淺談具有保護(hù)功能的一體化電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)

黃堅(jiān)勇，代波，趙欣瑜，張峻，潘暉

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局，廣西 南寧 530000）

1 概述

電能計(jì)量裝置作為終端用戶計(jì)費(fèi)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。但在供電過程中，可能由于各種原因會(huì)造成不同故障的出現(xiàn)，致使供電可靠性受到影響，出現(xiàn)的故障對(duì)電能計(jì)量的準(zhǔn)確性也會(huì)產(chǎn)生影響，文獻(xiàn)1-5從不同點(diǎn)分析了不同故障對(duì)電量計(jì)量的影響。對(duì)于偏遠(yuǎn)山區(qū)，查找原因、恢復(fù)供電周期可能會(huì)比較長(zhǎng)，造成用電的愉悅感下降。而電能計(jì)量裝置直接和供電一次系統(tǒng)相連，時(shí)刻采集供電系統(tǒng)的電壓電流，為了提高供電的可靠性，把電能計(jì)量裝置和保護(hù)裝置結(jié)合在一起，在電能計(jì)量的同時(shí)，實(shí)時(shí)為臺(tái)區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)和設(shè)備保駕護(hù)航，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)各種異常狀況，一體化電能計(jì)量裝置采集各種數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，并把故障信息通過載波模塊上傳至監(jiān)控調(diào)度中心，使運(yùn)維人員第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)故障情況，提高供電的可靠性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中CPU采用stm32f103，整個(gè)系統(tǒng)包含電壓、電流采集模塊、保護(hù)模塊、跳閘模塊、錄波模塊、計(jì)量模塊、顯示模塊、載波模塊等。裝置首先采集系統(tǒng)電壓、電流，把電壓電流送入計(jì)量模塊進(jìn)行電能計(jì)量；電壓、電流也會(huì)送入錄波模塊，進(jìn)行電壓、電流的錄波。同時(shí)，電壓電流信號(hào)通過AD通道進(jìn)行采集，把電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算，當(dāng)計(jì)算出的電壓電流信號(hào)超出設(shè)定的上下限時(shí)，會(huì)發(fā)出信號(hào)，讓保護(hù)模塊動(dòng)作，如果是輕微過負(fù)荷等異常則發(fā)出預(yù)告信號(hào)，并通過載波模塊上傳至控制中心；如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則會(huì)控制跳閘模塊斷開后部電路，把故障信號(hào)通過載波模塊傳至控制中心。錄波模塊則會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行保存。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電壓電流采集模塊

電壓采集單元沒有通過電壓互感器進(jìn)行電壓采集，而是直接采集系統(tǒng)電壓，對(duì)于10kV及以上系統(tǒng)的電壓則是采集PT互感器的二次電壓。電流采集單元通過5A/2.5mA互感器進(jìn)行電流采集，其電壓電流采集原理圖如圖2。

圖2 電壓電流采集電路

3.2 電能計(jì)量模塊

電能計(jì)量模塊采用ATT7022進(jìn)行電能量計(jì)算，把計(jì)算出來的電能量等信息儲(chǔ)存在寄存器中，供CPU去讀取。其詳細(xì)原理圖如圖3所示。

圖3 CPU模塊電路

3.3 CPU處理模塊

CPU處理模塊一方面實(shí)時(shí)讀取計(jì)量芯片采集到的電能計(jì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)，也對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，判斷系統(tǒng)運(yùn)行情況，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會(huì)通過保護(hù)模塊和跳閘模塊讓后部電路斷開。同時(shí)，也會(huì)把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送給錄波模塊，進(jìn)行處理，同時(shí)，也把需要顯示的信息通過顯示模塊顯示出來。

3.4 錄波模塊

錄波模塊直接讀取CPU采集的電壓電流信息，并把讀取的電壓電流信息進(jìn)行保存，同時(shí)，在錄播模塊內(nèi)部事先也會(huì)存入部分系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下的電壓電流信息，作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)。錄波模塊讀取的數(shù)據(jù)會(huì)與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)比對(duì)結(jié)果，也會(huì)判斷系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并把判斷結(jié)果發(fā)送給CPU。

4 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行控制流程圖

根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際配置情況，首先設(shè)定系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，包括電壓、電流互感器變比，電壓、電流上下限動(dòng)作值；根據(jù)采集的電壓電流實(shí)時(shí)值計(jì)算系統(tǒng)電壓電流幅值和有效值，計(jì)算電能；判斷電壓電流值是否越限，根據(jù)幅值情況確定系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果判斷系統(tǒng)運(yùn)行至異常情況下，則系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)該情況下采集的電壓電流值和波形與正常情況下的電壓電流情況進(jìn)行對(duì)比分析，初步給出系統(tǒng)異常原因，并把該分析原因和結(jié)果通過載波模塊上傳至集中單元，由集中單元再上傳至監(jiān)控中心并對(duì)系統(tǒng)異常情況進(jìn)行處理；當(dāng)判斷系統(tǒng)運(yùn)行至故障狀態(tài)情況下，首先保護(hù)計(jì)量裝置將會(huì)動(dòng)作于出口斷路器，使系統(tǒng)斷開故障電路，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)軟硬件設(shè)計(jì)情況，自制了一臺(tái)樣機(jī)，用該樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)。具體實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路圖

實(shí)驗(yàn)中，通過一個(gè)45kVA的RLC負(fù)載來模擬臺(tái)區(qū)負(fù)載，通過電壓電流互感器PT、CT來進(jìn)行電壓采集。其變比分別為電壓互感器變比為400V/100V，電流互感器變比為100A/5A。通過樣機(jī)采集系統(tǒng)電壓電流，通過改變RLC負(fù)載的大小改變負(fù)荷電流大小，當(dāng)采集點(diǎn)后部出現(xiàn)故障后，裝置將自動(dòng)采集故障并控制后部系統(tǒng)的斷開與閉合，控制空開K1的通斷來模擬系統(tǒng)缺相斷線故障。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

6 結(jié)語(yǔ)

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，具有保護(hù)功能的一體化電能計(jì)量裝置，不但可以計(jì)量系統(tǒng)消耗電能大小，而且可以對(duì)供電臺(tái)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行保護(hù)，在保護(hù)的同時(shí)，可以把故障類型和故障情況等信息通過載波模塊上傳至監(jiān)控調(diào)度中心，為故障的檢修維護(hù)提供便捷，節(jié)省了維修時(shí)間，提高了供電可靠性。