蔡歡歡
CAI Huan-huan
(廣西工商職業(yè)技術(shù)學院,南寧 530003)
驗電器是電力檢修工作中一個常用的必不可少的設(shè)備。傳統(tǒng)接觸式驗電器在使用過程中需要接觸被測線路,操作不方便,存在一定的安全隱患,因此,近年來,非接觸式驗電器得到了廣泛的應用,文獻[1~3]就非接觸式驗電器的開發(fā)和改進做了很多工作,并取得了很大的成效,也得到了很大的推廣和應用。
但隨著時代的發(fā)展以及新的客觀條件的變化,市場對驗電器的功能和使用便利性上提出了新的要求。本將文以市場需求為出發(fā)點,開發(fā)一套功能強大,使用方便安全,適用于高壓和超高壓等不同場合的驗電器。
文獻[1~3]中設(shè)計的驗電器雖然已經(jīng)批量生產(chǎn)并投入使用,但在性能和功能上尚存有不足之處。
1)信號受天氣變化影響大,雨天信號弱,出現(xiàn)了誤報現(xiàn)象,系統(tǒng)沒有從根本上解決這個問題。
2)對干擾信號處理能力不強,當有機車通過時,判斷有電和無電的指示燈連續(xù)跳動的現(xiàn)象仍然存在,需改進設(shè)計,提高抗干擾能力。
3)測量量程單一。由于前文中驗電器僅針對于鐵路線路設(shè)計,僅能用于鐵路上,然而,電力上對非接觸式驗電器的需求更廣泛。
根據(jù)原驗電器運行過程中出現(xiàn)的問題,對新型智能驗電器的性能和功能方面進行改進。
1)引入濕度傳感技術(shù),根據(jù)天氣變化自動處理信號衰減所帶來的影響,提高系統(tǒng)可靠性。
2)在軟件系統(tǒng)中加入抗干擾算法,徹底解決系統(tǒng)指示燈連續(xù)跳變現(xiàn)象。
3)引入多量程測量技術(shù),系統(tǒng)設(shè)置了高壓測量、標準測量和低壓測量,分別適用于測量超高壓線路(100KV及以上)、高壓線路(10KV-100KV)和低壓線路(10KV及以下)。
4)自檢。每次開機系統(tǒng)強制自檢,確保安全。
新型智能驗電器系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由CPU、前端信號調(diào)理電路、人機接口(鍵盤、液晶顯示、語音提示和指示燈等)、自檢電路、濕度傳感電路和時鐘電路等組成。
本系統(tǒng)以凌陽SPE61A單片機作為控制核心。開機后系統(tǒng)自動進行自檢,自檢未通過則停止工作,同時顯示提示語音和文字。電壓傳感器監(jiān)測高壓線附近電場,將電場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號后送往信號處理電路,信號處理電路將該模擬信號轉(zhuǎn)換成直流的有電、無電的狀態(tài)信號送往單片機。單片機將接收到的信號進行識別,發(fā)出有電或無電信號到語音模塊、指示模塊和信號傳送模塊。語音模塊收到信號后發(fā)出有電或無電語音提示;指示模塊收到信號后發(fā)出有電或無電指示。鍵盤中設(shè)有量程轉(zhuǎn)換鍵、手動自檢鍵和時間調(diào)整鍵。
圖1 智能驗電器硬件框架圖
圖2 信號處理電路
圖3 自檢電路
系統(tǒng)中,電壓傳感、液晶顯示、語音模塊和指示燈等模塊設(shè)計參看文獻[3]。本文主要從信號處理、自檢脈沖、數(shù)據(jù)采樣、溫度傳感和鍵盤等模塊進行硬件介紹。
信號處理電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。工頻交流信號經(jīng)跟隨電路后進行濾波,然后整流成直流信號,由減法電路減除臨線干擾信號,經(jīng)采樣后送入中央處理器。
