淺談具有保護功能的一體化電能計量裝置設計

黃堅勇，代波，趙欣瑜，張峻，潘暉

（廣西電網有限責任公司南寧供電局，廣西 南寧 530000）

1 概述

電能計量裝置作為終端用戶計費設備，廣泛應用于各行各業。但在供電過程中，可能由于各種原因會造成不同故障的出現，致使供電可靠性受到影響，出現的故障對電能計量的準確性也會產生影響，文獻1-5從不同點分析了不同故障對電量計量的影響。對于偏遠山區，查找原因、恢復供電周期可能會比較長，造成用電的愉悅感下降。而電能計量裝置直接和供電一次系統相連，時刻采集供電系統的電壓電流，為了提高供電的可靠性，把電能計量裝置和保護裝置結合在一起，在電能計量的同時，實時為臺區內的系統和設備保駕護航，當系統出現各種異常狀況，一體化電能計量裝置采集各種數據進行相應的保護動作，并把故障信息通過載波模塊上傳至監控調度中心，使運維人員第一時間掌握現場故障情況，提高供電的可靠性。

2 系統結構

根據系統設計需求，設計的系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統中CPU采用stm32f103，整個系統包含電壓、電流采集模塊、保護模塊、跳閘模塊、錄波模塊、計量模塊、顯示模塊、載波模塊等。裝置首先采集系統電壓、電流，把電壓電流送入計量模塊進行電能計量；電壓、電流也會送入錄波模塊，進行電壓、電流的錄波。同時，電壓電流信號通過AD通道進行采集，把電壓電流信號轉換為數字量進行保護運算，當計算出的電壓電流信號超出設定的上下限時，會發出信號，讓保護模塊動作，如果是輕微過負荷等異常則發出預告信號，并通過載波模塊上傳至控制中心；如果系統發生故障，則會控制跳閘模塊斷開后部電路，把故障信號通過載波模塊傳至控制中心。錄波模塊則會實時監測系統的運行情況，對系統運行實時狀況進行保存。

3 硬件設計

3.1 電壓電流采集模塊

電壓采集單元沒有通過電壓互感器進行電壓采集，而是直接采集系統電壓，對于10kV及以上系統的電壓則是采集PT互感器的二次電壓。電流采集單元通過5A/2.5mA互感器進行電流采集，其電壓電流采集原理圖如圖2。

圖2 電壓電流采集電路

3.2 電能計量模塊

電能計量模塊采用ATT7022進行電能量計算，把計算出來的電能量等信息儲存在寄存器中，供CPU去讀取。其詳細原理圖如圖3所示。

圖3 CPU模塊電路

3.3 CPU處理模塊

CPU處理模塊一方面實時讀取計量芯片采集到的電能計量數據，同時，也對電壓電流信號進行采集轉換，對轉換后的電壓電流數據進行處理運算，判斷系統運行情況，如果系統出現故障，會通過保護模塊和跳閘模塊讓后部電路斷開。同時，也會把轉換后的數據送給錄波模塊，進行處理，同時，也把需要顯示的信息通過顯示模塊顯示出來。

3.4 錄波模塊

錄波模塊直接讀取CPU采集的電壓電流信息，并把讀取的電壓電流信息進行保存，同時，在錄播模塊內部事先也會存入部分系統正常運行情況下的電壓電流信息，作為一個標準數據庫。錄波模塊讀取的數據會與標準庫中的數據進行比對，根據比對結果，也會判斷系統的運行情況，并把判斷結果發送給CPU。

4 軟件設計

整個系統的運行控制流程如圖4所示。

圖4 系統運行控制流程圖

根據系統實際配置情況，首先設定系統相關參數，包括電壓、電流互感器變比，電壓、電流上下限動作值；根據采集的電壓電流實時值計算系統電壓電流幅值和有效值，計算電能；判斷電壓電流值是否越限，根據幅值情況確定系統的運行狀態，如果判斷系統運行至異常情況下，則系統就會根據該情況下采集的電壓電流值和波形與正常情況下的電壓電流情況進行對比分析，初步給出系統異常原因，并把該分析原因和結果通過載波模塊上傳至集中單元，由集中單元再上傳至監控中心并對系統異常情況進行處理；當判斷系統運行至故障狀態情況下，首先保護計量裝置將會動作于出口斷路器，使系統斷開故障電路，避免事故的進一步擴大。

5 實驗結果

根據軟硬件設計情況，自制了一臺樣機，用該樣機進行了相關試驗檢測。具體實驗電路如圖5所示。

圖5 實驗電路圖

實驗中，通過一個45kVA的RLC負載來模擬臺區負載，通過電壓電流互感器PT、CT來進行電壓采集。其變比分別為電壓互感器變比為400V/100V，電流互感器變比為100A/5A。通過樣機采集系統電壓電流，通過改變RLC負載的大小改變負荷電流大小，當采集點后部出現故障后，裝置將自動采集故障并控制后部系統的斷開與閉合，控制空開K1的通斷來模擬系統缺相斷線故障。試驗結果如表1所示。

表1 樣機實驗數據表

6 結語

通過實驗結果可以看到，具有保護功能的一體化電能計量裝置，不但可以計量系統消耗電能大小，而且可以對供電臺區內出現的各種故障進行保護，在保護的同時，可以把故障類型和故障情況等信息通過載波模塊上傳至監控調度中心，為故障的檢修維護提供便捷，節省了維修時間，提高了供電可靠性。