吳戰(zhàn)偉，翟亞芳，程　浩

(1．許繼電氣股份有限公司，河南許昌　461000；2．安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南安陽　455000)

0　引言

智能電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的發(fā)展方向，而智能變電站是構建智能電網(wǎng)的基礎，建設安全可靠的智能變電站對智能電網(wǎng)的發(fā)展至關重要。智能變電站的建設要求采用先進的智能設備，實現(xiàn)全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化的基本要求[1]。智能變電站變送器的主要功能就是同步接收多路互感器的輸出信號和采集開關量輸入/輸出信號，并對變電站運行過程中出現(xiàn)的過流、過壓、過負荷等情況進行正確的處理，將變電站的運行參數(shù)按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式傳送給監(jiān)控主機，實現(xiàn)對變電站的智能控制。

1　變送器的基本結構

變送器主要用于電網(wǎng)中箱式變電站或分布式變電站控制系統(tǒng)中，通過同步接收變電站二次側電壓互感器(TV)及電流互感器(TA)的輸出值、采集變電站開關量信號的狀態(tài)，計算各相電壓/電流有效值、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，并對變電站運行情況進行判斷，通過CAN總線或其他通信網(wǎng)絡將變電站運行參數(shù)傳送給監(jiān)控主機。變送器主要由交流數(shù)據(jù)采集模塊、開關量輸入/輸出模塊、微控制器模塊、網(wǎng)絡通信模塊和GPS對時模塊組成[2]，其結構框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結構框圖

交流數(shù)據(jù)采集模塊由電壓互感器、電流互感器、A/D轉換電路構成，其主要作用是同步采集變電站二次側電壓互感器和電流互感器的輸出值，并將其轉換為數(shù)字信號。開關量輸入模塊用于采集負荷開關位置、低壓斷路器位置、熔斷器熔斷狀態(tài)等普通開關量信號；開關量輸出模塊主要用于跳閘信號和報警信號的輸出，也可以實現(xiàn)對有電操作功能的開關執(zhí)行遠程控制。微控制器模塊主要由ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路和復位電路、按鍵電路和液晶顯示電路等構成，主要起數(shù)據(jù)處理、邏輯控制、狀態(tài)和數(shù)據(jù)顯示等作用。網(wǎng)絡通信模塊包括CAN總線通信接口、RS485通信接口和以太網(wǎng)通信接口，主要用于將變送器采集到的數(shù)據(jù)信息和變電站的運行狀態(tài)參數(shù)按照規(guī)定的格式發(fā)送給監(jiān)控主機。GPS對時模塊的作用是為變送器提供精確的時鐘同步信號，保證電壓、電流采樣數(shù)據(jù)的一致性。

2　主要硬件電路設計

2．1微控制器選型

近年來，嵌入式應用領域以ARM處理器的發(fā)展最突出，ARM系列微處理器以其高性能、低功耗、高性價比等優(yōu)點在嵌入式應用領域得到了廣泛的應用。文中選用Cortex-M3系列的32位處理器MB9BF518作為控制核心。MB9BF518具有如下特點：時鐘頻率最高可達144 MHz；片內(nèi)集成有1 024 KB的FLASH ROM和128 KB的SRAM；含有8個多功能串行口，每個通道支持UATR、I2C、SPI和LIN功能配置；含有16個基本定時器和3個多功能定時器，并且內(nèi)部集成有CAN控制器，支持CAN協(xié)議ver2．0A/B．MB9BF518具有足夠多的I/O接口和快速數(shù)據(jù)處理能力，能夠滿足系統(tǒng)對多參數(shù)實時測量和監(jiān)控的要求。

2．2交流數(shù)據(jù)采集模塊

交流數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)一般包括三相測量電流、三相保護電流、三相電壓、中性點電流、中性點電壓和母線電壓等12個數(shù)據(jù)量[3]。設計時，對測量電流使用5 A/3．53 V的線性電流互感器進行采樣；對保護電流使用100 A/7．07 V的電流互感器進行采樣；對三相電壓、中性點電壓和母線電壓使用100 V/7．07 V電壓互感器進行采樣；中性點電流使用20 A/7．07 V的電流互感器進行采樣。

A/D轉換電路利用AD7606實現(xiàn)。AD7606是一款集成式16位、8通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，片內(nèi)集成模擬輸入箝位保護、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大器、16位ADC內(nèi)核、數(shù)字濾波器、2．5 V基準電壓源、基準電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD7606的每個通道均能以高達200 kSPS 的速率進行采樣，同時輸入端箝位保護電路可以承受最高達±16．5 V 的電壓[4]。由于AD7606 內(nèi)部已經(jīng)包含了低噪聲、高輸入阻抗的信號調(diào)理電路，其等效輸入阻抗完全獨立于采樣率且固定為1 MΩ，同時輸入端集成了具有40 dB抗混疊抑制特性的濾波器，使得二次互感器的輸出信號可以不經(jīng)過運放緩沖就能夠直接接入AD7606，其接口電路如圖2所示。

圖2　AD7606接口電路

2．3開關量輸入/輸出模塊

開關量輸入模塊電路采用強電開入，輸入信號經(jīng)整流、濾波、光電耦合器后變成數(shù)字信號輸出，主要用于采集負荷開關位置信號、低壓斷路器位置信號、熔斷器熔斷信號等開關量信號，還可以采集變壓器的重瓦斯跳閘、輕瓦斯告警、超高溫跳閘、高溫告警等非電量信號。

