一种可测量回路数据的接口化保护屏柜

刘洪兵 资容涛 解天柱

（云南电网有限责任公司昆明供电局）

0 引言

使用端子排连接保护屏柜内外部回路存在问题有：1、保护屏柜安装阶段需要专业设计进行开入、开出、电流回路端子排接线图的设计绘图、同时还需要专业施工人员按图进行控制电缆的安装接线，有安装施工工艺复杂、过程繁琐的问题，当屏柜投运后需要定期进行端子螺丝紧固工作，存在维护量大的问题；2、继电保护专业人员在变电站二次回路日常屏柜调试及日常维护工作中需要测量开入、开出、交流电压回路的对地电压来分析判断这些二次回路是否正常，而传统连接方式不能满足同时检测各开入、开出、交流电压回路对地电位；3、屏柜安装完成后需要实际负载电流后，由工作人员使用相位伏安表进行电流向量图测试数据，分析判断接入保护装置的二次电流相位、变比、极性关系的正确性，因此传统保护屏柜电流回路的连接方式缺少一种外部设备实时在线监测保护屏柜二次电流回路电流数据的手段［1］。

1 电流接口模块及电压接口模块

通过研究保护屏柜的连接方式，设计成拔插式的接口可以快速连接保护屏柜内外部回路，大大缩短保护屏柜安装、维护的工作量。通过分类将回路分成电流回路、电压回路两类，电压回路包含开入、开出、交流电压回路。根据分类使用设计一种电流接口模块、和电压接口模块，实现保护屏柜内外部回路的快速连接，由此可以解决以下三点问题：

（1）解决传统端子排连接保护屏柜内外部电流、交流电压、开入、开出回路连接安装工艺复杂、运维量大的问题；

（2）在电流接口模块二次电流回路上配置电流数据监视功能，可通过配置的电流监测功能，实现安全实时检测保护屏柜内二次电流回路中电流量的数值，并且实时数据可传输到计算机端，工作人员可进行数据查看、分析以解决保护屏柜二次电流回路中电流数据缺少第三方设备实时监测的问题；

（3）在电压接口模块二次电压回路上配置电压数据监视功能，可通该功能实时检测保护屏柜内开入、开出、电压回路的对地电压的数值，并实时数据传输到计算机端进行数据查看、分析以解决保护屏柜缺少一种同时检测各开入、开出、电压回路对地电位的问题。

接口式保护屏柜通过设计电流接口模块和电压接口模块实现内、外部交流电压、电流、开入、开出回路的连接，经过对现行端子排的统计分析，电流接口模块需要设置的2个外部接口元件、1个内部接口元件，实现保护屏柜内外部电流回路的接口化连接，并在电流接口模块上设置安全的8个电流采样元件，实现被测电流回路电流数据采集功能。针对一组三相四线（A、B、C、N相）星型连接的电流回路接入保护屏柜、需要电流接口模块具备8个电流通道的检测、网络传输协议的功能［2-3］。

电压接口模块需要设置的3个内外部接口元件、实现保护屏柜内外部开入、开出、电压回路的接口化连接、并在电压接口模块上设置可投切的12路电压采样元件实现12路回路对公共端（地端）交流或直流电位的测量、电压接口单元上配置采集微控制单元、网络传输协议转化单元，以实现将微控制单元采集计算的电压数据通过网络协议传输给制定计算机进行数据显示分析。主要原理如图1所示。

图1 原理示意图

如图1所示保护屏内、外部电流、交流电压、开入回路、开出回路由电流接口模块和电压接口模块实现内外部回路的连接，在电流接口模块上配置套管电流互感器实现电流回路安全采样，并通过以太网将数据传输至交换机汇集后送至计算机程序上进行电流回路数据的显示分析、同样在电压接口模块上设置回路接口单元，实现内外部开入、开出、交流电压回路的连接，并在电压接口模块上配置回路对地电压检测功能，并将采集到的数据通过以太网传输至交换机汇集后送至计算机软件上显示分析。

