智能變電站交流電源監(jiān)控、測量裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，特別是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在中國實(shí)施以來，電子式互感器、智能化開關(guān)柜廣泛應(yīng)用于變電站。站用變低壓開關(guān)柜作為變電站內(nèi)部的重要組成部分，是保障智能變電站安全、可靠運(yùn)行的重要保障。對(duì)其進(jìn)行智能化升級(jí)改造，是建設(shè)智能變電站的重要措施，是為變電站提供穩(wěn)定、可靠電源的基礎(chǔ)。

1 變電站低壓開關(guān)柜進(jìn)線方案的現(xiàn)狀

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

第一，采用老式的兩進(jìn)線一母聯(lián)的單母分段供電方式。正常時(shí)，兩進(jìn)線各自運(yùn)行，當(dāng)一路進(jìn)線停電或者檢修時(shí)，需合上母聯(lián)斷路器。該方案采用自動(dòng)或手動(dòng)操作，即使采用自動(dòng)操作，其響應(yīng)時(shí)間仍未2～3 s，停電時(shí)間較長，對(duì)變電站的設(shè)備造成一定影響。

第二，目前多采用雙路電源進(jìn)線，以PC級(jí)ATS開關(guān)為進(jìn)線切換器件，但使用傳統(tǒng)的控制器。使用該方案，切換時(shí)間大大降低，可以在100 ms內(nèi)。但是，由于采用傳統(tǒng)的控制器，只有單一的控制模式，需在接線時(shí)確定主備進(jìn)線，因此運(yùn)行靈活性大大降低，通信功能較弱，采集的數(shù)據(jù)量小。如果需滿足數(shù)字化變電站的需求，就要各增加一臺(tái)綜合電量采集裝置和開關(guān)量采集裝置。對(duì)于使用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的變電站，該方案需要增加更多的通信設(shè)備滿足需求。

2 變電站低壓開關(guān)柜進(jìn)線方案的改進(jìn)設(shè)計(jì)

本文提供了一種結(jié)構(gòu)簡單，集進(jìn)線電源監(jiān)控、母線電量監(jiān)測、電能計(jì)算和饋線監(jiān)控于一體，可設(shè)置六種工作模式供用戶自由選擇，包含通信功能，可實(shí)現(xiàn)四遙，方便接入綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的變電站交流電源監(jiān)控、測量裝置，解決了現(xiàn)有變電站進(jìn)線電源存在的技術(shù)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(guān)進(jìn)行控制，可以根據(jù)運(yùn)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(guān)電量，并在本地顯示相關(guān)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(jìn)線一次方案

3 變電站低壓開關(guān)柜進(jìn)線控制器的設(shè)計(jì)

為了控制ATS并將其連接到智能變電站的控制系統(tǒng)，可采用以下的技術(shù)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(shù)據(jù)通過其進(jìn)行處理，并發(fā)出告警、通信等信號(hào)。

圖2 CPU結(jié)構(gòu)

（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(gè)模塊。通過ZMPT107電壓互感器，將220 V電壓轉(zhuǎn)換成0～5 V的微電壓，使用LM324四運(yùn)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(zhuǎn)換成2.5 mA的微電流，使用LM324四運(yùn)算放大器處理后，送至CPU處理。

圖4 電流采集

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

（5）本文的開關(guān)量輸出示意圖如圖6所示，采用2個(gè)ULN2803A芯片作為開關(guān)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(guān)接點(diǎn)。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(jù)客戶要求定義。

圖5 開關(guān)量采集

圖6 開關(guān)量輸出

（6）本文的控制輸出示意圖如圖7所示，采用1個(gè)ULN2803A芯片作為ATS控制輸出元件，經(jīng)中間繼電器后輸出，共可輸出5路無源開關(guān)接點(diǎn)，分別控制ATS合1路、合2路、停機(jī)。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(dāng)線路出現(xiàn)錯(cuò)誤或其他問題時(shí)，可自動(dòng)切換到模式三運(yùn)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(fù)，在上電確認(rèn)工作模式或遠(yuǎn)程切換的方式下遠(yuǎn)程選擇“一路優(yōu)先”。執(zhí)行邏輯：主供電為#1電源，備用供電為#2電源，具備自動(dòng)切換，自動(dòng)恢復(fù)功能。任何情況下，當(dāng)#1電源正常時(shí)，ATS開關(guān)合I位。只有當(dāng)#1電源異常，#2電源正常時(shí)，ATS開關(guān)合II位，而#1電源恢復(fù)正常后，ATS開關(guān)重新合于I位。模式四、模塊五與模式三類似。模式四執(zhí)行邏輯：主供電為#2電源，備用供電為#1電源，具備自動(dòng)切換，自動(dòng)恢復(fù)功能。任何情況下，當(dāng)#2電源正常時(shí)，ATS開關(guān)合II位。只有當(dāng)#2電源異常，#1電源正常時(shí)，ATS開關(guān)合I位，而#2電源恢復(fù)正常后，ATS開關(guān)重新合于II位。模塊五為自投不自復(fù)的工況，兩路電源僅互為備用[4]。

4 結(jié) 論

改造變電站的進(jìn)線時(shí)，采用智能設(shè)備進(jìn)行控制、測量，可提高變電站的自動(dòng)化控制水平。本裝置采用ATS控制進(jìn)線，最快切換時(shí)間為100 ms內(nèi)，大大提高了供電的可靠性，為變電站的安全可靠運(yùn)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(nèi)增加一個(gè)IEC61850通信模塊，就可以輕松實(shí)現(xiàn)通信，提高了智能變電站的智能化水平。

圖10 模式三程序