一種電力二次設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

鄧 慶， 周華良， 夏 雨， 胡 國， 鄒志揚(yáng)

(南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211106)

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一種電力二次設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計

鄧 慶， 周華良， 夏 雨， 胡 國， 鄒志揚(yáng)

(南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 211106)

文中介紹了高壓繼電保護(hù)裝置開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能及組成，提出了一種電力二次設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)設(shè)計及軟件判別方法。文章通過對自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的光耦采集回路設(shè)計及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，闡述了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)方法.可以通過軟件調(diào)節(jié)自適應(yīng)開關(guān)量輸入電壓動作門檻值，具備開關(guān)量電源的狀態(tài)監(jiān)測功能。對提高系統(tǒng)硬件研發(fā)的一次成功率、提高電力二次設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性具有非常重要的作用。

電力二次設(shè)備；自適應(yīng)；開關(guān)量；數(shù)據(jù)采集

0 引言

近年來，在國家電網(wǎng)公司特高壓輸電項(xiàng)目的帶動下，繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展不斷加速，繼電保護(hù)與現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)和遠(yuǎn)程通信技術(shù)的結(jié)合日益密切[1，2]。現(xiàn)階段二次設(shè)備種類繁多、二次回路復(fù)雜，現(xiàn)場接線、配置、調(diào)試及檢修等工作量大，國家電網(wǎng)公司在2016年提出了無防護(hù)安裝就地化保護(hù)的設(shè)計思想，這些新的應(yīng)用對電力二次設(shè)備開關(guān)量采集系統(tǒng)提出了更高的要求[3-5]。

國家電網(wǎng)公司對電力二次設(shè)備的開關(guān)量輸入動作門檻提出了明確的要求，開關(guān)量輸入動作電壓在額定直流電源電壓的55%～70%以內(nèi)。因此開關(guān)量的分、合狀態(tài)判斷依據(jù)必須依賴外部開關(guān)量直流電源的電壓。開關(guān)量直流電源通常都是直接取自電力自動化裝置中的電源或者外部直流屏輸出的電源，規(guī)格為DC24 V，DC48 V，DC110 V和DC220 V等，電源電壓會隨著所接負(fù)載的變化而波動[6-12]。

電力二次設(shè)備為了適應(yīng)不同開關(guān)量電源，保證開關(guān)量動作電壓門檻落在55%～70%額定電壓區(qū)間內(nèi)，通常采取2種應(yīng)對方式：

(1) 采用不同的開關(guān)量輸入回路硬件設(shè)計方案，采用不同的元器件。該方式造成了硬件設(shè)計、硬件維護(hù)、加工生產(chǎn)上的麻煩。

(2) 采用線性隔離光耦采樣開關(guān)量輸入信號，將采集的模擬量信號送至微處理器(MCU)的模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)模塊，由軟件算法保證開關(guān)量輸入電壓動作門檻落在55%～70%額定電壓區(qū)間內(nèi)。該方式成本昂貴，每一路開關(guān)量信號輸入回路都要使用一個線性光耦，且線性光耦的應(yīng)用通常還需要隔離電源、差分運(yùn)放等元器件配合。采用線性光耦的開關(guān)量輸入回路物料成本是采用常規(guī)開關(guān)量光耦的回路的上百倍。這對于動輒就有幾十路甚至一百多路開關(guān)量信號輸入回路的電力自動化裝置而言增加了不少成本[13-17]。應(yīng)此該設(shè)計方法主要使用在小信號直流采樣回路中，而在開關(guān)量采集回路中使用極少。

1 系統(tǒng)組成

自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由具備模數(shù)采樣模塊的高性能MCU、開關(guān)量信號輸入回路、開關(guān)量直流電源監(jiān)視回路、溫度監(jiān)測單元、與主控模塊互聯(lián)通訊的CAN模塊及其他輔助模塊、如電源管理、晶振等部分組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of system design

本系統(tǒng)以MCU為核心，主要完成開關(guān)量數(shù)據(jù)采集，開關(guān)量直流電源監(jiān)測，溫度監(jiān)測以及與主控模塊通訊及數(shù)據(jù)存儲單元。

