故障電流限制器中故障傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

錢志

摘 要： 故障電流限制器電流迅速提升，會產(chǎn)生短路問題，需要通過故障傳感器檢測電流限制器中的短路故障，確保故障電流限制器的順利運(yùn)行。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)故障電流限制器中的故障傳感器，給出故障信號采集模塊設(shè)計(jì)過程，通過引進(jìn)LM293差分比較器的整形電路進(jìn)行整形，再傳遞到MSC1210單片機(jī)進(jìn)行變換，并通過故障診斷模塊進(jìn)行分析，將分析結(jié)果反饋到上位機(jī)中，對電流限制器的故障進(jìn)行處理。給出了軟件設(shè)計(jì)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的傳感器可及時(shí)獲取反映故障電流限制器的故障信息信號，故障信號采集效率和空間性能都較高。

關(guān)鍵詞： 故障電流限制器； 故障傳感器； 短路故障； 傳感器改進(jìn)

中圖分類號： TN61?34； TM471 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0076?05

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增加，不同行業(yè)的電力需求不斷增強(qiáng)，使得電力系統(tǒng)規(guī)模增強(qiáng)，對遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性要求較高。電網(wǎng)規(guī)模的不斷增加，導(dǎo)致電網(wǎng)短路容量大幅度提升，大大降低了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通過故障電流限制器能夠避免該問題的發(fā)生[1?2]。而故障電流限制器電流迅速提升，會產(chǎn)生短路問題，需要通過故障傳感器檢測電流限制器中的短路故障，確保故障電流限制器的順利運(yùn)行[3?5]。當(dāng)前的故障檢測方法都存在一定的缺陷，如文獻(xiàn)[6]提出了依據(jù)SDG的故障傳感器設(shè)計(jì)方法，其是一種依據(jù)圖論模型的故障診斷方法，但是其適用于處理全局故障，無法及時(shí)進(jìn)行局部故障的診斷和隔離，對其他部分產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。文獻(xiàn)[7]通過傳感器實(shí)時(shí)檢測故障電流限制器的變量值，合理部署監(jiān)控變量的傳感器，提高故障檢測效率，但是該方法的耗能量較高。文獻(xiàn)[8]分析了依據(jù)故障傳遞時(shí)間部署傳感器的過程，實(shí)現(xiàn)故障電流限制器的故障診斷和管理，但是該方法未全面分析支路傳播故障的性能干擾，具有一定的局限性。文獻(xiàn)[9]通過FPSDG系統(tǒng)模型，集成定量信息，通過故障電流限制器的故障傳播權(quán)重以及監(jiān)控成本，獲取故障傳感器的分布優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，完成故障電流信號的檢測。但是該方法對系統(tǒng)變量的量要求較高，局限性較強(qiáng)。為了提高故障電流限制器中故障信號的檢測質(zhì)量，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了故障電流限制器中的故障傳感器，并對其故障采集和檢測性能進(jìn)行了改進(jìn)。

1 故障電流限制器中故障傳感器的改進(jìn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.1 故障傳感器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

故障傳感器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。從圖1中可以看出，其通過故障信號采集模塊輸出檢測信號、參考信號和電流信號，這些信號通過LM293差分比較器的整形電路進(jìn)行整形，傳遞到MSC1210單片機(jī)進(jìn)行變換，并通過故障診斷模塊進(jìn)行分析，并將分析結(jié)構(gòu)反饋到上位機(jī)中，對電流限制器的故障進(jìn)行處理。

故障傳感器硬件電路的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，傳感器都不能正常讀取電流信號值，這些錯(cuò)誤也將呈現(xiàn)在上位機(jī)讀取的數(shù)據(jù)中，分析這些數(shù)據(jù)特征，能夠判斷故障電流限制器是否處于故障狀態(tài)中。

1.2 故障傳感器中信號采集模塊的設(shè)計(jì)

信號采集模塊由電源、信號分離器、故障電流信號檢測模型、故障電流信號檢測單片機(jī)、故障電流信號整形電路以及故障顯示器等構(gòu)成，如圖2所示。其中，故障傳感器采用橋式電路，其輸出同故障檢測單片機(jī)的模擬輸入端連接，完成差分式信號輸入。故障檢測單片機(jī)的通信接口端與故障電流信號檢測模型連接，收發(fā)采集信息和命令，還與信號分離器的輸入端連接，信號分離器的輸出并聯(lián)信號與故障顯示控制器連接。

1.2.1 故障電流信號檢測模型的設(shè)計(jì)

