CN201805274U

CN201805274U - 一种多功能智能化配变终端控制装置

Info

Publication number: CN201805274U
Application number: CN2009202775911U
Authority: CN
Inventors: 盛万兴; 孙军平; 张海龙; 范闻博
Original assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2019-12-23

Abstract

本实用新型公开一种多功能智能化配变终端控制装置，具体涉及电压等级在10～35kV多功能智能化配变终端装置。包括主控模块，分别和主控模块连接的数据采集模块、通信模块、显示控制模块和电源模块。本实用新型不仅能够实时监测配电变压器的运行参数(电流、电压、有功功率、无功功率等)和运行状态，而且能够对配电网络进行谐波监测和分析，实现63次谐波监测、电压波动、波形的瞬态捕捉、电压偏差、电压不平衡度、频率偏差等，同时通过配变台区监测实现无功补偿的自动控制。

Description

一种多功能智能化配变终端控制装置

技术领域

本实用新型属于配电自动化领域，具体涉及电压等级在10～35kV多功能智能化配变终端装置。

背景技术

变压器是实现电压变换的电气设备，在用电端，通过变压器将高压传输的电压降低后供给用户使用，在配电网中，配变直接面向用户，数目繁多，安装位置分散，自动化、远动化程度低。电力公司迫切需要通过配变自动化系统对配电网中的配变进行管理，实现配变运行的智能化。

在我国现今运行的配电网中，在配电变压器二次侧安装配变终端单元(TTU)监视配电变压器的电压、电流等多种运行参数的变化，以此来保证系统安全运行是比较普遍的。但是多数TTU都不具备无功补偿控制功能，而配电系统又同时要求有无功补偿控制器来控制电容器投切实现无功的分散补偿。同时，目前实现远程抄表和谐波监测，需要单独配置台区集中器和谐波监测装置，这样就出现了多套自动化装置并列运行的状况，造成了成本上的浪费，也给管理带来了不必要的麻烦。

实用新型内容

为解决现有技术中配变终端只能单一的对配电变压器的运行参数进行采集，而不具备电能质量监测和动态无功补偿功能的问题，本实用新型提供一种将配变监测、无功补偿、电能质量监测以及有载调容配电变压器自动调容于一体的终端装置。具体方案如下：一种多功能智能化配变终端控制装置，包括主控模块，分别和主控模块连接的数据采集模块、通信模块、显示控制模块和电源模块，其特征在于，所述数据采集模块包括CT模块、PT模块、滤波电路、A/D采样电路、锁相环电路和异步计数器，所述CT模块、PT模块分别通过滤波电路与A/D采样电路连接，A/D采样电路与控制模块连接，锁相环电路一端与PT模块连接另一端连接异步计数器；

所述主控模块包括数据处理单元、控制单元、存储单元、时钟电路、开关量输入电路和开关量输出电路，所述数据处理单元与A/D采样电路、存储单元和控制单元连接，异步计数器的信号分别输出到A/D采样电路、数据处理单元，时钟电路、开关量输入电路和开关量输出电路分别连接到控制单元；

所述通信模块包括由控制单元控制的RS232/RS485接口、USB接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口；

所述显示控制模块包括由控制单元控制的显示器、操作键盘和LED显示灯；

所述电源模块与主控模块连接，为控制装置提供电源。

本实用新型的另一优选方式：所述控制装置安装在箱体内，所述箱体包括顶面、底面、前面板、后面板和侧面板，所述箱体内安装有背板，背板安装在后面板上，所述后面板上有预留接口，所述液晶显示器、操作键盘箱体和LED显示灯安装在前面板上，所述开关量输出电路、开关量输入电路安装在开关量板上，所述PT模块、CT模块、滤波电路、A/D采样电路、锁相环电路和异步计数器安装在采样板上，所述数据处理单元、控制单元、存储单元和时钟电路安装在控制板上，所述电源模块安装在电源板上，所述RS232/RS485接口、USB 接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口安装在通信板上，所述开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板采用背插式结构安装在箱体内的背板上。

本实用新型的另一优选方式：所述预留接口内包括预留模拟量采集插口、开关量输入和输出插口、通信插口以及电源输入接口。

本实用新型的另一优选方式：所述通信插口包括RS232/RS485接口、USB接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口；本实用新型的另一优选方式：所述箱体顶面和底面内表面分别安装有相互对应的安装导轨，安装导轨的一端安装有导轨卡钳，所述开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板的上、下边分别插在顶面和底面的安装导轨内。

