朱亮，尹斌

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京210098）

避雷器是電網(wǎng)中保護電力設(shè)備免受過電壓危害的重要電氣設(shè)備，其運行的可靠性將直接影響電力系統(tǒng)的安全。對避雷器實施在線監(jiān)測，一方面可及早發(fā)現(xiàn)和排除故障，健全變電站避雷器的安全運行預警系統(tǒng)；另一方面 ，可對避雷器泄漏電流及動作次數(shù)進行統(tǒng)計并實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳，從而有效及時地檢測避雷器內(nèi)部缺陷，使之運行更加穩(wěn)定安全可靠[1]。文中采用基波阻性電流法進行硬件電路設(shè)計。這種監(jiān)測方法具有實現(xiàn)容易和采集數(shù)據(jù)參數(shù)全面等優(yōu)點。主要對避雷器的三相電壓、電流等參數(shù)進行采集。硬件電路中設(shè)計了通訊接口，通過RS485轉(zhuǎn)RS232實現(xiàn)遠距離的上位機多點監(jiān)測，適應(yīng)于對避雷器數(shù)量較多的供電網(wǎng)絡(luò)中。

1 避雷器系統(tǒng)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)簡介

該在線監(jiān)測系統(tǒng)用于變電站內(nèi)避雷器的在線監(jiān)測，如圖1所示。其中監(jiān)測器安裝于避雷器的下方，用來監(jiān)測避雷器流過的泄漏電流以及避雷器的動作次數(shù)，還可監(jiān)測避雷器表面的污穢電流。每一相避雷器需安裝一個對應(yīng)的監(jiān)測器。每不超過30個的監(jiān)測器為一組，通過一個485網(wǎng)絡(luò)接到監(jiān)控室內(nèi)的上位計算機或后臺監(jiān)控；超過30個的監(jiān)測器另分組，通過另外的485網(wǎng)絡(luò)接到監(jiān)控室內(nèi)的上位計算機或后臺監(jiān)控。

圖1 避雷器現(xiàn)場安裝示意圖Fig.1 The schematic diagram of MOA installation

1.2 硬件原理圖

文中研究的監(jiān)測系統(tǒng)采用以MSP430為核心的監(jiān)測方法，由于避雷器泄露電流[2]數(shù)值很小，一般只有幾百毫安，所以對硬件電路設(shè)計要求比較高。因此為提高測量的準確性和精度，需要采用具有高靈敏度、低溫漂、高共模抑制比等特點的硬件電路，以達到既消除干擾又使信號不至于失真的效果。

硬件電路主要包括信號輸入模塊、信號調(diào)理模塊、MCU模塊、數(shù)碼顯示模塊及編程模塊等，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換、放大、濾波、采集處理及顯示等功能。信號調(diào)理模塊主要是把輸入的信號幅值調(diào)理到MCU可接受的范圍內(nèi)。MCU模塊主要由單片機MSP430及其外圍電路組成，它對該裝置進行控制并對采集到的數(shù)字信號進行處理，從而判斷避雷器的運行狀態(tài)。485通信模塊將進行數(shù)字諧波處理后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機。為此采用電阻取樣方式，經(jīng)運算放大器放大后輸入MSP430的12位A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)電流測量，如圖2所示。

圖2 全電流模塊硬件電路Fig.2 Hardware circuit of all current module

信號輸入模塊：全電流信號表現(xiàn)為泄漏電流在某個阻值電阻上的電壓降（電阻值大小可根據(jù)需要選擇）。正常時，電阻上的信號大小為（0.1～0.50）V，頻率為 50±0.5 Hz，異常時，最大不超過1.0 V。動作時，脈沖信號被調(diào)理后通過光耦送入單片機。污穢電流信號輸入范圍為0～3 mA，也需先轉(zhuǎn)換為電壓信號再送入單片機。采用羅斯夫線圈測量動作電流的大小，輸出為脈沖信號，此脈沖信號和動作電流大小基本成線性關(guān)系。PT電壓信號為電流型電壓互感器的輸出電流，它提供和全電流之間的相位差。電源為24 V，由外部的開關(guān)電源輸入，并且MCU系統(tǒng)、485通訊和外部24 V輸入之間兩兩光電隔離，如圖3所示。

圖3 通信模塊硬件電路Fig.3 Hardware circuit of communication module

數(shù)碼顯示模塊：當開機自檢時，如果設(shè)備無故障，數(shù)碼管則顯示當前日期和時間（本裝置用PCF8563芯片顯示實時時鐘），持續(xù)5秒后依次顯示持續(xù)電流即全電流的有效值，阻性諧波電流（當監(jiān)測器有PT信號輸入時，顯示阻性電流；無PT信號輸入時，顯示全電流的3次諧波峰值），污穢電流的有效值和全電流上提取的動作信號的次數(shù)。當監(jiān)測器和上位機相聯(lián)時還可以提供累積動作次數(shù)和每一次的動作電流的大小及動作時間。