电流接口模块采用32位微控制单元作为系统的总控制、核心芯片主频72M，有15个采样通道，3组串口通信接口，满足8组电流数据的采集、计算、数据传输技术条件，电流接口模块上电流采样实现由1／1000变比套管电流互感器配合负载电阻为20Ω电流采样电路，将小信号经过差分放大电路，加法器电路将信号放大滤波后传输至微控制单元，同时微控制单元利用检测当前采集的信号结合电流算法，准确还原被测电流信号，微控单元将计算出的电流数据通过网络传输至协议转化单元、后将数据传输给交换机，再送到指定地址的计算机经过计算器程序解析数据后在应用程序上实时显示被测电流回路数据，至微控制单元做数据采集，电路原理如图2所示。

图2 电流采样电路

其中采用套管电流互感器作为电流传感器可以避免电流测量元件直接与被测电路连接，保证了被测电路的独立性、安全性。

电压接口模块采用32位微控制单元作为系统的总控制、核心芯片主频72M，有15个采样通道，3组串口通信接口，满足12路电压数据的采集、计算、数据传输技术条件，电压接口模块上利用交直流电压均可测量的电阻分压原理，将其输入模拟电压分压为很小的电压后，再利用运算放大器将小电压信号进行放大及滤波处理后，利用微控制单元的模数转换器将模拟的电压信号，转换为数字信号，并设置计算模式开关选择微控制单元是在交流计算模式。还是直流计算模式。在交流计算模式下微控制单元通过交流计算法将被测回路的交流电压计算出来；选择直流计算法时，微控制单元运用直流算法将被测电路的将直流电压值计算出来。同时通过微控制单元计算将待测线缆对地电压的值通过微控制单元串口通信传输给协议转化模块，协议转换后将数据通过网络传到交换机做数据汇总并转发至单一通信地址的计算机端做数据显示，实现多保护屏接口连接的开入、开出、电压回路对地电压的实时数据监测分析，电压采样原理如图3所示。

图3 电压采样电路

电压采样电路为了保证被测电路的独立及安全性，在电压采样电路与被测电路的连接处设置了可投切的采样开关，保护屏做好安全措施检修调试需要对开入、开出、交流电压回路进行对地电压测量时将该开关投入接口模块实时采集各被测回路的对地电位数据，并将数据传输至监控计算机软件上显示分析、保护屏正常运行时将该开关断开，以保证保护屏运行时该屏柜回路的独立性和安全性。

电流接口模块、电压接口模块供电采用交流转换直流电源适配作为装置的直流电源供电模块，其供电为12V、1A。

电流接口模块、电压接口模块数据传输原理均运用TCP通信协议，由微控制单元将采集到的电压或电流数据，通过计算后的值，利用微控制单元的串口通信接口将数据传输至TCP模块，TCP模块利用网线的方式再将数据传输传至交换机，直到计算机端的应用程序读出数据并在界面上显示。

2 结束语

经分析可知，使用可测量回路电流、电压电气量的接口化保护屏应用后有如下几点优势： （1）使用电流接口模块、电压接口模块实现保护屏柜内外部电流回路、交流电压回路、开入回路、开出回路的接口化快速连接，有着屏柜安装快捷、运行维护量少的优势；（2）电流接口模块采用套管电流互感器无直接接触安全采集电流，由微控制单元计算数据后通过协议转换由交换机汇集后穿给指定地址的计算机解析实现多个保护屏柜的二次电流实时显示分析； （3）电压接口模块采用可投切的电压采样单元实现电压测量元件与被测回路断开或连接以保证被测回路在不需要测量时的安全性；（4）电压接口模块切换在交流电压测量计算模式下，可用于保护屏柜内外交流电压连接时由微控制单元测量计算数据后通过协议转换由交换机汇集后穿给指定地址的计算机解析实现多个保护屏柜的交流电压回路电压值的实时显示分析；（5）电压接口模块切换在直流电压测量计算模式下，可实现保护屏柜内外部开入、开出回路时由微控制单元测量计算数据后通过协议转换由交换机汇集后穿给指定地址的计算机解析实现多个保护屏柜的开入、开出回路电压的实时显示分析。