基于雙軸傳感的直流驗(yàn)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚毓苗，陳新崗，2，古亮，2，楊定坤，馬駿，譚昊

（1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，重慶 400054）

基于雙軸傳感的直流驗(yàn)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚毓苗1，陳新崗1，2，古亮1，2，楊定坤1，馬駿1，譚昊1

（1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054；2.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，重慶 400054）

在復(fù)雜電磁環(huán)境下為實(shí)現(xiàn)對(duì)高電壓直流設(shè)備的可靠驗(yàn)電，提出并設(shè)計(jì)一種基于雙軸傳感的直流驗(yàn)電系統(tǒng)。通過(guò)分析高壓直流輸電線路與換流站閥廳直流側(cè)的電場(chǎng)特征，結(jié)合雙軸傳感機(jī)理，對(duì)振動(dòng)電容傳感器探頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，擴(kuò)大系統(tǒng)的測(cè)量范圍。建立以32位低功耗、高性能ARM微控制器為核心的驗(yàn)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電場(chǎng)環(huán)境下電場(chǎng)信息的雙軸同步采集，GPRS無(wú)線模塊進(jìn)行驗(yàn)電結(jié)果的可靠傳輸，降低換流站中直流側(cè)密集設(shè)備對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的干擾。該系統(tǒng)的實(shí)施可準(zhǔn)確檢測(cè)直流設(shè)備的帶電狀態(tài)，及時(shí)報(bào)警，具有無(wú)線傳輸、抗干擾力強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

直流電場(chǎng)；雙軸傳感；驗(yàn)電系統(tǒng)；GPRS

0 引言

隨著我國(guó)多端直流技術(shù)與柔性直流輸電靈活性的不斷突破，直流輸電技術(shù)逐漸多端化和網(wǎng)絡(luò)化，具有多電源供電、多落點(diǎn)受電、多電壓等級(jí)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。直流輸配電工程運(yùn)行電壓等級(jí)的不斷多樣化，線路維護(hù)工作的難度逐漸增大，對(duì)直流輸電系統(tǒng)電壓信息測(cè)量提出了新的要求。目前，現(xiàn)有的帶電狀態(tài)測(cè)量裝置通常采用電場(chǎng)比較原理實(shí)現(xiàn)[4]，傳感器在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)由于直流輸電系統(tǒng)的電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，造成傳感器采集結(jié)果重復(fù)性不好、準(zhǔn)確度不高，導(dǎo)致驗(yàn)電系統(tǒng)產(chǎn)生誤判。文獻(xiàn)[5]研制了一種交直流混合電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)式一體化測(cè)試儀，可對(duì)交直流混合電場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)采集；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳輸?shù)暮铣呻妶?chǎng)測(cè)量裝置，可對(duì)直流合成電場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸；但是它們?cè)谠O(shè)備分布密集、電場(chǎng)環(huán)境更加復(fù)雜的換流站、變壓站中運(yùn)行具有一定的局限性。

本文針對(duì)直流輸電系統(tǒng)中直流電壓信息測(cè)量的特殊需求問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于雙軸傳感的直流驗(yàn)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用雙軸傳感探頭對(duì)空間水平方向、垂直方向的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，GPRS實(shí)現(xiàn)電壓測(cè)量結(jié)果的遠(yuǎn)程傳輸，確保了電場(chǎng)強(qiáng)度信號(hào)采集的同步性和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕岣吡苏麄€(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)整體方案

驗(yàn)電系統(tǒng)的主要構(gòu)成有：雙軸電場(chǎng)傳感器、電源控制模塊、STM32中央處理控制模塊、聲光報(bào)警模塊、GPRS無(wú)線模塊等。利用STM32系列微處理器，處理雙軸電場(chǎng)傳感器所采集到的電壓信號(hào)，進(jìn)而控制預(yù)警模塊與GPRS無(wú)線模塊以聲光報(bào)警和發(fā)送短信的形式向現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供具體準(zhǔn)確的直流高壓設(shè)備的帶電狀態(tài)，并發(fā)出是否帶電預(yù)警信號(hào)。驗(yàn)電系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 驗(yàn)電系統(tǒng)功能框圖

