翟亞芳，張?zhí)禊i，楊云鵬，秦長海

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

0　引言

近年來，太陽能開發(fā)利用在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展，太陽能發(fā)電是太陽能開發(fā)利用中最具前景的應用方面，太陽能光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的主要發(fā)展方向，并網(wǎng)光伏電站和與建筑結(jié)合的分布式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電的主要方式，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的年裝機容量已占世界光伏發(fā)電總?cè)萘康?0%以上[1]。文中針對并網(wǎng)光伏電站中的多臺低壓輸出逆變器接中壓變壓器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種升壓變壓器低壓側(cè)全部信息的測控裝置，可以對升壓變壓器低壓側(cè)分裂變壓器進行自動化監(jiān)控，實現(xiàn)并網(wǎng)光伏電站升壓變壓器“無人值班、少人值守”的運行管理方式。

1　測控裝置的基本結(jié)構(gòu)

該測控裝置采用插件式結(jié)構(gòu)，主要包括交流插件、CPU插件、開入/開出插件、人機對話插件、通信插件和電源插件，測控裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]。交流插件包括電流互感器(TA)、電壓互感器(TV)和測量芯片，TA和TV用于將升壓變壓器TA、TV二次側(cè)的電流和電壓信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，供測量芯片使用，并起強電和弱電隔離作用。CPU插件包括ARM處理器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路和復位電路等，主要起數(shù)據(jù)處理、邏輯控制等作用。開入插件用于開關(guān)量信號輸入，開出插件用于跳閘信號和報警信號的輸出。人機對話插件包括按鍵電路和液晶顯示電路，用于測控裝置與外界進行信息交互。通信插件包括了兩路RS-485總線接口，用于測控裝置與其他裝置或監(jiān)控中心進行遠程通信。電源插件為整個測控裝置提供合適的工作電壓。

2　測控裝置的硬件設(shè)計

2．1微控制器單元

測控裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測控裝置的結(jié)構(gòu)框圖

該設(shè)計選用Cortex-M3家族的32位處理器MB9BF218TH/SH作為控制核心。MB9BF218TH/SH具有特點：時鐘頻率最高可達144 MHz；片內(nèi)集成有1 024 KB的FLAS(ROM和128KB的SRAM；含有24通道12位A/D轉(zhuǎn)換器；含有8個多功能串行口，每個通道支持UATR、I2C、SPI和LIN四種功能配置；內(nèi)部集成有2路以太網(wǎng)控制器。由于MB9BF218TH/SH具有足夠多的I/O接口和快速數(shù)據(jù)處理能力，使其特別適用于工業(yè)自動化、可編程控制器、馬達控制等領(lǐng)域，能夠滿足對多參數(shù)系統(tǒng)的實時監(jiān)控和報警要求。

2．2交流插件設(shè)計

并網(wǎng)光伏電站中的升壓變壓器大多采用分裂變壓器，測控裝置要分別采集分裂變壓器兩個低壓側(cè)的電壓、電流信號，共需要6個電壓互感器和6個電流互感器。測量芯片使用ATT7022D，ATT7022D是一個高精度三相電能專用計量芯片，適用于三相三線和三相四線應用，它內(nèi)部集成了6路19位ADC，參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量等的電路，能夠測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，利用SPI總線接口與外部CPU進行數(shù)據(jù)傳輸。

ATT7022D內(nèi)部ADC采用雙端差分信號輸入，最大輸入電壓是1．5 V，即可以輸入最大的正弦信號有效值為1V．三相并網(wǎng)光伏逆變器的輸出電壓在270～400 V之間，而且大多數(shù)為270 V，在設(shè)計電路時選擇270 V作為三相輸出電壓值，并使輸出電壓先經(jīng)過一個200 kΩ的電阻，然后使用2 mA/2 mA電流互感器進行采樣，三相電流直接使用5 A/5 mA的電流互感器進行采樣，采樣后的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，送給測量芯片。信號調(diào)理電路如圖2所示，總共有12路電路。

