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)
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(yīng)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。
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。
2.1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(yīng)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(yīng)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。
3.1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。
測控裝置的軟件設(shè)計采用實時多任務(wù)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(wù)調(diào)度和7個功能任務(wù),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(wù)按照優(yōu)先級從高到低分別為測量任務(wù)、開關(guān)量控制任務(wù)、故障錄波任務(wù)、通信處理任務(wù)、鍵盤管理任務(wù)、液晶顯示任務(wù)和指示燈任務(wù)[5]。實時任務(wù)調(diào)度是整個系統(tǒng)的核心,是保證多個任務(wù)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(wù)實時調(diào)度,用一個字寄存器作為任務(wù)就緒隊列的位標識,當任務(wù)的執(zhí)行條件滿足后,其相對應(yīng)的位標識置位,任務(wù)調(diào)度時,將該任務(wù)投入運行,這樣可以保證任務(wù)執(zhí)行的確定性和執(zhí)行時間的確定性。
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
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(yīng)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。
參考文獻:
[1]陳樹勇,鮑海,吳春洋,等.分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)功率直接控制方法.中國電機工程學報,2011,31(10):6-10.
[2]杜太行,肖娜,潘洪瑞,等.基于C8051F120的箱式變電站電氣參數(shù)控制與無線傳輸.儀表技術(shù)與傳感器,2012(2):60-62.
[3]王海燕,徐云燕,王世云,等.一種基于DSP+MPC的數(shù)字化保護測控裝置.電力系統(tǒng)自動化,2010,34(9):112-114.
[4]屈國旺,王增平,吳永超,等.實時操作系統(tǒng)VxWorks在微機保護中的應(yīng)用.電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(19):88-91.
[5]陳玉蘭,揭萍,方存洋,等.新型保護測控一體化裝置的研制.電力系統(tǒng)自動化,2005,29(23):83-86