雙軸電場(chǎng)傳感器及主要功能模塊集成于高壓直流探頭內(nèi)，當(dāng)雙軸傳感器檢測(cè)到高壓直流電場(chǎng)信號(hào)后，信號(hào)處理電路對(duì)采集所得的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)濾波、AD采樣送入主控芯片，主控系統(tǒng)將對(duì)所得的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷設(shè)備的帶電狀態(tài)。

2 雙軸電場(chǎng)傳感裝置設(shè)計(jì)

2.1 直流場(chǎng)強(qiáng)分布

高壓直流輸電線路及母線會(huì)在其周圍產(chǎn)生具有不同于交流特性的電場(chǎng)[7]。如圖2所示的輸電導(dǎo)線電壓極性固定，空間帶電運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離子流場(chǎng)與導(dǎo)線電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)相互疊加耦合，極導(dǎo)線外側(cè)場(chǎng)強(qiáng)大，兩極間場(chǎng)強(qiáng)小，地面場(chǎng)強(qiáng)有較大的加強(qiáng)。

圖2 高壓直流輸電線電場(chǎng)分布

直流場(chǎng)作為換流站的一個(gè)主要的組成部分，如圖3所示主要由電抗器、避雷器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、以及各種測(cè)量設(shè)備組成。相比輸電線路，換流站內(nèi)直流場(chǎng)中存在多個(gè)帶電設(shè)備，分布密集，空間場(chǎng)強(qiáng)分布復(fù)雜[8-9]。開(kāi)關(guān)場(chǎng)內(nèi)的管母線支柱、接地刀閘等設(shè)施的屏蔽作用，降低了所在區(qū)域的直流場(chǎng)強(qiáng)；連接管母線的跳線使周圍合成電場(chǎng)強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)?？臻g場(chǎng)強(qiáng)相互交錯(cuò)，站內(nèi)不同位置電場(chǎng)強(qiáng)度不同；帶電設(shè)備附近空間場(chǎng)強(qiáng)因帶電離子流的存在，空間場(chǎng)強(qiáng)相互耦合，使得空間場(chǎng)強(qiáng)在水平方向差別較??；在垂直方向上離子流濃度密集以及設(shè)備場(chǎng)強(qiáng)相互疊加小，導(dǎo)致空間場(chǎng)強(qiáng)在垂直方向變化大，電場(chǎng)垂直極化嚴(yán)重，垂直方向電場(chǎng)強(qiáng)度較大。

2.2 雙軸傳感原理

圖3 換流站直流側(cè)簡(jiǎn)易示圖

電場(chǎng)和電壓具有同步性，通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)值的大小可以判斷設(shè)備是否存在直流高電壓。在換流站電磁場(chǎng)環(huán)境下對(duì)直流電場(chǎng)測(cè)量，由于電暈產(chǎn)生的離子流場(chǎng)和電荷產(chǎn)生的標(biāo)稱電場(chǎng)相互耦合，設(shè)備密集，空間電場(chǎng)相互疊加，使得傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器探頭測(cè)量不能克服帶電設(shè)備分布密集時(shí)待測(cè)設(shè)備周圍復(fù)雜場(chǎng)強(qiáng)所帶來(lái)的干擾。

合成電場(chǎng)具有垂直極化嚴(yán)重，空間電場(chǎng)的垂直方向分量大于水平方向分量的特點(diǎn)。因此，通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)的二維分量，比較水平方向電場(chǎng)和垂直方向電場(chǎng)的大小可以最大化地降低被測(cè)設(shè)備周圍其他帶電體的干擾，能可靠判斷被測(cè)設(shè)備是否存在直流高電壓。如圖4所示，Ey為垂直方向電場(chǎng)值，Ex為水平方向電場(chǎng)值，當(dāng)Ey和Ex差值位于y=x上方，即Ey與Ex差值落點(diǎn)在區(qū)域1時(shí)，可視為被測(cè)設(shè)備帶電；Ey和Ex差值位于y=x下方時(shí)，可視為被測(cè)設(shè)備不帶電，電場(chǎng)的存在可能由周邊其他帶電設(shè)備引起。

