一種可測量回路數據的接口化保護屏柜

劉洪兵 資容濤 解天柱

（云南電網有限責任公司昆明供電局）

0 引言

使用端子排連接保護屏柜內外部回路存在問題有：1、保護屏柜安裝階段需要專業設計進行開入、開出、電流回路端子排接線圖的設計繪圖、同時還需要專業施工人員按圖進行控制電纜的安裝接線，有安裝施工工藝復雜、過程繁瑣的問題，當屏柜投運后需要定期進行端子螺絲緊固工作，存在維護量大的問題；2、繼電保護專業人員在變電站二次回路日常屏柜調試及日常維護工作中需要測量開入、開出、交流電壓回路的對地電壓來分析判斷這些二次回路是否正常，而傳統連接方式不能滿足同時檢測各開入、開出、交流電壓回路對地電位；3、屏柜安裝完成后需要實際負載電流后，由工作人員使用相位伏安表進行電流向量圖測試數據，分析判斷接入保護裝置的二次電流相位、變比、極性關系的正確性，因此傳統保護屏柜電流回路的連接方式缺少一種外部設備實時在線監測保護屏柜二次電流回路電流數據的手段［1］。

1 電流接口模塊及電壓接口模塊

通過研究保護屏柜的連接方式，設計成拔插式的接口可以快速連接保護屏柜內外部回路，大大縮短保護屏柜安裝、維護的工作量。通過分類將回路分成電流回路、電壓回路兩類，電壓回路包含開入、開出、交流電壓回路。根據分類使用設計一種電流接口模塊、和電壓接口模塊，實現保護屏柜內外部回路的快速連接，由此可以解決以下三點問題：

（1）解決傳統端子排連接保護屏柜內外部電流、交流電壓、開入、開出回路連接安裝工藝復雜、運維量大的問題；

（2）在電流接口模塊二次電流回路上配置電流數據監視功能，可通過配置的電流監測功能，實現安全實時檢測保護屏柜內二次電流回路中電流量的數值，并且實時數據可傳輸到計算機端，工作人員可進行數據查看、分析以解決保護屏柜二次電流回路中電流數據缺少第三方設備實時監測的問題；

（3）在電壓接口模塊二次電壓回路上配置電壓數據監視功能，可通該功能實時檢測保護屏柜內開入、開出、電壓回路的對地電壓的數值，并實時數據傳輸到計算機端進行數據查看、分析以解決保護屏柜缺少一種同時檢測各開入、開出、電壓回路對地電位的問題。

接口式保護屏柜通過設計電流接口模塊和電壓接口模塊實現內、外部交流電壓、電流、開入、開出回路的連接，經過對現行端子排的統計分析，電流接口模塊需要設置的2個外部接口元件、1個內部接口元件，實現保護屏柜內外部電流回路的接口化連接，并在電流接口模塊上設置安全的8個電流采樣元件，實現被測電流回路電流數據采集功能。針對一組三相四線（A、B、C、N相）星型連接的電流回路接入保護屏柜、需要電流接口模塊具備8個電流通道的檢測、網絡傳輸協議的功能［2-3］。

電壓接口模塊需要設置的3個內外部接口元件、實現保護屏柜內外部開入、開出、電壓回路的接口化連接、并在電壓接口模塊上設置可投切的12路電壓采樣元件實現12路回路對公共端（地端）交流或直流電位的測量、電壓接口單元上配置采集微控制單元、網絡傳輸協議轉化單元，以實現將微控制單元采集計算的電壓數據通過網絡協議傳輸給制定計算機進行數據顯示分析。主要原理如圖1所示。

圖1 原理示意圖

如圖1所示保護屏內、外部電流、交流電壓、開入回路、開出回路由電流接口模塊和電壓接口模塊實現內外部回路的連接，在電流接口模塊上配置套管電流互感器實現電流回路安全采樣，并通過以太網將數據傳輸至交換機匯集后送至計算機程序上進行電流回路數據的顯示分析、同樣在電壓接口模塊上設置回路接口單元，實現內外部開入、開出、交流電壓回路的連接，并在電壓接口模塊上配置回路對地電壓檢測功能，并將采集到的數據通過以太網傳輸至交換機匯集后送至計算機軟件上顯示分析。