本实用新型的另一优选方式：所述开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板与背板之间采用OUPIIN 9001-36321C00A端子实现自由插拔式连接。

本实用新型不仅能够实时监测配电变压器的运行参数(电流、电压、有功功率、无功功率等)和运行状态，而且能够对配电网络进行谐波监测和分析，实现63次谐波监测、电压波动、波形的瞬态捕捉、电压偏差、电压不平衡度、频率偏差等，同时通过配变台区监测实现无功补偿的自动控制。此外，本实用新型具有多种通信接口，支持多种通信规约，可以通过GPRS、以太网等方式与监控主站进行通信，实现远方四遥(遥信、遥测、遥控、遥调)。还可以通过WSN无线方式实现台区用户的信息采集功能，根据负荷大小对有载调容配电变压器进行自动调容功能，能够使变压器更加经济运行。同时配变终端装置内嵌WSN无线收发器，能够采集台区中安装WSN采集器的户表信息以及台区总表电量信息，实现自动抄表功能。

附图说明

图1本实用新型结构示意图

图2本实用新型安装示意图

图3本实用新型时钟电路示意图

图4本实用新型锁相环电路示意图

图5本实用新型PT模块测量示意图

图6本实用新型CT模块测量示意图

图7本实用新型A/D采样电路各通道转换结束后读取转换结果的时序示意图

图8本实用新型OMAP-L137处理器与AD7656转换器连接示意图

图9本实用新型单相电路投切电路示意图。

图10本实用新型数据采集与处理的流程示意图

图11本实用新型数据显示与通信的流程示意图

图12本实用新型AD采样通道的程序结构示意图

图13本实用新型OMAP-L137处理器中多任务系统框架示意图

具体实施方式

如图1所示，本实用新型配变终端控制装置包括数据采集模块、通信模块、显示控制模块、主控模块和电源模块，数据采集模块由包括CT模块、PT模块、滤波电路、A/D采样电路、锁相环电路和异步计数器构成，主要负责对变压器绕组侧电流量和电压量的实时采集，采样电路将采集的变压器电力信号输入数据处理单元处理，锁相环电路用于控制同步采样，采样电路每周期采集256点，采样频率50Hz；数据处理单元和主控模块中的处理器采用TI公司的低功耗双核应用处理器OMAP-L137(DSP+ARM9)，数据处理单元应用该内核中的DSP C674X处理器对采样数据进行处理，主控模块的CPU应用内核ARM926EJ对输入、输出等电路进行综合控制；主控模块还连接开关量检测单元，开关量检测单元检测外部开关和电容器工作状态，输入到主控模块中，通信模块由多种通讯方式组成，包括RS232/RS485接口、USB接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口，其中RS485接口用于实现与台区计量总表通信，USB接口方便程序升级以及数据考取，台区与监控主站之间的通信可采用GPRS通信和以太网通信两种方式实现，电源模块主要提供OMAP-L137、A/D采样电路、通信模块以及输入、输出电路中的电源供给。为了达到直观的效果，可在装置的主控模块上连接设置LED灯来显示采集的电力信号的状态，并设有液晶显示器方便用户直接查看变压器的监测状态，同时设置有键盘和按键，数据处理单元连接开关量检测单元的开关量输入电以及开关量输出电路，通过开关量输入电路检测外部开关以及电容器的工作状态，若运行电压过低，投入电容器进行无功补偿，保证变压器的正常运行。

如图2所示，本实用新型的控制装置安装在一个箱体内，箱体包括顶面、底面、前面板、后面板和侧面板，箱体内安装有背板，背板安装在后面板上，后面板上有预留接口，预留接口内安装由背板引出的模拟量采集插口、开关量输入和输出插口、通信插口以及电源输入接口等，通信插口包括RS232/RS485接口、USB接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口。在前面板上安装液晶显示器、操作键盘和LED显示灯。

控制装置按功能将各个电路安装在不同的插板上，开关量输出电路、开关量输入电路安装在开关量板上。PT模块、CT模块、滤波电路、A/D采样电路、锁相环电路和异步计数器安装在采样板上。数据处理单元、控制单元、存储单元和时钟电路安装在控制板上。电源模块安装在电源板上。RS232/RS485接口、USB接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口安装在通信板上。开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板采用背插式结构安装在箱体内的背板上。箱体的顶面和底面内表面分别安装有相互对应的安装导轨，安装导轨的一端安装有导轨卡钳，开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板的上、下边分别插在顶面和底面的安装导轨内，然后由导轨卡钳进行固定，开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板与背板之间采用OUPIIN 9001-36321C00A端子实现自由插拔式连接，整个装置采用独立封闭单元机箱，密封性好，抗干扰、抗振动能力强，保证测量装置精确、高速、可靠的运行。

