基于自供電技術(shù)繼電保護(hù)裝置的電源設(shè)計(jì)

泰山科技學(xué)院 王明偉 山東泰開自動(dòng)化有限公司 孫晶晶 李 凱

1 引言

近年來，數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)，但在應(yīng)用在線監(jiān)測設(shè)備中出現(xiàn)各種問題，給電源供電效果造成嚴(yán)重影響，所以工作人員要注重進(jìn)行電源設(shè)計(jì)工作。

目前，常用自供電方式主要包括微波輻射式取電、光伏電池取電、電容分壓取電、傳統(tǒng)CT取電等類型，其中傳統(tǒng)CT取電方式雖然取電操作流程簡單，轉(zhuǎn)換率較高，但其取能穩(wěn)定性不足；光伏電池屬于典型的可再生能源，能有效緩解能源短缺壓力，但易受到外在因素影響，很難實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電作用；微波輻射取電作為現(xiàn)代最先進(jìn)的技術(shù)手段，能進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線傳輸，有較好的方向性，但是使用成本更高、傳輸效率更低。

基于此，本文所采用的自供電技術(shù)，是基于電磁感應(yīng)和電容分壓原理，從CT二次側(cè)吸收電能，經(jīng)過穩(wěn)壓、整流、分壓、濾波等運(yùn)行過程，將穩(wěn)定的直流電源傳輸?shù)嚼^電保護(hù)裝置。該裝置針對(duì)傳統(tǒng)自供電使用中出現(xiàn)的問題，準(zhǔn)確判斷電力線路故障問題，并通過測試電流測算出零序電流，從而制定出合理的解決方案；如果線路能量超過標(biāo)準(zhǔn)值，微控制器能控制電流泄放電路排出適量能量，加強(qiáng)電能自身穩(wěn)定性，利用自供電電源輸入信號(hào)對(duì)線路電壓、電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督；若電流量太小，則由微控制器操縱遠(yuǎn)端跳閘，將電路及外來電能輸入，供給裝置足夠能量[1]。

2 繼電保護(hù)裝置分析

繼電保護(hù)技術(shù)是利用有關(guān)的操作裝置進(jìn)行的，主要有饋線裝置和進(jìn)線電源裝置兩大類。其中，電源裝置進(jìn)線類型有速切保護(hù)裝置、定限過流保護(hù)裝置、差動(dòng)保護(hù)裝置等類型，在進(jìn)線時(shí)，電源線路裝置包括電流速斷保護(hù)裝置、小電流接地報(bào)警系統(tǒng)等。同時(shí)，在電力自動(dòng)化繼電保護(hù)時(shí)要嚴(yán)格遵循安全管理原則，控制電力設(shè)備在繼電保護(hù)環(huán)境下運(yùn)行，且保證在電力設(shè)備運(yùn)行期間應(yīng)設(shè)置兩套獨(dú)立的機(jī)電保護(hù)裝置，給電力系統(tǒng)提供全方位保護(hù)。

在電力系統(tǒng)安全保護(hù)時(shí)，要合理設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置，能有效降低安全事故發(fā)生概率，自動(dòng)檢測線路故障并及時(shí)進(jìn)行解決，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別在信息化時(shí)代背景下，要積極引進(jìn)先進(jìn)信息技術(shù)，創(chuàng)新電力系統(tǒng)管理模式，拓展先進(jìn)技術(shù)在儀器檢測的應(yīng)用范圍，一旦出現(xiàn)安全事故，檢測設(shè)備會(huì)及時(shí)產(chǎn)生相關(guān)信號(hào)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，提醒工作人員解決故障，提高配電網(wǎng)安全性[2]。

3 自供電繼電保護(hù)裝置電源設(shè)計(jì)原理

自供電電源是利用電流互感器裝置，經(jīng)橋式電路整流后，利用分壓電容對(duì)電能進(jìn)行分壓操作，通過一次母線對(duì)電能進(jìn)行感應(yīng)，從而轉(zhuǎn)化為電壓的不同等級(jí)。工作人員要利用濾波電路轉(zhuǎn)變平滑直流電，但由于分壓后輸出交流電數(shù)量較多，很難滿足電路供電的要求。

