电力自动化系统智能保护测控设备的设计与开发
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【摘 要】為了适应电力系统的自动化改造和现代化电能管理的需要，本文设计了集测量、控制、保护、通讯于一体的智能保护测控设备。设备采用了模块化结构，根据实现功能的不同，而将设备分成主控模块、电量转换模块、开入开出模块、通讯模块、人机对话模块。
【关键词】电力自动化；智能保护；测控设备
1电力自动化系统的现有模式
随着社会经济的高速发展，电力工业也随之迅猛发展，用电负荷不断增加，电网结构日趋复杂，对电网的保护、状态监视、综合调控和集中管理以及控制精度、准确度、智能化程度的要求越来越高，人们对提高发、输、配电质量，提高供电可靠性提出了更高的要求，如何运用先进的技术实现电力自动化是电力系统发展的必然趋势，也是电力科技发展的技术动因。
2当前的电力自动化技术
2.1主控模块
主控模块在智能保护测控设备中非常重要，它主要包括以下六个部分：保护ADC部分、单片机部分、电能计量部分、CPLD部分以及看门狗电路和实时时钟电路。主控模块与其它几个模块均有连接，它是一个信息转换枢纽，从数据接收、发送及处理方面来看它主要完成以下几方面的工作：（1）接收从电量转换模块传送来的的模拟量；（2）接收和发送开入开出模块的开关量；（3）根据接收到的各种信号，作出相应计算（如有功、无功功率等电能测量计算等；继电保护算法的计算等）；（4）接收按键信息，发送液晶显示的控制信息，进行人机对话；（5）接收和发送来自通讯模块的信息和数据。
主控模块采用多层印刷板工艺，各部分电路结构紧凑，体积小功能多。保护ADC部分在智能保护测控设备的性能要求中，测量精度要求达到千分之二，而保护精度要求百分之三，所以在设计中测量和保护采用不同的ADC进行转换。ADC的精度要与设备的精度匹配，一方面要求量化误差在总误差中所占的比重要小，使它不会影响保护部分的精度；另一方面必须根据目前设备所要求的精度水平，对ADC的位数提出恰当的要求。
2.2电量转换模块
因为用单片机等微电子元器件所能承受的电压标度远远小于电力系统中的电，所以来自电力系统中的电流信号和电压信号不能直接输入弱电系统。因此，在智能保护测控设备的设计中，必须先用微型电流互感器、电压互感器把电力系统的大电流、大电压转换成符合输入范围的电压，才能再送入主控模块进行AD转换及完成其它后续工作。智能保护测控设备所采集的电力系统中的电量信号，它们除了用于保护判断外还将用于电量测量，由于保护部分和测量部分的精度要求不同，因此在设计中用不同型号的互感器分别构成用于保护和用于测量的输入通道。电量转换模块共有12个互感器，其中三个电压互感器和三个电流互感器分别用来转换保护判断的三相电量信号，并将电量信号传送给主控模块的MAX197进行模数转换；另外的三个电压互感器和三个电流互感器则分别转换电量测量的三相电量信号，将电量信号传送给主控模块的电能计量芯片完成模数转换。
2.3开入开出模块
智能保护测控设备除了有模拟量信号（交流电压、交流电流）输入之外，还要输入相应的开关信号。开关信号主要包括：断路器状态的闭会和断开（即合闸与跳闸），继电器的吸合与释放等。这些信号有着共同的特点：可以用二进制“1”来表示闭合或动作，用“0”来表示断开或无动作，这种仅有两个状态的信息通常被称为开关量。在电力系统运行中，开关量直接改变了电力网络的结构和相应的数学模型，以及电力系统的运行方式和分布，对电力保护而言是非常重要的信息。
