吳 限

(甘肅酒鋼(集團(tuán))宏聯(lián)自控有限責(zé)任公司,甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)與電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展,各領(lǐng)域的用電需求及供電規(guī)模不斷增大,智能化低壓配電網(wǎng)目前作為直接與用戶相連的重要電網(wǎng),其發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。低壓斷路器作為廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)各饋出線及用電終端控制保護(hù)的核心設(shè)備,其性能及可靠性直接影響著整個(gè)配網(wǎng)線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]。傳統(tǒng)低壓斷路器保護(hù)動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng),整定值調(diào)整困難,且不具備通信功能,無法實(shí)時(shí)掌握斷路器狀態(tài),可靠性較差。為滿足當(dāng)前智能化配電網(wǎng)的發(fā)展,低壓斷路器應(yīng)具備可視化、自動(dòng)化及網(wǎng)絡(luò)化功能。

針對(duì)上述問題,得到對(duì)低壓斷路器監(jiān)測(cè)及智能保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)了一套基于ARM芯片控制的低壓斷路器智能監(jiān)控系統(tǒng),通過對(duì)硬件電路及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)低壓斷路器的測(cè)控、通信及智能保護(hù)功能。此系統(tǒng)不僅可對(duì)斷路器電壓電流等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)還具備多種保護(hù)功能,可有效提高低壓斷路器保護(hù)動(dòng)作精度、運(yùn)行可靠性及智能化程度,對(duì)智能配電網(wǎng)發(fā)展具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 低壓斷路器智能監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓斷路器的智能監(jiān)控,系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵包括以下三方面:①通過可靠通信手段使斷路器具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能;②通過各類傳感裝置對(duì)斷路器工況參數(shù)進(jìn)行采集,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器運(yùn)行狀態(tài);③系統(tǒng)應(yīng)具備三段電流保護(hù)、單相接地保護(hù)、過壓保護(hù)等多種斷路器保護(hù)功能,具體功能需求分析如下。

(1) 斷路器分合閘過程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可對(duì)斷路器分合閘次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè),并對(duì)分合閘過程中短路電流存在時(shí)間及變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,從而判斷斷路器機(jī)械壽命及健康狀態(tài)。

(2) 斷路器分合閘電壓監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)可根據(jù)分合閘電壓采集值判斷是否閉鎖分合閘并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

(3) 綜合保護(hù)功能。系統(tǒng)為斷路器提供短路瞬時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)、過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、過電壓保護(hù)等多種保護(hù)功能。

(4) “四遙”功能。系統(tǒng)具備上位機(jī)遠(yuǎn)程分合閘控制、電網(wǎng)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算、斷路器運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、斷路器參數(shù)遠(yuǎn)程在線修改整定等四遙功能。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過上述系統(tǒng)功能需求分析,對(duì)低壓斷路器智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),系統(tǒng)核心部分為斷路器智能控制模塊。相比于傳統(tǒng)利用輔助開關(guān)與繼電器控制的機(jī)械結(jié)構(gòu),智能控制模塊可準(zhǔn)確輸出斷路器分閘、合閘信號(hào),通過內(nèi)置傳感設(shè)備可對(duì)斷路器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集,并通過通信單元實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)低壓斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與數(shù)字化自動(dòng)控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低壓斷路器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

由圖1可知,除低壓斷路器本體外,整個(gè)系統(tǒng)由斷路器智能控制模塊及遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)組成。智能控制模塊作為系統(tǒng)核心功能部分,主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信和智能控制三大基本單元組成。數(shù)據(jù)采集單元主要由各類傳感設(shè)備及調(diào)理電路組成,用于實(shí)時(shí)采集斷路器各類工況參數(shù);智能控制單元由ARM控制器組成,通過對(duì)數(shù)據(jù)采集單元所采集的模擬信號(hào)進(jìn)行分析處理,與預(yù)設(shè)整定參數(shù)進(jìn)行對(duì)比判斷目前線路運(yùn)行狀態(tài),并輸出分合閘信號(hào)對(duì)斷路器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;數(shù)據(jù)通信單元采用RS485總線與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,并與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與控制。

2 低壓斷路器智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文章采用STM32f103c8t6型ARM控制器作為系統(tǒng)下位機(jī)智能控制單元,下位機(jī)通過RS485總線與監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行通信,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(1) CPU硬件選型設(shè)計(jì)

智能控制單元作為系統(tǒng)核心運(yùn)算處理部分,其運(yùn)算速度、存儲(chǔ)量及通信功能需滿足系統(tǒng)需求。文章選用STM32f103c8t6型ARM控制器,作為一款16位增強(qiáng)型CPU,其內(nèi)部集成了512KB的Flash存儲(chǔ)器及64KB的SRAM存儲(chǔ)器,具備37個(gè)I/O接口、18個(gè)A/D通道及串行通信接口,支持RS485、CAN總線等多種通信方式,可滿足系統(tǒng)采集與控制需求。

(2) 數(shù)據(jù)采集模塊選型設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)需求,采集數(shù)據(jù)包括低壓斷路器3路相電流、斷路器3路相電壓、斷路器6路分合閘線圈電流及斷路器溫度,其中3路電壓、電流信號(hào)是反應(yīng)斷路器運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。文章采用電壓互感器及電流互感器對(duì)三相電壓電流進(jìn)行采集并輸出小電壓電流信號(hào),并可用作控制器監(jiān)測(cè)量及保護(hù)量。同時(shí),互感器可作為強(qiáng)電與弱電信號(hào)的電氣隔離,從而提高控制模塊抗干擾性。

