微机电压互感器监控装置的研制

鲁西坤，巩银苗，张天鹏，毛东升

（1.安阳工学院，河南安阳455000；2.许继电气股份有限公司，河南许昌461000）

0 引言

在电力变电站中，单母线分段式接线方式因具有供电可靠性高、运行方式灵活等优点被广泛采用。在单母线分段式接线方式中，各段母线都装设有电压互感器（voltage transformer，TV），当电压互感器一次回路所在的母线变更时，为保证计量、保护、测量等设备的二次电压与一次电压相对应，电压互感器二次回路应跟随一次回路进行同步并列与切换[1-2]。传统的电压互感器并列装置仅能实现电压互感器二次回路的并列与切换，缺少必要的测控功能和保护功能，已不能适应数字化、智能化变电站发展的需要[3-4]。为了提高电压互感器并列装置使用的灵活性，提出了一种微机电压互感器监控装置的设计方案。

1 监控装置的总体结构

微机电压互感器监控装置的设计采用插件式结构，包括交流插件、CPU插件、信号插件、切换插件和人机对话插件，各插件通过总线板相连，其总体结构如图1所示[5]。

交流插件包括电压采样电路、信号调理电路和A∕D转换电路，其中电压采样电路与装置外部电压互感器二次侧相连，用于对系统二次侧电压进行采样；信号调理电路将采样后的信号进行变换和滤波；A∕D转换电路用于对调理后的信号进行采样，使之变为能被ARM处理器所识别的数字信号。CPU插件主要包括电源电路、ARM处理器电路、网络通信电路、模拟量输出电路等模块，其中电源电路为整个监控装置提供合适的工作电压；ARM处理器电路包括ARM处理器、数据存储器、晶振电路和复位电路等，用以完成数据处理、电气量计算、保护判断、各种参数设置等功能；网络通信电路包括2路RS485总线接口和2路以太网接口，用于监控装置与其他设备进行网络互联。信号插件包括开关量输入电路和开关量输出电路，其中开关量输入电路用于采集分段开关、隔离开关、手动并列开入、手动解列开入等开关量的状态；开关量输出电路用于母线低电压保护、母线过电压保护等保护动作的出口以及并列信号、告警信号等信号的出口。切换插件由切换继电器电路构成，用于保护和测量回路的切换。人机对话插件由按键电路、液晶显示电路和信号指示灯构成，是监控装置与外界进行信息交互的接口。

图1 装置的总体结构

2 监控装置的硬件电路设计

2.1 交流插件

交流插件中的电压采样电路包括10个内置电压互感器，分别用于采集两组（Ⅰ母和Ⅱ母）UA、UB、UC、零序电压UL和抽取电压UX，内置电压互感器的输入端为0～120 V的交流电压信号，使用变比为2mA∕2mA的电流型电压互感器进行采样。交流插件中的信号调理电路由电流-电压转换电路、反相比例运算电路和阻容滤波电路构成，信号调理电路的设计原理如图2所示[6-7]。图2中的uI表示幅值为0～120 V的外部输入信号，T1是2mA∕2mA的电流型电压互感器，A1是由精密放大器OP07构成的电流-电压转换电路，A2是由OP07构成的反相比例运算电路，uI经过60 kΩ的限流电阻后转换为0～2mA的交流电流信号，0～2mA的交流电流信号依次经过T1、A1、A2后，转换成幅值为-5 V～+5 V的电压信号，-5 V～+5 V的电压信号经过由1 kΩ电阻和100 nF电容构成的阻容滤波电路后，送至A∕D转换器AD7606的输入端。交流插件中的A∕D转换电路由16位高精度模∕数转换器AD7606构成[8-9]，AD7606可以直接处理±5 V的双极性输入信号，因此信号调理电路的输出可以直接与AD7606的输入端相连。

