電力自動化系統(tǒng)智能保護測控設(shè)備的設(shè)計與開發(fā)

苗雪冬

【摘 要】為了適應(yīng)電力系統(tǒng)的自動化改造和現(xiàn)代化電能管理的需要，本文設(shè)計了集測量、控制、保護、通訊于一體的智能保護測控設(shè)備。設(shè)備采用了模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，而將設(shè)備分成主控模塊、電量轉(zhuǎn)換模塊、開入開出模塊、通訊模塊、人機對話模塊。

【關(guān)鍵詞】電力自動化；智能保護；測控設(shè)備

1電力自動化系統(tǒng)的現(xiàn)有模式

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，電力工業(yè)也隨之迅猛發(fā)展，用電負(fù)荷不斷增加，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對電網(wǎng)的保護、狀態(tài)監(jiān)視、綜合調(diào)控和集中管理以及控制精度、準(zhǔn)確度、智能化程度的要求越來越高，人們對提高發(fā)、輸、配電質(zhì)量，提高供電可靠性提出了更高的要求，如何運用先進(jìn)的技術(shù)實現(xiàn)電力自動化是電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，也是電力科技發(fā)展的技術(shù)動因。

2當(dāng)前的電力自動化技術(shù)

2.1主控模塊

主控模塊在智能保護測控設(shè)備中非常重要，它主要包括以下六個部分：保護ADC部分、單片機部分、電能計量部分、CPLD部分以及看門狗電路和實時時鐘電路。主控模塊與其它幾個模塊均有連接，它是一個信息轉(zhuǎn)換樞紐，從數(shù)據(jù)接收、發(fā)送及處理方面來看它主要完成以下幾方面的工作：（1）接收從電量轉(zhuǎn)換模塊傳送來的的模擬量；（2）接收和發(fā)送開入開出模塊的開關(guān)量；（3）根據(jù)接收到的各種信號，作出相應(yīng)計算（如有功、無功功率等電能測量計算等；繼電保護算法的計算等）；（4）接收按鍵信息，發(fā)送液晶顯示的控制信息，進(jìn)行人機對話；（5）接收和發(fā)送來自通訊模塊的信息和數(shù)據(jù)。

主控模塊采用多層印刷板工藝，各部分電路結(jié)構(gòu)緊湊，體積小功能多。保護ADC部分在智能保護測控設(shè)備的性能要求中，測量精度要求達(dá)到千分之二，而保護精度要求百分之三，所以在設(shè)計中測量和保護采用不同的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADC的精度要與設(shè)備的精度匹配，一方面要求量化誤差在總誤差中所占的比重要小，使它不會影響保護部分的精度；另一方面必須根據(jù)目前設(shè)備所要求的精度水平，對ADC的位數(shù)提出恰當(dāng)?shù)囊蟆?/p>

2.2電量轉(zhuǎn)換模塊

因為用單片機等微電子元器件所能承受的電壓標(biāo)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電力系統(tǒng)中的電，所以來自電力系統(tǒng)中的電流信號和電壓信號不能直接輸入弱電系統(tǒng)。因此，在智能保護測控設(shè)備的設(shè)計中，必須先用微型電流互感器、電壓互感器把電力系統(tǒng)的大電流、大電壓轉(zhuǎn)換成符合輸入范圍的電壓，才能再送入主控模塊進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換及完成其它后續(xù)工作。智能保護測控設(shè)備所采集的電力系統(tǒng)中的電量信號，它們除了用于保護判斷外還將用于電量測量，由于保護部分和測量部分的精度要求不同，因此在設(shè)計中用不同型號的互感器分別構(gòu)成用于保護和用于測量的輸入通道。電量轉(zhuǎn)換模塊共有12個互感器，其中三個電壓互感器和三個電流互感器分別用來轉(zhuǎn)換保護判斷的三相電量信號，并將電量信號傳送給主控模塊的MAX197進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；另外的三個電壓互感器和三個電流互感器則分別轉(zhuǎn)換電量測量的三相電量信號，將電量信號傳送給主控模塊的電能計量芯片完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.3開入開出模塊

智能保護測控設(shè)備除了有模擬量信號（交流電壓、交流電流）輸入之外，還要輸入相應(yīng)的開關(guān)信號。開關(guān)信號主要包括：斷路器狀態(tài)的閉會和斷開（即合閘與跳閘），繼電器的吸合與釋放等。這些信號有著共同的特點：可以用二進(jìn)制“1”來表示閉合或動作，用“0”來表示斷開或無動作，這種僅有兩個狀態(tài)的信息通常被稱為開關(guān)量。在電力系統(tǒng)運行中，開關(guān)量直接改變了電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以及電力系統(tǒng)的運行方式和分布，對電力保護而言是非常重要的信息。

采集開關(guān)量信息也被稱為遙信。開關(guān)量信息輸入電路中稱為開關(guān)量輸入（開入）通道；開關(guān)量信號從電路輸出去遙控遠(yuǎn)方的開關(guān)狀態(tài)，則稱為開出。這次設(shè)計的智能保護測控設(shè)備有八路開入量和八路開出量。開關(guān)量輸入的接口方式常用的有TTL電平直接接口型和光電隔離型。但是TTL電平直接接口容易受環(huán)境干擾的影響造成錯誤輸入。因此在設(shè)計中采用光電隔離型輸入方式，其主要優(yōu)點有：輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力強；無觸電，耐沖擊，壽命長，可靠性高；響應(yīng)速度快，易與邏輯電平配合使用。