針對(duì)電流測(cè)量部分,相比于鐵芯式電流互感器,空心電流互感器在測(cè)量范圍、線性度及頻響范圍等方面更具優(yōu)勢(shì),且易于數(shù)字化。因此,文章選用SCT254空心精密型電流互感器進(jìn)行測(cè)量,其額定輸入電流5 A,額定輸出電路2.5 mA,匝數(shù)比1∶2 000,線性范圍為0～20A,測(cè)量精度<1%F.S,非線性度可以控制在0.1%內(nèi),滿足斷路器三相電路采集需求。

針對(duì)電壓測(cè)量部分,文章采用電流型電壓互感器進(jìn)行相電壓測(cè)量,電流型電壓互感器匝數(shù)比為1,輸入電壓需通過在一次繞組接入限流電阻轉(zhuǎn)換為毫安級(jí)電流,二次繞組通過電阻取樣得到電壓信號(hào),其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 電流式電壓互感器結(jié)構(gòu)原理圖

由圖3可知,輸入電壓u1經(jīng)過限流電阻R1后得到一次電流i1,經(jīng)過變比為1的線圈后得到幅值相同的二次側(cè)電流i2,最后經(jīng)采樣電阻R2得到輸出電壓u2。電壓互感器型號(hào)選擇SPT204,其額定輸入電流及額定輸出電流均為2 mA,電壓限值為50～1 000 V,測(cè)量精度可達(dá)1%F.S,具有精度高、穩(wěn)定性好、線性度良好等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況的監(jiān)測(cè),文中采用分合閘線圈動(dòng)作電流檢測(cè)方案對(duì)斷路器分合閘時(shí)間進(jìn)行計(jì)算,從而判斷斷路器分合閘動(dòng)作情況。分合閘線圈動(dòng)作電流采用BSQ06DT型霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量,分合閘線圈電流I1通過霍爾傳感器輸出0～100 mA的小電流信號(hào)I2,經(jīng)過阻值為30 Ω測(cè)量電阻R可將輸出電流I2轉(zhuǎn)換為0～3 V電壓信號(hào)Uo,Uo通過濾波輸入至STM32控制器A/D接口完成分合閘線圈電流模擬信號(hào)的采集?；魻栯娏鱾鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 霍爾電流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器發(fā)熱情況監(jiān)測(cè),文章選用ATE400型無源感應(yīng)取電式溫度傳感器對(duì)斷路器溫度進(jìn)行測(cè)量,ATE400測(cè)量范圍為-50～+125 ℃,測(cè)量精度可達(dá)±1%F.S,溫度傳感器可通過CT感應(yīng)取電,無需外接電源,啟動(dòng)電流≥5A,安裝使用方便,測(cè)量精度高,可滿足對(duì)斷路器的溫度測(cè)量需求。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文章基于Keil軟件、采用C語言對(duì)系統(tǒng)主程序進(jìn)行編譯設(shè)計(jì),系統(tǒng)主程序主要包括斷路器運(yùn)行參數(shù)采集、整定值設(shè)置、電流電壓有效值計(jì)算及參數(shù)對(duì)比判斷故障四部分。

主程序運(yùn)行后完成初始化與自檢,確定系統(tǒng)正常后通過上位機(jī)配置并讀取整定值參數(shù);隨后啟動(dòng)AD采集子程序?qū)嗦菲魅嚯妷弘娏鞯刃盘?hào)進(jìn)行采集;完成一個(gè)采樣周期后,通過上位機(jī)內(nèi)置程序計(jì)算本周期斷路器電壓電流有效值,并與整定參數(shù)進(jìn)行對(duì)比,如超過整定值判斷斷路器發(fā)生故障,立即執(zhí)行故障處理子程序輸出脫扣信號(hào)并隔離故障。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

為驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性及使用效果,文章在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)低壓電網(wǎng)進(jìn)行模擬,并對(duì)系統(tǒng)控制下的低壓斷路器保護(hù)動(dòng)作情況進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)主保護(hù)為三段電流保護(hù),包括過載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)及短路瞬時(shí)三部分,通過設(shè)置三組實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)三段電流保護(hù)性能進(jìn)行測(cè)試。

系統(tǒng)通過上位機(jī)對(duì)三種保護(hù)的動(dòng)作電流值及動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行設(shè)置,設(shè)定值分別為:過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)整定值1 A,動(dòng)作時(shí)間20 s,輸入電流1.1、1.3、1.5、1.7、1.9 A;短路短延時(shí)保護(hù)整定值2.5 A,動(dòng)作時(shí)間0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 s,輸入電流2.6 A;短路瞬時(shí)保護(hù)整定值4.5 A,輸入電流4.6、4.65、4.7、4.75、4.8 A。三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～3所列。

表1 過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 短路短延時(shí)保護(hù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 短路瞬時(shí)保護(hù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在系統(tǒng)控制下低壓斷路器保護(hù)功能運(yùn)行良好,其中過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)平均動(dòng)作誤差為2.14%,短路短延時(shí)保護(hù)平均動(dòng)作誤差為3.63%,短路瞬時(shí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間均在25 ms以內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到大于整定值的故障電流時(shí),系統(tǒng)能準(zhǔn)確、迅速發(fā)出開斷信號(hào),系統(tǒng)電流保護(hù)精度及速斷性能良好,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)低壓斷路器缺乏監(jiān)測(cè)手段、保護(hù)精度較低等問題,文章基于斷路器智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用及實(shí)踐,設(shè)計(jì)了一套基于ARM控制的低壓斷路器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),其功能可實(shí)現(xiàn)斷路器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及高精度電流保護(hù)作用。文中通過對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐測(cè)試,得出了有效參考數(shù)據(jù),驗(yàn)證了系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作精度高,速斷性良好,具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。