在整個(gè)運(yùn)行過程中，分壓電容的主要作用是將電流轉(zhuǎn)換為電壓，避免電壓變化，改善尖峰電壓，通過充放電電阻，將充足的電能供給自供電繼電保護(hù)裝置，并對(duì)輸出電壓進(jìn)行合理的控制，以滿足分壓電路要求[3]。

目前，動(dòng)態(tài)電能管理電路是以微控制器為核心，當(dāng)電流超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，自主排放電流電路，加強(qiáng)供電端電壓的穩(wěn)定性；當(dāng)一次電流數(shù)量無法達(dá)到功能要求時(shí)，要加強(qiáng)外部能量輸入作用，提高裝置電流應(yīng)用效果，如圖1所示。

圖1 自供電繼電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

4 自供電電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體控制電路設(shè)計(jì)

該裝置主要包括系統(tǒng)復(fù)位回路、電流泄放回路、遠(yuǎn)距離跳閘輸入回路、電流互感器等幾個(gè)環(huán)節(jié)，采用自供電繼電在裝置運(yùn)行過程中，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，科學(xué)調(diào)整電路增益數(shù)據(jù)，加強(qiáng)電力電流適應(yīng)能力，從自供電電源位置采集三相電流信號(hào)，傳輸?shù)轿⒖刂破鲗?shí)現(xiàn)計(jì)算任務(wù)。

同時(shí)，微控制器對(duì)三個(gè)電流及零序電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，對(duì)故障問題進(jìn)行準(zhǔn)確判斷[4]?？刂铺l脈沖輸出回路和出現(xiàn)故障問題時(shí)的跳閘脈沖，起動(dòng)脫扣器；在能量數(shù)量超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，在故障信息記錄模塊方面，科學(xué)控制泄流電路的數(shù)量，保存故障資料。而上位機(jī)能準(zhǔn)確讀取系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和故障記錄信息。

當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)安全故障，要進(jìn)行遠(yuǎn)方跳閘操作，但24V電源輸出能量過少時(shí)，微控制器要根據(jù)實(shí)際要求輸入交流電源，由于母線交流變化不規(guī)則，自供電電源要想穩(wěn)定吸收電網(wǎng)能量，要妥善解決實(shí)際問題：一是收集適量的能量控制扣器在輕載狀態(tài)下跳閘；二是CT二次側(cè)吸收短路故障狀態(tài)下的穩(wěn)定電能，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)電能管理電路結(jié)構(gòu)

為了解決此問題，自供電電源要優(yōu)化自供電電源結(jié)構(gòu)原理，發(fā)現(xiàn)其提供不同等級(jí)的電源，有效加強(qiáng)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性。在整流操作后自動(dòng)連接相關(guān)電路，如24V穩(wěn)壓電路、3.3V穩(wěn)壓電路、電流泄放電路、5V穩(wěn)壓電路等。根據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)證明，自供電技術(shù)繼電保護(hù)裝置能提高取電過程的穩(wěn)定性，有效檢驗(yàn)公式的正確性，從而達(dá)到行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

其中通過24V穩(wěn)壓電路獲得3.3V穩(wěn)壓電路和5V穩(wěn)壓電路；對(duì)于跳閘脈沖輸出電路，24V電源能提供相關(guān)能量；5V電源傳輸系統(tǒng)復(fù)位電路的信號(hào)；當(dāng)儲(chǔ)能電容電壓高于預(yù)期值時(shí)，電流泄放電路利用微控制器進(jìn)行控制，從而使輸出電壓的穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。此外，CT感應(yīng)式取能結(jié)合電流互感器的工作特點(diǎn)，通過穩(wěn)壓、整流、濾波等電路處理后，一次側(cè)作用及其他幅變化的恒流源作用與二次側(cè)作用基本相同，從而達(dá)到電能收納作用[5]。

