基于自供電技術(shù)繼電保護裝置的電源設計

泰山科技學院 王明偉 山東泰開自動化有限公司 孫晶晶 李 凱

1 引言

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

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，很難實現(xiàn)持續(xù)供電作用；微波輻射取電作為現(xiàn)代最先進的技術(shù)手段，能進行遠距離無線傳輸，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、濾波等運行過程，將穩(wěn)定的直流電源傳輸?shù)嚼^電保護裝置。該裝置針對傳統(tǒng)自供電使用中出現(xiàn)的問題，準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準值，微控制器能控制電流泄放電路排出適量能量，加強電能自身穩(wěn)定性，利用自供電電源輸入信號對線路電壓、電流進行實時監(jiān)督；若電流量太小，則由微控制器操縱遠端跳閘，將電路及外來電能輸入，供給裝置足夠能量[1]。

2 繼電保護裝置分析

繼電保護技術(shù)是利用有關的操作裝置進行的，主要有饋線裝置和進線電源裝置兩大類。其中，電源裝置進線類型有速切保護裝置、定限過流保護裝置、差動保護裝置等類型，在進線時，電源線路裝置包括電流速斷保護裝置、小電流接地報警系統(tǒng)等。同時，在電力自動化繼電保護時要嚴格遵循安全管理原則，控制電力設備在繼電保護環(huán)境下運行，且保證在電力設備運行期間應設置兩套獨立的機電保護裝置，給電力系統(tǒng)提供全方位保護。

在電力系統(tǒng)安全保護時，要合理設計繼電保護裝置，能有效降低安全事故發(fā)生概率，自動檢測線路故障并及時進行解決，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。特別在信息化時代背景下，要積極引進先進信息技術(shù)，創(chuàng)新電力系統(tǒng)管理模式，拓展先進技術(shù)在儀器檢測的應用范圍，一旦出現(xiàn)安全事故，檢測設備會及時產(chǎn)生相關信號，傳輸?shù)接嬎銠C中，提醒工作人員解決故障，提高配電網(wǎng)安全性[2]。

3 自供電繼電保護裝置電源設計原理

自供電電源是利用電流互感器裝置，經(jīng)橋式電路整流后，利用分壓電容對電能進行分壓操作，通過一次母線對電能進行感應，從而轉(zhuǎn)化為電壓的不同等級。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。

在整個運行過程中，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裝置，并對輸出電壓進行合理的控制，以滿足分壓電路要求[3]。

目前，動態(tài)電能管理電路是以微控制器為核心，當電流超過標準值時，自主排放電流電路，加強供電端電壓的穩(wěn)定性；當一次電流數(shù)量無法達到功能要求時，要加強外部能量輸入作用，提高裝置電流應用效果，如圖1所示。

圖1 自供電繼電保護裝置結(jié)構(gòu)

4 自供電電源系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)總體控制電路設計

該裝置主要包括系統(tǒng)復位回路、電流泄放回路、遠距離跳閘輸入回路、電流互感器等幾個環(huán)節(jié)，采用自供電繼電在裝置運行過程中，結(jié)合系統(tǒng)實際運行情況，科學調(diào)整電路增益數(shù)據(jù)，加強電力電流適應能力，從自供電電源位置采集三相電流信號，傳輸?shù)轿⒖刂破鲗崿F(xiàn)計算任務。

同時，微控制器對三個電流及零序電流數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)督，對故障問題進行準確判斷[4]。控制跳閘脈沖輸出回路和出現(xiàn)故障問題時的跳閘脈沖，起動脫扣器；在能量數(shù)量超過標準值時，在故障信息記錄模塊方面，科學控制泄流電路的數(shù)量，保存故障資料。而上位機能準確讀取系統(tǒng)實際運行狀態(tài)和故障記錄信息。

當電力系統(tǒng)出現(xiàn)安全故障，要進行遠方跳閘操作，但24V電源輸出能量過少時，微控制器要根據(jù)實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)其提供不同等級的電源，有效加強系統(tǒng)功能穩(wěn)定性。在整流操作后自動連接相關電路，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)實踐數(shù)據(jù)證明，自供電技術(shù)繼電保護裝置能提高取電過程的穩(wěn)定性，有效檢驗公式的正確性，從而達到行業(yè)應用標準。

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；對于跳閘脈沖輸出電路，24V電源能提供相關能量；5V電源傳輸系統(tǒng)復位電路的信號；當儲能電容電壓高于預期值時，電流泄放電路利用微控制器進行控制，從而使輸出電壓的穩(wěn)定性得到加強。此外，CT感應式取能結(jié)合電流互感器的工作特點，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，從而達到電能收納作用[5]。

4.2 設計動態(tài)電能管理電路

為了提高設備能量穩(wěn)定性，將動態(tài)電能管理技術(shù)應用到電壓比較電路、遠方跳閘輸入電路、電流泄放電路等環(huán)節(jié)，其中微控制器是利用實時監(jiān)測電路作用，準確判斷電路能量。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的異常。而將油位跟蹤器設置在電力變壓器上面，主要作用是實時跟蹤油位情況，在電力變壓器正常運行時，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)標準，控制在標準值以上。

同時，在電力變壓器出現(xiàn)安全故障時，不僅會產(chǎn)生油溫異樣變動，還會導致油位出現(xiàn)異樣變化。因此，在檢驗電力變壓器油位時，要全面檢驗電力變壓器油位，找到出現(xiàn)問題的具體位置，制定科學解決方案，避免事故進一步拓展。

通常MOS管路開關回路處于關閉狀態(tài)，供電電容電壓超過電壓比較器設定參考電壓，比較器輸出高電平，微控制器控制MOS管路開關回路時，當與配有電網(wǎng)電流互感器的一次測點率連接，電流大幅度增加時，會增加二次側(cè)電流的數(shù)量，剩余能源通過電流泄放電路進行能量排放，加強輸出電壓的穩(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方脫扣器，微控制器要結(jié)合電路實際情況，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)設計

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；中斷程序有定時器延時中斷程序、AD采樣中斷、定時器采樣中斷、通信終端等。故障處理程序要全面分析微控制器計算數(shù)據(jù)，準確判斷故障類型，觸發(fā)跳閘脈沖信號。

通過分析系統(tǒng)操作流程，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)上電后自動進入主程序，完成系統(tǒng)自檢和初始化操作，由于RAM數(shù)據(jù)具有較強的隨機性，為了避免起動元件錯誤運行，要準確標注啟動標識，中斷延時60ms，采樣相關運行數(shù)據(jù)，再計算起動元件資料，判斷元件是否需要進行保護作業(yè)，自主進入主回路程序。同時，通過模擬調(diào)整放大電路的增益倍數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)實際運行情況，利用采集到的三相電流值，計算出三相電流的有效值，校驗程序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)功能進行邏輯處理和故障判斷。首先，通過信號調(diào)節(jié)電路變化電流信號，將其傳輸?shù)轿⒖刂破鳎娌杉斎胄盘枺嬎闳嚯娏鲾?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，啟動脫扣器，或自動進入下一保護故障處理程序，將計算出的計算值及整定值進行比較。此外，在處理器出現(xiàn)運行故障時，繼電器內(nèi)部還有一個完整的電路，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、接地電流保護等功能，對線路應用進行全面保護，而不能增設電源。經(jīng)過實踐發(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)繼電保護裝置在特殊場所難以取電的難題。