獲得反映故障電流限制器中的故障的信號是故障檢測的基礎(chǔ)。電壓信號能夠從傳感器的電容式電壓互感器二次側(cè)獲取。基于羅柯夫斯基線圈構(gòu)建故障電流信號檢測模型，檢測故障電流限制器中的故障電流信號。故障傳感器采用羅柯夫斯基線圈檢測故障電流限制器中的電流時(shí)，將其套裝在故障電流限制器的外邊，其對載流體所形成的體外電磁場波動(dòng)、對載流體的電流進(jìn)行檢測。并將監(jiān)測母線中的高電壓和大電流，變換成二次側(cè)的低電壓以及小電流信號。電流會在周圍形成波動(dòng)的磁場，部署在電壓輸電線周圍的檢測器件，按照通過它的磁通量波動(dòng)獲取電動(dòng)勢，通過全電流定律及電磁感應(yīng)定律獲取羅柯夫斯基線圈感應(yīng)電壓e（t）為：

[e（t）=dφ（t）dt=-MdI（t）dt] （1）

式中：[φ（t）]表示磁鏈；M用于描述羅科夫斯基線圈互感；[I（t）]用于描述一次側(cè)電流，故障電流限制器發(fā)生短路時(shí)，故障傳感器中的羅柯夫斯基線圈輸出的電壓信號可描述短路電流的波動(dòng)情況，反映首次一側(cè)電流的變化率。

故障電流限制器中故障信號監(jiān)測仿真原理圖如圖3所示。

圖3 故障信號檢測仿真原理圖

圖3（a）中的長圓柱體為一段高壓導(dǎo)線，取其中的某段導(dǎo)體進(jìn)行分析。圖3（b）描述的是0.035 s 時(shí)故障傳感器高壓輸電線路周圍磁場排列情況，如果故障電流限制器中存在短路故障，則導(dǎo)線周圍磁場隨著電流波動(dòng)而波動(dòng)，此時(shí)故障傳感器通過羅柯夫斯基線圈采集周圍磁場的波動(dòng)情況。如果故障電流限制器出現(xiàn)短路，則故障傳感器中電線內(nèi)的電流迅速提高，周圍的羅柯夫斯基線圈按照磁密度波動(dòng)形成感生電勢，故障前感生電勢為一正弦電壓信號，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，感生電勢迅速提升，進(jìn)而檢測出過電壓。

1.2.2 故障電流信號檢測單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

MSC1210單片機(jī)進(jìn)行信號變換的模塊設(shè)計(jì)中，如圖4所示?？梢钥闯?，故障電流信號檢測模型獲取的電流信號，通過差分形式輸入到MSC1210單片機(jī)的模擬信號輸入端AIN0，AIN1進(jìn)行A/D變換，再通過總線收發(fā)器反饋到監(jiān)控主機(jī)中，進(jìn)行相關(guān)的分析。MSC1210單片機(jī)復(fù)位通過MAX812芯片進(jìn)行控制，A/D轉(zhuǎn)換參考電源采用抵壓差線性穩(wěn)壓器LP2591，通過高精度電阻網(wǎng)絡(luò)分壓成2.5 V后向總體單片機(jī)供能。單片機(jī)中的數(shù)字芯片以及模擬電路獨(dú)立供電，并對電源進(jìn)行穩(wěn)壓加濾波電路。

1.2.3 故障電流信號整形電路的設(shè)計(jì)

故障電流信號檢測單片機(jī)對故障電流限制器的電流信號進(jìn)行A/D變換后，應(yīng)采用LM293差分比較器的整形電路對故障電流限制器的實(shí)際電流信號進(jìn)行整形，過濾干擾對速度采集信號的干擾，增強(qiáng)電流信號的精度，如圖5所示。圖5中，C21是隔直耦合電容，R15和R18是隔離電阻抑制共模干擾，D1和D2對輸入脈沖進(jìn)行低電壓約束，并增強(qiáng)信號電平，用肖特基二極管MMSZ4688保護(hù)LM2903比較器。

2 故障診斷軟件構(gòu)成

2.1 故障傳感器節(jié)點(diǎn)檢測的軟件流程設(shè)計(jì)

通過傳感器節(jié)點(diǎn)檢測軟件實(shí)現(xiàn)故障傳感器的優(yōu)化分布，提高故障信號的檢測效率。詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程如圖6所示。檢測節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測過程中，若可準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)，則說明網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行正常，否則需要排查網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的故障，如無線通信模塊損壞以及故障電流過高等。檢測節(jié)點(diǎn)采集網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的檢測數(shù)據(jù)中，某一傳感器節(jié)點(diǎn)i的網(wǎng)絡(luò)連通性為0，則需另外檢測這一傳感器節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換檢測節(jié)點(diǎn)的位置，如果可接收到傳感器節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)，則說明網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同傳感器節(jié)點(diǎn)i間的路徑上存在陰影效應(yīng)，需要對路徑上的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，并變換傳感器節(jié)點(diǎn)i的位置，直至節(jié)點(diǎn)i可以準(zhǔn)確連接到網(wǎng)絡(luò)上。若檢測節(jié)點(diǎn)無法接收到傳感器節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)，則表示傳感器節(jié)點(diǎn)存在硬故障。

2.2 傳感器故障診斷的軟件流程設(shè)計(jì)

