智能變電站交流電源監控、測量裝置的設計與應用

陳益栓，余伙慶

（廣東正誠電氣科技有限公司，廣東 汕頭 515000）

0 引 言

隨著智能電網技術的應用，特別是IEC61850標準在中國實施以來，電子式互感器、智能化開關柜廣泛應用于變電站。站用變低壓開關柜作為變電站內部的重要組成部分，是保障智能變電站安全、可靠運行的重要保障。對其進行智能化升級改造，是建設智能變電站的重要措施，是為變電站提供穩定、可靠電源的基礎。

1 變電站低壓開關柜進線方案的現狀

長期以來，變電站中，監控系統或變電站管理均重視高壓，忽略了低壓（380 V系統）。以往的技術方案有以下兩種。

第一，采用老式的兩進線一母聯的單母分段供電方式。正常時，兩進線各自運行，當一路進線停電或者檢修時，需合上母聯斷路器。該方案采用自動或手動操作，即使采用自動操作，其響應時間仍未2～3 s，停電時間較長，對變電站的設備造成一定影響。

第二，目前多采用雙路電源進線，以PC級ATS開關為進線切換器件，但使用傳統的控制器。使用該方案，切換時間大大降低，可以在100 ms內。但是，由于采用傳統的控制器，只有單一的控制模式，需在接線時確定主備進線，因此運行靈活性大大降低，通信功能較弱，采集的數據量小。如果需滿足數字化變電站的需求，就要各增加一臺綜合電量采集裝置和開關量采集裝置。對于使用IEC61850通信標準的變電站，該方案需要增加更多的通信設備滿足需求。

2 變電站低壓開關柜進線方案的改進設計

本文提供了一種結構簡單，集進線電源監控、母線電量監測、電能計算和饋線監控于一體，可設置六種工作模式供用戶自由選擇，包含通信功能，可實現四遙，方便接入綜合自動化系統的變電站交流電源監控、測量裝置，解決了現有變電站進線電源存在的技術問題。

本文采用單母線供電，每段單母線均為雙電源供電，采用ATS雙電源切換開關進行控制，可以根據運行需要，控制ATS（圖1中的1ZK）、#1電源和#2電源，測量母線的相關電量，并在本地顯示相關電量，也可以利用通信方式讀取[1]。如圖1所示。

圖1 主要控制變電站站用電的進線一次方案

3 變電站低壓開關柜進線控制器的設計

為了控制ATS并將其連接到智能變電站的控制系統，可采用以下的技術方案。

（1）本文的CPU示意圖如圖2所示，采用STM32F103VCT6嵌入式微控制器作為核心處理器，所有數據通過其進行處理，并發出告警、通信等信號。

圖2 CPU結構

（2）本文的電壓采集示意圖如圖2所示，包括#1電源、#2電源和母線電壓三個模塊。通過ZMPT107電壓互感器，將220 V電壓轉換成0～5 V的微電壓，使用LM324四運算放大器處理后，送至CPU處理[2]。

圖3 電壓采集

（3）本文的電流采集示意圖如圖4所示，主要是母線電流，也包括零序電流。通過YTCT102電流互感器，將5 A的電流轉換成2.5 mA的微電流，使用LM324四運算放大器處理后，送至CPU處理。

圖4 電流采集

（4）本文的開關量采集示意圖如圖5所示，有四個模塊，共采集30路開關量輸入。采用4個74HC244芯片作為開關量輸入采集元件，經過光電隔離器隔離后輸入，每個芯片可采集8個回路，共可采集30路開關量，2個作為備用。其中，6路已定義了相關功能，作為ATS切換控制的固定輸入，24路開關量未定義，可作為饋線監控。

（5）本文的開關量輸出示意圖如圖6所示，采用2個ULN2803A芯片作為開關量輸出控制元件，通過中間繼電器后輸出，可以輸出16路額定電流為5 A的無源開關接點。其中，9路已定義，作為裝置告警等提示性輸出，7路未定義，用戶可自定義或根據客戶要求定義。

圖5 開關量采集

圖6 開關量輸出

（6）本文的控制輸出示意圖如圖7所示，采用1個ULN2803A芯片作為ATS控制輸出元件，經中間繼電器后輸出，共可輸出5路無源開關接點，分別控制ATS合1路、合2路、停機。另外，2路可用作分#1電源斷路器、分#2電源斷路器。

（7）本文的主程序示意圖如圖8所示。主程序主要為框架的程序，主要功能在子程序中完成。

（8）本文的模式一程序圖如圖9所示。該模式為固定#1電源供電，當線路出現錯誤或其他問題時，可自動切換到模式三運行，模式二與模式一類似[3]。

圖7 控制輸出

圖8 主程序

圖9 模式一程序

（9）本文的模式三程序圖如圖10所示。該模式為#1電源主用，#2電源備用的工況。此模式為自投自復，在上電確認工作模式或遠程切換的方式下遠程選擇“一路優先”。執行邏輯：主供電為#1電源，備用供電為#2電源，具備自動切換，自動恢復功能。任何情況下，當#1電源正常時，ATS開關合I位。只有當#1電源異常，#2電源正常時，ATS開關合II位，而#1電源恢復正常后，ATS開關重新合于I位。模式四、模塊五與模式三類似。模式四執行邏輯：主供電為#2電源，備用供電為#1電源，具備自動切換，自動恢復功能。任何情況下，當#2電源正常時，ATS開關合II位。只有當#2電源異常，#1電源正常時，ATS開關合I位，而#2電源恢復正常后，ATS開關重新合于II位。模塊五為自投不自復的工況，兩路電源僅互為備用[4]。

4 結 論

改造變電站的進線時，采用智能設備進行控制、測量，可提高變電站的自動化控制水平。本裝置采用ATS控制進線，最快切換時間為100 ms內，大大提高了供電的可靠性，為變電站的安全可靠運行提供保障。另外，由于采用了整體智能控制裝置，只需在控制裝置內增加一個IEC61850通信模塊，就可以輕松實現通信，提高了智能變電站的智能化水平。

圖10 模式三程序