本实用新型中的微处理器所需时钟电路相对来说比较简单，只需要外接一个无源晶振和两个电容即可实现一个频率为24MHz的时钟，时钟电路如图3所示。

为了能够准确的测量变压器电网中的电网频率、三相电压、三相电流的有效值和相角、每相的功率因数以及各次谐波参数，在变压器电参数的监测过程中不但需要采集瞬时三相电压U_A(t)，U_B(t)，U_C(t)，三相电流i_A(t)，i_B(t)，i_C(t)，还需保持各信号之间的相位关系。要保证在每周波均匀地采样256点，必须使采样频率随电力系统频率改变而改变。本设计采用硬件锁相电路，利用集成锁相环CD4046和外加器件来达到设计的性能要求，采用电压比较器LM339、CD4046和异步计数器CD4020，可以得到随电力系统频率变化的64倍频的采样率。并且在缺相时将A、B、C三相频率依次切换为采样频率基准。

锁相环是由相位比较器(也称鉴相器)、低通滤波器和压控振荡器三个环路部件组成的一个反馈控制系统，锁相环的原理框图如图4所示，相位比较器对输入信号和压控振荡器输出的信号进行比较，当输入信号与压控振荡器输出信号频率相同时，相位比较器的输出为零；两信号的频率和相位不同时，鉴相器的输出就产生一个误差电压，这个误差电压经过滤波环节，控制压控振荡器使其输出频率f2和输入信号的频率f1相同，实现了锁相。

锁相环CD4046是一种低频多功能单片数字集成锁相环集成电路，最高工作频率为1MHz，电源电压5～15V。其工作特性受电源电压的影响。与类似的双极性单片集成锁相环电路相比，功耗更低。将多路开关选通的电网同步方波作为锁相环输入频率f1，输出频率f2经过计数器分频后跟踪输入频率f1，这样分频器之前的频率即是输入频率f1的N倍。

数据采集实际上就是一个A/D转换的过程，即将配电网采集的三相电压、电流模拟量经高精度的PT模块、CT模块变成小信号模拟量，经A/D采样电路，转换为能被单片机接受和处理的数字量，在本设计中，PT模块采用电压-电压变换器LXYA，额定电压120V，输出电压3.53V；CT模块采用电流-电压变换器LXLF，额定电流5A，输出电压3.53V，两种变换器的抗电强度都在3000V以上，相位差≤5，比差非线性度≤0.1％，线性范围在5％～120％，满足测量要求。本设计中需要采样电网的三相电压和三相电流，共6路模拟量，在此给出了其中一相电压U_A和一相电流I_A的模拟量测量原理图，如图5和6所示。

本实例中采用的LM324是一款单电源高性能四通道运算放大器产品，具有低输入偏置电流，最大仅为2nA；低输出失调电压，最大仅为60μV；低温漂、低噪声、高精度，即使在高达125℃的恶劣环境下，仍具有相当稳定性能。

本实施例采用A/D采样电路采用AD7656转换器，每片AD7656接成6路同步采集输入，共两片，数据读出方式为循环输出，数据宽度输入为16位，采样速率达250Kbps，每周波采样256点，采样周期为20ms/256≈78.125μs。

AD7656是一种高速、低功耗、六通道同步采样的16位A/D转换器，采用+5V供电，6个跟踪/保持放大器，内部2.5V参考电压，片上时钟振荡器和一个高速并行接口，六个通道的输入信号是同步采样的，因而可以保存6路信号的相对相位信息。本实施例采用的是AD7656型号，它允许±10V，±5V两种输入范围，图7为AD7656各通道转换结束后读取结果的时序图，CONVST为保持信号，由OMAP-L137中的控制信号触发。图8为OMAP-L137与一片AD7656的连接图。使用I/O口启动AD转换，两片AD7656的片选信号由DSP C674X上的译码电路和空间选通信号共同产生，AD的BUSY引脚连接OMAP-L137的外部中断XINT1，由AD转换结束信号触发OMAP-L137中断，OMAP-L137读取AD转换结果。

