微機電壓互感器監(jiān)控裝置的研制

魯西坤，鞏銀苗，張?zhí)禊i，毛東升

（1.安陽工學院，河南安陽455000；2.許繼電氣股份有限公司，河南許昌461000）

0 引言

在電力變電站中，單母線分段式接線方式因具有供電可靠性高、運行方式靈活等優(yōu)點被廣泛采用。在單母線分段式接線方式中，各段母線都裝設(shè)有電壓互感器（voltage transformer，TV），當電壓互感器一次回路所在的母線變更時，為保證計量、保護、測量等設(shè)備的二次電壓與一次電壓相對應(yīng)，電壓互感器二次回路應(yīng)跟隨一次回路進行同步并列與切換[1-2]。傳統(tǒng)的電壓互感器并列裝置僅能實現(xiàn)電壓互感器二次回路的并列與切換，缺少必要的測控功能和保護功能，已不能適應(yīng)數(shù)字化、智能化變電站發(fā)展的需要[3-4]。為了提高電壓互感器并列裝置使用的靈活性，提出了一種微機電壓互感器監(jiān)控裝置的設(shè)計方案。

1 監(jiān)控裝置的總體結(jié)構(gòu)

微機電壓互感器監(jiān)控裝置的設(shè)計采用插件式結(jié)構(gòu)，包括交流插件、CPU插件、信號插件、切換插件和人機對話插件，各插件通過總線板相連，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

交流插件包括電壓采樣電路、信號調(diào)理電路和A∕D轉(zhuǎn)換電路，其中電壓采樣電路與裝置外部電壓互感器二次側(cè)相連，用于對系統(tǒng)二次側(cè)電壓進行采樣；信號調(diào)理電路將采樣后的信號進行變換和濾波；A∕D轉(zhuǎn)換電路用于對調(diào)理后的信號進行采樣，使之變?yōu)槟鼙籄RM處理器所識別的數(shù)字信號。CPU插件主要包括電源電路、ARM處理器電路、網(wǎng)絡(luò)通信電路、模擬量輸出電路等模塊，其中電源電路為整個監(jiān)控裝置提供合適的工作電壓；ARM處理器電路包括ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路和復位電路等，用以完成數(shù)據(jù)處理、電氣量計算、保護判斷、各種參數(shù)設(shè)置等功能；網(wǎng)絡(luò)通信電路包括2路RS485總線接口和2路以太網(wǎng)接口，用于監(jiān)控裝置與其他設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。信號插件包括開關(guān)量輸入電路和開關(guān)量輸出電路，其中開關(guān)量輸入電路用于采集分段開關(guān)、隔離開關(guān)、手動并列開入、手動解列開入等開關(guān)量的狀態(tài)；開關(guān)量輸出電路用于母線低電壓保護、母線過電壓保護等保護動作的出口以及并列信號、告警信號等信號的出口。切換插件由切換繼電器電路構(gòu)成，用于保護和測量回路的切換。人機對話插件由按鍵電路、液晶顯示電路和信號指示燈構(gòu)成，是監(jiān)控裝置與外界進行信息交互的接口。

圖1 裝置的總體結(jié)構(gòu)

2 監(jiān)控裝置的硬件電路設(shè)計

2.1 交流插件

交流插件中的電壓采樣電路包括10個內(nèi)置電壓互感器，分別用于采集兩組（Ⅰ母和Ⅱ母）UA、UB、UC、零序電壓UL和抽取電壓UX，內(nèi)置電壓互感器的輸入端為0～120 V的交流電壓信號，使用變比為2mA∕2mA的電流型電壓互感器進行采樣。交流插件中的信號調(diào)理電路由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、反相比例運算電路和阻容濾波電路構(gòu)成，信號調(diào)理電路的設(shè)計原理如圖2所示[6-7]。圖2中的uI表示幅值為0～120 V的外部輸入信號，T1是2mA∕2mA的電流型電壓互感器，A1是由精密放大器OP07構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，A2是由OP07構(gòu)成的反相比例運算電路，uI經(jīng)過60 kΩ的限流電阻后轉(zhuǎn)換為0～2mA的交流電流信號，0～2mA的交流電流信號依次經(jīng)過T1、A1、A2后，轉(zhuǎn)換成幅值為-5 V～+5 V的電壓信號，-5 V～+5 V的電壓信號經(jīng)過由1 kΩ電阻和100 nF電容構(gòu)成的阻容濾波電路后，送至A∕D轉(zhuǎn)換器AD7606的輸入端。交流插件中的A∕D轉(zhuǎn)換電路由16位高精度模∕數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7606構(gòu)成[8-9]，AD7606可以直接處理±5 V的雙極性輸入信號，因此信號調(diào)理電路的輸出可以直接與AD7606的輸入端相連。

