110kV变电站自动化系统的研究

110kV变电站自动化系统的研究

马玲

新疆乌鲁木齐市830000

摘要：电力在工业发展中具有重要的作用，在用电企业的运行中，变电站作为连接配电网和用户的重要节点，其职责主要是改变电压等级，保障给用电设备提供可以接受的电压等级。变电站的自动化系统融合了通信技术、计算机技术、电气技术等多个领域，相比传统的变电站保护装置，微机保护因其处理速度快，处理能力强逐渐成为变电站自动化系统的发展方向。

关键词：110kV；变电站；自动化系统

变电站的继电保护系统融合了计算机技术、通信技术、电气技术等多个领域,以实现电力系统的稳定运行为目的,通过电气测量技术对变电站的主要电气参数进行实时测量,利用软件编程实现相关的额逻辑判断,确定变电站是工作在“故障”、“非故障”、“正常”的工作状态,发出警报并根据需要做出动作。

1变电站自动化系统结构

根据变电站各单元之间的连接关系，将变电站的结构类型分为集中结构、分布式结构和分布式层次结构。集中的结构是通过计算机来收集和处理数据。各单元的功能与硬件结构之间没有直接关系。各单元的功能实现主要通过内部软件实现。这种结构需要对主机进行高速数据操作和处理。在后期的开发和功能扩展中，由于其单一的模式，没有优势。在分布式结构中，各单元采集到的信息进入网络系统，可以相互通信和共享数据信息。当模块发生故障时，不影响其他单元的正常数据采集和处理，便于系统功能的扩展；分布式层次结构以“面向对象”处理为基础，数据采集、处理和维护在S开关柜和管理装置通过光纤相互连接，增加了系统。稳定性。通过对三种变电所结构类型的综合分析，可以看出分布式分层接线简单、稳定、应用广泛。为此，本文设计了基于分布式分层结构的变电站自动化系统。

2硬件设计

2.1主控芯片选型

本系统单片机选用MSP430F5438，它是TI公司新推出的一款具有256KB存储容量的嵌入式微控制器。它最大的特点是具有极低的功耗，只需2.2～3.6V的直流供电电。在低功耗基础上集成更加丰富的外设：它有3个16位定时器、1个高速12位模/数转换器、UART、SPI和12C串行通信、WDT看门狗定时器、Pl-P10端口等，该芯片可以应用于模拟和数字传感器系统。本系统中，利用MSP430F5438可以实现采煤机电气控制器的主要功能，并且降低系统功耗。

2.2模拟信号采集与处理

2.2.1模拟信号采集方法

模拟信号是是在时域上变现连续的信息量，在电气信息中，采集电压和电流都属于模拟信号。对于模拟信号的采集主要包括通道选择、信号放大、信号滤波、U/I转换、V/F转换、A/D转换等部分。

本文在110kV变电站采集电压、电流信号时，由于变电站环境噪声较大，变压器运行中会产生较大的电磁干扰，因此，在模拟信号采集电路中，尤其需要考虑信号滤波电路的设计，既要用到成熟的模拟滤波技术，也要在软件设计中使用算术平均、中值滤波等算法提高系统的可靠性。

2.2.2电流信号形成回路

微机控制系统的电流、电压信息的采集均来自电压互感器（TV）和电流互感器（TA）的二次侧。电流形成回路如下图1所示，Vref为交流的地（GND）。

2.2.3信号处理方法

在模拟信号采集中，根据信息的采集方式，可以分为直流采样和交流采样。两者相比较：直流采样电路结构简单，抗干扰能力强，但是具有较差的实时性，不能满足变电站信息采集的要求；交流采样实时性好，信号失真率低，但是，由于算法复杂，加大微机部分的信号处理难度。因此，有必要使用相关算法，简化程序运算方法，提高微机处理芯片的运算效率。

快速傅里叶变换表示能将某一个满足某个条件的函数表示成三角函数或者正（余）弦函数积分的线型组合，根据变换初始值的不同，可以分为连续傅里叶变换和离散傅里叶变换。

连续傅里叶变换将时域的函数变换成频域的积分形式，可以方便地在频域内对信号进行分析。函数变化形式表示如下。

式中：X[k]为变化后的函数；xn为数列中的点；N数列中元素的个数。

本系统中，考虑采样值的离散性，选择离散性离散型傅里叶变换对采样值进行处理。在保证采样值精确度的同时，减少系统运算量，提高运算速度。

2.3触摸屏显示模块

为了增加变电站自动化系统的人机交互性，本系统在XPT2046作为核心芯片，设计现场显示及操作液晶屏，工作人员可以方便地通过触摸屏调节变电站自动化系统的相关参数。

2.3.1芯片选型

XPT2046是一款四线制的触摸屏控制芯片，具有触摸压力测量的功能，休眠时的功耗可以达到260Ua，具有125kHz的转换速率，工作温度从-40～85℃，可以作为工业级芯片使用。内部集成温度监测及电压监测的功能，可以为触摸屏控制器提供实时温度及电源信息。被广泛应用在监测仪器及其他触摸屏显示的控制器中。

2.3.2硬件电路设计

以XPT2046为核心的四线制触摸屏控制电路设计如下图2所示，图中，C2和C4的电容值为0.1μF,R1的阻值为10Ω；R1的阻值为100kΩ。X+、X-、Y+、Y-四个引脚分别表示X、Y位置的输入；DIN为串行信号的输入端，当CS为低电平是，信号被锁存起来；BUSY为忙时信号线，当CS为高电平是，为高阻态；PEN为接收中断引脚；Vref可以输出/输入参考电压。

3软件设计

3.1下位机界面设计

在触摸屏设计中，除了硬件设计外，还需要对下位机的接口进行设计。根据信息采集的需要，设计相关电气参数的显示和菜单功能。该变电站自动化系统以XPT2046为核心，设计了触摸屏电路，实现了人与系统的双向通信。在下位机界面，不仅要显示现场监控数据，还要显示上位机的操作指令和指令执行情况。下位机显示界面如图3所示。

3.2Labview上位机界面设计

在本系统上位机软件设计中，利用Labview软件可以实现对电压、电流和继电器工作状态的实时监控。在历史数据的存储中，设计的存储容量为一年，变电站数据可根据需要在一定时间调用。图4为实时电压监测显示界面。根据系统电压的变化绘制实时电压曲线，使上位机远程监控系统更加直观。

3.3程序设计

根据110kV变电站自动化系统的运行目标，程序上电后，首先进行自动化监控系统的自检，如果出现故障，则上传数据，发出警报，提示维护人员对监控系统进行维修，监控系统没有故障的前提下，可以采集变电站线路中的电压、电流信息和继电保护设备运行信息，通过监测量判断变电站是否出现故障，并根据判断结果决定是否报警。

结论

分析了变电站自动化系统的结构，包括集中式结构、分布式结构、分布分层式结构，根据不同结构的特点选择适合110kV变电站系统的自动化框架结构。在硬件电路中，详细介绍了模拟信号的采集和处理过程，为了提高系统人机交互性，利用XPT2046为核心设计触摸屏电路。在软件设计部分，介绍了下位机和上位机界面的功能及主程序运行流程。

参考文献：

[1]张振中.110kV变电站继电保护及自动化系统设计[J].机电工程技术,2019,48(05):228-230.

[2]白振华.关于110kV变电站综合自动化系统设计的思考[J].科技与创新,2017(08):94-95.

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