4.2 設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)電能管理電路

為了提高設(shè)備能量穩(wěn)定性，將動(dòng)態(tài)電能管理技術(shù)應(yīng)用到電壓比較電路、遠(yuǎn)方跳閘輸入電路、電流泄放電路等環(huán)節(jié)，其中微控制器是利用實(shí)時(shí)監(jiān)測電路作用，準(zhǔn)確判斷電路能量。電力變壓器油位正常情況下長期處于比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，變壓器油位狀況與運(yùn)行環(huán)節(jié)中的工作狀態(tài)直接掛鉤。油位在受到外界因素影響的情況下，油位出現(xiàn)各種各樣的故障，從而造成油位上下波動(dòng)的異常。而將油位跟蹤器設(shè)置在電力變壓器上面，主要作用是實(shí)時(shí)跟蹤油位情況，在電力變壓器正常運(yùn)行時(shí)，工作人員要保證油位穩(wěn)定性，避免其出現(xiàn)各種異常問題。并且油溫要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，控制在標(biāo)準(zhǔn)值以上。

同時(shí)，在電力變壓器出現(xiàn)安全故障時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生油溫異樣變動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致油位出現(xiàn)異樣變化。因此，在檢驗(yàn)電力變壓器油位時(shí)，要全面檢驗(yàn)電力變壓器油位，找到出現(xiàn)問題的具體位置，制定科學(xué)解決方案，避免事故進(jìn)一步拓展。

通常MOS管路開關(guān)回路處于關(guān)閉狀態(tài)，供電電容電壓超過電壓比較器設(shè)定參考電壓，比較器輸出高電平，微控制器控制MOS管路開關(guān)回路時(shí)，當(dāng)與配有電網(wǎng)電流互感器的一次測點(diǎn)率連接，電流大幅度增加時(shí)，會(huì)增加二次側(cè)電流的數(shù)量，剩余能源通過電流泄放電路進(jìn)行能量排放，加強(qiáng)輸出電壓的穩(wěn)定性；如果一次電流數(shù)值過小，造成24V電源輸出能量不能控制遠(yuǎn)方脫扣器，微控制器要結(jié)合電路實(shí)際情況，連接自供電電源，電源電壓為110V或220V，控制脫扣器跳閘。

4.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括故障處理程序、主程序、中斷程序等環(huán)節(jié)。其中主程序涉及主循環(huán)程序、模塊初始化程序；中斷程序有定時(shí)器延時(shí)中斷程序、AD采樣中斷、定時(shí)器采樣中斷、通信終端等。故障處理程序要全面分析微控制器計(jì)算數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷故障類型，觸發(fā)跳閘脈沖信號(hào)。

通過分析系統(tǒng)操作流程，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)上電后自動(dòng)進(jìn)入主程序，完成系統(tǒng)自檢和初始化操作，由于RAM數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，為了避免起動(dòng)元件錯(cuò)誤運(yùn)行，要準(zhǔn)確標(biāo)注啟動(dòng)標(biāo)識(shí)，中斷延時(shí)60ms，采樣相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，再計(jì)算起動(dòng)元件資料，判斷元件是否需要進(jìn)行保護(hù)作業(yè)，自主進(jìn)入主回路程序。同時(shí)，通過模擬調(diào)整放大電路的增益倍數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，利用采集到的三相電流值，計(jì)算出三相電流的有效值，校驗(yàn)程序EXRAM和EEPROM數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

故障處理程序是利用各種系統(tǒng)功能進(jìn)行邏輯處理和故障判斷。首先，通過信號(hào)調(diào)節(jié)電路變化電流信號(hào)，將其傳輸?shù)轿⒖刂破?，全面采集輸入信?hào)，計(jì)算三相電流數(shù)值及零序電流有效值，若其數(shù)值超出整定值，則將跳閘脈沖輸出回路輸出跳閘脈沖，啟動(dòng)脫扣器，或自動(dòng)進(jìn)入下一保護(hù)故障處理程序，將計(jì)算出的計(jì)算值及整定值進(jìn)行比較。此外，在處理器出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，繼電器內(nèi)部還有一個(gè)完整的電路，可以作為備用電路使用。

5 結(jié)語

綜上所述，本文提出的自電源保護(hù)裝置系統(tǒng)，是通過CT系統(tǒng)從一次母線位置直接吸收電能，經(jīng)過各種處理環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定能量，利用電流速斷保護(hù)、接地電流保護(hù)等功能，對(duì)線路應(yīng)用進(jìn)行全面保護(hù)，而不能增設(shè)電源。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，這種具有體積小、安全性高、智能化程度高等特點(diǎn)的裝置，可以在不同電流條件下提供穩(wěn)定的電能，可以有效解決傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置在特殊場所難以取電的難題。