中壓開關設備智能單元設計

1　引言

　　本文介紹一種適于中壓（3～35kV）的斷路器和開關柜的智能單元設計方案。智能單元以Intel87C196KC單片機為控制器，能對電網三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數和電能等電力參數進行測量；具有帶時限過電流、電流速斷和單相接地保護功能，并有故障錄波功能，記錄電網故障前后10個周期的電流波形；具有在線監測與診斷功能，能對監測到的數據進行分析和處理，判斷開關設備的剩余使用壽命和計算出維修期限。此外，智能單元具有RS－485通信接口，可以與變電站綜合自動化系統的監控主機連接和通信。2　硬件系統方案2．1　智能單元的總體結構

　　智能單元以Intel87C196KC單片機為核心，由單片機基本系統、模擬量采集電路、開關量輸入／輸出電路、RS－485串行通信接口、鍵盤與LCD顯示電路、電源等部分組成（圖1）。各單元電路采用模塊式插件結構，所有插件封裝在一個金屬外殼內，通過防震緩沖裝置安裝在開關設備上（開關柜原有的儀表繼電器室或斷路器外殼的小間隔內）。2．2　單片機基本系統

　　單片機基本系統由CPU及擴展的存儲器組成。CPU選用高性能的Intel87C196KC芯片［1］。87C196KC是16位單片機，其運算速度快（主頻可運行到20MHz）；片內有512B數據存儲器RAM和16kB程序存儲器，后者可用于固化應用程序；具有4個高速輸入通道（HSI）和4個高速輸出通道（HSO），可用于開關量的輸入與輸出，而且HSO能產生和輸出寬度與周期均可調的PWM（脈寬調制）信號；片內有8個模擬量輸入通道（P0：ACH0～ACH7）以及多路轉換器、采樣保持器和1個10位A／D轉換器。

　　系統在CPU外擴1片6264A（8kB）RAM，用于記錄故障發生前后電流波形數據。盡管87C196KC片內有16kB的程序存儲器，但由于應用程序較大，容量不敷使用，所以外擴1片2764A（8kB）EPROM程序存儲器。另外擴展1片串行E2PROM存儲器X25043芯片，其內部集成了Watchdog定時器、上電復位控制器和512B容量的E2PROM。E2PROM用于存儲保護整定值等運行參數，可以重新寫入。2．3　模擬量采集電路

　　測量和保護功能的實現要采集電網的電壓和電流信號。模擬量采用交流采樣方式，信號來自電網的電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）。在中壓電網，測量和保護一般只需采集兩個線電壓和兩相電流，每相電流又分為測量信號和保護信號。為實現小電流接地電網的單相接地保護，需從零序電流互感器取得零序電流或從Y0／Y0／開口接線的電壓互感器的開口兩端取得零序電壓信號。

　　來自標準CT和PT的電流和電壓信號不能適應單片機A／D轉換器的輸入范圍要求，需進行變換。同時，智能單元還要與強電系統隔離。本設計方案采用市售的微型互感器完成模擬信號的隔離變換和電壓形成工作，其原理電路如圖2所示。

　　這種微型互感器小巧輕便，能直接焊接在印刷電路板上，全樹脂密封，隔離度高。輸入端接標準CT或PT二次側。二次側加一級運算放大器（OP07型）將電流量變換成電壓量，通過調節運算放大器的反饋電阻R1，在輸出端得到所要求的電壓輸出。模擬量輸入電路的采樣保持、多路開關和模數轉換環節采用一塊Maxim公司的MAX197芯片，它是單電源、多量程、8路輸入帶內部采樣／保持和多路開關、時鐘、基準電壓的12位信號采集系統，轉換時間為6．0μs。2．4　開關量輸入／輸出電路

　　輸入的開關量包括兩類：一類是斷路器、隔離開關等設備的輔助觸點和有關繼電器的接點，以檢測這些設備的工作狀態（開還是合）；另一類是智能單元裝置的一些接點，例如開關量輸出回路的繼電器接點和裝置面板上的切換開關。輸出的開關量包括斷路器跳閘脈沖和信號。

