基于MSP430的避雷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱亮，尹斌

（河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京210098）

避雷器是電網(wǎng)中保護(hù)電力設(shè)備免受過(guò)電壓危害的重要電氣設(shè)備，其運(yùn)行的可靠性將直接影響電力系統(tǒng)的安全。對(duì)避雷器實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，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(yùn)行預(yù)警系統(tǒng)；另一方面 ，可對(duì)避雷器泄漏電流及動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，從而有效及時(shí)地檢測(cè)避雷器內(nèi)部缺陷，使之運(yùn)行更加穩(wěn)定安全可靠[1]。文中采用基波阻性電流法進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。這種監(jiān)測(cè)方法具有實(shí)現(xiàn)容易和采集數(shù)據(jù)參數(shù)全面等優(yōu)點(diǎn)。主要對(duì)避雷器的三相電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行采集。硬件電路中設(shè)計(jì)了通訊接口，通過(guò)RS485轉(zhuǎn)RS232實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的上位機(jī)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，適應(yīng)于對(duì)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(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于變電站內(nèi)避雷器的在線監(jiān)測(cè)，如圖1所示。其中監(jiān)測(cè)器安裝于避雷器的下方，用來(lái)監(jiān)測(cè)避雷器流過(guò)的泄漏電流以及避雷器的動(dòng)作次數(shù)，還可監(jiān)測(cè)避雷器表面的污穢電流。每一相避雷器需安裝一個(gè)對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)器。每不超過(guò)30個(gè)的監(jiān)測(cè)器為一組，通過(guò)一個(gè)485網(wǎng)絡(luò)接到監(jiān)控室內(nèi)的上位計(jì)算機(jī)或后臺(tái)監(jiān)控；超過(guò)30個(gè)的監(jiān)測(cè)器另分組，通過(guò)另外的485網(wǎng)絡(luò)接到監(jiān)控室內(nèi)的上位計(jì)算機(jī)或后臺(tái)監(jiān)控。

圖1 避雷器現(xiàn)場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)采用以MSP430為核心的監(jiān)測(cè)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(duì)硬件電路設(shè)計(jì)要求比較高。因此為提高測(cè)量的準(zhǔn)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(diǎn)的硬件電路，以達(dá)到既消除干擾又使信號(hào)不至于失真的效果。

硬件電路主要包括信號(hào)輸入模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、MCU模塊、數(shù)碼顯示模塊及編程模塊等，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大、濾波、采集處理及顯示等功能。信號(hào)調(diào)理模塊主要是把輸入的信號(hào)幅值調(diào)理到MCU可接受的范圍內(nèi)。MCU模塊主要由單片機(jī)MSP430及其外圍電路組成，它對(duì)該裝置進(jìn)行控制并對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而判斷避雷器的運(yùn)行狀態(tài)。485通信模塊將進(jìn)行數(shù)字諧波處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。為此采用電阻取樣方式，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后輸入MSP430的12位A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電流測(cè)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(hào)輸入模塊：全電流信號(hào)表現(xiàn)為泄漏電流在某個(gè)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(shí)，電阻上的信號(hào)大小為（0.1～0.50）V，頻率為 50±0.5 Hz，異常時(shí)，最大不超過(guò)1.0 V。動(dòng)作時(shí)，脈沖信號(hào)被調(diào)理后通過(guò)光耦送入單片機(jī)。污穢電流信號(hào)輸入范圍為0～3 mA，也需先轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再送入單片機(jī)。采用羅斯夫線圈測(cè)量動(dòng)作電流的大小，輸出為脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)和動(dòng)作電流大小基本成線性關(guān)系。PT電壓信號(hào)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(kāi)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(dāng)開(kāi)機(jī)自檢時(shí)，如果設(shè)備無(wú)故障，數(shù)碼管則顯示當(dāng)前日期和時(shí)間（本裝置用PCF8563芯片顯示實(shí)時(shí)時(shí)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(dāng)監(jiān)測(cè)器有PT信號(hào)輸入時(shí)，顯示阻性電流；無(wú)PT信號(hào)輸入時(shí)，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(dòng)作信號(hào)的次數(shù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)器和上位機(jī)相聯(lián)時(shí)還可以提供累積動(dòng)作次數(shù)和每一次的動(dòng)作電流的大小及動(dòng)作時(shí)間。