圖2　信號調(diào)理電路

圖2中INP1和INN1表示第一路電流互感器的輸出端，OUTP1和OUTN1為第一路信號調(diào)理電路的差分輸出端，REFOUT1為直流偏置電壓。

ATT7022D的接口電路如圖3所示，共有2個接口電路，圖3中的MOSI1、MISO1、SCLK1、SS1為第一個接口電路的SPI總線接口。

圖3　ATT7022D的接口電路

2．3開入/開出插件設(shè)計

測控裝置設(shè)有24路開關(guān)量輸入和8路開關(guān)量輸出。開關(guān)量輸入可以采集負荷開關(guān)位置信號、低壓斷路器位置信號、熔斷器熔斷信號等普通開關(guān)量信號，也可以采集重瓦斯動作跳閘、輕瓦斯動作告警等非電量信號，同時提供4個可編程的備用非電量功能，便于非電量擴展。開關(guān)量輸出可以實現(xiàn)對有電操作功能的開關(guān)實現(xiàn)遠程控制，方便進行變壓器控制功能的擴展。

開關(guān)量輸出電路采用啟動繼電器閉鎖的形式[3]，電路如圖4所示。當需要開出時，首先要將啟動繼電器的STRH置高電平、STRL置低電平，光電耦合器TLP127導通，啟動繼電器動作，其常開觸點K51閉合，使+24VE連接到+24 V；然后將DOUT置為低電平，光電耦合器TLP127導通，輸出繼電器動作，其常開觸點K52閉合，驅(qū)動跳閘繼電器。

圖4　開關(guān)量輸出電路

2．4人機接口插件設(shè)計

人機接口的主要功能是鍵盤操作、液晶顯示和信號燈指示，設(shè)計時采用單片機作為人機接口插件的控制芯片，對于測控裝置的控制核心MB9BF218TH/SH來說，人機接口插件相當于是一個外設(shè)，它們之間通過SPI接口進行通信，這樣既避免了控制核心MB9BF218TH/SH大量總線外引，提高了裝置的可靠性，又幾乎不增加裝置的成本，而且維護方便。

2．5電源插件

電源插件為整個測控裝置提供電源，采用220 V交流或110 V直流輸入，經(jīng)過抗干擾濾波回路后，經(jīng)穩(wěn)壓器件輸出測控裝置需要的3組直流電壓，即+5 V(1)、+5 V(2)和+24 V，其中+5 V(1)為數(shù)字+5 V電源，+5 V(2)為模擬+5 V電源，+24 V為驅(qū)動信號輸出和繼電器的電源。為了增強電源插件的抗干擾能力，所有直流輸入及輸出端子都裝有濾波器。

2．6通信插件

通信插件包括兩路RS-485總線接口，測控裝置可以通過RS-485總線與其它測控裝置組成控制環(huán)網(wǎng)，還可與光伏并網(wǎng)電站的監(jiān)控中心進行遠程通信，使測控裝置的檢測結(jié)果能夠及時地傳遞到監(jiān)控中心，使監(jiān)控人員能夠及時掌握各個分裂變壓器的運行情況。RS-485接口電路使用RSM485D芯片實現(xiàn)，如圖5所示。

圖5　RS-485通信接口電路

RSM485D是集成雙路電源隔離、電氣隔離、RS-485接口芯片和總線保護器于一身的雙路隔離收發(fā)器模塊，具有很好的隔離特性，隔離電壓高達2500VDC，廣泛應用與工業(yè)通訊、電力監(jiān)控、樓宇自動化等領(lǐng)域。圖5中的TXD1和TXD2是RSM485D發(fā)送端，RXD1和RXD2是RSM485D接收端，它們分別與微控制器的發(fā)送端和接收端相連；SCK1和SCK2為分別為兩路RS-485總線的控制信號，當它們?yōu)楦唠娖綍rRSM485D的接收使能，當其為低電平時RSM485D的發(fā)送時能。