圖2 信號調(diào)理電路的設(shè)計原理圖

2.2 信號插件

信號插件主要包括15路開關(guān)量輸入、8路保護動作出口和3路工作狀態(tài)信號出口，其硬件配置如圖3所示。開關(guān)量輸入電路的設(shè)計采用支持交流220 V或直流110 V直接輸入的方案，保護動作出口和工作狀態(tài)信號出口的電路設(shè)計采用繼電器輸出形式[10]。監(jiān)控裝置現(xiàn)場應(yīng)用需要采集5路開關(guān)量信息，分別為Ⅰ母TV隔離開關(guān)TV1（TV1合位）、Ⅱ母TV隔離開關(guān)TV2（TV2合位）、分段開關(guān)、手動并列、手動解列的工作狀態(tài)。監(jiān)控裝置的保護動作出口包括Ⅰ母低電壓保護出口、Ⅰ母過電壓保護出口、Ⅰ母接地保護出口、Ⅰ母TV斷線出口、Ⅱ母低電壓保護出口、Ⅱ母過電壓保護出口、Ⅱ母接地保護出口和Ⅱ母TV斷線出口。監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)信號出口包括告警信號出口、保護信號出口和并列信號出口，工作狀態(tài)信號出口與監(jiān)控裝置面板上的信號指示燈連接，能夠驅(qū)動信號指示燈點亮，實時指示監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)，包括有無異常告警、有無保護動作和并列狀態(tài)。

2.3 CPU插件

CPU插件中的ARM處理器電路采用32位ARM處理器MB9BF618S作為控制核心。該控制器最大工作頻率為144MHz，片內(nèi)集成有128 KB的SRAM、1024 KB的FLASH ROM，具有8個多功能串行通信口、16個基本定時器、3個多功能定時器、2路以太網(wǎng)控制器等外圍設(shè)備，具有強大的操作能力和中斷響應(yīng)能力[11]。

圖3 信號插件的硬件配置

CPU插件中網(wǎng)絡(luò)通信電路包括2路RS485總線接口和2路RJ45以太網(wǎng)接口[12]。RS485總線接口使用集成數(shù)據(jù)收發(fā)器SN65LBC184D實現(xiàn)，RJ45以太網(wǎng)接口電路使用物理層雙端收發(fā)器DP83849ID和網(wǎng)絡(luò)插座變壓器HR911105A實現(xiàn)，其中RS485總線通信支持IEC-103、MODBUSRTU等通信規(guī)約，RJ45以太網(wǎng)通信支持TCP-103、IEC-104等通信規(guī)約。

CPU插件中的模擬量輸出包括3路4～20mA電流回路。4～20mA電流回路是一種用于遠距離模擬測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)標準，電路設(shè)計時采用16位Σ-Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC161P997實現(xiàn)。

CPU插件中的電源電路使用AC-DC電源模塊LH05-10D0524-01E將交流220 V變換為直流+24 V和+5 V輸出，使用三端固定電壓變換器ASM1117-3.3 V將直流+5 V變換為直流+3.3 V，使用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器LM2587-12將直流+24 V變換為直流+12 V和直流-12 V輸出。

3 監(jiān)控裝置的功能

3.1 測量功能

監(jiān)控裝置具有電壓測量功能，能夠?qū)Β衲浮ⅱ蚰鸽妷夯ジ衅鞫蝹?cè)電壓進行實時測量和顯示。為滿足測量精度和保護速度的要求，采用全波傅氏算法作為電壓模擬量的采樣算法[13-14]。全波傅式算法具有很強的濾除直流分量和基波整數(shù)次諧波分量的作用，假定輸入電壓信號為

式（1）中U0為直流分量的初始值，Um(n)、φn分別為n次諧波的幅值和初相角，n為自然數(shù)。

根據(jù)傅里葉級數(shù)原理，輸入信號n次諧波分量的實部模值UR(n)和虛部模值UI(n)可以表示為

式（2）和式（3）中的T為基波分量的周期，ω為基波分量的角頻率。

將式（2）和式（3）進行離散化處理，可以得到

式（4）和式（5）中的N為一個周期T中的采樣點數(shù)，uk為第k個點的采樣值。

求得UR(n)和UI(n)后，n次諧波的幅值Um(n)可以表示為

n次諧波的幅值φn可以表示為

監(jiān)控裝置在設(shè)計時每個周期采樣64點，即N=64。A∕D轉(zhuǎn)換器的初始化采樣周期是20ms，采樣時間間隔約為312.5μs，根據(jù)CPU的時鐘周期計算出采樣定時器的初始值，用來觸發(fā)采樣，初始化之后的采樣周期需要根據(jù)頻率跟蹤的結(jié)果進行實時修正.在每次采樣中斷處理中，均取該采樣點和之前的63點組成64點采樣序列組，計算該組的有效值去實時更新測量結(jié)果。

為了驗證監(jiān)控裝置電壓測量結(jié)果的準確度，按照國家標準GB∕T7261-2016繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法，對監(jiān)控裝置進行了電壓測量準確度試驗，其中部分測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明電壓測量誤差不超過±0.2%，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表1 電壓測量準確度測試結(jié)果