1.3 避雷器特征參數(shù)檢測及計算原理

本設(shè)計采用FFT算法[3-4]，在MOA特征參數(shù)監(jiān)測中，把電壓序列U（t）分解為基波和各次諧波分量的形式：

式中 k 代表諧波的次數(shù)（k=1，2，3，···），積分離散化后

由此可以計算得到第k次諧波電流的幅值、相角和有效值：

本裝置將通過處理的PT電壓信號和泄露電流信號 （已經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號）利用數(shù)據(jù)采集裝置經(jīng)過A/D同步地轉(zhuǎn)換為數(shù)字化離散信號，然后利用計算機將兩個離散數(shù)字波形信號經(jīng)快速傅里葉變換（FFT），得到兩個信號的基波分量和3次諧波分量傅立葉系數(shù)，進一步求出各分量的有效值和相位差，這時泄漏電流基波分量在電壓基波分量上的投影就是基波阻性電流分量，泄漏電流3次諧波分量在電壓3次諧波分量上的投影就是3次諧波阻性電流分量。將離散的采樣值經(jīng)過離散傅里葉變換（DFT）轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和3次阻性諧波分量，再求出有效值及功率。該算法不需要增加硬件濾波裝置就具有很強的濾波能力，這樣就減少了前向通道誤差，降低系統(tǒng)成本。計算公式表示為：

其中I1x和I3x分別為泄露電流基波分量和3次諧波分量有效值，I1r和I3r分別為基波阻性電流和3次諧波阻性電流有效值，θ1為電流基波分量和電壓基波分量的相位差，θ3為電流3次諧波分量和電壓3次諧波分量的相位差。

本裝置基于采樣定理、MSP430的計算速度、諧波分析及FFT要求（采樣點數(shù)是2的冪次方）等因素，選用每周期每路采樣64點。

表1是某變電站的現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)。通過分析，可知造成該現(xiàn)象的主要原因是相間雜散電容的耦合。現(xiàn)場避雷器水平一字排列，一般認為A、C相對B相的作用是對稱的，并且A、C相受到B相電壓的影響，這樣造成A相數(shù)值較大，B相數(shù)值不變，C相數(shù)值偏小。監(jiān)測運行電流時，若發(fā)現(xiàn)數(shù)值突然增長，應(yīng)充分分析變化的起因。如果三相參數(shù)同時增長，可能與環(huán)境變化有關(guān)，應(yīng)加強巡視，看是否在環(huán)境改善后數(shù)值有所回落。如果三相數(shù)值增加不平衡，一相增長較快則要考慮避雷器的本身原因。

表1 某變電站實測數(shù)據(jù)Tab.1 Test result of the substation

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 下位機數(shù)據(jù)采集及中斷

根據(jù)整個裝置所要完成的不同功能，將軟件劃分為主程序和中斷服務(wù)程序。主程序包括系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和通訊模塊等，中斷服務(wù)程序主要包括避雷器動作次數(shù)捕獲中斷、A/D中斷、與上位機通訊中斷[3]等，最終由這些模塊以及中斷服務(wù)程序來完成避雷器運行狀況的監(jiān)測任務(wù)。主程序首先對裝置初始化，包括MCU初始化、日歷時鐘芯片初始化、存儲器初始化、A/D初始化、異步串行通信初始化等。軟件流程如圖4所示。

圖4 下位機軟件流程圖Fig.4 MSP430 system flow

2.2 上位機監(jiān)控中心服務(wù)器端軟件的設(shè)計

本裝置在Windows XP平臺上利用VB6.0開發(fā)監(jiān)控程序。監(jiān)控中心的軟件設(shè)計主要包括遠程的網(wǎng)絡(luò)接入模塊[5]、曲線顯示模塊、數(shù)據(jù)庫安全性管理模塊[6]。數(shù)據(jù)庫操作可查詢歷史數(shù)據(jù)信息。由于ADO有很強的靈活性，所以最后只需執(zhí)行部分模塊就能滿足功能要求。在使用時，也不用從對象模型的頂層開始一步步的創(chuàng)建子對象。服務(wù)器支持多個客戶端訪問，利用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中記錄的查詢。查詢的信息主要是阻性泄露電流值、雷擊次數(shù)值等數(shù)據(jù)。遠程監(jiān)測系統(tǒng)的查詢功能是基本功能之一。其主要功能是對各類數(shù)據(jù)進行查詢與相關(guān)的統(tǒng)計分析。查詢與顯示歷史記錄程序流程圖如圖5所示。

圖5 歷史記錄流程圖Fig.5 Data record flow

3 結(jié)束語

文章結(jié)合實際需要，利用數(shù)字諧波分析技術(shù)設(shè)計電路，完全滿足避雷器實時監(jiān)測所提出的要求，不僅能準確的測量出MOA的全電流、阻性電流、基波阻性電流等反應(yīng)MOA運行狀況的特征量，還能同時進行多個避雷器的實測數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)記錄和報警。對避雷器運行狀況進行實時網(wǎng)絡(luò)化、遠程化在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以為工作人員對發(fā)生故障及設(shè)備運行狀況進行綜合分析提供必要和可靠的數(shù)據(jù)，保證了快速正確判斷事故并進行有效的恢復處理。

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