開關量輸出模塊主要用于跳閘、告警等保護動作與外電路連接，也可以實現(xiàn)對有電操作功能的開關實現(xiàn)遠程控制。開關量輸出接口電路采用啟動繼電器閉鎖形式，只有啟動繼電器動作后，輸出繼電器才能夠動作，從而實現(xiàn)開關量輸出控制的部分解耦，避免由于器件損壞而引起保護誤動作。

2．4網(wǎng)絡通信模塊

網(wǎng)絡通信模塊由CAN總線通信接口、RS485通信接口和以太網(wǎng)通信接口構成，其中CAN總線主要用于向監(jiān)控主機或其他智能設備實時傳送變送器輸出的數(shù)字信號，以實現(xiàn)信息共享[5]。RS485接口主要用于變送器的調(diào)試與維護，也可以用于與其他智能設備進行數(shù)據(jù)通信。以太網(wǎng)作為備用通信網(wǎng)絡，在不用CAN總線通信的情況下，可以使用以太網(wǎng)作為主要通信網(wǎng)絡。

由于MB9BF518內(nèi)部集成有CAN控制器，只要配以CAN總線收發(fā)器就可以構成CAN總線通信網(wǎng)絡，設計時利用CTM1050T實現(xiàn)，其接口電路如圖3所示。CTM1050T是高速CAN隔離收發(fā)器，其內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及收發(fā)器件，能夠將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，并且具有DC2500V隔離功能和ESD保護作用。圖3中的CTXD和CRXD分別接CAN控制器的發(fā)送端和接收端；CAN_L和CAN_H分別接CAN總線的信號連接端。

圖3　CAN總線接口電路

此外，RS485通信接口利用ISO3082實現(xiàn)，以太網(wǎng)通信接口電路利用RTL8019AS實現(xiàn)。

3　交流數(shù)據(jù)采樣算法

為了滿足變送器對測量精度和測量速度的要求，對交流數(shù)據(jù)采樣采用能消除衰減直流分量的傅氏算法。設被采樣的交流數(shù)據(jù)的形式如下：

(1)

式中：A0為衰減直流分量的初始值；τ為衰減直流分量的衰減時間常數(shù)；Am(n)為n次諧波的幅值；φn為n次諧波的初相角。

利用全波傅氏算法求n次諧波的實部和虛部，分別為：

=σa+Am(n)cosφn

(2)

=σb+Am(n)sinφn

(3)

設計時采用數(shù)據(jù)窗移位、增加采樣點數(shù)的方法來消除衰減直流分量引起的誤差，即首先對t∈[0,T]上的[1，N]個采樣點進行全波傅氏變換，然后對t∈[ΔT,T+ΔT]上的[2，N+1]個采樣點進行全波傅氏變換，最后對t∈[2ΔT,T+Δ2T]上的[3，N+2]個采樣點進行全波傅氏變換。對得到的3組全波傅氏變換結果，通過線性方程組聯(lián)立消元，解出σa和σb，并代入到式(2)和式(3)中，就可以得到消除衰減直流分量后的各次諧波分量的實部和虛部[6]。

4　測量數(shù)據(jù)測試

按照GB/T7261-2008繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法對測控保護裝置進行了檢驗測試，交流電流的測試范圍為0～5 A，交流電壓的測試范圍為0～100 V，頻率測試范圍45～55 Hz，電流、電壓、頻率的部分測試結果如表1、表2、表3所示。從表1、表2、表3中可見，電流和電壓測量結果的相對誤差在±0．2％以內(nèi)，頻率測量的絕對誤差不超過±0．02 Hz．

表1　交流電流的部分測試結果

表2　交流電壓的部分測試結果

表3　頻率的部分測試結果

5　結論

文中介紹了一種基于CAN總線的智能變電站變送器，該變送器可以對10 kV及其以下分布式變電站運行過程中的電壓、電流和頻率等電力參數(shù)進行檢測和顯示，對出現(xiàn)的過流、過壓、過負荷等情況做出正確處理，并具有對變壓器進行非電量保護的功能。變送器可以單獨使用，也可以通過CAN總線與上位監(jiān)控主機構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對變電站的分散控制和集中監(jiān)管。

參考文獻：

[1]王璐，王步華，宋麗君，等．基于IEC61850的數(shù)字化變電站的研究與應用．電力系統(tǒng)保護與控制，2008，36(24)：90-92．

[2]劉益青，高偉聰，魏鵬，等．基于MCU+DSP多處理器構架的微機保護硬件平臺設計．電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(10)：89-91．

[3]李明勇，鄭恩讓，馬令坤．基于FPGA的電力系統(tǒng)諧波分析儀．儀表技術與傳感器，2013(2)：31-33．

[4]于克泳，孫建軍．新一代16位8通道同步采樣ADC-AD7606在智能電網(wǎng)中的應用．電子產(chǎn)品世界，2010(10)：63-65．

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[6]張秋麗，黃純，賀建輝，等．一種消除衰減直流分量的改進DFT遞推算法．電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(24)：1-5．