基于ATmega16 单片机的电流互感器二次防开路系统设计

刘 罡，田 奎，姜春阳

（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；2.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

0 引言

电力电流互感器试验过程中，被检电流互感器需配有互感器校验仪、互感器负荷箱共同完成试验，其本体二次侧外接计量装置或保护装置，总体试验线路复杂，存在二次回路开路的安全隐患。随着电力电子技术飞速发展，通过微控制单元MCU 检测回路开路故障并发出动作信号完成分闸保护技术已成为可能。常用的微控制单元MCU 主要有单片机、DSP、PLC 等芯片。DSP、PLC 虽然应用广泛但成本较高，单片机虽前期编程复杂但成本低廉，调试完毕可长期使用，尤其是ATmega16 单片机在指令执行速度、兼容性等方面优势明显［1］。

提出一种以ATmega16 单片机为微控制单元的电流互感器二次防开路系统，可有效解决电流互感器试验人员因疏忽等原因造成互感器二次开路问题，保护了作业人员和设备的安全，提高了工作效率。

1 装置外围电路分析

装置外围电路如图1 所示，电源模块的输出端分别与标准电流互感器一次侧尾端L20、被检电流互感器的一次侧尾端L2相连。标准电流互感器一次侧头端L10与被检电流互感器的一次侧头端L1相连。标准电流互感器二次侧头端K10与被检电流互感器的二次侧头端K1相连并与互感器校验仪K 相连。标准电流互感器二次侧尾端K20与互感器校验仪T0相连。被检电流互感器二次侧尾端K2与防开路系统、负荷箱串联并与互感器校验仪TX相连。当电源模块接通电源时，由于标准、被检电流互感器一次侧串联，两者一次电流相同，由于标准、被检电流互感器准确度等级不同，因而感应至二次侧电流会有细微误差，通过互感器校验仪KD 回路将细微误差测出。当二次回路中出现开路情况时，防开路系统接收信号，通过ATmega16 单片机I/O 端口向继电器发出异常信号，完成分闸指令［2-3］。

图1 装置外围电路

2 电源模块和防开路系统硬件设计

2.1 电源模块

电源模块主要由继电器、调压器和升流器3 部分组成，结构如图2 所示。继电器输入端接工频电源，输出端接调压器，控制电路接防开路系统的输出。调压器输入端接继电器输出，输出端接升流器，调压器容量按照20 kVA 进行匹配。升流器输入端接调压器输出，输出端接装置外围电路，采用额定容量为15～20 kVA 电流发生器进行匹配。

图2 电源模块结构

2.2 防开路系统

防开路系统主要由电源、A/D 和D/A 转换电路、内部RC 晶振电路以及ATmega16 单片机芯片等部分组成，系统结构如图3 所示。电源从互感器校验仪二次侧采集，经变压器、整流器、稳压管输出稳定直流+5 V 电源对单片机及外围电路供电。A／D 转换电路采用＋5 V 电源供电，利用单片机内部A／D 转换功能完成。D／A 转换电路外接集成电路DAC0832 芯片，芯片8 位输入端子与单片机I／O 口8 位输出端子相连，其余各功能端子与单片机功能端子对应相连。晶振电路为减少干扰采用内部晶振，频率设定为16 MHz。ATmega16 单片机芯片有直插式和贴片式2 种封装：直插式成本低廉、可移植性好但占用空间较大；贴片式成本较高，必须固定在整个电路中，但节省空间。由于防开路系统对试验空间要求较小，故推荐采用直插式封装。

试验开始之前将防开路系统和电流互感器负荷箱串联接入被检电流互感器二次回路中，将继电器触点初始状态设置为常闭触点。当二次回路没有开路时，系统正常工作；当二次回路发生开路时，故障信号通过A/D 转换电路传输至ATmega16 单片机芯片中，单片机发生分闸指令，通过DAC0832 芯片将数字信号变为模拟信号，传输至继电器中，继电器常闭触点断开，完成分闸功能，试验停止进行，有效保护试验人员和装置的安全。

图3 防开路系统结构

3 系统软件设计

软件系统依托ATmega16 仿真软件，采用C 语言进行编程，通过ISP 下载接口以及JTAG 仿真接口进行下载和调试，其主程序流程如图4 所示［4］。

由图4 可知，防开路系统首先对ATmega16 单片机各I/O 口进行初始化，系统与电流互感器二次回路进行通信连接，检测二次回路是否导通：如果导通I/O 口保持高电平信号，试验正常进行；如果二次回路断开则I/O 口发送低电平触发信号，对继电器发送分闸命令中断试验，防开路系统工作结束。

图4 电流互感器二次防开路系统主程序流程

4 试验及分析

4.1 开路试验

为验证防开路系统在电力电流互感器二次开路情况下的保护性能，对某220 kV 变电站主接线一次侧0.2 级电流互感器进行试验。被检电流互感器一次侧额定电流1 000 A，二次侧额定电流5 A，功率因素cos φ=0.8。A、B、C 三相试验电流和分闸时间如表1 所示［5-6］。由表1 可知，在二次侧开路情况下对A、B、C 三相施加5%额定电流即50 A 情况下，在1 s 时间内防开路系统均完成分闸动作，有效保护了人身和设备安全。

表1 5%额定电流开路试验结果 s

4.2 正常试验

由于防开路系统和电流互感器负荷箱共同串联接入被检电流互感器二次回路中，系统本身存在内阻，故进行电流互感器正常误差试验时，须将电流互感器负荷箱内阻减去防开路系统内阻，将二次回路总内阻等效成只有负荷箱在二次回路中，故最终将负荷箱设置额定负荷为5 VA，轻载负荷为0。对上述0.2 级电流互感器A、B、C 三相施加100%额定电流即2 000 A 进行误差试验，得到比值误差、相位误差分别如表2、表3 所示。依据JJG 1021—2007《电力互感器检定规程》要求［7］，0.2 级电流互感器100%额定电流下比值误差不大于0.2%，相位误差不大于10′，由表2、表3 可得该被检电流互感器误差符合检定规程要求，被检电流互感器合格，同时证明本防开路系统在正常条件下工作性能良好。

表2 100%额定电流正常试验比值误差 %

表3 100%额定电流正常试验相位误差 （′）

5 结语

提出一种电力电流互感器用基于ATmega16 单片机的防开路系统。对装置的外围电路进行了介绍，对电源模块和防开路系统的硬件部分进行设计，并给出软件部分流程图。从开路试验和正常试验2 个方面对系统装置的开路保护和整体运行试验进行验证，证明系统设计合理，方便实用，可广泛应用于现场电力电流互感器的检测中。