由于傳感器信號負載能力弱,在電路前端設(shè)計了跟隨電路,提高電路信號讀取能力。濾波電路采用一階巴特沃斯低通濾波器設(shè)計,濾除電路中各種高頻噪聲。
自檢電路采用文氏電橋振蕩電路設(shè)計,如圖3所示。電路發(fā)生正弦信號,通過MOS管接入信號處理單元,MOS管柵極由CPU控制。自檢過程中,CPU發(fā)出高電平信號,MOS管導通,交流信號輸入信號處理模塊,處理后的信號送入CPU,若CPU接收到有電信號,則自檢通過,否則發(fā)出設(shè)備故障信號。
送入A/D轉(zhuǎn)換器(數(shù)據(jù)采樣)中的電壓典型值為2V,即在3米的測量距離中,測試30KV線路時,送入A/D轉(zhuǎn)換器中的電壓為2V,并且,系統(tǒng)判定被測線路為有電狀態(tài)。
濕度傳感器用于監(jiān)測天氣情況,將監(jiān)測結(jié)果送入CPU,監(jiān)測結(jié)果分為兩類,晴天和雨天,晴天發(fā)送高電平信號,雨天發(fā)送低電平信號,CPU根據(jù)傳感器監(jiān)測結(jié)果切換到相應的模式下工作。
系統(tǒng)共設(shè)置5個鍵盤,采用共陽極開關(guān)鍵盤設(shè)計,分別為設(shè)置鍵、手動自檢鍵、方向鍵(向上、向下)和確認鍵。設(shè)置鍵開啟系統(tǒng)中斷,進入鍵盤設(shè)置,系統(tǒng)按照時間-日期-檢測模式的順序進行設(shè)置。每設(shè)置完一個模塊進入下一個模塊,直到按下設(shè)置鍵后中斷返回。
系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)啟動后首先進行自檢,以確保系統(tǒng)的可靠性。自檢通過后系統(tǒng)進行初始化,先初始化到有電狀態(tài)并將該信號端口中的指示模塊中顯示結(jié)果,調(diào)用語音子程序輸出語音提示信息[3],自檢未通過則系統(tǒng)停止工作。初始化完成后讀取傳感器信號,并將信號保存。濕度傳感器只送兩個狀態(tài)信號:晴天或雨天,系統(tǒng)讀取信號后。接下來,系統(tǒng)將讀取數(shù)據(jù)采集模塊送來的信號,并將信號保存,通過信號處理模塊處理后輸出。輸出模塊同文獻[3]。
信號處理結(jié)構(gòu)圖如圖6所示,系統(tǒng)讀取傳感器送來的天氣信號,對信號進行處理。如果是晴天,信號傳送能力較強,系統(tǒng)直接讀取端口信號進行處理,即晴天模式;如果是雨天,系統(tǒng)將信號放大3倍后再進行處理,即雨天模式。
3.1.1 測量模式
圖4 系統(tǒng)軟件流程圖
圖5 自檢原理圖
圖6 信號處理結(jié)構(gòu)圖
測量模式有3種:高壓(100KV以上)測量、標準(10-100KV)測量和低壓(10KV以下)測量。在電力線路檢測過程中,當電壓在300KV時,傳感器探頭在3米距離測量到的電壓高達200V左右,因此,需要將信號進行衰減至5%才能測量,而當電壓低于3KV時,傳感器探頭在3米距離測量到的電壓為0.3V左右,因此需要將信號進行放大10倍才能測量。而在標準高壓時,取50KV,傳感器探頭在3米距離測量到的電壓為5V左右,因此不需做任何處理,直接測量。
圖7 中斷設(shè)置圖
3.1.2 抗干擾
文獻[1]中驗電器存在著抗干擾性差的問題:當電力機車通過測量點時偶爾會出現(xiàn)驗電器系統(tǒng)連續(xù)跳變現(xiàn)象,即在有電和無電之間不停跳變,影響了驗電器的正常使用。本系統(tǒng)將從軟件上實現(xiàn)這個問題。
