基于單片機(jī)的交流竄入直流監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

王殿明

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

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基于單片機(jī)的交流竄入直流監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

王殿明

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

針對(duì)變電站直流母線有交流電源竄入的問題，提出了利用單片機(jī)作為核心控制芯片開發(fā)交流竄入直流的監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)設(shè)備對(duì)直流母線進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)顯示母線電壓和竄入交流的有效值，從而提高了直流系統(tǒng)的可靠性，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

直流母線；交流竄入直流；單片機(jī)

變電站的直流系統(tǒng)遍布站內(nèi)各個(gè)場(chǎng)所，保證著電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。根據(jù)變電站直流母線電源的作用不同，可以分為控制母線和合閘母線兩種?？刂颇妇€主要帶操作回路、信號(hào)回路、保護(hù)裝置等負(fù)荷，電壓為直流220～230 V；合閘母線主要是帶開關(guān)的合閘回路，電壓為直流240～245 V。

通過以上分析可知，控制母線與合閘母線的電壓穩(wěn)定是變電站安全運(yùn)行的前提，同時(shí)也是電網(wǎng)安全運(yùn)行最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。影響母線安全運(yùn)行的因素很多，其中交流電壓源竄入直流母線是不安全因素之一。國(guó)家電網(wǎng)公司制定的《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》第五項(xiàng)明確提出，在原有直流絕緣監(jiān)測(cè)裝置的基礎(chǔ)上，要求增加交流竄入直流故障的測(cè)記和報(bào)警功能。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

變電站直流母線與交流電源為隔離電源，當(dāng)有交流信號(hào)竄入時(shí)，需要檢測(cè)母線端對(duì)大地的交流有效值。圖1是交流監(jiān)測(cè)設(shè)備電氣連接圖，M+、M-表示母線正、負(fù)兩端，電阻R1為平衡電橋,R2為交流電源內(nèi)阻。其中，AC1、AC2同一時(shí)間可能只有一個(gè)竄入直流系統(tǒng)。電源監(jiān)測(cè)儀的檢測(cè)信號(hào)端分別與大地、母線正負(fù)相連，對(duì)輸入端定時(shí)采樣，從而判斷母線正或負(fù)端是否有交流竄入。

圖1 交流竄直流監(jiān)測(cè)連接圖

在圖1中，如果當(dāng)M+端竄入交流信號(hào)時(shí)，則交流電壓計(jì)算值UAN為：

(1)

通過(1)式可知，若電源內(nèi)阻竄接電阻越小，直流通路反映出的接地故障越明顯，交流通路對(duì)地交流電壓越大。

該設(shè)備采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為運(yùn)算單元，通過AD端口定時(shí)讀取母線交流電壓信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到交流電壓時(shí)，監(jiān)測(cè)儀立即報(bào)警同時(shí)將檢測(cè)信息上傳至監(jiān)控中心。

采集的數(shù)據(jù)包括控制母線電壓、合閘母線電壓和交流竄入直流的有效值。檢測(cè)儀功能有交流竄入有效值的本地顯示和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及上傳。

圖2 監(jiān)測(cè)儀總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件電路設(shè)計(jì)

直流母線電壓范圍為200～250 V，為了增強(qiáng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的抗干擾能力以及安全性，對(duì)監(jiān)測(cè)儀與母線直接連接的電路部分進(jìn)行了電氣隔離。

1)交流竄入直流信號(hào)的檢測(cè)

圖3是檢測(cè)交流竄入的硬件電路。U1～U4為光耦，實(shí)現(xiàn)直流母線與其他電路的隔離?？刂贫薃、B、C、D，為4路母線電壓的切換電路，分別與KM+、KM-、HM+、HM-相對(duì)應(yīng)。單片機(jī)IO端其中任意位置為0時(shí)，則采集對(duì)應(yīng)通道的直流母線信號(hào)，如當(dāng)CPU-A置0時(shí)，U1導(dǎo)通，KM+所在電路導(dǎo)通，電壓互感器輸出端為KM+感應(yīng)出的電壓值。

圖3 交流電壓檢測(cè)電路

圖4為交流信號(hào)有效值測(cè)量電路，芯片型號(hào)為AD736。AD637是AD公司生產(chǎn)的真有效值-直流轉(zhuǎn)換芯片，它的功能是把外部輸入的交流信號(hào)有效值變成直流信號(hào)輸出，計(jì)算各種復(fù)雜波形的真有效值。對(duì)于1 Vrms的信號(hào)，它的3 dB帶寬為8 MHz,并且可以對(duì)輸入信號(hào)的電平以dB形式指示，當(dāng)輸入電壓為100 mV 時(shí)，帶寬標(biāo)稱值為600 kHz；輸入電壓為2 V時(shí)，帶寬標(biāo)稱值為8 MHz。另外，AD637通過片選(CS)管腳作用，可以使靜態(tài)電流從2.2 mA降至350 μA。