1.3 避雷器特征參數(shù)檢測(cè)及計(jì)算原理

本設(shè)計(jì)采用FFT算法[3-4]，在MOA特征參數(shù)監(jiān)測(cè)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(jì)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(guò)處理的PT電壓信號(hào)和泄露電流信號(hào) （已經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)）利用數(shù)據(jù)采集裝置經(jīng)過(guò)A/D同步地轉(zhuǎn)換為數(shù)字化離散信號(hào)，然后利用計(jì)算機(jī)將兩個(gè)離散數(shù)字波形信號(hào)經(jīng)快速傅里葉變換（FFT），得到兩個(gè)信號(hào)的基波分量和3次諧波分量傅立葉系數(shù)，進(jìn)一步求出各分量的有效值和相位差，這時(shí)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(guò)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(qiáng)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(jì)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(jì)算速度、諧波分析及FFT要求（采樣點(diǎn)數(shù)是2的冪次方）等因素，選用每周期每路采樣64點(diǎn)。

表1是某變電站的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)。通過(guò)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?，F(xiàn)場(chǎng)避雷器水平一字排列，一般認(rèn)為A、C相對(duì)B相的作用是對(duì)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(cè)運(yùn)行電流時(shí)，若發(fā)現(xiàn)數(shù)值突然增長(zhǎng)，應(yīng)充分分析變化的起因。如果三相參數(shù)同時(shí)增長(zhǎng)，可能與環(huán)境變化有關(guān)，應(yīng)加強(qiáng)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(zhǎng)較快則要考慮避雷器的本身原因。

表1 某變電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Test result of the substation

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)數(shù)據(jù)采集及中斷

根據(jù)整個(gè)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(dòng)作次數(shù)捕獲中斷、A/D中斷、與上位機(jī)通訊中斷[3]等，最終由這些模塊以及中斷服務(wù)程序來(lái)完成避雷器運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)任務(wù)。主程序首先對(duì)裝置初始化，包括MCU初始化、日歷時(shí)鐘芯片初始化、存儲(chǔ)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(jī)軟件流程圖Fig.4 MSP430 system flow

2.2 上位機(jī)監(jiān)控中心服務(wù)器端軟件的設(shè)計(jì)

本裝置在Windows XP平臺(tái)上利用VB6.0開(kāi)發(fā)監(jiān)控程序。監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)主要包括遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)接入模塊[5]、曲線顯示模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)安全性管理模塊[6]。數(shù)據(jù)庫(kù)操作可查詢歷史數(shù)據(jù)信息。由于ADO有很強(qiáng)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(shí)，也不用從對(duì)象模型的頂層開(kāi)始一步步的創(chuàng)建子對(duì)象。服務(wù)器支持多個(gè)客戶端訪問(wèn)，利用ADO數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的查詢功能是基本功能之一。其主要功能是對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與相關(guān)的統(tǒng)計(jì)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(yǔ)

文章結(jié)合實(shí)際需要，利用數(shù)字諧波分析技術(shù)設(shè)計(jì)電路，完全滿足避雷器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所提出的要求，不僅能準(zhǔn)確的測(cè)量出MOA的全電流、阻性電流、基波阻性電流等反應(yīng)MOA運(yùn)行狀況的特征量，還能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)避雷器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)記錄和報(bào)警。對(duì)避雷器運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以為工作人員對(duì)發(fā)生故障及設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)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(jìn)行有效的恢復(fù)處理。

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