系統(tǒng)讀取采樣器信號后將信號轉(zhuǎn)換成有電、無電狀態(tài)信號,但并不直接輸出,而是延時0.5秒后再次讀取采樣器信號,然后再轉(zhuǎn)換成有電、無電狀態(tài)信號,將兩次狀態(tài)信號進行對比,只有兩次狀態(tài)信號一致時系統(tǒng)才將新的狀態(tài)與原狀態(tài)對比,若新狀態(tài)與原狀態(tài)相同,保持原狀態(tài),系統(tǒng)返回,繼續(xù)讀取采樣信號;若新狀態(tài)與原狀態(tài)不同,系統(tǒng)輸出新的狀態(tài)。
自檢原理圖如圖5所示。自檢開始后,CPU發(fā)出高電平,圖3電路通過MOS管導通,接入驗電器信號處理端,系統(tǒng)延時3秒,以保證信號能夠順利通過信號處理電路。系統(tǒng)讀取輸入端口信號,并轉(zhuǎn)換成狀態(tài)信號,如果是有電狀態(tài)則自檢成功,系統(tǒng)可以進入下一步工作,否則自檢失敗,系統(tǒng)停止工作。
手動自檢與自檢不同之處在于,手動自檢通過鍵盤向CPU發(fā)送手動自檢信號,收到自檢信號后系統(tǒng)中斷,進行自檢。
鍵盤的設(shè)置采用中斷的方式來進行,如圖6所示。設(shè)置鍵啟動中斷,中斷響應后先進行時間設(shè)置:按時-分-秒的順序設(shè)置;設(shè)置完時間后自動進入日期設(shè)置:按年-月-日順序設(shè)置,最后進入模式設(shè)置:選擇高壓模式、標準模式或低壓模式。所有設(shè)置完成后,通過確認鍵中斷返回。
本系統(tǒng)較文獻[3]中驗電器在性能上有了較大突破,具體如下。
1)系統(tǒng)開機強制自檢,自檢通過后系統(tǒng)才能工作,提高了系統(tǒng)工作的可靠性。
2)抗干擾能力有了較大提高。通過實驗驗證,當系統(tǒng)輸入信號幅值在臨界點來回波動時,若頻率高于2HZ,即信號在新的狀態(tài)下不能保持0.5秒以上,系統(tǒng)認將該信號判定為干擾信號,保持原來狀態(tài),較好地解決了抗干擾問題。
3)設(shè)置了多種模式下的測量功能。本系統(tǒng)設(shè)置了高壓測量、標準測量和低壓測量,能較好地滿足超高壓電力線路、鐵路線路和城市次高壓線路的測量需要。
4)引入了晴天和雨天測量模式。由于天氣對信號傳輸?shù)挠绊戄^大,本系統(tǒng)引入了濕度參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),分析發(fā)現(xiàn),晴天、多云或陰天,信號傳輸基本不受影響,但下雨天氣對信號影響較大,系統(tǒng)接收到的信號強度大約衰減至晴天時的1/3。
文章根據(jù)非接觸式驗電器在實際應用中存在的問題進行了改進和完善,使其在性能和可靠性上有了較大的提高。本系統(tǒng)通過軟件的方法解決了驗電器在信號不穩(wěn)定時存在的跳變問題。
[1]蔡歡歡, 毛明星, 蘇波等. 非接觸式高壓驗電器的開發(fā)[J].今日電子, 2007. 12.
[2]蔡歡歡, 付光, 林芳. 非接觸式高壓驗電器的改進[J].今日電子, 2008. 6.
[3]侯媛彬, 袁益民, 霍漢平, 等. 凌陽單片機原理及其畢業(yè)設(shè)計精選[M]. 北京: 科學出版社, 2006.
[4]蔡歡歡. 基于SPE61A單片機的非接觸式高壓驗電器的開發(fā)[J]. 今日電子, 2008. 10.
[5]李靖, 王克英. 基于AVR單片機的多功能電能表的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電測與儀表, 2012. 3.
[6]于龍梅, 懷新江, 徐洪久等地面驗電器的研制[J]. 東北業(yè)林大學學報, 1988. 10.