劉亞林 趙勝男 吳西博 張世達(dá)

摘? 要：因在線監(jiān)測(cè)傳感器一次設(shè)備受浪涌、雷擊等過(guò)電壓沖擊的影響，導(dǎo)致其運(yùn)行可靠性較差，從而使在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)揮監(jiān)測(cè)效果。文章基于工業(yè)級(jí)8位MCU的通訊及采樣保護(hù)控制單元，結(jié)合工程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出一種研發(fā)在線監(jiān)測(cè)傳感器的新設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè)傳感器;泄漏電流;MCU程控單元;信號(hào)采樣保護(hù)單元;信號(hào)采樣及調(diào)理單元

中圖分類號(hào)：TM93;TP212? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）01-0041-03

Abstract：The online monitoring sensor is affected by overvoltage surges such as surges and lightning strikes on the primary equipment，which results in poor operational reliability and makes it difficult for the online monitoring system to monitor. Combined with engineering research and development experience，the article proposed a new design idea for developing online monitoring sensor based on the communication and sampling protection control unit of industrial 8-bit microcontroller （MCU）.

Keywords：online monitoring sensor;leakage current;MCU program control unit;signal sampling protection unit;signal sampling and conditioning unit

0? 引? 言

變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的安全。通過(guò)借助先進(jìn)電子通信技術(shù)，在線監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)感知設(shè)備的健康狀態(tài)，對(duì)于防止運(yùn)行事故的發(fā)生以及為狀態(tài)檢修提供依據(jù)具有重要意義[1-3]。文獻(xiàn)[4]介紹了一種高壓斷路器的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[5]介紹了一種包括數(shù)據(jù)截?cái)嗪蛿?shù)據(jù)疊加的數(shù)據(jù)處理方法用于在線監(jiān)測(cè)。但實(shí)現(xiàn)這些，需要依賴傳感器精準(zhǔn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集。

變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，一次設(shè)備經(jīng)常遭受浪涌、雷擊等過(guò)電壓的沖擊，這些因素對(duì)在線監(jiān)測(cè)傳感器的影響很大，進(jìn)而會(huì)影響到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果[6，7]。在線監(jiān)測(cè)傳感器長(zhǎng)期在變電站的復(fù)雜電磁環(huán)境下運(yùn)行，當(dāng)一次設(shè)備經(jīng)受浪涌、雷擊等過(guò)電壓的沖擊時(shí)很容易造成傳感器內(nèi)脆弱的信號(hào)采樣電路損壞。以上因素的影響導(dǎo)致傳感器的性能難以滿足在線監(jiān)測(cè)的要求，很多已投運(yùn)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍存在運(yùn)行可靠性差的缺陷，傳感器故障頻發(fā)，系統(tǒng)難以發(fā)揮作用[8]。

本文力求解決傳感器在超、特高壓變電站環(huán)境下的可靠性問(wèn)題。針對(duì)變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境，高壓電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的獲取方式一般是通過(guò)高精度穿心式電流互感器采集設(shè)備的對(duì)地泄漏電流信號(hào)，因此當(dāng)一次設(shè)備遭受浪涌、雷擊等過(guò)電壓的沖擊時(shí)，雖然互感器線圈的磁感應(yīng)回路會(huì)產(chǎn)生飽和，但互感器的二次側(cè)輸出信號(hào)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，對(duì)傳感器內(nèi)脆弱的信號(hào)耦合及調(diào)理電路產(chǎn)生沖擊，從而導(dǎo)致傳感器的損壞[9]。

因此，文章首先分析了傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)傳感器的缺陷。然后，為了提高在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對(duì)傳感器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，結(jié)合研制單位在智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域多年的工程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出了新的設(shè)計(jì)思路。

1? 傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)傳感器的缺陷

變電站一次設(shè)備（包括各類電容型設(shè)備、避雷器、各類套管、主變鐵芯、無(wú)功補(bǔ)償電容器組等）的對(duì)地泄漏電流中包含了阻抗角、有功量、無(wú)功量等表征設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征參數(shù)。

