浅谈具有保护功能的一体化电能计量装置设计

黄坚勇，代波，赵欣瑜，张峻，潘晖

（广西电网有限责任公司南宁供电局，广西 南宁 530000）

1 概述

电能计量装置作为终端用户计费设备，广泛应用于各行各业。但在供电过程中，可能由于各种原因会造成不同故障的出现，致使供电可靠性受到影响，出现的故障对电能计量的准确性也会产生影响，文献1-5从不同点分析了不同故障对电量计量的影响。对于偏远山区，查找原因、恢复供电周期可能会比较长，造成用电的愉悦感下降。而电能计量装置直接和供电一次系统相连，时刻采集供电系统的电压电流，为了提高供电的可靠性，把电能计量装置和保护装置结合在一起，在电能计量的同时，实时为台区内的系统和设备保驾护航，当系统出现各种异常状况，一体化电能计量装置采集各种数据进行相应的保护动作，并把故障信息通过载波模块上传至监控调度中心，使运维人员第一时间掌握现场故障情况，提高供电的可靠性。

2 系统结构

根据系统设计需求，设计的系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

系统中CPU采用stm32f103，整个系统包含电压、电流采集模块、保护模块、跳闸模块、录波模块、计量模块、显示模块、载波模块等。装置首先采集系统电压、电流，把电压电流送入计量模块进行电能计量；电压、电流也会送入录波模块，进行电压、电流的录波。同时，电压电流信号通过AD通道进行采集，把电压电流信号转换为数字量进行保护运算，当计算出的电压电流信号超出设定的上下限时，会发出信号，让保护模块动作，如果是轻微过负荷等异常则发出预告信号，并通过载波模块上传至控制中心；如果系统发生故障，则会控制跳闸模块断开后部电路，把故障信号通过载波模块传至控制中心。录波模块则会实时监测系统的运行情况，对系统运行实时状况进行保存。

3 硬件设计

3.1 电压电流采集模块

电压采集单元没有通过电压互感器进行电压采集，而是直接采集系统电压，对于10kV及以上系统的电压则是采集PT互感器的二次电压。电流采集单元通过5A/2.5mA互感器进行电流采集，其电压电流采集原理图如图2。

图2 电压电流采集电路

3.2 电能计量模块

电能计量模块采用ATT7022进行电能量计算，把计算出来的电能量等信息储存在寄存器中，供CPU去读取。其详细原理图如图3所示。

图3 CPU模块电路

3.3 CPU处理模块

CPU处理模块一方面实时读取计量芯片采集到的电能计量数据，同时，也对电压电流信号进行采集转换，对转换后的电压电流数据进行处理运算，判断系统运行情况，如果系统出现故障，会通过保护模块和跳闸模块让后部电路断开。同时，也会把转换后的数据送给录波模块，进行处理，同时，也把需要显示的信息通过显示模块显示出来。

3.4 录波模块

录波模块直接读取CPU采集的电压电流信息，并把读取的电压电流信息进行保存，同时，在录播模块内部事先也会存入部分系统正常运行情况下的电压电流信息，作为一个标准数据库。录波模块读取的数据会与标准库中的数据进行比对，根据比对结果，也会判断系统的运行情况，并把判断结果发送给CPU。

4 软件设计

整个系统的运行控制流程如图4所示。

图4 系统运行控制流程图

根据系统实际配置情况，首先设定系统相关参数，包括电压、电流互感器变比，电压、电流上下限动作值；根据采集的电压电流实时值计算系统电压电流幅值和有效值，计算电能；判断电压电流值是否越限，根据幅值情况确定系统的运行状态，如果判断系统运行至异常情况下，则系统就会根据该情况下采集的电压电流值和波形与正常情况下的电压电流情况进行对比分析，初步给出系统异常原因，并把该分析原因和结果通过载波模块上传至集中单元，由集中单元再上传至监控中心并对系统异常情况进行处理；当判断系统运行至故障状态情况下，首先保护计量装置将会动作于出口断路器，使系统断开故障电路，避免事故的进一步扩大。

5 实验结果

根据软硬件设计情况，自制了一台样机，用该样机进行了相关试验检测。具体实验电路如图5所示。

图5 实验电路图

实验中，通过一个45kVA的RLC负载来模拟台区负载，通过电压电流互感器PT、CT来进行电压采集。其变比分别为电压互感器变比为400V/100V，电流互感器变比为100A/5A。通过样机采集系统电压电流，通过改变RLC负载的大小改变负荷电流大小，当采集点后部出现故障后，装置将自动采集故障并控制后部系统的断开与闭合，控制空开K1的通断来模拟系统缺相断线故障。试验结果如表1所示。

表1 样机实验数据表

6 结语

通过实验结果可以看到，具有保护功能的一体化电能计量装置，不但可以计量系统消耗电能大小，而且可以对供电台区内出现的各种故障进行保护，在保护的同时，可以把故障类型和故障情况等信息通过载波模块上传至监控调度中心，为故障的检修维护提供便捷，节省了维修时间，提高了供电可靠性。