電流接口模塊采用32位微控制單元作為系統的總控制、核心芯片主頻72M，有15個采樣通道，3組串口通信接口，滿足8組電流數據的采集、計算、數據傳輸技術條件，電流接口模塊上電流采樣實現由1／1000變比套管電流互感器配合負載電阻為20Ω電流采樣電路，將小信號經過差分放大電路，加法器電路將信號放大濾波后傳輸至微控制單元，同時微控制單元利用檢測當前采集的信號結合電流算法，準確還原被測電流信號，微控單元將計算出的電流數據通過網絡傳輸至協議轉化單元、后將數據傳輸給交換機，再送到指定地址的計算機經過計算器程序解析數據后在應用程序上實時顯示被測電流回路數據，至微控制單元做數據采集，電路原理如圖2所示。

圖2 電流采樣電路

其中采用套管電流互感器作為電流傳感器可以避免電流測量元件直接與被測電路連接，保證了被測電路的獨立性、安全性。

電壓接口模塊采用32位微控制單元作為系統的總控制、核心芯片主頻72M，有15個采樣通道，3組串口通信接口，滿足12路電壓數據的采集、計算、數據傳輸技術條件，電壓接口模塊上利用交直流電壓均可測量的電阻分壓原理，將其輸入模擬電壓分壓為很小的電壓后，再利用運算放大器將小電壓信號進行放大及濾波處理后，利用微控制單元的模數轉換器將模擬的電壓信號，轉換為數字信號，并設置計算模式開關選擇微控制單元是在交流計算模式。還是直流計算模式。在交流計算模式下微控制單元通過交流計算法將被測回路的交流電壓計算出來；選擇直流計算法時，微控制單元運用直流算法將被測電路的將直流電壓值計算出來。同時通過微控制單元計算將待測線纜對地電壓的值通過微控制單元串口通信傳輸給協議轉化模塊，協議轉換后將數據通過網絡傳到交換機做數據匯總并轉發至單一通信地址的計算機端做數據顯示，實現多保護屏接口連接的開入、開出、電壓回路對地電壓的實時數據監測分析，電壓采樣原理如圖3所示。

圖3 電壓采樣電路

電壓采樣電路為了保證被測電路的獨立及安全性，在電壓采樣電路與被測電路的連接處設置了可投切的采樣開關，保護屏做好安全措施檢修調試需要對開入、開出、交流電壓回路進行對地電壓測量時將該開關投入接口模塊實時采集各被測回路的對地電位數據，并將數據傳輸至監控計算機軟件上顯示分析、保護屏正常運行時將該開關斷開，以保證保護屏運行時該屏柜回路的獨立性和安全性。

電流接口模塊、電壓接口模塊供電采用交流轉換直流電源適配作為裝置的直流電源供電模塊，其供電為12V、1A。

電流接口模塊、電壓接口模塊數據傳輸原理均運用TCP通信協議，由微控制單元將采集到的電壓或電流數據，通過計算后的值，利用微控制單元的串口通信接口將數據傳輸至TCP模塊，TCP模塊利用網線的方式再將數據傳輸傳至交換機，直到計算機端的應用程序讀出數據并在界面上顯示。

2 結束語

經分析可知，使用可測量回路電流、電壓電氣量的接口化保護屏應用后有如下幾點優勢： （1）使用電流接口模塊、電壓接口模塊實現保護屏柜內外部電流回路、交流電壓回路、開入回路、開出回路的接口化快速連接，有著屏柜安裝快捷、運行維護量少的優勢；（2）電流接口模塊采用套管電流互感器無直接接觸安全采集電流，由微控制單元計算數據后通過協議轉換由交換機匯集后穿給指定地址的計算機解析實現多個保護屏柜的二次電流實時顯示分析； （3）電壓接口模塊采用可投切的電壓采樣單元實現電壓測量元件與被測回路斷開或連接以保證被測回路在不需要測量時的安全性；（4）電壓接口模塊切換在交流電壓測量計算模式下，可用于保護屏柜內外交流電壓連接時由微控制單元測量計算數據后通過協議轉換由交換機匯集后穿給指定地址的計算機解析實現多個保護屏柜的交流電壓回路電壓值的實時顯示分析；（5）電壓接口模塊切換在直流電壓測量計算模式下，可實現保護屏柜內外部開入、開出回路時由微控制單元測量計算數據后通過協議轉換由交換機匯集后穿給指定地址的計算機解析實現多個保護屏柜的開入、開出回路電壓的實時顯示分析。