3.2 保護功能

3.2.1 母線低電壓保護

監(jiān)控裝置設(shè)有Ⅰ母低電壓保護和Ⅱ母低電壓保護功能，當?shù)碗妷罕Ｗo控制字整定為“1”時，低電壓保護投入，當?shù)碗妷罕Ｗo控制字整定為“0”時，低電壓保護退出。低電壓保護具有獨立的電壓保護定值和延時時間定值，在Ⅰ母TV隔離開關(guān)TV1或Ⅱ母TV隔離開關(guān)TV2處于合位時投入使用，其保護原理如圖4所示。圖4中的Uab、Ubc、Uca表示三相電路線電壓的測量值；Udy表示電壓保護定值，整定范圍為20～100 V，步長為0.01 V；Tdy表示延時時間定值，整定范圍為0.1～100 s，步長0.01 s。

圖4 低電壓保護的保護原理

3.2.2 母線過電壓保護

監(jiān)控裝置設(shè)有Ⅰ母過電壓保護和Ⅱ母過電壓保護，當過電壓保護控制字整定為“1”時，過電壓保護投入，當過電壓保護控制字整定為“0”時，過電壓保護退出，其保護原理如圖5所示。圖5中的Uab、Ubc、Uca表示三相電路線電壓的測量值；Ugy表示電壓保護定值，整定范圍為100～160 V，步長為0.01 V；Tgy表示延時時間定值，整定范圍為0.1～100 s，步長0.01 s。

圖5 過電壓保護的工作原理

3.2.3 母線接地保護

監(jiān)控裝置設(shè)有Ⅰ母線接地保護和Ⅱ母線接地保護，當母線接地保護控制字整定為“1”時，母線接地保護投入，當母線接地保護控制字整定為“0”時，母線接地保護退出。當Ⅰ母TV或Ⅱ母TV開口三角電壓大于監(jiān)控裝置的絕緣監(jiān)視整定值時，即可判斷該段母線接地。母線接地保護的電壓Ujd整定范圍為10～100 V，步長為0.01 V；保護延時時間Tjd的整定范圍為0.1 ～100 s，步長0.01 s。

3.2.4 母線TV斷線

監(jiān)控裝置設(shè)有Ⅰ母TV斷線檢測和Ⅱ母TV斷線檢測功能[15]，當TV斷線檢測控制字整定為“1”時，TV斷線檢測投入，當TV斷線檢測控制字整定為“0”時，TV斷線檢測退出。當電路的相電壓與零序電壓在中性點直接接地系統(tǒng)中滿足

在中性點非直接接地系統(tǒng)滿足

裝置在延時5 s后發(fā)送Ⅰ母TV斷線或Ⅱ母TV斷線告警信號。當不滿足式（8）或式（9）時，TV斷線告警延時1s返回。

3.3 自動并列功能

監(jiān)控裝置設(shè)有電壓互感器二次電壓自動并列功能，當自動并列控制字整定為“1”時，自動并列功能投入，當自動并列控制字整定為“0”時，自動并列功能退出。當電壓互感器二次電壓需要自動并列時，首先將自動并列控制字整定為“1”，其次判斷Ⅰ母和Ⅱ母的分段開關(guān)（包括Ⅰ母和Ⅱ母之間的母線隔離開關(guān)）處于合位狀態(tài)，然后判斷Ⅰ母TV隔離開關(guān)TV1和Ⅱ母TV隔離開關(guān)TV2均處于合位狀態(tài)，最后判斷Ⅰ母二次回路與Ⅱ母二次回路的同相電壓差均小于同相電壓差的整定值Ubl（整定范圍為10～100 V，步長為0.01 V），當以上條件都滿足時，監(jiān)控裝置經(jīng)過延時時間Tbl（整定范圍為0.1～100 s，步長0.01 s）后發(fā)出自動并列控制信號，通過切換電路實現(xiàn)電壓切換。

4 裝置的功能檢驗

為了檢驗監(jiān)控裝置的各項功能，按照國家標準GB∕T7261-2016繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法，對監(jiān)控裝置進行了保護功能驗證試驗、時間特性試驗、絕緣性能試驗、電磁兼容試驗、功率消耗試驗、通信及規(guī)約試驗等，其中自動并列功能、低電壓保護、過電壓保護、接地保護的部分測試數(shù)據(jù)如表2所示，從測試結(jié)果可以看出，各保護電壓整定值誤差不超過±0.2%，保護動作延時時間不超過40ms，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表2 功能檢驗部分測試結(jié)果

0.000%-0.04%-0.04%2.5ms 3.6ms-0.01msⅠ母Ⅱ母接地保護電壓動作值延時時間10V 55V 100V 0.1 s 1 s 100 s 10.00V 54.98V 99.96V 102.5ms 1 003.6ms 99.99ms

5 結(jié)論

所設(shè)計的電壓互感器監(jiān)控裝置充分利用MB9BF618S運行速度快、系統(tǒng)資源豐富、數(shù)據(jù)處理及邏輯運算能力強的特點，大大簡化了硬件電路設(shè)計，提高了監(jiān)控裝置的經(jīng)濟性和可靠性。該裝置可對電壓互感器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，能夠根據(jù)需要完成電壓互感器二次回路自動并列，可對母線進行必要的保護，可通過通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機進行聯(lián)網(wǎng)通信，具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、可靠性高、接線靈活、使用方便等優(yōu)點，適用于35kV及以下電壓等級的電壓互感器，具有較高的應(yīng)用價值。