2.4通訊模塊

智能保護測控設(shè)備在電力自動化系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)分散控制和集中管理，要求將各個電力自動化設(shè)備連接在網(wǎng)絡(luò)上，相互之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信主要體現(xiàn)在兩個方面。一個方面是完成電力自動化系統(tǒng)內(nèi)部各設(shè)備之間的信息交換。另一個方面是完成設(shè)備與控制中心的通信任務(wù)。這些信息主要包括：（1）電壓、電流、功率等具體電量測量信息；（2）動化系統(tǒng)通信復(fù)雜，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換量很大，而且可靠性要求很高，所以必須采用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)約來進(jìn)行約束。早前，各個廠商對標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)約都有自己的理解，產(chǎn)品的互連互通存在很大的問題，直到工EC61850的出現(xiàn)。在通訊模塊的設(shè)計中，結(jié)合主控單片機ATMECTA 128的接口特性，采取了串行通信的方案，設(shè)計了RS485通信接口。通訊協(xié)議則采用MODBUS通信協(xié)議，它在電力自動化系統(tǒng)中，被眾多的硬件生產(chǎn)廠家所支持并廣泛應(yīng)用。通過此協(xié)議，控制器互相之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信。

2.5人機對話模塊

人機對話模塊主要包含按健、是由主控模塊的單片機Atmega128模塊的。人機對話模塊中的按鍵和液晶顯示是實現(xiàn)人機對話的重要器件。電力系統(tǒng)工作人員可以根據(jù)需要對智能保護測控設(shè)備進(jìn)行設(shè)置各種運行參數(shù)或?qū)崟r顯示各種參數(shù)。例如，可以通過鍵盤和顯示器來設(shè)置電壓的上、下限值以及系統(tǒng)日期時間等。在智能保護測控設(shè)備的按健設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)實際需要決定鍵的數(shù)目。在人機對話中，由這六個鍵來控制顯示內(nèi)容并設(shè)置一些參數(shù)。如對某個菜單選項做出選擇，按確認(rèn)鍵對選擇的菜單進(jìn)行處理或者進(jìn)入下一級菜單；對菜單的選擇可以進(jìn)行查看測量值和修改定值；按退出鍵返回上級菜單或回到循環(huán)顯示狀態(tài)；用上下鍵可以對光標(biāo)所在位置的數(shù)字進(jìn)行修改，用左右鍵可以移動光標(biāo)等。

2.6硬件抗干擾設(shè)計

智能保護測控設(shè)備擔(dān)負(fù)著對原始電量信號的采集、計算、上報等對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行操作等作用。它的可靠性和穩(wěn)定性對整個電力系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。然而設(shè)備在工作于復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，存在強電磁場干擾以及輸入輸出通道引起的干擾等，因此在硬件設(shè)計中要特別注意抗干擾，使得設(shè)備盡量達(dá)到高精度、高可靠性的要求。在設(shè)計的初始階段就考慮到了干擾存在的可能性，并采取了必要的抗干擾措施，如采用集成度很高的芯片、設(shè)計看門狗電路以及軟件防抖動設(shè)計等。為了更安全可靠，在硬件電路的設(shè)計中還需要注意以下幾點：

（1）接地線要盡量粗，否則接地電位容易隨電路的變化而變化，而導(dǎo)致設(shè)備的信號電平不穩(wěn)定，抗干擾信能變差。（2）電路板上的遙信輸入輸出信號的平行走線不能過長，防止信號間禍合串?dāng)_。（3）模擬信號和數(shù)字信號分開布置，并且模擬地和數(shù)字地先分開走線，最后連接到總接地端形成電路板上的地線。（4）芯片的入口和出口處加入合適大小的濾波電容，可以有效的抑制外部干擾并且輸出穩(wěn)定。（5）電路板布線要避免90度折線。電路板線路設(shè)計的可靠性很大程度影響著設(shè)備的可靠性，因此在設(shè)計中要特別注意，使得設(shè)備盡量保證高精度、高可靠性的要求。

3結(jié)束語

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的增長，電力需求的增長使得電力系統(tǒng)也獲得前所未有的發(fā)展，為了滿足電力系統(tǒng)運行管理現(xiàn)代化的迫切要求，研究電力自動化迫在眉睫。為了保障電力系統(tǒng)的安全運行，電力自動化設(shè)備的不斷研究和改進(jìn)是勢在必行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張柏雄.淺談電力自動化系統(tǒng)模式與智能保護測控設(shè)備功能分析[J].裝備制造，2009（11）：114.

[2]江鳳麗，孫芳芳.電力自動化系統(tǒng)智能保護測控設(shè)備的研發(fā)探討[J].科協(xié)論壇（下半月），2013（11）：95-96.

[3]廖振偉.變電站自動化系統(tǒng)智能測控裝置軟件開發(fā)方法研究[D].西安電子科技大學(xué)，2001.