魯西坤，鞏銀苗，張?zhí)禊i，毛東升

（1.安陽(yáng)工學(xué)院，河南安陽(yáng)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(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)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(dāng)電壓互感器一次回路所在的母線變更時(shí)，為保證計(jì)量、保護(hù)、測(cè)量等設(shè)備的二次電壓與一次電壓相對(duì)應(yīng)，電壓互感器二次回路應(yīng)跟隨一次回路進(jìn)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(shí)現(xiàn)電壓互感器二次回路的并列與切換，缺少必要的測(cè)控功能和保護(hù)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(jī)電壓互感器監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)方案。

1 監(jiān)控裝置的總體結(jié)構(gòu)

微機(jī)電壓互感器監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)采用插件式結(jié)構(gòu)，包括交流插件、CPU插件、信號(hào)插件、切換插件和人機(jī)對(duì)話插件，各插件通過(guò)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(hào)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(duì)系統(tǒng)二次側(cè)電壓進(jìn)行采樣；信號(hào)調(diào)理電路將采樣后的信號(hào)進(jìn)行變換和濾波；A∕D轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采樣，使之變?yōu)槟鼙籄RM處理器所識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。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(gè)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(chǔ)器、晶振電路和復(fù)位電路等，用以完成數(shù)據(jù)處理、電氣量計(jì)算、保護(hù)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。信號(hào)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(dòng)并列開入、手動(dòng)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(hù)、母線過(guò)電壓保護(hù)等保護(hù)動(dòng)作的出口以及并列信號(hào)、告警信號(hào)等信號(hào)的出口。切換插件由切換繼電器電路構(gòu)成，用于保護(hù)和測(cè)量回路的切換。人機(jī)對(duì)話插件由按鍵電路、液晶顯示電路和信號(hào)指示燈構(gòu)成，是監(jiān)控裝置與外界進(jìn)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(jì)

2.1 交流插件

交流插件中的電壓采樣電路包括10個(gè)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(hào)，使用變比為2mA∕2mA的電流型電壓互感器進(jìn)行采樣。交流插件中的信號(hào)調(diào)理電路由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、反相比例運(yùn)算電路和阻容濾波電路構(gòu)成，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)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(hào)，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(yùn)算電路，uI經(jīng)過(guò)60 kΩ的限流電阻后轉(zhuǎn)換為0～2mA的交流電流信號(hào)，0～2mA的交流電流信號(hào)依次經(jīng)過(guò)T1、A1、A2后，轉(zhuǎn)換成幅值為-5 V～+5 V的電壓信號(hào)，-5 V～+5 V的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)，因此信號(hào)調(diào)理電路的輸出可以直接與AD7606的輸入端相連。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)原理圖

2.2 信號(hào)插件

信號(hào)插件主要包括15路開關(guān)量輸入、8路保護(hù)動(dòng)作出口和3路工作狀態(tài)信號(hào)出口，其硬件配置如圖3所示。開關(guān)量輸入電路的設(shè)計(jì)采用支持交流220 V或直流110 V直接輸入的方案，保護(hù)動(dòng)作出口和工作狀態(tài)信號(hào)出口的電路設(shè)計(jì)采用繼電器輸出形式[10]。監(jiān)控裝置現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)并列、手動(dòng)解列的工作狀態(tài)。監(jiān)控裝置的保護(hù)動(dòng)作出口包括Ⅰ母低電壓保護(hù)出口、Ⅰ母過(guò)電壓保護(hù)出口、Ⅰ母接地保護(hù)出口、Ⅰ母TV斷線出口、Ⅱ母低電壓保護(hù)出口、Ⅱ母過(guò)電壓保護(hù)出口、Ⅱ母接地保護(hù)出口和Ⅱ母TV斷線出口。監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)信號(hào)出口包括告警信號(hào)出口、保護(hù)信號(hào)出口和并列信號(hào)出口，工作狀態(tài)信號(hào)出口與監(jiān)控裝置面板上的信號(hào)指示燈連接，能夠驅(qū)動(dòng)信號(hào)指示燈點(diǎn)亮，實(shí)時(shí)指示監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)，包括有無(wú)異常告警、有無(wú)保護(hù)動(dòng)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(gè)多功能串行通信口、16個(gè)基本定時(shí)器、3個(gè)多功能定時(shí)器、2路以太網(wǎng)控制器等外圍設(shè)備，具有強(qiáng)大的操作能力和中斷響應(yīng)能力[11]。

圖3 信號(hào)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(shí)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(shí)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(yuǎn)距離模擬測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電路設(shè)計(jì)時(shí)采用16位Σ-Δ數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC161P997實(shí)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(cè)量功能

監(jiān)控裝置具有電壓測(cè)量功能，能夠?qū)Β衲?、Ⅱ母電壓互感器二次?cè)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示。為滿足測(cè)量精度和保護(hù)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(qiáng)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(hào)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(jí)數(shù)原理，輸入信號(hào)n次諧波分量的實(shí)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(jìn)行離散化處理，可以得到

式（4）和式（5）中的N為一個(gè)周期T中的采樣點(diǎn)數(shù)，uk為第k個(gè)點(diǎn)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(jì)時(shí)每個(gè)周期采樣64點(diǎn)，即N=64。A∕D轉(zhuǎn)換器的初始化采樣周期是20ms，采樣時(shí)間間隔約為312.5μs，根據(jù)CPU的時(shí)鐘周期計(jì)算出采樣定時(shí)器的初始值，用來(lái)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(jìn)行實(shí)時(shí)修正.在每次采樣中斷處理中，均取該采樣點(diǎn)和之前的63點(diǎn)組成64點(diǎn)采樣序列組，計(jì)算該組的有效值去實(shí)時(shí)更新測(cè)量結(jié)果。