图2 信号调理电路的设计原理图

2.2 信号插件

信号插件主要包括15路开关量输入、8路保护动作出口和3路工作状态信号出口，其硬件配置如图3所示。开关量输入电路的设计采用支持交流220 V或直流110 V直接输入的方案，保护动作出口和工作状态信号出口的电路设计采用继电器输出形式[10]。监控装置现场应用需要采集5路开关量信息，分别为Ⅰ母TV隔离开关TV1（TV1合位）、Ⅱ母TV隔离开关TV2（TV2合位）、分段开关、手动并列、手动解列的工作状态。监控装置的保护动作出口包括Ⅰ母低电压保护出口、Ⅰ母过电压保护出口、Ⅰ母接地保护出口、Ⅰ母TV断线出口、Ⅱ母低电压保护出口、Ⅱ母过电压保护出口、Ⅱ母接地保护出口和Ⅱ母TV断线出口。监控装置的工作状态信号出口包括告警信号出口、保护信号出口和并列信号出口，工作状态信号出口与监控装置面板上的信号指示灯连接，能够驱动信号指示灯点亮，实时指示监控装置的工作状态，包括有无异常告警、有无保护动作和并列状态。

2.3 CPU插件

CPU插件中的ARM处理器电路采用32位ARM处理器MB9BF618S作为控制核心。该控制器最大工作频率为144MHz，片内集成有128 KB的SRAM、1024 KB的FLASH ROM，具有8个多功能串行通信口、16个基本定时器、3个多功能定时器、2路以太网控制器等外围设备，具有强大的操作能力和中断响应能力[11]。

图3 信号插件的硬件配置

CPU插件中网络通信电路包括2路RS485总线接口和2路RJ45以太网接口[12]。RS485总线接口使用集成数据收发器SN65LBC184D实现，RJ45以太网接口电路使用物理层双端收发器DP83849ID和网络插座变压器HR911105A实现，其中RS485总线通信支持IEC-103、MODBUSRTU等通信规约，RJ45以太网通信支持TCP-103、IEC-104等通信规约。

CPU插件中的模拟量输出包括3路4～20mA电流回路。4～20mA电流回路是一种用于远距离模拟测量数据传输的工业标准，电路设计时采用16位Σ-Δ数模转换器DAC161P997实现。

CPU插件中的电源电路使用AC-DC电源模块LH05-10D0524-01E将交流220 V变换为直流+24 V和+5 V输出，使用三端固定电压变换器ASM1117-3.3 V将直流+5 V变换为直流+3.3 V，使用DC-DC开关稳压器LM2587-12将直流+24 V变换为直流+12 V和直流-12 V输出。

3 监控装置的功能

3.1 测量功能

监控装置具有电压测量功能，能够对Ⅰ母、Ⅱ母电压互感器二次侧电压进行实时测量和显示。为满足测量精度和保护速度的要求，采用全波傅氏算法作为电压模拟量的采样算法[13-14]。全波傅式算法具有很强的滤除直流分量和基波整数次谐波分量的作用，假定输入电压信号为

式（1）中U0为直流分量的初始值，Um(n)、φn分别为n次谐波的幅值和初相角，n为自然数。

根据傅里叶级数原理，输入信号n次谐波分量的实部模值UR(n)和虚部模值UI(n)可以表示为

式（2）和式（3）中的T为基波分量的周期，ω为基波分量的角频率。

将式（2）和式（3）进行离散化处理，可以得到

式（4）和式（5）中的N为一个周期T中的采样点数，uk为第k个点的采样值。

求得UR(n)和UI(n)后，n次谐波的幅值Um(n)可以表示为

n次谐波的幅值φn可以表示为

监控装置在设计时每个周期采样64点，即N=64。A∕D转换器的初始化采样周期是20ms，采样时间间隔约为312.5μs，根据CPU的时钟周期计算出采样定时器的初始值，用来触发采样，初始化之后的采样周期需要根据频率跟踪的结果进行实时修正.在每次采样中断处理中，均取该采样点和之前的63点组成64点采样序列组，计算该组的有效值去实时更新测量结果。

为了验证监控装置电压测量结果的准确度，按照国家标准GB∕T7261-2016继电保护和安全自动装置基本试验方法，对监控装置进行了电压测量准确度试验，其中部分测试结果如表1所示。测试结果表明电压测量误差不超过±0.2%，能够满足相关技术要求。

表1 电压测量准确度测试结果

3.2 保护功能

3.2.1 母线低电压保护

监控装置设有Ⅰ母低电压保护和Ⅱ母低电压保护功能，当低电压保护控制字整定为“1”时，低电压保护投入，当低电压保护控制字整定为“0”时，低电压保护退出。低电压保护具有独立的电压保护定值和延时时间定值，在Ⅰ母TV隔离开关TV1或Ⅱ母TV隔离开关TV2处于合位时投入使用，其保护原理如图4所示。图4中的Uab、Ubc、Uca表示三相电路线电压的测量值；Udy表示电压保护定值，整定范围为20～100 V，步长为0.01 V；Tdy表示延时时间定值，整定范围为0.1～100 s，步长0.01 s。

