電力自動化系統智能保護測控設備的設計與開發

苗雪冬

【摘 要】為了適應電力系統的自動化改造和現代化電能管理的需要，本文設計了集測量、控制、保護、通訊于一體的智能保護測控設備。設備采用了模塊化結構，根據實現功能的不同，而將設備分成主控模塊、電量轉換模塊、開入開出模塊、通訊模塊、人機對話模塊。

【關鍵詞】電力自動化；智能保護；測控設備

1電力自動化系統的現有模式

隨著社會經濟的高速發展，電力工業也隨之迅猛發展，用電負荷不斷增加，電網結構日趨復雜，對電網的保護、狀態監視、綜合調控和集中管理以及控制精度、準確度、智能化程度的要求越來越高，人們對提高發、輸、配電質量，提高供電可靠性提出了更高的要求，如何運用先進的技術實現電力自動化是電力系統發展的必然趨勢，也是電力科技發展的技術動因。

2當前的電力自動化技術

2.1主控模塊

主控模塊在智能保護測控設備中非常重要，它主要包括以下六個部分：保護ADC部分、單片機部分、電能計量部分、CPLD部分以及看門狗電路和實時時鐘電路。主控模塊與其它幾個模塊均有連接，它是一個信息轉換樞紐，從數據接收、發送及處理方面來看它主要完成以下幾方面的工作：（1）接收從電量轉換模塊傳送來的的模擬量；（2）接收和發送開入開出模塊的開關量；（3）根據接收到的各種信號，作出相應計算（如有功、無功功率等電能測量計算等；繼電保護算法的計算等）；（4）接收按鍵信息，發送液晶顯示的控制信息，進行人機對話；（5）接收和發送來自通訊模塊的信息和數據。

主控模塊采用多層印刷板工藝，各部分電路結構緊湊，體積小功能多。保護ADC部分在智能保護測控設備的性能要求中，測量精度要求達到千分之二，而保護精度要求百分之三，所以在設計中測量和保護采用不同的ADC進行轉換。ADC的精度要與設備的精度匹配，一方面要求量化誤差在總誤差中所占的比重要小，使它不會影響保護部分的精度；另一方面必須根據目前設備所要求的精度水平，對ADC的位數提出恰當的要求。

2.2電量轉換模塊

因為用單片機等微電子元器件所能承受的電壓標度遠遠小于電力系統中的電，所以來自電力系統中的電流信號和電壓信號不能直接輸入弱電系統。因此，在智能保護測控設備的設計中，必須先用微型電流互感器、電壓互感器把電力系統的大電流、大電壓轉換成符合輸入范圍的電壓，才能再送入主控模塊進行AD轉換及完成其它后續工作。智能保護測控設備所采集的電力系統中的電量信號，它們除了用于保護判斷外還將用于電量測量，由于保護部分和測量部分的精度要求不同，因此在設計中用不同型號的互感器分別構成用于保護和用于測量的輸入通道。電量轉換模塊共有12個互感器，其中三個電壓互感器和三個電流互感器分別用來轉換保護判斷的三相電量信號，并將電量信號傳送給主控模塊的MAX197進行模數轉換；另外的三個電壓互感器和三個電流互感器則分別轉換電量測量的三相電量信號，將電量信號傳送給主控模塊的電能計量芯片完成模數轉換。

2.3開入開出模塊

智能保護測控設備除了有模擬量信號（交流電壓、交流電流）輸入之外，還要輸入相應的開關信號。開關信號主要包括：斷路器狀態的閉會和斷開（即合閘與跳閘），繼電器的吸合與釋放等。這些信號有著共同的特點：可以用二進制“1”來表示閉合或動作，用“0”來表示斷開或無動作，這種僅有兩個狀態的信息通常被稱為開關量。在電力系統運行中，開關量直接改變了電力網絡的結構和相應的數學模型，以及電力系統的運行方式和分布，對電力保護而言是非常重要的信息。