3　測控裝置的功能

3．1非電量保護功能

測控裝置設(shè)有重瓦斯跳閘、輕瓦斯告警、超高溫跳閘、高溫告警、油位低告警、壓力異常告警等非電量保護功能，如果非電量保護動作后非電量故障狀態(tài)一直存在，則跳閘信號或告警信號一直保持，直到非電量故障狀態(tài)消失，按復位鍵可使跳閘或告警信號復位。此外，測控裝置還設(shè)置了4路備用非電量保護，可以由保護軟壓板控制其投入或退出，并具有出口延時時間可整定的功能，備用非電量保護可以通過選擇控制字，使其工作在跳閘或告警狀態(tài)。

3．2遙測、遙信、遙控功能

測控裝置可以實現(xiàn)對分裂變壓器兩個低壓側(cè)的三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、頻率、有功功率、無功功率等參數(shù)測量，光伏電站監(jiān)控中心可以通過RS-485總線與測控裝置進行數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)對分裂變壓器低壓側(cè)電力參數(shù)的遙測。此外，監(jiān)控中心可以通過RS-485總線獲取重瓦斯跳閘等各種保護動作信號、斷路器位置信號、負荷開關(guān)位置信號，實現(xiàn)遙信功能，還可以實現(xiàn)遠程控制跳閘或合閘、保護壓板投退、修改設(shè)定值等遙控功能。

3．3測控裝置故障告警功能

測控裝置具有故障告警功能，如果測控裝置的硬件發(fā)生故障，測控裝置的LCD可以顯示故障信息，并驅(qū)動裝置故障告警繼電器，同時閉鎖保護，待故障處理完畢后，重新上電工作后，可以將故障告警燈復位。

4　測控裝置的軟件設(shè)計

測控裝置的軟件設(shè)計采用實時多任務操作系統(tǒng)(RTOS)[4]，將整個軟件設(shè)計分為兩個中斷、一個實時任務調(diào)度和7個功能任務，其中兩個中斷分別為定時器中斷和鍵盤中斷，7個功能任務按照優(yōu)先級從高到低分別為測量任務、開關(guān)量控制任務、故障錄波任務、通信處理任務、鍵盤管理任務、液晶顯示任務和指示燈任務[5]。實時任務調(diào)度是整個系統(tǒng)的核心，是保證多個任務合理有序執(zhí)行的先決條件，設(shè)計時采用單就緒隊列的優(yōu)先級數(shù)調(diào)度算法來實現(xiàn)多任務實時調(diào)度，用一個字寄存器作為任務就緒隊列的位標識，當任務的執(zhí)行條件滿足后，其相對應的位標識置位，任務調(diào)度時，將該任務投入運行，這樣可以保證任務執(zhí)行的確定性和執(zhí)行時間的確定性。

5　測控裝置的測試

按照國家標準GB/T7261-2008繼電保護和安全自動裝置基本試驗方法，對測控裝置進行了測量元件及精度檢驗和非電量保護檢驗。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，電流、電壓的部分測試結(jié)果如表1所示，表中的A1、A2分別表示分裂變壓器兩個低壓側(cè)A相中的電流，AB1、AB2分別表示分裂變壓器兩個低壓側(cè)A相與B相之間的線電壓，從表中可見，電流和電壓的測量誤差在0．2%以內(nèi)。

非電量保護功能的測試結(jié)果如表2所示，可見，各種非電量保護的動作值在額定電壓值(220 V)的55%～65%之間，動作時間不大于40 ms，符合相關(guān)技術(shù)要求。

表1　電流、電壓的部分測試結(jié)果

表2　非電量保護功能的測試結(jié)果

6　結(jié)束語

利用MB9BF218TH/SH作為核心控制芯片，設(shè)計了一個并網(wǎng)光伏電站升壓變壓器低壓側(cè)分裂變壓器的測控裝置，該裝置可以完成對分裂變壓器的模擬量采集和非電量保護，并具有遠程控制和通信功能。該裝置主要應用于對并網(wǎng)光伏電站分裂變壓器的遠程管理和自動化監(jiān)控，電站監(jiān)控中心可以通過該裝置組成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對整個電站分裂變壓器的智能化管理。

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