完成故障傳感器節(jié)點(diǎn)的檢測后，通過故障診斷對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，獲取故障信息。故障預(yù)診斷軟件是通過LabWindows/CVI編寫的上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的?？傮w程序設(shè)計(jì)由串口配置、數(shù)據(jù)診斷以及波形診斷構(gòu)成。故障電流限制器中故障傳感器的故障診斷軟件的診斷流程設(shè)計(jì)如圖7所示。

通過串口配置，塑造故障傳感器同上位機(jī)間的聯(lián)系，串口配置包括COM口和波特率，奇偶校驗(yàn)位以及數(shù)據(jù)位等設(shè)置，若配置錯(cuò)誤，則進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，需要重新進(jìn)行配置。若配置錯(cuò)誤，則不可讀數(shù)，故障定位為通信電路出現(xiàn)故障。若串口配置正確且通信電路不存在故障，則故障傳感器和上位機(jī)能夠進(jìn)行正常的串口通信。完成串口配置后，故障傳感器實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳遞檢測信號值、參考信號值以及電流信號值。前兩項(xiàng)值是單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換獲取的數(shù)字量，通過單片機(jī)程序算法處理后獲取的，而電流信號值是通過前兩項(xiàng)值運(yùn)算得到的。這些數(shù)據(jù)描述了故障傳感器的平穩(wěn)性、信號大小、傳感器是否出現(xiàn)故障等信息。當(dāng)傳感器預(yù)熱平穩(wěn)時(shí)，在界面中呈現(xiàn)出獲取的三項(xiàng)值、以及這些值的最大值和最小值，依據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析故障電流限制器中的故障傳感器是否處于故障狀態(tài)。

分析上一步數(shù)據(jù)診斷結(jié)果，若故障電流限制器中的故障傳感器存在故障，則連續(xù)采集通過信號調(diào)理電路后反饋到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，并利用這些數(shù)字量繪

制模擬波形，再次診斷故障傳感器中的故障。將模擬信號波形，顯示到主界面中，可以更加直觀地看出波形是否正常。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用本文設(shè)計(jì)的故障傳感器，檢測某故障電流限制器中的電流故障，并對檢測過程進(jìn)行瞬態(tài)有限元運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)對檢測過程進(jìn)行時(shí)間離散化處理，每隔 0.1 ms 求解一次解析解，總體求解時(shí)間為0.04 s，形成電流故障的時(shí)間為0.02 s，圖8描述了故障電流限制器中的電流電壓波動(dòng)曲線。

仿真實(shí)驗(yàn)中的故障電流限制器中輸電線路電源電壓為10.63 V，分析圖8可得，在20 ms時(shí)故障電流限制器出現(xiàn)短路故障，輸電線路電流快速提升，電壓快速降低到0.7 kV左右。

分析圖9（a）和圖9（b）可得，故障傳感器感應(yīng)到的故障電流限制器的電壓和電流及其變化率在故障發(fā)生時(shí)存在顯著波動(dòng)。故障電流限制器出現(xiàn)短路故障時(shí)，故障傳感器通過獲取的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流迅速升高。圖9（a）、圖9（b）在短路故障發(fā)生時(shí)，傳感器感應(yīng)到的故障電流限制器的電壓快速提升。從數(shù)據(jù)上可以看出在20 ms時(shí)刻，電壓為-4.17 V，在20.3 ms，則迅速調(diào)成-4 968.5 V。分析圖9（c）、圖9（d）中的故障傳感器的感應(yīng)電流和感應(yīng)電流變化率曲線可得，當(dāng)故障電流限制器出現(xiàn)短路故障后，故障傳感器的感應(yīng)電流和感應(yīng)電壓變化率快速提升，從數(shù)據(jù)上可以看出在20 ms

時(shí)為-0.068 V，而20.1 ms則快速變成-12.2045 V，20.2 ms為-24.867 3 V。

通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的故障傳感器可及時(shí)獲取反映故障電流限制器的故障信息信號，為信號處理和排除故障提供依據(jù)，確保故障電流限制器的正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了故障電流限制器中的故障傳感器，其通過故障信號采集模塊輸出檢測信號、參考信號和電流信號，這些信號通過LM293差分比較器的整形電路進(jìn)行整形，傳遞到MSC1210單片機(jī)進(jìn)行變換，并通過故障診斷模塊進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果反饋到上位機(jī)中，對電流限制器的故障進(jìn)行處理。傳感器采用羅柯夫斯基線圈檢測模型獲取故障電流限制器中的故障電流。通過傳感器節(jié)點(diǎn)檢測軟件實(shí)現(xiàn)故障傳感器的優(yōu)化分布，提高故障信號的檢測效率，并采用故障預(yù)診斷軟件對傳感器節(jié)點(diǎn)的故障進(jìn)行診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，所設(shè)計(jì)的傳感器可及時(shí)獲取反映故障電流限制器的故障信息信號，故障信號采集效率和空間性能都較高。

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