图4 低电压保护的保护原理

3.2.2 母线过电压保护

监控装置设有Ⅰ母过电压保护和Ⅱ母过电压保护，当过电压保护控制字整定为“1”时，过电压保护投入，当过电压保护控制字整定为“0”时，过电压保护退出，其保护原理如图5所示。图5中的Uab、Ubc、Uca表示三相电路线电压的测量值；Ugy表示电压保护定值，整定范围为100～160 V，步长为0.01 V；Tgy表示延时时间定值，整定范围为0.1～100 s，步长0.01 s。

图5 过电压保护的工作原理

3.2.3 母线接地保护

监控装置设有Ⅰ母线接地保护和Ⅱ母线接地保护，当母线接地保护控制字整定为“1”时，母线接地保护投入，当母线接地保护控制字整定为“0”时，母线接地保护退出。当Ⅰ母TV或Ⅱ母TV开口三角电压大于监控装置的绝缘监视整定值时，即可判断该段母线接地。母线接地保护的电压Ujd整定范围为10～100 V，步长为0.01 V；保护延时时间Tjd的整定范围为0.1 ～100 s，步长0.01 s。

3.2.4 母线TV断线

监控装置设有Ⅰ母TV断线检测和Ⅱ母TV断线检测功能[15]，当TV断线检测控制字整定为“1”时，TV断线检测投入，当TV断线检测控制字整定为“0”时，TV断线检测退出。当电路的相电压与零序电压在中性点直接接地系统中满足

在中性点非直接接地系统满足

装置在延时5 s后发送Ⅰ母TV断线或Ⅱ母TV断线告警信号。当不满足式（8）或式（9）时，TV断线告警延时1s返回。

3.3 自动并列功能

监控装置设有电压互感器二次电压自动并列功能，当自动并列控制字整定为“1”时，自动并列功能投入，当自动并列控制字整定为“0”时，自动并列功能退出。当电压互感器二次电压需要自动并列时，首先将自动并列控制字整定为“1”，其次判断Ⅰ母和Ⅱ母的分段开关（包括Ⅰ母和Ⅱ母之间的母线隔离开关）处于合位状态，然后判断Ⅰ母TV隔离开关TV1和Ⅱ母TV隔离开关TV2均处于合位状态，最后判断Ⅰ母二次回路与Ⅱ母二次回路的同相电压差均小于同相电压差的整定值Ubl（整定范围为10～100 V，步长为0.01 V），当以上条件都满足时，监控装置经过延时时间Tbl（整定范围为0.1～100 s，步长0.01 s）后发出自动并列控制信号，通过切换电路实现电压切换。

4 装置的功能检验

为了检验监控装置的各项功能，按照国家标准GB∕T7261-2016继电保护和安全自动装置基本试验方法，对监控装置进行了保护功能验证试验、时间特性试验、绝缘性能试验、电磁兼容试验、功率消耗试验、通信及规约试验等，其中自动并列功能、低电压保护、过电压保护、接地保护的部分测试数据如表2所示，从测试结果可以看出，各保护电压整定值误差不超过±0.2%，保护动作延时时间不超过40ms，能够满足相关技术要求。

表2 功能检验部分测试结果

0.000%-0.04%-0.04%2.5ms 3.6ms-0.01msⅠ母Ⅱ母接地保护电压动作值延时时间10V 55V 100V 0.1 s 1 s 100 s 10.00V 54.98V 99.96V 102.5ms 1 003.6ms 99.99ms

5 结论

所设计的电压互感器监控装置充分利用MB9BF618S运行速度快、系统资源丰富、数据处理及逻辑运算能力强的特点，大大简化了硬件电路设计，提高了监控装置的经济性和可靠性。该装置可对电压互感器的运行状态进行实时监控，能够根据需要完成电压互感器二次回路自动并列，可对母线进行必要的保护，可通过通信网络与监控主机进行联网通信，具有结构简单、功能完善、可靠性高、接线灵活、使用方便等优点，适用于35kV及以下电压等级的电压互感器，具有较高的应用价值。