系統(tǒng)采用的關(guān)鍵芯片及資源有：

(1) MCU芯片采用PIC33系列高性能16位數(shù)字信號控制器；

(2) 開關(guān)量信號輸入回路開關(guān)量光耦采用高隔離度光耦，傳輸變比(CTR)為100%～200%；

(3) 開關(guān)量直流監(jiān)視回路采用高精度低溫漂線性光耦，增益為8.2，±0.5%的增益誤差。

2 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 開關(guān)量信號輸入回路

開關(guān)量信號輸入回路主要負(fù)責(zé)開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集功能，采用RC濾波配合非線性光耦的抗干擾方式確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如圖2所示。

圖2 開關(guān)量信號輸入電路Fig.2 Diagram of switching signal input circuit

開關(guān)量信號輸入回路包括開關(guān)量隔離光耦、限流電阻、防反向二極管及運(yùn)放和外圍阻容組成的電壓跟隨電路。隔離光耦信號輸出端經(jīng)采樣電阻、運(yùn)放調(diào)理電路及RC濾波電路后接至MCU側(cè)的AD采樣管腳。

本開關(guān)量信號輸入回路與傳統(tǒng)的開關(guān)量信號輸入回路有所不同。傳統(tǒng)開關(guān)量輸入回路采用的是數(shù)字電平判斷方式，采集信號最終接入的是MCU的IO管腳。當(dāng)有開關(guān)量電壓達(dá)到開關(guān)量動作門檻電壓值時，開關(guān)量光耦呈飽和導(dǎo)通狀態(tài)，采集信號達(dá)到MCU的IO管腳的邏輯有效電平即可；而本系統(tǒng)采用的是模擬電平判斷方式，采集信號最終接入的是MCU的AD管腳。系統(tǒng)中的開關(guān)量光耦在全工作電壓范圍內(nèi)呈放大態(tài)，光耦的輸出值隨著開關(guān)量信號輸入電壓變化，接入MCU的 AD管腳后由軟件算法判斷當(dāng)前開關(guān)量輸入電壓的數(shù)值是否有效。

系統(tǒng)所選的開關(guān)量光耦傳輸比范圍為100%～200%，采集回路光耦前向工作電流IF設(shè)置在0～1.5 mA，后級IC的工作電流設(shè)置為0～3.2 mA，滿足IC>CTR*IF，這樣可以保證光耦在全工作電壓范圍內(nèi)為放大狀態(tài)，未進(jìn)入飽和狀態(tài)。

2.2 開關(guān)量直流電源監(jiān)視回路

開關(guān)量直流電源監(jiān)測回路主要監(jiān)視外部開關(guān)量電源電壓值。當(dāng)外部開關(guān)量直流電源發(fā)生變化時，可以適時地調(diào)整本采集系統(tǒng)的開關(guān)量信號輸入電壓門檻值。如圖3所示。

圖3 開關(guān)量直流電源監(jiān)視電路Fig. 3 Diagram ofswitching DC power supply monitoring circuit

線性隔離光耦正、負(fù)信號輸入端之間并接采樣電阻和濾波電容。線性隔離光耦信號輸出接運(yùn)放調(diào)理電路再經(jīng)RC濾波回路接至MCU側(cè)的AD采樣管腳。

2.3 溫度采集回路

溫度采集回路主要監(jiān)視數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作溫度。因電力二次設(shè)備工作環(huán)境比較復(fù)雜，設(shè)備的工作溫度范圍在-40～80 ℃，在該溫度范圍內(nèi)，開關(guān)量光耦的CTR會隨著溫度變化波動。因此該溫度采集回路對本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度而言非常重要。如圖4所示。該回路主要由溫度傳感器輸出模擬量小信號，經(jīng)運(yùn)放調(diào)理回路處理后，再經(jīng)RC濾波回路送至MCU側(cè)的AD采樣管腳。

圖4 溫度采集電路Fig.4 Diagram of temperature acquisition circuit

2.4 通訊回路

本模塊將采集的開關(guān)量信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)上送至上一級主控模塊，并接收主控模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)并完成相應(yīng)的功能。如圖5所示。

圖5 通訊電路Fig.5 Diagram of communication circuit

2.5 數(shù)據(jù)存儲回路

本系統(tǒng)使用EEPROM存儲器，主要完成2項(xiàng)工作。25 ℃時各通道在輸入電壓為開關(guān)量設(shè)定動作電壓門檻值時的光耦輸出值存儲簡稱定溫動作門檻采樣值存儲；開關(guān)量光耦輸出電壓值隨輸入電壓、溫度變化的系數(shù)表存儲簡稱溫度系數(shù)表的存儲。存儲電路如圖6所示。

