基于一体化电源信号采集技术的集成转接板开发与应用

宋海龙，臧瑞，柴斌，史磊，赵晓健

（1.国网宁夏电力有限公司超高压公司，宁夏银川 750011；
2.国网宁夏电力有限公司，宁夏银川 750001；
3.山东泰开自动化有限公司，山东泰安 271000）

随着国内变电站、电厂、厂矿企业电力系统智能化的不断推进，各种无人值守变电站不断增多，一体化电源系统作为变电站安全运行的核心组成部分，其数据信号采集及报警技术显得越发重要[1-3]。由于一体化电源系统对稳定性的要求不断提升，数据信息集成、细节处理将成为低压直流电源市场的主要竞争力[4-5]。特别是传统一体化电源系统屏柜内信号回路及引线分散性大，接点数量多，极易产生接线杂乱、错误及数据信息采集不准确等问题，增大了变电站一体化电源系统的工程安装及调试工作量，降低了系统维护及应急处置效率，存在较大的现场作业安全隐患[6-8]。

传统一体化电源系统将低压电源回路开关量、模拟量信号单独接线，其数据采集及报警模块主要包括电流（漏电流）监测模块、馈线报警监测模块和馈线状态监测模块等部分[9-10]。其中，馈电回路电流（漏电流）信息是通过电流（漏电流）监测模块从电流传感器“+”、“-”、“M”、“G”端口进行采集，开关报警信息是通过馈线报警监测模块从开关报警接点“SD”端口进行采集，开关状态信息是通过馈线状态监测模块从开关状态接点“OF”端口进行采集[11]。

由于一体化电源屏柜内负载数量较大、回路较多，传统的数据采集及报警方式分散性较大、引线及接头数量繁多，极易导致回路接线错误、数据信息采集不准确等问题发生。主要表现在以下三个方面：

1）开关量采集方式如图1 所示，每路开关均配置报警触点和状态触点，将所有开关量一端触点短接，作为采集公共端COM 引至一体化电源馈线检测单元GND 端，而报警触点、状态触点的另一端分别引至一体化电源馈线检测单元开关量信息采集接点处。以21路开关为例，需引接至一体化电源馈线检测单元43条引线。

图1 传统开关量采集方式

2）模拟量采集方式如图2 所示，每路漏电流传感器工作电源“+”、“-”、“G”可短接后引至一体化电源馈线检测单元“+12 V”、“GND”、“-12 V”接点，而每路传感器“M”端需分别引至一体化电源馈线检测单元。以21路漏电流传感器为例，需引接至一体化电源馈线检测单元24条引线。

图2 传统模拟量采集方式

3）一体化电源馈线检测单元接线方式如图3所示，该检测单元含64 路接点，可引接21 路开关、21 路漏电流传感器，其中1-21 为开关量报警触点，22-42 为开关量状态触点，43-63 为模拟量信息采集接点。

图3 传统一体化电源馈线检测单元接线方式

从图3可知，若1）、2）所描述的所有开关报警触点、状态触点、传感器模拟量采集接点均引至一体化电源馈线检测单元，则21 路开关、21 路漏电流传感器共需接67条引线，且需严格按照报警触点、辅助触点、模拟量采集接点的顺序依次接线，在接线数量、接线规则方面都对接线工艺提出了较高的要求；
同时，一体化电源馈线检测单元安装于屏柜顶部，距离开关、传感器位置较远，引接线缆较长，每条引线长度平均在75 cm 左右，21 路馈线合计引线长度约5 025 cm，极易出现接线错误情况，不便于现场故障排查。

2.1 产品开发

为了解决一体化电源系统数据采集及报警方式存在的弊端，进一步提升数据采集准确性、系统维护及应急处置效率，急需提出一种新结构、新方式解决以上问题。本文开发了一套基于一体化电源信号采集技术的集成转接板，相较于传统一体化电源系统采集方式，其运行可靠性、集成度和准确性等方面均有显著优势。

基于一体化电源信号采集技术的集成转接板采用PCB 板，由电路板、接线端子、RJ45接口组成，线路板可根据不同需求模式进行适应性设计[12-13]。集成转接板设计简图包括以下三种模式，如图4所示。

图4 集成转接板设计简图

从图4 可知，三种集成转接板是根据不同需求模式对TJ-F/5.08-4P 接线端子、RJ45 接头焊接点位置进行调整，相应的屏蔽双绞线水晶头均采用EIA/TIA 568B 线序标准连接，适用范围及特点具体如下：