本实用新型装置数据处理单元经过主程序初始化后开始工作，根据规定的采样间隔，控制AD转换器各通道采样保持器同时采样，并在每一次采样后向OMAP-L137请求中断，读取采样数据。当AD7656的保持信号CONVST变为低电平时，对应的输入信号立即被保持，只要这时AD7656的ADC是空闲的，即可进行AD转换，由于每片AD7656有六路通道，如果这时已有其它的通道处于保持状态，则该通道将等待前面的通道完成转换后才能进行AD转换。如果在一个时钟周期各通道都处于保持状态，则通道A先转换，接着通道B，依次类推。另外，如果一个通道正在进行AD转换时，该通道又产生了保持有效信号，则这次保持信号无效，AD转换器的工作流程图见附图12所示。在通道没有启动一次新的转换时，保持信号可以保持低电平，但是要启动一次新的转换时，则要使保持信号CONVST先变为高电平(≥20ns)，然后再变为低电平才会有效。AD7656片内带转换方式可编程控制器，可以控制转换方式，转换结果储存在芯片内部的RAM中，每次同时启动6路模拟量采样，采样时间间隔为50us，即0.02s/256(每周波采样点数)，片内采样将6路信号保持，转换完成后，产生外部中断，在中断服务程序中OMAP-L137依次读取3片AD转换结果。

本实用新型装置采用晶闸管投切电容器方式实现无功补偿，单相投切原理图如图9所示，晶闸管投切电路器件包括触发继电器MOX3801和双向可控硅。其中，M0C3801为摩托罗拉公司出品的一款固体过零触发继电器，1、2是输入发光二极管的两端，3、4为过零监测的两端，Output是由OMAP-L137中I/O提供的触发信号，Phase通过过流熔断器与A、B、C三相中任意一相母线相联，Cap与电容器的非地端相联。若需要电容器投入时，CPU控制I²C总线使OMAP-L137相应I/O口输出为1，即OutPut为1，使U71输出端置为低电平，进而使触发继电器MOC3801的输入发光二极管导通，MOC3801开始检测Phase与Cap间的电压过零信号，一旦检测到3、4端之间电压过零信号，则MOC3801的3、4端导通，当双向可控硅V71的触发控制端获得正向触发信号，使双向可控硅导通，随着电压正弦变化正反向在波峰和波谷时交替导通，进而将电容器联入系统，达到补偿无功的效果。若需要电容器切除时，OPAM-L137相应I/O口输出为0，OutPut为0，使U71输出置为高电平，则触发继电器1、2端无法导通，MOC3801的3、4端在电压波峰或波谷时关断，双向可控硅因为没有正向触发信号，在Phase和CaP间电压接近峰值后关断并无法再投入，所以电容器退出运行。

本实用新型装置需要完成的任务有数据采集、数据处理、数据通信与数据显示。数据采集和处理程序包括初始化子程序、自检子程序、AD子程序、数据处理(快速傅立叶变换FFT算法)子程序，数据显示和通信程序包括各种初始化子程序、通信子程序、显示子程序，采用C语言和汇编语言混合编写，其中主函数和DSP函数部分采用C程序编写；中断服务和控制程序采用汇编语言编写，并供C调用。

数据采集和处理程序流程如图10所示，数据显示和通信的流程图如图11，图中的FinFlag为计算完成标志。外部输入的电压、电流信号经过CT模块、PT模块变为低压小信号，经过信号调理，成为可以直接被AD转换器采样的信号，输入AD转换器；AD转换器完成一次AD转换后，将数据送到输出寄存器，由OMAP-L137芯片进行读取；当所有的数据采集完成后，OMAP-L137启动数据处理程序，即应用FFT算法对采集的数据进行分析和计算，计算A、B、C三相的电压、电流的基波有效值和各次谐波值。当计算完成，置单片机可以读标志FinFlag为1。当读取完数据置FinFlag标志为0，启动OMAP-L137下一次AD转换，然后完成显示任务并通过串行口传给远程主机。

在本实施例中，采用FFT算法实现变压器运行参数的计算。快速傅立叶变换FFT(Fast Fourier Transformer)，是控制装置中对A/D采样模块采集的变压器电参数进行运算所采用的算法。FFT由于具有原位性，计算量较小并且易于流水线操作等特点，所以非常适合用DSP进行处理。根据微积分理论，任何一个函数若满足狄利克雷(Dirichlet)条件，则可以展开成傅立叶级数形式。电压信号u(t)的傅立叶级数形式为：

U (t) = Σ_{k = 0}^{\infty} U_{km} \sin (kwt + φ_{k}) = Σ_{k = 0}^{\infty} (a_{ku} \sin kwt + b_{ku} \cos kwt) - - - (1)