圖4 雙軸電場(chǎng)差分圖

針對(duì)單軸傳感器不能同步測(cè)量水平、垂直方向上的場(chǎng)強(qiáng)大小，需設(shè)計(jì)一種雙軸結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)傳感器。雙軸傳感器由2個(gè)面積、材料、厚度均相同的感應(yīng)探頭組成，2個(gè)感應(yīng)探頭分別安置于傳感器外殼頂端處，作為感應(yīng)電極與外直流電場(chǎng)作用。采用雙軸結(jié)構(gòu)的傳感器測(cè)量范圍大、準(zhǔn)確性高，適合復(fù)雜電場(chǎng)環(huán)境條件下電場(chǎng)的測(cè)量。

2.3 傳感器選擇

振動(dòng)電容傳感器精度高、穩(wěn)定性好，具有全天候工作能力，比旋轉(zhuǎn)式傳感器尺寸小，功耗更低。其工作原理是通過(guò)交變電容感知電場(chǎng)，利用位于電場(chǎng)中傳感器的電極振動(dòng)，在傳感器電極上產(chǎn)生交變的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)反映被測(cè)帶設(shè)備的電壓[10-11]。

振動(dòng)電容傳感器原理如圖5所示，在距離振動(dòng)電極位置d0存在一個(gè)虛擬的等效電極，兩電極間形成一個(gè)平板電容器。

傳感器電極以振幅Δd作正弦振動(dòng)，其角頻率為ω，此時(shí)兩個(gè)電極板之間的距離為

圖5 振動(dòng)電容傳感器原理圖

則平板電容的電容值為

傳感器電極的電壓為

輸入回路經(jīng)大電阻接地，對(duì)地電壓較小，Vin≈0；傳感器電極Δd≤d0，Vin≤V，得：

式中：ε——空氣介電常數(shù)；

S——傳感器電極的面積；

C0——兩個(gè)電極距離d0時(shí)的電容；

C——傳感器電極與等效電極間的電容；

R——接地電阻；

V——被測(cè)直流帶電設(shè)備的電壓；

Vin——傳感器電極的電壓；

Iin——傳感器電極的電流。

由上述推導(dǎo)可得，傳感器所得電壓信號(hào)與被測(cè)帶電設(shè)備電壓成正比。因此，測(cè)量傳感器電極的電壓信號(hào)可用于分析被測(cè)帶電體的電壓，采用兩個(gè)傳感器組成的雙軸傳感探頭能夠?qū)崿F(xiàn)直流電場(chǎng)在垂直方向和水平方向上的同步測(cè)量，滿足本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的傳感器要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 信號(hào)變換電路

雙軸電容傳感器同時(shí)采集產(chǎn)生的兩組交變電信號(hào)，信號(hào)變換與處理系統(tǒng)分別對(duì)所產(chǎn)生的兩組電場(chǎng)信號(hào)的交流量進(jìn)行處理。信號(hào)變換與處理電路如圖6所示，將單向感應(yīng)電極產(chǎn)生的感應(yīng)電流Iin輸入I/V變換電路，轉(zhuǎn)化為同頻變化的電壓信號(hào)，將其輸入到電壓跟隨器，經(jīng)信號(hào)預(yù)處理電路二級(jí)放大、全波變換、高低通濾波后輸出除去干擾量的可測(cè)信號(hào)，并對(duì)兩路信號(hào)做進(jìn)一步的雙通道數(shù)據(jù)處理，最后進(jìn)入A/D采集所需信號(hào)的值。

圖6 信號(hào)變換與處理電路

圖7 最小系統(tǒng)硬件電路

3.2 主控制器及外圍電路

系統(tǒng)控制電路主控制器采用STM32系列高性能ARM內(nèi)核32位微控制器，選用STM32L152RBT6型號(hào)芯片，可通過(guò)串口與GPRS模塊進(jìn)行通信，具有工業(yè)級(jí)溫度范圍[12-13]。該系列芯片內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)用于滿足集高性能、低功耗，具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求，可滿足直流驗(yàn)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)的要求。主控制器集中處理雙軸傳感器信號(hào)，控制聲光報(bào)警模塊發(fā)出是否帶電預(yù)警信號(hào)，并通過(guò)短信的形式將驗(yàn)電信息發(fā)送到指定設(shè)備中。直流驗(yàn)電系統(tǒng)主控制器最小系統(tǒng)硬件電路如圖7所示。