圖6 存儲電路Fig.6 Diagram of memory circuit

2.5.1 定溫動作門檻采樣值存儲

因?yàn)殚_關(guān)量光耦存在著個性差異，相同溫度、相同開關(guān)量電壓輸入條件下，同型號的不同開關(guān)量光耦輸出的采樣電壓值會有不同。該值需要預(yù)先測試，并且將數(shù)值存在系統(tǒng)的存儲器中，在計算不同溫度下的開關(guān)量輸入門檻電壓值時調(diào)用。本系統(tǒng)中，該項(xiàng)工作在系統(tǒng)調(diào)試時完成，數(shù)值測試的環(huán)境溫度為25 ℃。

2.5.2 溫度系數(shù)表的存儲

開關(guān)量光耦輸出電壓值隨輸入電壓、溫度變化的系數(shù)表。該表為開關(guān)量通道在各輸入電壓、各溫度點(diǎn)下，開關(guān)量光耦輸出的電壓采樣值與常溫25 ℃下開關(guān)量光耦輸出的電壓采樣值的比值。該系數(shù)表為開關(guān)量光耦的共性表，里面的系數(shù)關(guān)系為本系統(tǒng)多路開關(guān)量光耦測試值的平均值。

3 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件判據(jù)設(shè)計

總體開關(guān)量軟件判據(jù)分為5個部分，分別是采集開關(guān)量直流電源、采集開關(guān)量回路溫度、采集開關(guān)量輸入電壓、計算當(dāng)前溫度下的開關(guān)量動作門檻電壓值、判斷開關(guān)量輸入是否有效。

3.1 開關(guān)量直流電源電壓采集

通過開關(guān)量直流電源監(jiān)測回路，MCU采集開關(guān)量直流電源的采樣值Vai1，得出此時開關(guān)量輸入電源電壓為U1，設(shè)定當(dāng)前電壓下的開關(guān)量動作門檻(一般取開關(guān)量直流電源的60%～65%左右)。若U1過高或過低，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)發(fā)送告警信息。

3.2 開關(guān)量回路溫度采集

MCU通過開關(guān)量信號溫度監(jiān)測單元計算出當(dāng)前開關(guān)量信號回路工作溫度t。若溫度t超出或低于系統(tǒng)設(shè)置的監(jiān)測門檻值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)發(fā)送告警信息。

3.3 開關(guān)量輸入電壓采集

當(dāng)外部有開關(guān)量信號U2輸入時，開關(guān)量信號輸入回路MCU側(cè)的模擬信號發(fā)生變化，MCU采集開關(guān)量信號的采樣值Vai2。

3.4 開關(guān)量動作門檻電壓值計算

根據(jù)EEPROM中存儲的當(dāng)前開關(guān)量通道在常溫25 ℃時動作門檻電壓下輸出采樣電壓值Vm(25 ℃)和開關(guān)量光耦的溫度系數(shù)表，查表得出當(dāng)前溫度t下，開關(guān)量信號采集回路輸入動作門檻電壓下的采樣電壓值Vm(t℃)與25 ℃時動作門檻電壓下輸出采樣電壓值為預(yù)設(shè)值Vm(25 ℃)比例系數(shù)為K，折算出當(dāng)前溫度下的開關(guān)量信號輸入電壓動作門檻采樣電壓值Vm(t℃)=Vm(25 ℃)/K。

3.5 開關(guān)量輸入是否有效的判斷

比較當(dāng)前溫度下此時開關(guān)量信號輸入電壓采樣電壓值Vai2和當(dāng)前溫度下的開關(guān)量信號輸入電壓動作門檻采樣電壓值Vm(t℃)關(guān)系，當(dāng)Vai2≥Vm(t℃)時，開關(guān)量信號輸入回路的開關(guān)量輸入有效；否則無效。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開關(guān)量的判據(jù)流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開關(guān)量軟件判據(jù)流程圖Fig.7 Flow chart of data acquisition system software

4 實(shí)際系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)用性，隨機(jī)抽樣測試了5路自適應(yīng)開關(guān)量采集通道，開關(guān)量輸入電壓有效門檻選擇了電力系統(tǒng)二次設(shè)備常用的DC 110 V和DC 220 V的55%～70%這個電壓區(qū)間范圍，為了保證開關(guān)量輸入的有效性，并將該門檻縮小至60%～65%以保證開關(guān)量門檻的裕度。