采集開關量信息也被稱為遙信。開關量信息輸入電路中稱為開關量輸入（開入）通道；開關量信號從電路輸出去遙控遠方的開關狀態，則稱為開出。這次設計的智能保護測控設備有八路開入量和八路開出量。開關量輸入的接口方式常用的有TTL電平直接接口型和光電隔離型。但是TTL電平直接接口容易受環境干擾的影響造成錯誤輸入。因此在設計中采用光電隔離型輸入方式，其主要優點有：輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力強；無觸電，耐沖擊，壽命長，可靠性高；響應速度快，易與邏輯電平配合使用。

2.4通訊模塊

智能保護測控設備在電力自動化系統中，需要實現分散控制和集中管理，要求將各個電力自動化設備連接在網絡上，相互之間進行數據通信。數據通信主要體現在兩個方面。一個方面是完成電力自動化系統內部各設備之間的信息交換。另一個方面是完成設備與控制中心的通信任務。這些信息主要包括：（1）電壓、電流、功率等具體電量測量信息；（2）動化系統通信復雜，設備之間的數據交換量很大，而且可靠性要求很高，所以必須采用統一的通信標準和規約來進行約束。早前，各個廠商對標準和規約都有自己的理解，產品的互連互通存在很大的問題，直到工EC61850的出現。在通訊模塊的設計中，結合主控單片機ATMECTA 128的接口特性，采取了串行通信的方案，設計了RS485通信接口。通訊協議則采用MODBUS通信協議，它在電力自動化系統中，被眾多的硬件生產廠家所支持并廣泛應用。通過此協議，控制器互相之間、控制器經由網絡和其它設備之間可以通信。

2.5人機對話模塊

人機對話模塊主要包含按健、是由主控模塊的單片機Atmega128模塊的。人機對話模塊中的按鍵和液晶顯示是實現人機對話的重要器件。電力系統工作人員可以根據需要對智能保護測控設備進行設置各種運行參數或實時顯示各種參數。例如，可以通過鍵盤和顯示器來設置電壓的上、下限值以及系統日期時間等。在智能保護測控設備的按健設計中，應根據實際需要決定鍵的數目。在人機對話中，由這六個鍵來控制顯示內容并設置一些參數。如對某個菜單選項做出選擇，按確認鍵對選擇的菜單進行處理或者進入下一級菜單；對菜單的選擇可以進行查看測量值和修改定值；按退出鍵返回上級菜單或回到循環顯示狀態；用上下鍵可以對光標所在位置的數字進行修改，用左右鍵可以移動光標等。

2.6硬件抗干擾設計

智能保護測控設備擔負著對原始電量信號的采集、計算、上報等對相應設備進行操作等作用。它的可靠性和穩定性對整個電力系統起著舉足輕重的作用。然而設備在工作于復雜的電力系統中，存在強電磁場干擾以及輸入輸出通道引起的干擾等，因此在硬件設計中要特別注意抗干擾，使得設備盡量達到高精度、高可靠性的要求。在設計的初始階段就考慮到了干擾存在的可能性，并采取了必要的抗干擾措施，如采用集成度很高的芯片、設計看門狗電路以及軟件防抖動設計等。為了更安全可靠，在硬件電路的設計中還需要注意以下幾點：

（1）接地線要盡量粗，否則接地電位容易隨電路的變化而變化，而導致設備的信號電平不穩定，抗干擾信能變差。（2）電路板上的遙信輸入輸出信號的平行走線不能過長，防止信號間禍合串擾。（3）模擬信號和數字信號分開布置，并且模擬地和數字地先分開走線，最后連接到總接地端形成電路板上的地線。（4）芯片的入口和出口處加入合適大小的濾波電容，可以有效的抑制外部干擾并且輸出穩定。（5）電路板布線要避免90度折線。電路板線路設計的可靠性很大程度影響著設備的可靠性，因此在設計中要特別注意，使得設備盡量保證高精度、高可靠性的要求。

3結束語

近年來，隨著我國國民經濟的增長，電力需求的增長使得電力系統也獲得前所未有的發展，為了滿足電力系統運行管理現代化的迫切要求，研究電力自動化迫在眉睫。為了保障電力系統的安全運行，電力自動化設備的不斷研究和改進是勢在必行的。

參考文獻：

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