并网光伏电站升压变压器低压侧测控装置

翟亚芳，张天鹏，杨云鹏，秦长海

(1．安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳　455000；2．许继电气股份有限公司，河南许昌　461000)

0　引言

近年来，太阳能开发利用在世界范围内得到迅速发展，太阳能发电是太阳能开发利用中最具前景的应用方面，太阳能光伏发电是太阳能发电的主要发展方向，并网光伏电站和与建筑结合的分布式并网光伏发电系统是光伏发电的主要方式，并网光伏发电系统的年装机容量已占世界光伏发电总容量的70%以上[1]。文中针对并网光伏电站中的多台低压输出逆变器接中压变压器结构，设计了一种升压变压器低压侧全部信息的测控装置，可以对升压变压器低压侧分裂变压器进行自动化监控，实现并网光伏电站升压变压器“无人值班、少人值守”的运行管理方式。

1　测控装置的基本结构

该测控装置采用插件式结构，主要包括交流插件、CPU插件、开入/开出插件、人机对话插件、通信插件和电源插件，测控装置的结构框图如图1所示[2]。交流插件包括电流互感器(TA)、电压互感器(TV)和测量芯片，TA和TV用于将升压变压器TA、TV二次侧的电流和电压信号转换成弱电信号，供测量芯片使用，并起强电和弱电隔离作用。CPU插件包括ARM处理器、数据存储器、晶振电路和复位电路等，主要起数据处理、逻辑控制等作用。开入插件用于开关量信号输入，开出插件用于跳闸信号和报警信号的输出。人机对话插件包括按键电路和液晶显示电路，用于测控装置与外界进行信息交互。通信插件包括了两路RS-485总线接口，用于测控装置与其他装置或监控中心进行远程通信。电源插件为整个测控装置提供合适的工作电压。

2　测控装置的硬件设计

2．1微控制器单元

测控装置的结构如图1所示。

图1　测控装置的结构框图

该设计选用Cortex-M3家族的32位处理器MB9BF218TH/SH作为控制核心。MB9BF218TH/SH具有特点：时钟频率最高可达144 MHz；片内集成有1 024 KB的FLAS(ROM和128KB的SRAM；含有24通道12位A/D转换器；含有8个多功能串行口，每个通道支持UATR、I2C、SPI和LIN四种功能配置；内部集成有2路以太网控制器。由于MB9BF218TH/SH具有足够多的I/O接口和快速数据处理能力，使其特别适用于工业自动化、可编程控制器、马达控制等领域，能够满足对多参数系统的实时监控和报警要求。

2．2交流插件设计

并网光伏电站中的升压变压器大多采用分裂变压器，测控装置要分别采集分裂变压器两个低压侧的电压、电流信号，共需要6个电压互感器和6个电流互感器。测量芯片使用ATT7022D，ATT7022D是一个高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用，它内部集成了6路19位ADC，参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数以及频率测量等的电路，能够测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，利用SPI总线接口与外部CPU进行数据传输。

ATT7022D内部ADC采用双端差分信号输入，最大输入电压是1．5 V，即可以输入最大的正弦信号有效值为1V．三相并网光伏逆变器的输出电压在270～400 V之间，而且大多数为270 V，在设计电路时选择270 V作为三相输出电压值，并使输出电压先经过一个200 kΩ的电阻，然后使用2 mA/2 mA电流互感器进行采样，三相电流直接使用5 A/5 mA的电流互感器进行采样，采样后的信号经过信号调理电路后，送给测量芯片。信号调理电路如图2所示，总共有12路电路。

图2　信号调理电路

图2中INP1和INN1表示第一路电流互感器的输出端，OUTP1和OUTN1为第一路信号调理电路的差分输出端，REFOUT1为直流偏置电压。

ATT7022D的接口电路如图3所示，共有2个接口电路，图3中的MOSI1、MISO1、SCLK1、SS1为第一个接口电路的SPI总线接口。

图3　ATT7022D的接口电路

2．3开入/开出插件设计

测控装置设有24路开关量输入和8路开关量输出。开关量输入可以采集负荷开关位置信号、低压断路器位置信号、熔断器熔断信号等普通开关量信号，也可以采集重瓦斯动作跳闸、轻瓦斯动作告警等非电量信号，同时提供4个可编程的备用非电量功能，便于非电量扩展。开关量输出可以实现对有电操作功能的开关实现远程控制，方便进行变压器控制功能的扩展。

开关量输出电路采用启动继电器闭锁的形式[3]，电路如图4所示。当需要开出时，首先要将启动继电器的STRH置高电平、STRL置低电平，光电耦合器TLP127导通，启动继电器动作，其常开触点K51闭合，使+24VE连接到+24 V；然后将DOUT置为低电平，光电耦合器TLP127导通，输出继电器动作，其常开触点K52闭合，驱动跳闸继电器。

图4　开关量输出电路

2．4人机接口插件设计

人机接口的主要功能是键盘操作、液晶显示和信号灯指示，设计时采用单片机作为人机接口插件的控制芯片，对于测控装置的控制核心MB9BF218TH/SH来说，人机接口插件相当于是一个外设，它们之间通过SPI接口进行通信，这样既避免了控制核心MB9BF218TH/SH大量总线外引，提高了装置的可靠性，又几乎不增加装置的成本，而且维护方便。