電容型電壓互感器（CVT）等效電氣模型如圖1所示，其中，虛線部分表示外部殼體的等效電阻。

圖1中，C1為高壓電容;C2為中壓電容;L1為中壓變壓器一次繞組;L2為補(bǔ)償電抗器;I1為容性電流;I2為中壓變壓器空載電流;Ir為阻性電流;R為等效介質(zhì)電阻;Ix為全電流;U1為高壓電容分壓;U2為中壓電容分壓;Ux為運(yùn)行電壓。因此，對(duì)泄漏電流實(shí)施在線監(jiān)測(cè)可以通過(guò)泄漏電流獲知設(shè)備的健康狀態(tài)，進(jìn)而可以預(yù)防事故并為狀態(tài)檢修提供依據(jù)[10]。

變電站一次設(shè)備對(duì)地泄漏電流的信號(hào)范圍跨度很大，比如某些電容型設(shè)備的對(duì)地泄漏電流可達(dá)數(shù)百毫安，而某些避雷器正常工作時(shí)其泄漏電流為數(shù)十微安，但在遭受系統(tǒng)過(guò)電壓（浪涌、雷擊等）沖擊時(shí)，其對(duì)地泄放電流可達(dá)數(shù)千安培。

目前，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)所依賴的主要技術(shù)有[11]：

（1）數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，目前已經(jīng)成熟應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域;

（2）高精度傳感器技術(shù)，特別是有源零磁通互感器的應(yīng)用，使復(fù)雜電磁環(huán)境下微弱信號(hào)的處理性能有了極大的提升;

（3）基于32位嵌入式微處理器MPU、32位浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器DSP架構(gòu)的高端硬件平臺(tái)，基于ARM、DSP等架構(gòu)的高端硬件平臺(tái)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)分析中的應(yīng)用比較廣泛，相關(guān)軟硬件開發(fā)環(huán)境的第三方技術(shù)支持比較成熟。

以上技術(shù)的應(yīng)用為智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，使得在線監(jiān)測(cè)越來(lái)越成為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要技術(shù)手段，同時(shí)也使得高壓電氣設(shè)備從計(jì)劃?rùn)z修向智能化的狀態(tài)檢修過(guò)渡，是設(shè)備運(yùn)檢集約化、科學(xué)化的發(fā)展方向。

在以上技術(shù)得到應(yīng)用的同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展也面臨很多制約因素，主要顯現(xiàn)在：

（1）傳感器的性能很大程度上影響了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能的提升，主要表現(xiàn)為傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境下長(zhǎng)期工作的可靠性問(wèn)題;

（2）微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)電流互感器時(shí)一致性差，導(dǎo)致在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散性大、重復(fù)性差;

（3）抗干擾能力差，弱信號(hào)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的耦合及傳輸很容易造成信號(hào)畸變，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備健康狀態(tài)。

以上因素的存在對(duì)傳感器的設(shè)計(jì)提出了很高的要求，結(jié)合研制單位在具體工程應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，很多情況下傳感器損壞都是由于過(guò)電壓沖擊導(dǎo)致的，致使數(shù)據(jù)無(wú)法采集。因此在信號(hào)采樣回路增設(shè)保護(hù)措施很有必要?；诖?，本文提出了新的在線監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì)方案。

2? 在線監(jiān)測(cè)智能傳感器設(shè)計(jì)

2.1? 設(shè)計(jì)思路

以加強(qiáng)對(duì)信號(hào)采樣電路的保護(hù)為目的，文中傳感器的設(shè)計(jì)思路是：

（1）在電流互感器二次側(cè)增加程控硬件隔離保護(hù);

（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在信號(hào)采樣期間硬件保護(hù)回路動(dòng)作，互感器二次信號(hào)輸入采樣電路實(shí)現(xiàn)正常的信號(hào)采樣;