1）模式一：主要适用于一体化电源系统中馈出支路含电流数据采集或漏电流数据采集的情况。

2）模式二：主要适用于一体化电源系统中馈出支路不含电流数据采集或漏电流数据采集的情况。

3）模式三：主要适用于一体化电源系统中交流系统为抽出式结构。

2.2 硬件结构

在工程应用中，集成转接板具有板卡体积小，节省安装空间，安装放置灵活，接线简单，错误率低，柜内配线清晰等特点。三种对应的集成转接板硬件结构如图5所示。

图5 集成转接板硬件结构

从图5 可知，三种集成转接板硬件结构有所区别，主要包括以下特点：

1）模式一，接线端子与RJ45接口位于电路板两侧，集成转接板“+”、“-”、“M”、“G”端口具备插接功能，无需单独接线，便于电流（漏电流）数据采集；

2）模式二，接线端子与RJ45接口位于电路板同侧，两排接线端子紧凑布置，集成转接板“跳闸”、“辅助”端口便于开关报警及开关状态数据采集；

3）模式三，接线端子与RJ45接口位于电路板同侧，两排接线端子分列布置，端子引线整齐不交叉，便于现场安装布线。

2.3 装配应用

以模式一为例，基于一体化电源信号采集技术的集成转接板可插接在传感器“+”、“-”、“M”、“G”端口，与传感器之间无需引线，如图6所示。

图6 集成转接板装配应用

该装配方式下，开关位于屏柜正面，传感器与转接板位于屏柜背面，将开关报警触点、状态触点引至集成转接板仅需4 条引线，以21 路开关、21路漏电流传感器为例，共需接84条引线，且每条引线较短，长度平均在20 cm 左右，21路馈线合计引线长度约1 680 cm，引线总长度较传统接线方式减少2/3 以上，接线不易出错，故障排查方便，其采集数据经转接板通过网线引至一体化电源馈线检测单元。

从图6可知，集成转接版采取插接法，能够有效避免模拟量信息采集接线，减少开关量信息接线长度，实现对采集接线的集成化处理，极大提高采样信息的可靠性。

2.4 应用案例

以一条直流馈线回路为例，模式一集成转接板的信号处理方式如图7 所示。从图7 可知，集成转接板在直流馈线回路信号处理中处于关键环节，能够对馈电回路电流（漏电流）信息、开关报警信息、开关状态信息等进行采集、汇总及转接处理。

图7 馈线回路信号处理方式

1）电流（漏电流）传感器一般放置于馈线开关下侧，距离开关位置较近，传感器“+”、“-”、“M”、“G”端口可与集成转接板对应采集端口进行插接，无需单独接线。

2）馈线开关报警接点“SD”和开关状态接点“OF”可分别引至集成转接板“跳闸”、“辅助”成对端口处，其接线较短，且易分辨。

3）RJ45 接口采用以太网方式，通过1 根超五类屏蔽双绞线将馈线回路模拟量、开关量等数据信息送至TK-K-10直流馈线监测模块LAN1网口处，柜内接线工艺更加美观、大方。

4）直流馈线监测模块与一体化电源监控系统进行通信联络，从而实现对馈线回路遥信量、遥测量的实时信息传输和统一监控管理[14]。

模式一至模式三集成转接板实物接线示例如下：

1）图8 为模式一实物接线图，适用于低压直流电源系统。开关位于屏柜正面，传感器与转接板位于屏柜背面，每一条直流馈线回路配置1 个传感器，集成转接板在传感器下侧插接至“+”、“-”、“M”、“G”端口，开关量触点接至转接板时只需较短引线，整体效果良好，配线清晰，线束整齐、美观。

图8 模式一馈线回路接线实物

2）图9 为模式二实物接线图，适用于交流UPS 不间断电源系统。开关位于屏柜正面，转接板位于屏柜背面，未配置传感器，为避免转接板焊接点与金属接触，将开关安装板设计为“C”字形，将无焊点部分固定在C型安装板上，开关报警触点、状态触点从上侧引接至集成转接板采集端口，并通过网线将采集信息传输至一体化电源馈线检测单元，接线效果良好，配线清晰。

图9 模式二馈线回路接线实物

3）模式三与模式二实物接线类似，适用于抽出式结构电源系统，区别在于匹配不同结构的屏柜，此处不再赘述。

1）基于一体化电源信号采集技术的集成转接板体积小，节省安装空间，安装放置灵活，信号、数据采集接线短且少，每一条支路对应1 个转接板和1 根屏蔽双绞线，便于线缆纠错及现场维护。

2）集成化转接板的信号处理方式，使屏柜内接线简单，配线清晰，接线工艺整齐美观，减少了变电站一体化电源系统安装、调试及消缺工作量，提高了系统维护及应急处置效率。

3）集成转接板的工程应用，极大降低了接线错误、数据信息采集不准确等问题，满足了变电站数据采集准确性的要求，提高了一体化电源系统运行的安全可靠性。

1）集成转接板将模拟量、开关量信号进行采集、汇总和转接处理，将负载运行状态信息送至直流馈线监测模块，实现对数据及报警信息的集中统一处理。屏柜内剩余空间较大，接线整齐美观，减少了一体化电源系统安装、调试及消缺工作量。当直流馈线回路发生异常时，能够快速故障定位，及时发现并消除隐患问题，充分保障了设备安全稳定运行。

2）与传统分散性单独接线的方式相比，集成转接板信息处理方式具有更强的集成度及实用性，数据采集及报警引线长度较短，接线简单不易出错，满足了变电站数据采集准确性的要求，其工程设计及应用可为全国变电站一体化电源信号采集及转接设计提供参考，具有较大的应用推广范围。

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