經(jīng)計算當(dāng)開關(guān)量輸入電源為DC 110 V和DC 220 V時，60%～65%動作門檻電壓分別為DC 66 V，DC 71.5 V，DC 132 V和DC 143 V。測試中并將100%的額定電壓也列入測試項(xiàng)目，便于比較測試結(jié)果。

4.1 常溫25 ℃下的測試

該項(xiàng)目主要測試常溫25 ℃下各通道開關(guān)量輸入電壓U2和開關(guān)量光耦輸出電壓Vai2變化關(guān)系，主要驗(yàn)證同型號的開關(guān)量光耦CTR的個體差異大小，數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 常溫25 ℃時開關(guān)量輸入電壓和 開關(guān)量光耦輸出電壓變化關(guān)系Table 1 The relationship between the switching input voltage and the optocoupler output voltage at 25 ℃ V

表2 常溫25 ℃時各通道的CTR變化關(guān)系Table 2 The CTR variation of each channel at 25 ℃

根據(jù)表1、表2可以看出，開關(guān)量光耦的一致性很好，在相同溫度相同開關(guān)量電壓輸入條件下，光耦的輸出電壓值差異較小，各通道光耦的CTR參數(shù)很接近，并且隨著開關(guān)量輸入電壓的增加，光耦的輸出數(shù)值也在單調(diào)增加，增加的幅值明顯可以被MCU的AD測出，用作判斷開關(guān)量數(shù)據(jù)是否有效的依據(jù)。

4.2 變溫下的測試

該項(xiàng)目主要測試變溫條件下，各通道開關(guān)量輸入電壓U2和開關(guān)量光耦輸出電壓Vai2變化關(guān)系，并驗(yàn)證同型號開關(guān)量光耦的CTR隨溫度變化的關(guān)系，下面以開關(guān)量直流電源為DC 220 V時，設(shè)置開關(guān)量動作電壓門檻為60%～65%的Un即DC 132 V，DC 143 V，取-40～80 ℃溫度為例說明。數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 開關(guān)量輸入電壓DC 132 V時 各通道的CTR變化關(guān)系Table 3 The CTR variation in each channel of switching input voltage DC 132 V

表4 開關(guān)量輸入電壓DC 143 V時 各通道的CTR變化關(guān)系Table 4 The CTR variation in each channel of switching input voltage DC 143 V

根據(jù)表3、表4可以看出，開關(guān)量光耦在相同開關(guān)量電壓輸入變溫度條件下，光耦的輸出電壓值隨著溫度的增加而減小，究其原因是光耦的CTR隨著溫度的增加而減小。

4.3 溫度系數(shù)表的計算

溫度系數(shù)表是開關(guān)量光耦輸出電壓值隨開關(guān)量輸入電壓、溫度變化的系數(shù)表，如表5所示。該表為開關(guān)量通道在各輸入電壓、各溫度點(diǎn)下，開關(guān)量光耦輸出的電壓采樣值與常溫25 ℃下開關(guān)量光耦輸出的電壓采樣值的比值，也就是開關(guān)量光耦在相同開關(guān)量輸入電壓條件下，不同溫度的CTR與25 ℃下CTR的比值，該系數(shù)表為開關(guān)量光耦的共性表，里面的系數(shù)關(guān)系為本系統(tǒng)多路開關(guān)量光耦測試值的平均值。

表5 開關(guān)量輸入電壓DC 132 V時各通道的CTR相對 與25 ℃時光耦平均CTR比值Table 5 The ratio of each channel CTR relative to averageCTR at 25 ℃ when the input voltage is DC 132 V

表6是開關(guān)量動作電壓門檻為60%～65%的Un即DC 132 V，DC 143 V時，各溫度點(diǎn)相對于25 ℃的平均CTR的比值。

4.4 自適應(yīng)開入有效的判斷

以開關(guān)量電源DC 220 V，開關(guān)量動作門檻電壓60%～65%的Un即DC 132 V，DC 143 V為條件，舉例說明當(dāng)開關(guān)量輸入回路環(huán)境溫度為45 ℃時，判斷開關(guān)量是否有效的方法。

