微機電壓互感器監控裝置的研制

魯西坤，鞏銀苗，張天鵬，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、測量等設備的二次電壓與一次電壓相對應，電壓互感器二次回路應跟隨一次回路進行同步并列與切換[1-2]。傳統的電壓互感器并列裝置僅能實現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，已不能適應數字化、智能化變電站發展的需要[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控裝置的設計方案。

1 監控裝置的總體結構

微機電壓互感器監控裝置的設計采用插件式結構，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，其總體結構如圖1所示[5]。

交流插件包括電壓采樣電路、信號調理電路和A∕D轉換電路，其中電壓采樣電路與裝置外部電壓互感器二次側相連，用于對系統二次側電壓進行采樣；信號調理電路將采樣后的信號進行變換和濾波；A∕D轉換電路用于對調理后的信號進行采樣，使之變為能被ARM處理器所識別的數字信號。CPU插件主要包括電源電路、ARM處理器電路、網絡通信電路、模擬量輸出電路等模塊，其中電源電路為整個監控裝置提供合適的工作電壓；ARM處理器電路包括ARM處理器、數據存儲器、晶振電路和復位電路等，用以完成數據處理、電氣量計算、保護判斷、各種參數設置等功能；網絡通信電路包括2路RS485總線接口和2路以太網接口，用于監控裝置與其他設備進行網絡互聯。信號插件包括開關量輸入電路和開關量輸出電路，其中開關量輸入電路用于采集分段開關、隔離開關、手動并列開入、手動解列開入等開關量的狀態；開關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成，是監控裝置與外界進行信息交互的接口。

圖1 裝置的總體結構

2 監控裝置的硬件電路設計

2.1 交流插件

交流插件中的電壓采樣電路包括10個內置電壓互感器，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理電路由電流-電壓轉換電路、反相比例運算電路和阻容濾波電路構成，信號調理電路的設計原理如圖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構成的電流-電壓轉換電路，A2是由OP07構成的反相比例運算電路，uI經過60 kΩ的限流電阻后轉換為0～2mA的交流電流信號，0～2mA的交流電流信號依次經過T1、A1、A2后，轉換成幅值為-5 V～+5 V的電壓信號，-5 V～+5 V的電壓信號經過由1 kΩ電阻和100 nF電容構成的阻容濾波電路后，送至A∕D轉換器AD7606的輸入端。交流插件中的A∕D轉換電路由16位高精度模∕數轉換器AD7606構成[8-9]，AD7606可以直接處理±5 V的雙極性輸入信號，因此信號調理電路的輸出可以直接與AD7606的輸入端相連。

圖2 信號調理電路的設計原理圖

2.2 信號插件

信號插件主要包括15路開關量輸入、8路保護動作出口和3路工作狀態信號出口，其硬件配置如圖3所示。開關量輸入電路的設計采用支持交流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信號出口的電路設計采用繼電器輸出形式[10]。監控裝置現場應用需要采集5路開關量信息，分別為Ⅰ母TV隔離開關TV1（TV1合位）、Ⅱ母TV隔離開關TV2（TV2合位）、分段開關、手動并列、手動解列的工作狀態。監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。監控裝置的工作狀態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，工作狀態信號出口與監控裝置面板上的信號指示燈連接，能夠驅動信號指示燈點亮，實時指示監控裝置的工作狀態，包括有無異常告警、有無保護動作和并列狀態。

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路以太網控制器等外圍設備，具有強大的操作能力和中斷響應能力[11]。

圖3 信號插件的硬件配置

CPU插件中網絡通信電路包括2路RS485總線接口和2路RJ45以太網接口[12]。RS485總線接口使用集成數據收發器SN65LBC184D實現，RJ45以太網接口電路使用物理層雙端收發器DP83849ID和網絡插座變壓器HR911105A實現，其中RS485總線通信支持IEC-103、MODBUSRTU等通信規約，RJ45以太網通信支持TCP-103、IEC-104等通信規約。

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據傳輸的工業標準，電路設計時采用16位Σ-Δ數模轉換器DAC161P997實現。

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開關穩壓器LM2587-12將直流+24 V變換為直流+12 V和直流-12 V輸出。

3 監控裝置的功能

3.1 測量功能

監控裝置具有電壓測量功能，能夠對Ⅰ母、Ⅱ母電壓互感器二次側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。

根據傅里葉級數原理，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，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

監控裝置在設計時每個周期采樣64點，即N=64。A∕D轉換器的初始化采樣周期是20ms，采樣時間間隔約為312.5μs，根據CPU的時鐘周期計算出采樣定時器的初始值，用來觸發采樣，初始化之后的采樣周期需要根據頻率跟蹤的結果進行實時修正.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果。

為了驗證監控裝置電壓測量結果的準確度，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，對監控裝置進行了電壓測量準確度試驗，其中部分測試結果如表1所示。測試結果表明電壓測量誤差不超過±0.2%，能夠滿足相關技術要求。

表1 電壓測量準確度測試結果

3.2 保護功能

3.2.1 母線低電壓保護

監控裝置設有Ⅰ母低電壓保護和Ⅱ母低電壓保護功能，當低電壓保護控制字整定為“1”時，低電壓保護投入，當低電壓保護控制字整定為“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TV1或Ⅱ母TV隔離開關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

監控裝置設有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

監控裝置設有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控裝置的絕緣監視整定值時，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

監控裝置設有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中滿足

在中性點非直接接地系統滿足

裝置在延時5 s后發送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

監控裝置設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（包括Ⅰ母和Ⅱ母之間的母線隔離開關）處于合位狀態，然后判斷Ⅰ母TV隔離開關TV1和Ⅱ母TV隔離開關TV2均處于合位狀態，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，監控裝置經過延時時間Tbl（整定范圍為0.1～100 s，步長0.01 s）后發出自動并列控制信號，通過切換電路實現電壓切換。

4 裝置的功能檢驗

為了檢驗監控裝置的各項功能，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據如表2所示，從測試結果可以看出，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，能夠滿足相關技術要求。

表2 功能檢驗部分測試結果

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 結論

所設計的電壓互感器監控裝置充分利用MB9BF618S運行速度快、系統資源豐富、數據處理及邏輯運算能力強的特點，大大簡化了硬件電路設計，提高了監控裝置的經濟性和可靠性。該裝置可對電壓互感器的運行狀態進行實時監控，能夠根據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，可通過通信網絡與監控主機進行聯網通信，具有結構簡單、功能完善、可靠性高、接線靈活、使用方便等優點，適用于35kV及以下電壓等級的電壓互感器，具有較高的應用價值。