電壓互感器PT輸出端經(jīng)電容連接AD736，單片機(jī)采集AD736的輸出端電壓，經(jīng)過線性比例放大后，顯示實(shí)際的交流信號(hào)有效值，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和上傳。

圖4 真有效值電路

2)報(bào)警電路

當(dāng)電路產(chǎn)生故障時(shí)，即圖4中U3輸出不為0時(shí)，單片機(jī)會(huì)將某一輸出引腳置0，則繼電器線圈通電，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警。U6為驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出引腳輸出電流較小，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力有限，因此利用光耦的開關(guān)作用實(shí)現(xiàn)繼電器線圈的導(dǎo)通或者斷開，實(shí)際電路圖如圖5所示。

圖5 報(bào)警電路

3)直流母線電壓采集電路

變電站直流母線電壓是指控制母線、合閘母線的測(cè)量。由于母線電壓在200 V以上，為了保證檢測(cè)儀抗干擾能力和人員的安全，直流母線要與電路板進(jìn)行隔離。隔離電路的設(shè)計(jì)，應(yīng)保證隔離電路輸出電壓在單片機(jī)引腳工作電壓0～5 V之間，且與母線電壓成線性關(guān)系，如圖6所示。圖6中，R5為限流電阻，保證光耦電流在額定值范圍內(nèi)；R6、R7構(gòu)成分壓電阻，使U3工作在線性區(qū)；U4為反饋電路，保證電路受到干擾時(shí)，輸出電壓不變。

圖6 直流母線電壓采集電路

3 程序設(shè)計(jì)

C語言具有編程簡(jiǎn)單，可讀性強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合單片機(jī)開發(fā)，因此采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。裝置的軟件部分主要由主程序、定時(shí)采樣程序、按鍵和顯示屏程序組成。圖7為主程序流程圖。

圖7 程序執(zhí)行流程

3.1 定時(shí)采樣程序

采樣程序主要是利用單片機(jī)定時(shí)讀取竄入交流電的真有效值和直流母線電壓值，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，采集電路容易受到外界干擾，采集的數(shù)據(jù)將會(huì)產(chǎn)生誤差，因此對(duì)于采集的數(shù)據(jù)要進(jìn)行處理?；镜臄?shù)據(jù)處理方法是采用平均值處理方法，即對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行多次采樣后取平均值。

3.2 顯示界面的設(shè)計(jì)

界面顯示部分主要包括工作界面和設(shè)置界面兩部份。工作界面主要包括系統(tǒng)狀態(tài)、各路母線電壓和各路母線竄入交流信號(hào)的有效值。

設(shè)置界面可以調(diào)節(jié)的內(nèi)容包括報(bào)警電壓設(shè)定、日期設(shè)定、密碼修改、故障記錄和記錄清除，如圖8所示。每項(xiàng)參數(shù)的修改或設(shè)置都可以利用按鍵進(jìn)行，設(shè)置好每項(xiàng)參數(shù)后，按返回鍵返回到工作界面。

圖8 系統(tǒng)設(shè)置界面

4 結(jié) 語

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理，監(jiān)測(cè)值準(zhǔn)確，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠立即報(bào)警，且能夠通過通訊接口將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到調(diào)度中心，設(shè)備功能完全滿足國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)要求。因此，該設(shè)備解決了目前變電站交流竄直流實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的問題，推廣應(yīng)用前景廣闊。

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(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 張 凱)

Design on the Monitoring Equipment of AC Intrusion into DC Based on Single-chip Microcomputer

WANG Dian-ming

(School of Renewable Energy,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

According to the problem of AC intrusion into DC system in substation,this paper puts forward the monitoring equipment design of AC intrusion into DC system,which using single-chip microcomputer as the core chip.The apparatus for online monitoring of DC bus can display the value of DC bus and the effective value of AC intrusion into DC system，so improves the reliability of DC system.The product has the advantages of easy operation,accurate measurement and good stability.

DC bus; AC intrusion into DC system; single-chip microcomputer

2015-03-18

王殿明(1983-),男，遼寧遼陽人，講師，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.017

TH86

B

1673-1603(2015)03-0266-04