（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在采樣空閑期間硬件保護(hù)回路斷開，實(shí)現(xiàn)互感器二次輸出和信號(hào)采樣電路的機(jī)械隔離，有效保護(hù)信號(hào)采樣電路免受浪涌、雷擊等過(guò)電壓的影響。

（4）普通在線監(jiān)測(cè)傳感器一般由高精度穿心式電流互感器、信號(hào)采樣及調(diào)理電路及信號(hào)輸出接口和傳感器整體封裝結(jié)構(gòu)幾個(gè)部分組成。

在線監(jiān)測(cè)智能傳感器在研制過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)信號(hào)采樣電路的保護(hù)，相對(duì)于普通傳感器而言，本文著重解決以下幾方面問(wèn)題：

（1）傳感器到系統(tǒng)的通訊;

（2）采用程控硬件隔離的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)采樣回路的保護(hù);

（3）在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加采樣保護(hù)控制程序模塊。

綜合以上幾點(diǎn)，區(qū)別于普通傳感器的設(shè)計(jì)，智能在線監(jiān)測(cè)傳感器的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)由以下幾部分組成：

（1）高精度穿心式電流互感器;

（2）信號(hào)采樣及調(diào)理電路，以及信號(hào)輸出接口;

（3）基于硬件的程控采樣保護(hù)控制回路;

（4）基于MCU的采樣保護(hù)控制及總線通訊接口;

（5）傳感器的整體封裝結(jié)構(gòu)。

2.2? 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在線監(jiān)測(cè)智能傳感器各功能單元的組成如圖2所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，具體由以下功能單元組成：

（1）電流互感器（滿足高精度、穿心式、零磁通）;

（2）信號(hào)采樣及調(diào)理單元;

（3）通訊及采樣保護(hù)控制單元（工業(yè)級(jí)8位MCU程控單元）;

（4）信號(hào)采樣保護(hù)的硬件隔離單元（中間繼電器）;

（5）滿足IP55防護(hù)等級(jí)的傳感器整體封裝結(jié)構(gòu)。

2.3? 信號(hào)采樣及保護(hù)控制電氣原理設(shè)計(jì)

信號(hào)采樣及保護(hù)控制是智能傳感器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，信號(hào)采樣及保護(hù)控制回路如圖3所示，通過(guò)中間繼電器K1和K2實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣電路和互感器二次側(cè)的硬件隔離。中間繼電器K1和K2的動(dòng)作由MCU程控單元實(shí)現(xiàn)控制，具體控制指令由上位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出，通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)和程控單元的通訊，并由程控單元實(shí)現(xiàn)指令解碼后輸出控制信號(hào)。一般控制流程是系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)期間互感器二次信號(hào)輸入采樣電路，系統(tǒng)空閑期間互感器二次信號(hào)和采樣電路實(shí)現(xiàn)隔離，從而使得傳感器免受浪涌、雷擊等過(guò)電壓的沖擊導(dǎo)致傳感器損壞，達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的目的。

3? 結(jié)? 論

受一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的影響，傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)傳感器容易損壞，進(jìn)而影響到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果。本文在傳統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)傳感器的基礎(chǔ)上，基于工業(yè)級(jí)8位MCU的通訊及采樣保護(hù)控制單元，結(jié)合工程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出新的設(shè)計(jì)思路。研制用于在線監(jiān)測(cè)的智能傳感器，可應(yīng)用在電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上。應(yīng)用該設(shè)備，可以提高變電站監(jiān)測(cè)一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確性，適用于預(yù)防事故的發(fā)生，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供重要判斷依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：劉亞林（1982-），男，漢族，河南開封人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗(yàn)研究;趙勝男（1989-），女，漢族，河南開封人，工程師，本科，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗(yàn)研究;吳西博（1987-），男，漢族，山東冠縣人，工程師，碩士研究生，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗(yàn)研究;張世達(dá)（1992-），男，漢族，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗(yàn)研究。