當(dāng)外部開關(guān)量輸入U2接入開關(guān)量回路后，開關(guān)量光耦輸出端產(chǎn)生電壓Vai2，此時環(huán)溫是45 ℃，取表3中DC 132 V時開關(guān)量光耦在40 ℃和50 ℃的平均CTR作為45 ℃時與25 ℃時的平均CTR比值的平均值，即86.4%，再與該通道在25 ℃的光耦輸出端采樣電壓Vm相乘即86.4%Vm作為開關(guān)量輸入效判斷的門檻值。當(dāng)Vai2≥86.4%Vm，該開關(guān)量輸入有效。

表6 開關(guān)量輸入電壓DC 143 V時各通道的CTR相對 與25 ℃時光耦平均CTR比值Table 6 The ratio of each channel CTR relative to average CTR at 25 ℃ when the input voltage is DC 143 V

若開關(guān)量直流電源發(fā)生波動時，可以由開關(guān)量直流電源監(jiān)測回路測得當(dāng)前的直流電源電壓，再根據(jù)預(yù)先存在EEPROM中的直流電源波動時候的溫度系數(shù)表，參照上面的方法亦可判斷開關(guān)量直流電源波動時候的開關(guān)量輸入是否有效。

5 結(jié)語

本文針對電力二次設(shè)備發(fā)展過程中，對開關(guān)量采集要求不斷提高等問題，提出了一種電力二次設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)設(shè)計及軟件判別方法。通過實(shí)際板卡的性能測試結(jié)果，證明文中設(shè)計方法正確，設(shè)計規(guī)則合理有效，并且在國家電網(wǎng)公司最新的二次設(shè)備就地化變電站的繼電保護(hù)裝置中使用了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前使用該系統(tǒng)的就地化保護(hù)裝置正在漠河、吐魯番等環(huán)境嚴(yán)苛的地區(qū)進(jìn)行掛網(wǎng)試運(yùn)行。

最后需要說明的是，本文中的開關(guān)量數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計是采用的是東芝公司的開關(guān)量光耦，本文僅對基于該型的開關(guān)量光耦電力二次設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)做了初步的探討，對其他廠家型號的光耦在電力二次設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用以及電力二次設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)量數(shù)據(jù)采集還有很多新方法及技巧有待今后進(jìn)一步深入研究。

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(編輯 徐林菊)

Design of Adaptive Switching Input Data Acquisition System in Power System Secondary Equipment

DENG Qing，ZHOU Hualiang，XIA Yu，HU Guo，ZOU Zhiyang

(NARI Group Corporation，Nanjing 211106，China)

The basic function and composition of adaptive switching input data acquisition system is introduced according to the design process of new generation high-voltage relay protection. A system design and software identification method for the data acquisition of the adaptive switching value of Power System Secondary Equipment is proposed. According to the optocoupler acquisition loop and experimental verification on the design of adaptive switch data acquisition system, the hardware and software implementation method of the data acquisition system is described. By software the system can adjust the threshold value of the adaptive switching input voltage and monitor switching power supply voltage. This system has a very important role in improving the success rate of hardware research and development, and improving the stability and reliability of the power system secondary equipment.

power system secondary equipment; self-adaption; switching value; data acquisition

2017-02-09；

2017-03-29

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(提升數(shù)據(jù)源差異及數(shù)據(jù)異常情況下保護(hù)設(shè)備可靠性關(guān)鍵技術(shù)研究〔DW-1600017〕)

TM764.2

A

2096-3203(2017)04-0119-07

鄧 慶

鄧 慶(1982—)，男，江蘇南京人，工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)平臺技術(shù)的研究工作(E-mail：dengqing@sgepri.sgcc.com.cn)；

周華良(1980—)，男，江蘇蘇州人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)平臺技術(shù)的研究工作(E-mail：zhouhualiang@sgepri.sgcc.com.cn)；

夏 雨(1976—)，男，湖北武漢人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)平臺技術(shù)的研究工作(E-mail：xiayu@sgepri.sgcc.com.cn)；

胡 國(1977—)，男，江西撫州人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)平臺技術(shù)的研究工作(E-mail：huguo@sgepri.sgcc.com.cn)；

鄒志揚(yáng)(1980—)，男，廣東梅州人，工程師，從事電力系統(tǒng)控制保護(hù)平臺技術(shù)的研究工作(E-mail：zouzhiyang@sgepri.sgcc.com.cn)。