3.3 GPRS無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

考慮直流驗(yàn)電系統(tǒng)使用環(huán)境的復(fù)雜多變性，需要把驗(yàn)電信息快速、準(zhǔn)確地傳輸給運(yùn)檢人員[14]。通過(guò)無(wú)線傳輸方式的優(yōu)缺分析，采用獨(dú)立的GPRS無(wú)線傳輸方式，具有“一對(duì)一”和“一對(duì)多”的傳輸模型，同時(shí)其獨(dú)立于網(wǎng)內(nèi)無(wú)線傳輸?shù)姆绞皆鰪?qiáng)了驗(yàn)電信號(hào)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。?yōu)化硬件電路排版和外部屏蔽的設(shè)計(jì)，減少了可能存在的電磁干擾影響。裝置中GPRS模塊由兩部分構(gòu)成：SIM900A通信模塊及SIM卡。GPRS通信模塊如圖8所示。

圖8 GPRS通信模塊

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)初始化完成后，系統(tǒng)主程序進(jìn)入自檢，開(kāi)始檢測(cè)后采集系統(tǒng)通過(guò)雙軸傳感器采集電場(chǎng)信號(hào)，中央處理器接收垂直與水平方向上對(duì)應(yīng)電場(chǎng)的電平信號(hào)并進(jìn)行比較處理，主程序調(diào)用子程序控制聲光報(bào)警模塊與GPRS無(wú)線通信模塊運(yùn)行，聲光報(bào)警模塊發(fā)出是否帶電警示，帶電狀態(tài)信號(hào)以短信形式經(jīng)GPRS無(wú)線模塊傳輸至接收終端中。圖9所示為主程序流程圖。

圖9 主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

1）針對(duì)高電壓直流設(shè)備驗(yàn)電問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于雙軸傳感的直流驗(yàn)電系統(tǒng)。在電場(chǎng)信號(hào)采集方面利用雙軸傳感原理擴(kuò)大了系統(tǒng)的測(cè)量范圍，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜電場(chǎng)環(huán)境下直流電場(chǎng)信息的采集，降低換流站中直流場(chǎng)中密集設(shè)備對(duì)待測(cè)帶電體的干擾，提高了驗(yàn)電結(jié)果的準(zhǔn)確性，為減少誤判事故的發(fā)生提供了保障。

2）GPRS無(wú)線傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)電數(shù)據(jù)的可靠傳輸，解決了傳統(tǒng)總線系統(tǒng)的布線工作繁重、強(qiáng)電磁環(huán)境中抗干擾能力的問(wèn)題，具有適用性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、安全等優(yōu)點(diǎn)。

3）系統(tǒng)采用高精度、低功耗電容傳感器，以32位低功耗、高性能ARM微控制器為核心的控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的續(xù)航能力，具有良好的應(yīng)用前景。

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（編輯：商丹丹）

Design of DC electroscope system based on biaxial sensor

TAN Yumiao1，CHEN Xin’gang1，2，GU Liang1，2，YANG Dingkun1，MA Jun1，TAN Hao1
（1.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Energy Internet，Chongqing 400054，China）

In order to realize the reliability of electroscope of high voltage direct current(HVDC) equipment in the complex electromagnetic environment，a direct current(DC)electroscope system based on biaxial sensing is proposed and designed.By analyzing the electric field characteristics of the HVDC transmission line and the DC side of the valve hall of the converter station，combining with the biaxial sensing mechanism，the structure of the probe of the vibration capacitance sensor was designed and the measuring range of the system was expanded.With the electroscope system with a 32-bit low-power and high-performance ARM micro-controller as the core，electric field signal can be

by the dual-axis synchronous acquisition in the complex electromagnetic environment.The GPRS wireless module is used for reliable transmission of electroscope results，reducing the interference of dense equipment in DC field in converter station on measuring system. The implementation of the system can accurately detect the charged state of DC equipment，timely alarm，with features such as wireless transmission，strong anti-interference，long using life.

direct current electric field；biaxial sensor；electroscope system；GPRS

A

1674-5124（2017）05-0076-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.016

2016-11-18；

2016-12-29

重慶市教委科技計(jì)劃項(xiàng)目（KJ1400914）；重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（YCX2016203）

譚毓苗（1991-），男，重慶市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡姎庠O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。