电力计量装置电压异常状态检测系统研究

2020-10-26沈谦

通信电源技术 2020年13期

沈谦

（南京国电南自软件工程有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

在电网供电系统中，电力计量是其运行的重要组成部分，对电力系统稳定运行起到关键作用。在使用过程中，为了保证电力计量装置正常运行，要对其运行状态进行及时检测。在对电力计量装置进行状态检测时，电压状态检测是一项重要内容。通过对电力计量装置不同等级的电压进行检测，确认其正常后才能投入现场应用。在现代电力系统中，随着电力计量装置不断推陈出新，其功能逐渐向集成化、智能化方向发展。同时，随着装置功能复杂程度不断提升，对其供电电压的状态检测也越来越复杂。

1 检测系统整体方案

本文设计的电力计量装置电压检测系统主要功能结构如图1所示。该系统主要包括系统供电电源、电压测量模块、远程主站、系统数据中心、显示终端、报警显示模块等部分[1]。其基本工作过程为：电压测量模块对电力计量装置中的主控电压及功能单元对应的电压进行检测，其中包括对电力系统中的三相交流电压、电流进行检测以及对系统的直流供电电压进行检测。电力系统中同时存在多组电力计量装置，因此需要布置多组电压状态检测系统，电压检测结果通过LAN传输到后台主站，主站对电压、电流信号进行分析判断，同时根据系统设定电压、电流阈值对系统状态进行分析，当分析出存在电压故障时，将信息发送到管理人员终端系统。本文设计的系统中，主站是实现系统功能的核心单元，用于收集各电压状态检测系统数据，对电力系统电力计量装置起到综合分析的作用。

在本系统设计中，显示模块通常是滚动式液晶显示屏，能够以滚动的方式实时显示现场数据检定的情况，并及时显示当前电压所有数据和工作状态，使用户灵活、即时把握现场检测信息。故障报警模块是电压异常时进行的故障指示，通过单片机控制声光电芯片，能及时、快速对现场异常情况进行报警。利用声光报警的方式，能提醒用户注意故障信息。电压测量模块是系统核心硬件部分，可以进行各装置和总线路中各个电压点的检测。

系统可以实现对交流电压、电流及相位信息的反应，可通过设定的阈值信息检测出电压情况，判断是否存在系统过压、欠压、过载的状况[2]；通过对现场数据进行分析，判断供电系统线路负载分配是否合理。比如，当检测出A相处于过载状态，而其余两相电流处于轻载状态时，可以对电网各相负载进行调节；另外，当检测到三相电压出现不平衡的现象，可以通过系统发送预警信号。

图1 系统功能框图

2 系统硬件设计

2.1 系统整体电路设计

本文设计的电力计量装置电压异常状态测量系统的硬件检测电路如图2所示。从图中可以看出，对交流电压、电流的采样采用专用的采集电路处理之后，送入单独的A/D转换端口采集，对于各电压等级的直流电压信号的采集，采用多路开关进行选通处理，送入一路A/D采样端口处理，利用程序进行选通计算，分别得出对应的采样值。系统完成数据采集得到对应的数字量，同时单片机通过DP83848与远程主站进行数据通信，将采集到的电压、电流信号发送到主站进行判断，当出现故障时，主站做出对应的故障处理动作[3]。

图2 系统硬件检测电路

本文所采用的中央处理单元为STM公司的STM32F407VGT6单片机，通过单片机的A/D模块实现对电压、电流信号的采集，同时利用其网络通信端口实现与远程主站的通信。此款芯片支持对交流电压信号的采集，同时能够计算对应的系统功率、功率因数等参数，并能实现电能分析功能，可以支持多种通信端口，总计可以满足13个各类通信端口连接。本文采用的为以太网通信端口，使系统同时具备交直流电压、电流信号检测以及网络通信功能。

本文所示的直流电压测量模块，同时满足电力计量装置中对应的直流5 V、12 V、24 V这3个电压等级的供电电压检测，支持的输入功率在100 W以下。系统可以实现1/1 024数据分辨率，也就是对于满量程为10 V的电压，最小可以识别出10 mV以内的变化[4]。系统设计的精度范围为-0.05%～+0.05%。

2.2 电压采样电路设计

图3为本文设计的交流220 V电压采样电路。从图上可以看出，设计的交流电压采样利用高精度电压互感器TX1进行电压转换，其电压变比为100:0.5，将高电压信号转换成低电压信号，利用后端放大电路处理送入单片机的A/D采样端口。所采用的运放信号为MCP6406，是一款超低功耗运放。为了对单片机A/D进行过电压保护，在输出侧利用一组反并联二极管。

2.3 电流采样电路设计

图4为本文设计的交流电流采样电路。在系统前端利用高精度电流互感器进行隔离，同时将电流信号进行系数变换，得到电路可以处理的小电流信号，利用运放电路将电流信号转换成电压信号，传送到单片机A/D端口进行采样处理。本文设计的电路中所采用的电流互感器的电流变比为1 000:1，可以实现电流缩小1 000倍，在额定电流为5 A的系统电路中，其额定输出为5 mA，利用后端电流电压转换电路形成0～3 V的电压信号，通过调整运放电路的放大倍数使其满足后端单片机量程的需要。与交流电压采样电路相同，设置了反并联二极管作为保护，同样利用低功耗运放。

图3 交流电压采样电路

图4 交流电流采样电路

2.4 分时电路设计

在进行直流电压检测的过程中，由于所涉及的物理量过多，同时实时性检测要求不高，因此本文设计使用多路开关进行复选检测，利用多路开关进行分时检测。图5为本文设计的多路开关电路图。本文应用的多路开关型号为74HC4051，是一款8路复用多路开关，可用单片机3个I/O口与多路开关S0、S1、S2的3个管脚对8路通道进行选通，通过端口E输出对应的模拟量送入单片机A/D采集，利用单片机程序在选通的同时对对应的模拟量进行计算。

图5 多路开关电路设计

3 系统应用分析

为了检测本文设计的电力计量低压检测系统的功能，对实际应用的电力计量装置进行测试，分别检测计量装置的A、B、C三相交流电压及电流，同时检测的直流电压包括一路5 V电压、电流，一路12 V电压、电流及一路24 V电压、电流。在对三相交流电压电流信号检测的同时，可以判断出三相相位关系，同时对各被测信号状态进行显示，对于检测异常信号同样发出报警指示。检测结果如表1所示。

表1 检测结果表

通过对三相交流电压、电流信号进行检测，以及对1路5 V直流、一路12 V直流以及一路24 V直流供电电压信号进行检测，可以看出，所检测的交流三相电压均处于正常状态，同时直流5 V以及直流24 V状态也都正常，只有一路12 V直流电压显示异常。通过现场检查，发现存在线路异常，经过排查，线路恢复正常。本文实际的电力计量装置电压状态检测系统能实现电压状态检测正确率100%，同时能将检测故障信息通过以太网传递到服务器进行处理，并将信息发送到管理人员终端平台，提示管理人员做出相应的处理。