為了驗(yàn)證監(jiān)控裝置電壓測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T7261-2016繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置基本試驗(yàn)方法，對(duì)監(jiān)控裝置進(jìn)行了電壓測(cè)量準(zhǔn)確度試驗(yàn)，其中部分測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明電壓測(cè)量誤差不超過(guò)±0.2%，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表1 電壓測(cè)量準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果

3.2 保護(hù)功能

3.2.1 母線低電壓保護(hù)

監(jiān)控裝置設(shè)有Ⅰ母低電壓保護(hù)和Ⅱ母低電壓保護(hù)功能，當(dāng)?shù)碗妷罕Ｗo(hù)控制字整定為“1”時(shí)，低電壓保護(hù)投入，當(dāng)?shù)碗妷罕Ｗo(hù)控制字整定為“0”時(shí)，低電壓保護(hù)退出。低電壓保護(hù)具有獨(dú)立的電壓保護(hù)定值和延時(shí)時(shí)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(shí)投入使用，其保護(hù)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(cè)量值；Udy表示電壓保護(hù)定值，整定范圍為20～100 V，步長(zhǎng)為0.01 V；Tdy表示延時(shí)時(shí)間定值，整定范圍為0.1～100 s，步長(zhǎng)0.01 s。

圖4 低電壓保護(hù)的保護(hù)原理

3.2.2 母線過(guò)電壓保護(hù)

監(jiān)控裝置設(shè)有Ⅰ母過(guò)電壓保護(hù)和Ⅱ母過(guò)電壓保護(hù)，當(dāng)過(guò)電壓保護(hù)控制字整定為“1”時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)投入，當(dāng)過(guò)電壓保護(hù)控制字整定為“0”時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)退出，其保護(hù)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(cè)量值；Ugy表示電壓保護(hù)定值，整定范圍為100～160 V，步長(zhǎng)為0.01 V；Tgy表示延時(shí)時(shí)間定值，整定范圍為0.1～100 s，步長(zhǎng)0.01 s。

圖5 過(guò)電壓保護(hù)的工作原理

3.2.3 母線接地保護(hù)

監(jiān)控裝置設(shè)有Ⅰ母線接地保護(hù)和Ⅱ母線接地保護(hù)，當(dāng)母線接地保護(hù)控制字整定為“1”時(shí)，母線接地保護(hù)投入，當(dāng)母線接地保護(hù)控制字整定為“0”時(shí)，母線接地保護(hù)退出。當(dāng)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(shí)，即可判斷該段母線接地。母線接地保護(hù)的電壓Ujd整定范圍為10～100 V，步長(zhǎng)為0.01 V；保護(hù)延時(shí)時(shí)間Tjd的整定范圍為0.1 ～100 s，步長(zhǎng)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(cè)和Ⅱ母TV斷線檢測(cè)功能[15]，當(dāng)TV斷線檢測(cè)控制字整定為“1”時(shí)，TV斷線檢測(cè)投入，當(dāng)TV斷線檢測(cè)控制字整定為“0”時(shí)，TV斷線檢測(cè)退出。當(dāng)電路的相電壓與零序電壓在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中滿足

在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)滿足

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

3.3 自動(dòng)并列功能

監(jiān)控裝置設(shè)有電壓互感器二次電壓自動(dòng)并列功能，當(dāng)自動(dòng)并列控制字整定為“1”時(shí)，自動(dòng)并列功能投入，當(dāng)自動(dòng)并列控制字整定為“0”時(shí)，自動(dòng)并列功能退出。當(dāng)電壓互感器二次電壓需要自動(dòng)并列時(shí)，首先將自動(dòng)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(zhǎng)為0.01 V），當(dāng)以上條件都滿足時(shí)，監(jiān)控裝置經(jīng)過(guò)延時(shí)時(shí)間Tbl（整定范圍為0.1～100 s，步長(zhǎng)0.01 s）后發(fā)出自動(dòng)并列控制信號(hào)，通過(guò)切換電路實(shí)現(xiàn)電壓切換。

4 裝置的功能檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)監(jiān)控裝置的各項(xiàng)功能，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB∕T7261-2016繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置基本試驗(yàn)方法，對(duì)監(jiān)控裝置進(jìn)行了保護(hù)功能驗(yàn)證試驗(yàn)、時(shí)間特性試驗(yàn)、絕緣性能試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、功率消耗試驗(yàn)、通信及規(guī)約試驗(yàn)等，其中自動(dòng)并列功能、低電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、接地保護(hù)的部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，各保護(hù)電壓整定值誤差不超過(guò)±0.2%，保護(hù)動(dòng)作延時(shí)時(shí)間不超過(guò)40ms，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表2 功能檢驗(yàn)部分測(cè)試結(jié)果

0.000%-0.04%-0.04%2.5ms 3.6ms-0.01msⅠ母Ⅱ母接地保護(hù)電壓動(dòng)作值延時(shí)時(shí)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(jì)的電壓互感器監(jiān)控裝置充分利用MB9BF618S運(yùn)行速度快、系統(tǒng)資源豐富、數(shù)據(jù)處理及邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)的特點(diǎn)，大大簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，提高了監(jiān)控裝置的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。該裝置可對(duì)電壓互感器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠根據(jù)需要完成電壓互感器二次回路自動(dòng)并列，可對(duì)母線進(jìn)行必要的保護(hù)，可通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能完善、可靠性高、接線靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于35kV及以下電壓等級(jí)的電壓互感器，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。