采集开关量信息也被称为遥信。开关量信息输入电路中称为开关量输入（开入）通道；开关量信号从电路输出去遥控远方的开关状态，则称为开出。这次设计的智能保护测控设备有八路开入量和八路开出量。开关量输入的接口方式常用的有TTL电平直接接口型和光电隔离型。但是TTL电平直接接口容易受环境干扰的影响造成错误输入。因此在设计中采用光电隔离型输入方式，其主要优点有：输入信号与输出信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强；无触电，耐冲击，寿命长，可靠性高；响应速度快，易与逻辑电平配合使用。
2.4通讯模块
智能保护测控设备在电力自动化系统中，需要实现分散控制和集中管理，要求将各个电力自动化设备连接在网络上，相互之间进行数据通信。数据通信主要体现在两个方面。一个方面是完成电力自动化系统内部各设备之间的信息交换。另一个方面是完成设备与控制中心的通信任务。这些信息主要包括：（1）电压、电流、功率等具体电量测量信息；（2）动化系统通信复杂，设备之间的数据交换量很大，而且可靠性要求很高，所以必须采用统一的通信标准和规约来进行约束。早前，各个厂商对标准和规约都有自己的理解，产品的互连互通存在很大的问题，直到工EC61850的出现。在通讯模块的设计中，结合主控单片机ATMECTA 128的接口特性，采取了串行通信的方案，设计了RS485通信接口。通讯协议则采用MODBUS通信协议，它在电力自动化系统中，被众多的硬件生产厂家所支持并广泛应用。通过此协议，控制器互相之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。
2.5人机对话模块
人机对话模块主要包含按健、是由主控模块的单片机Atmega128模块的。人机对话模块中的按键和液晶显示是实现人机对话的重要器件。电力系统工作人员可以根据需要对智能保护测控设备进行设置各种运行参数或实时显示各种参数。例如，可以通过键盘和显示器来设置电压的上、下限值以及系统日期时间等。在智能保护测控设备的按健设计中，应根据实际需要决定键的数目。在人机对话中，由这六个键来控制显示内容并设置一些参数。如对某个菜单选项做出选择，按确认键对选择的菜单进行处理或者进入下一级菜单；对菜单的选择可以进行查看测量值和修改定值；按退出键返回上级菜单或回到循环显示状态；用上下键可以对光标所在位置的数字进行修改，用左右键可以移动光标等。
2.6硬件抗干扰设计
智能保护测控设备担负着对原始电量信号的采集、计算、上报等对相应设备进行操作等作用。它的可靠性和稳定性对整个电力系统起着举足轻重的作用。然而设备在工作于复杂的电力系统中，存在强电磁场干扰以及输入输出通道引起的干扰等，因此在硬件设计中要特别注意抗干扰，使得设备尽量达到高精度、高可靠性的要求。在设计的初始阶段就考虑到了干扰存在的可能性，并采取了必要的抗干扰措施，如采用集成度很高的芯片、设计看门狗电路以及软件防抖动设计等。为了更安全可靠，在硬件电路的设计中还需要注意以下几点：
（1）接地线要尽量粗，否则接地电位容易随电路的变化而变化，而导致设备的信号电平不稳定，抗干扰信能变差。（2）电路板上的遥信输入输出信号的平行走线不能过长，防止信号间祸合串扰。（3）模拟信号和数字信号分开布置，并且模拟地和数字地先分开走线，最后连接到总接地端形成电路板上的地线。（4）芯片的入口和出口处加入合适大小的滤波电容，可以有效的抑制外部干扰并且输出稳定。（5）电路板布线要避免90度折线。电路板线路设计的可靠性很大程度影响着设备的可靠性，因此在设计中要特别注意，使得设备尽量保证高精度、高可靠性的要求。
3结束语
近年来，随着我国国民经济的增长，电力需求的增长使得电力系统也获得前所未有的发展，为了满足电力系统运行管理现代化的迫切要求，研究电力自动化迫在眉睫。为了保障电力系统的安全运行，电力自动化设备的不断研究和改进是势在必行的。
参考文献：
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