2．5电源插件

电源插件为整个测控装置提供电源，采用220 V交流或110 V直流输入，经过抗干扰滤波回路后，经稳压器件输出测控装置需要的3组直流电压，即+5 V(1)、+5 V(2)和+24 V，其中+5 V(1)为数字+5 V电源，+5 V(2)为模拟+5 V电源，+24 V为驱动信号输出和继电器的电源。为了增强电源插件的抗干扰能力，所有直流输入及输出端子都装有滤波器。

2．6通信插件

通信插件包括两路RS-485总线接口，测控装置可以通过RS-485总线与其它测控装置组成控制环网，还可与光伏并网电站的监控中心进行远程通信，使测控装置的检测结果能够及时地传递到监控中心，使监控人员能够及时掌握各个分裂变压器的运行情况。RS-485接口电路使用RSM485D芯片实现，如图5所示。

图5　RS-485通信接口电路

RSM485D是集成双路电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器于一身的双路隔离收发器模块，具有很好的隔离特性，隔离电压高达2500VDC，广泛应用与工业通讯、电力监控、楼宇自动化等领域。图5中的TXD1和TXD2是RSM485D发送端，RXD1和RXD2是RSM485D接收端，它们分别与微控制器的发送端和接收端相连；SCK1和SCK2为分别为两路RS-485总线的控制信号，当它们为高电平时RSM485D的接收使能，当其为低电平时RSM485D的发送时能。

3　测控装置的功能

3．1非电量保护功能

测控装置设有重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警、超高温跳闸、高温告警、油位低告警、压力异常告警等非电量保护功能，如果非电量保护动作后非电量故障状态一直存在，则跳闸信号或告警信号一直保持，直到非电量故障状态消失，按复位键可使跳闸或告警信号复位。此外，测控装置还设置了4路备用非电量保护，可以由保护软压板控制其投入或退出，并具有出口延时时间可整定的功能，备用非电量保护可以通过选择控制字，使其工作在跳闸或告警状态。

3．2遥测、遥信、遥控功能

测控装置可以实现对分裂变压器两个低压侧的三相电压、三相电流、功率因数、频率、有功功率、无功功率等参数测量，光伏电站监控中心可以通过RS-485总线与测控装置进行数据通信，从而实现对分裂变压器低压侧电力参数的遥测。此外，监控中心可以通过RS-485总线获取重瓦斯跳闸等各种保护动作信号、断路器位置信号、负荷开关位置信号，实现遥信功能，还可以实现远程控制跳闸或合闸、保护压板投退、修改设定值等遥控功能。

3．3测控装置故障告警功能

测控装置具有故障告警功能，如果测控装置的硬件发生故障，测控装置的LCD可以显示故障信息，并驱动装置故障告警继电器，同时闭锁保护，待故障处理完毕后，重新上电工作后，可以将故障告警灯复位。

4　测控装置的软件设计

测控装置的软件设计采用实时多任务操作系统(RTOS)[4]，将整个软件设计分为两个中断、一个实时任务调度和7个功能任务，其中两个中断分别为定时器中断和键盘中断，7个功能任务按照优先级从高到低分别为测量任务、开关量控制任务、故障录波任务、通信处理任务、键盘管理任务、液晶显示任务和指示灯任务[5]。实时任务调度是整个系统的核心，是保证多个任务合理有序执行的先决条件，设计时采用单就绪队列的优先级数调度算法来实现多任务实时调度，用一个字寄存器作为任务就绪队列的位标识，当任务的执行条件满足后，其相对应的位标识置位，任务调度时，将该任务投入运行，这样可以保证任务执行的确定性和执行时间的确定性。

5　测控装置的测试

按照国家标准GB/T7261-2008继电保护和安全自动装置基本试验方法，对测控装置进行了测量元件及精度检验和非电量保护检验。交流电流的测试范围为0～5 A，交流电压的测试范围为0～100 V，电流、电压的部分测试结果如表1所示，表中的A1、A2分别表示分裂变压器两个低压侧A相中的电流，AB1、AB2分别表示分裂变压器两个低压侧A相与B相之间的线电压，从表中可见，电流和电压的测量误差在0．2%以内。

非电量保护功能的测试结果如表2所示，可见，各种非电量保护的动作值在额定电压值(220 V)的55%～65%之间，动作时间不大于40 ms，符合相关技术要求。

表1　电流、电压的部分测试结果

表2　非电量保护功能的测试结果

6　结束语

利用MB9BF218TH/SH作为核心控制芯片，设计了一个并网光伏电站升压变压器低压侧分裂变压器的测控装置，该装置可以完成对分裂变压器的模拟量采集和非电量保护，并具有远程控制和通信功能。该装置主要应用于对并网光伏电站分裂变压器的远程管理和自动化监控，电站监控中心可以通过该装置组成监控网络，实现对整个电站分裂变压器的智能化管理。

参考文献：

[1]陈树勇，鲍海，吴春洋，等．分布式光伏发电并网功率直接控制方法．中国电机工程学报，2011，31(10)：6-10．

[2]杜太行，肖娜，潘洪瑞，等．基于C8051F120的箱式变电站电气参数控制与无线传输．仪表技术与传感器，2012(2)：60-62．

[3]王海燕，徐云燕，王世云，等．一种基于DSP+MPC的数字化保护测控装置．电力系统自动化，2010，34(9)：112-114．

[4]屈国旺，王增平，吴永超，等．实时操作系统VxWorks在微机保护中的应用．电力系统保护与控制，2009，37(19)：88-91．

[5]陈玉兰，揭萍，方存洋，等．新型保护测控一体化装置的研制．电力系统自动化，2005，29(23)：83-86