对u(t)每周期均匀同步采样N点，得到u(n)，对其作离散傅立叶变换。积分离散化后得：

a_{ku} = \frac{2}{N} Σ_{n = 0}^{N - 1} u (n) \cos \frac{2 π}{N} kn;

b_{ku} = \frac{2}{N} Σ_{n = 0}^{N - 1} u (n) \sin \frac{2 π}{N} kn - - - (2)

可得出第k次谐波电压的振幅、相角、有效值为：

U_{km} = \sqrt{a_{ku}^{2} + b_{ku}^{2}};

φ_{k} = arctg b_{ku} / a_{ku}; U_{k} = \sqrt{\frac{1}{2} U_{km}} - - - (3)

电流的计算方法类似于电压。由于非正弦周期函数的有效值等于信号中各次谐波的有效值的平方和的平方根，因此电压、电流的有效值分别为：

U_{rms} = \sqrt{Σ_{N = 0}^{\infty} U_{k}^{2}};

I_{rms} = \sqrt{Σ_{N = 0}^{\infty} I_{k}^{2}} - - - (4)

傅立叶算法可以计算出各次谐波的参数，从而计算出总的电参数。该算法具有很强的滤波能力，适合于电力系统参数测量分析。经过FFT运算后，所有模拟量都被分解成实部、虚部两部分，分别表示余弦、正弦分量幅值。

图12为采样子程序流程图，在通道没有启动一次新的转换时，保持信号可以保持低电平，但是要启动一次新的转换时，则要使保持控制信号CONVST先变为高电平，然后再变为低电平才会有效。经过傅氏运算后，所有模拟量都被分解成实部、虚部两部分，分别表示余弦、正弦分量幅值。

在出中断服务程序前改变AD转换器的工作方式，此时采样跟踪输入信号为了严格控制采样点时间上为等间隔，转换启动信号CONVST由单片机定时器控制，所有A/D都转换完成后产生一中断至单片机外围中断，CPU响应中断后启动AD中断服务程序。

随着嵌入式系统与网络的日益结合，为了方便实现网络化功能，多任务管理，提高系统的可靠性，本实用新型装置采用Montavista Linux操作系统，移植到CPU OPAM-L137微处理器上。Montavista Linux属于抢先式剥夺型实时内核，永远保证优先级最高的就绪任务的运行。Montavista Linux可以完成各个任务之间的调度和同步，协调硬件资源，对任务的调度，按优先级的高低顺序进行，最高优先级的任务一旦就绪，总能得到CPU的使用权。多任务系统原理图如图13所示，该系统几个任务的优先级从高到低的排列次序为：串口通信、采样中断、数据采集任务、告警管理、开关量处理任务、参数管理任务。

Claims

1.一种多功能智能化配变终端控制装置，包括主控模块，分别和主控模块连接的数据采集模块、通信模块、显示控制模块和电源模块，其特征在于，所述数据采集模块包括CT模块、PT模块、滤波电路、A/D采样电路、锁相环电路和异步计数器，所述CT模块、PT模块分别通过滤波电路与A/D采样电路连接，A/D采样电路与控制模块连接，锁相环电路一端与PT模块连接另一端连接异步计数器；

所述电源模块为控制装置提供电源。

2.如权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置安装在箱体内，所述箱体包括顶面、底面、前面板、后面板和侧面板，所述箱体内安装有背板，背板安装在后面板上，所述后面板上有预留孔，所述液晶显示器、操作键盘和LED显示灯安装在前面板上，所述开关量输出电路、开关量输入电路安装在开关量板上，所述PT模块、CT模块、滤波电路、A/D采样电路、锁相环电路和异步计数器安装在采样板上，所述数据处理单元、控制单元、存储单元和时钟电路安装在控制板上，所述电源模块安装在电源板上，所述RS232/RS485 接口、USB接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口安装在通信板上，所述开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板采用背插式结构安装在箱体内的背板上。

3.如权利要求2所述的控制装置，其特征在于，所述预留接口内包括预留模拟量采集插口、开关量输入和输出插口、通信插口以及电源输入接口。

4.如权利要求3所述的控制装置，其特征在于，所述通信插口包括S232/RS485接口、USB接口、GPRS接口、以太网接口和WSN无线收发接口。

5.如权利要求4所述的控制装置，其特征在于，所述箱体顶面和底面内表面分别安装有相互对应的安装导轨，安装导轨的一端安装有导轨卡钳，所述开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板的上、下边分别插在顶面和底面的安装导轨内。

6.如权利要求5所述的控制装置，其特征在于，所述开关量板、采样板、控制板、电源板和通信板与背板之间采用OUPIIN 9001-36321C00A端子实现自由插拔式连接。