　　開關量的輸入／輸出通過87C196KC單片機的高速輸入通道（HSI）和高速輸出通道（HSO），但必須利用光電耦合器使弱電與強電隔離。跳閘脈沖信號應有一定的寬度，這可以方便地由87C196KC單片機的PWM信號形成。跳閘信號由CPU輸出鎖存器控制驅動電路，使相應的中間繼電器動作。2．5　通信接口電路

　　開關設備的智能單元與變電站綜合自動化系統的主機之間的通信采用RS－485串行通信方式。RS－485為半雙工通信，最大通信距離為1200m，此時的數據傳輸速率為100 kb／s；如果通信距離為120m，則數據傳輸速率可達1Mb／s。為了簡化通信機制，采用只有2條信號線的最簡型連接。圖1中，單片機TXD（串行輸出）端口輸出的TTL邏輯電平信號通過光電隔離（6N137），由MAX485芯片轉換為RS－485電平信號，發送給監控系統主機。反之亦然。具體電路及原理可參考文獻［2］。3　軟件算法

　　智能單元采用交流采樣方式，每周波的采樣點數可選12、16、20或24，即采樣間隔在0．8～1．8ms之間［3，4］。3．1　測量算法

　　電壓、電流有效值為式中：N—每周波采樣點數，可取12、16、20、24；

　　uk、ik—電壓、電流的第k次離散采樣值。

　　中壓電網為小電流接地系統，功率可用兩瓦計法計算。三相總有功功率離散化后的計算式為

　　據此可計算出無功功率和功率因數

　　須指出，以上方法計算的電能量，精度可能滿足不了電能計量的要求，只適于內部考核使用。測量誤差主要包括兩方面：測量中的截斷誤差和采樣不同步誤差。由于電壓、電流、功率的測量值均采用離散化處理，因而有截斷誤差。采樣不同步誤差是由于電網頻率波動，采樣頻率不能嚴格保持與電網頻率同步產生的。如果采取硬件測量電網頻率，以此頻率決定采樣的時間間隔，可以提高測量精度。3．2　保護算法

　　中壓電網的保護比較簡單，主要是過電流保護和單相接地保護。過電流保護和接地故障的零序電流保護，可采用計算量小、計算速度快的半周積分算法［3］。算法的依據是一個正弦量在任意半周期內的絕對值的積分為一個常數s，且積分值s和積分的起始點初相角α無關。半周波的面積式中：ik—第k次電流采樣值；

　　N—一周波的采樣點數；

　　Ts—采樣周期。

　　s求出后，可利用下式算出交流電流的有效值式中：w—一交流電角頻率。

　　這種算法的數據窗長度為半個周期，即10ms，運算很小，只涉及加減法運算，編程很簡單。3．3　開關設備狀態監測

　　開關設備的狀態監測項目較多，如機械性能、載流導體溫度、凝露、電氣絕緣性能等。這些監測經濟代價大，實現也困難，有無必要值得商榷。不過，中壓開關設備的狀態監測仍可考慮以下幾項：①斷路器操作次數統計—監測斷路器是否達到規定機械壽命次數或達到需要進行維修的次數；②開斷電流加權值—間接監測斷路器觸頭的電磨損，預測其剩余電壽命；③母線連接處溫度。前兩項根據電流采樣值和軟件處理就可以做到，母線溫度監測采用數字溫度傳感器不難實現。3．4　軟件結構

　　智能單元的軟件由調試程序和運行程序構成。執行哪一程序由面板上的工作方式選擇開關或LCD顯示屏上的菜單決定。調試程序的主要任務是對智能單元各插件調試和設置保護動作值，通過鍵盤命令來實現。運行程序包括以下功能模塊：①對智能單元的各部分初始化；②對交流電壓和電流定時采樣和數據處理；③保護邏輯判斷和跳閘處理；④對開關量進行采集，并對跳閘命令執行情況反饋；⑤串行通信中斷服務程序；⑥鍵盤中斷服務程序；⑦自檢循環并發報警信號；⑧顯示。4　結語

　　本文介紹的基于87C196KC單片機的智能化開關設備的智能單元可以取代中壓開關設備現有的二次系統，具有通信功能和簡單的開關設備狀態監測功能；而且，這種智能單元電路簡單，成本低。