4 可知，防開路系統首先對ATmega16 單片機各I/O 口進行初始化，系統與電流互感器二次回路進行通信連接，檢測二次回路是否導通：如果導通I/O 口保持高電平信號，試驗正常進行；如果二次回路斷開則I/O 口發送低電平觸發信號，對繼電器發送分閘命令中斷試驗，防開路系統工作結束。

圖4 電流互感器二次防開路系統主程序流程

4 試驗及分析

4.1 開路試驗

為驗證防開路系統在電力電流互感器二次開路情況下的保護性能，對某220 kV 變電站主接線一次側0.2 級電流互感器進行試驗。被檢電流互感器一次側額定電流1 000 A，二次側額定電流5 A，功率因素cos φ=0.8。A、B、C 三相試驗電流和分閘時間如表1 所示［5-6］。由表1 可知，在二次側開路情況下對A、B、C 三相施加5%額定電流即50 A 情況下，在1 s 時間內防開路系統均完成分閘動作，有效保護了人身和設備安全。

表1 5%額定電流開路試驗結果 s

4.2 正常試驗

由于防開路系統和電流互感器負荷箱共同串聯接入被檢電流互感器二次回路中，系統本身存在內阻，故進行電流互感器正常誤差試驗時，須將電流互感器負荷箱內阻減去防開路系統內阻，將二次回路總內阻等效成只有負荷箱在二次回路中，故最終將負荷箱設置額定負荷為5 VA，輕載負荷為0。對上述0.2 級電流互感器A、B、C 三相施加100%額定電流即2 000 A 進行誤差試驗，得到比值誤差、相位誤差分別如表2、表3 所示。依據JJG 1021—2007《電力互感器檢定規程》要求［7］，0.2 級電流互感器100%額定電流下比值誤差不大于0.2%，相位誤差不大于10′，由表2、表3 可得該被檢電流互感器誤差符合檢定規程要求，被檢電流互感器合格，同時證明本防開路系統在正常條件下工作性能良好。

表2 100%額定電流正常試驗比值誤差 %

表3 100%額定電流正常試驗相位誤差 （′）

5 結語

提出一種電力電流互感器用基于ATmega16 單片機的防開路系統。對裝置的外圍電路進行了介紹，對電源模塊和防開路系統的硬件部分進行設計，并給出軟件部分流程圖。從開路試驗和正常試驗2 個方面對系統裝置的開路保護和整體運行試驗進行驗證，證明系統設計合理，方便實用，可廣泛應用于現場電力電流互感器的檢測中。