基于MCU的在線監(jiān)測智能傳感器設(shè)計

劉亞林 趙勝男 吳西博 張世達

摘? 要：因在線監(jiān)測傳感器一次設(shè)備受浪涌、雷擊等過電壓沖擊的影響，導(dǎo)致其運行可靠性較差，從而使在線監(jiān)測系統(tǒng)難以發(fā)揮監(jiān)測效果。文章基于工業(yè)級8位MCU的通訊及采樣保護控制單元，結(jié)合工程研發(fā)經(jīng)驗，提出一種研發(fā)在線監(jiān)測傳感器的新設(shè)計思路。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測傳感器;泄漏電流;MCU程控單元;信號采樣保護單元;信號采樣及調(diào)理單元

中圖分類號：TM93;TP212? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）01-0041-03

Abstract：The online monitoring sensor is affected by overvoltage surges such as surges and lightning strikes on the primary equipment，which results in poor operational reliability and makes it difficult for the online monitoring system to monitor. Combined with engineering research and development experience，the article proposed a new design idea for developing online monitoring sensor based on the communication and sampling protection control unit of industrial 8-bit microcontroller （MCU）.

Keywords：online monitoring sensor;leakage current;MCU program control unit;signal sampling protection unit;signal sampling and conditioning unit

0? 引? 言

變電設(shè)備的運行狀態(tài)直接關(guān)系到電網(wǎng)運行的安全。通過借助先進電子通信技術(shù)，在線監(jiān)測可以實時感知設(shè)備的健康狀態(tài)，對于防止運行事故的發(fā)生以及為狀態(tài)檢修提供依據(jù)具有重要意義[1-3]。文獻[4]介紹了一種高壓斷路器的在線監(jiān)測系統(tǒng)，文獻[5]介紹了一種包括數(shù)據(jù)截斷和數(shù)據(jù)疊加的數(shù)據(jù)處理方法用于在線監(jiān)測。但實現(xiàn)這些，需要依賴傳感器精準(zhǔn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集。

變電站電磁環(huán)境復(fù)雜，一次設(shè)備經(jīng)常遭受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊，這些因素對在線監(jiān)測傳感器的影響很大，進而會影響到在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果[6，7]。在線監(jiān)測傳感器長期在變電站的復(fù)雜電磁環(huán)境下運行，當(dāng)一次設(shè)備經(jīng)受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊時很容易造成傳感器內(nèi)脆弱的信號采樣電路損壞。以上因素的影響導(dǎo)致傳感器的性能難以滿足在線監(jiān)測的要求，很多已投運的在線監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在運行可靠性差的缺陷，傳感器故障頻發(fā)，系統(tǒng)難以發(fā)揮作用[8]。

本文力求解決傳感器在超、特高壓變電站環(huán)境下的可靠性問題。針對變電站復(fù)雜的電磁環(huán)境，高壓電氣設(shè)備運行狀態(tài)信號的獲取方式一般是通過高精度穿心式電流互感器采集設(shè)備的對地泄漏電流信號，因此當(dāng)一次設(shè)備遭受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊時，雖然互感器線圈的磁感應(yīng)回路會產(chǎn)生飽和，但互感器的二次側(cè)輸出信號仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流，對傳感器內(nèi)脆弱的信號耦合及調(diào)理電路產(chǎn)生沖擊，從而導(dǎo)致傳感器的損壞[9]。

因此，文章首先分析了傳統(tǒng)在線監(jiān)測傳感器的缺陷。然后，為了提高在線監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠性，對傳感器進行了改進設(shè)計，結(jié)合研制單位在智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域多年的工程研發(fā)經(jīng)驗，提出了新的設(shè)計思路。

1? 傳統(tǒng)在線監(jiān)測傳感器的缺陷

變電站一次設(shè)備（包括各類電容型設(shè)備、避雷器、各類套管、主變鐵芯、無功補償電容器組等）的對地泄漏電流中包含了阻抗角、有功量、無功量等表征設(shè)備運行狀態(tài)的特征參數(shù)。

電容型電壓互感器（CVT）等效電氣模型如圖1所示，其中，虛線部分表示外部殼體的等效電阻。

圖1中，C1為高壓電容;C2為中壓電容;L1為中壓變壓器一次繞組;L2為補償電抗器;I1為容性電流;I2為中壓變壓器空載電流;Ir為阻性電流;R為等效介質(zhì)電阻;Ix為全電流;U1為高壓電容分壓;U2為中壓電容分壓;Ux為運行電壓。因此，對泄漏電流實施在線監(jiān)測可以通過泄漏電流獲知設(shè)備的健康狀態(tài)，進而可以預(yù)防事故并為狀態(tài)檢修提供依據(jù)[10]。

變電站一次設(shè)備對地泄漏電流的信號范圍跨度很大，比如某些電容型設(shè)備的對地泄漏電流可達數(shù)百毫安，而某些避雷器正常工作時其泄漏電流為數(shù)十微安，但在遭受系統(tǒng)過電壓（浪涌、雷擊等）沖擊時，其對地泄放電流可達數(shù)千安培。

目前，在線監(jiān)測技術(shù)所依賴的主要技術(shù)有[11]：

（1）數(shù)字信號處理技術(shù)，目前已經(jīng)成熟應(yīng)用于狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域;

（2）高精度傳感器技術(shù)，特別是有源零磁通互感器的應(yīng)用，使復(fù)雜電磁環(huán)境下微弱信號的處理性能有了極大的提升;

（3）基于32位嵌入式微處理器MPU、32位浮點運算的數(shù)字信號處理器DSP架構(gòu)的高端硬件平臺，基于ARM、DSP等架構(gòu)的高端硬件平臺在狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號分析中的應(yīng)用比較廣泛，相關(guān)軟硬件開發(fā)環(huán)境的第三方技術(shù)支持比較成熟。

以上技術(shù)的應(yīng)用為智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測提供了強大的技術(shù)支撐，使得在線監(jiān)測越來越成為保障電網(wǎng)安全運行的重要技術(shù)手段，同時也使得高壓電氣設(shè)備從計劃檢修向智能化的狀態(tài)檢修過渡，是設(shè)備運檢集約化、科學(xué)化的發(fā)展方向。

在以上技術(shù)得到應(yīng)用的同時，在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展也面臨很多制約因素，主要顯現(xiàn)在：

（1）傳感器的性能很大程度上影響了在線監(jiān)測系統(tǒng)性能的提升，主要表現(xiàn)為傳感器在復(fù)雜電磁環(huán)境下長期工作的可靠性問題;

（2）微弱信號經(jīng)過電流互感器時一致性差，導(dǎo)致在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分散性大、重復(fù)性差;

（3）抗干擾能力差，弱信號在復(fù)雜電磁環(huán)境下的耦合及傳輸很容易造成信號畸變，難以準(zhǔn)確反映設(shè)備健康狀態(tài)。

以上因素的存在對傳感器的設(shè)計提出了很高的要求，結(jié)合研制單位在具體工程應(yīng)用中遇到的問題，很多情況下傳感器損壞都是由于過電壓沖擊導(dǎo)致的，致使數(shù)據(jù)無法采集。因此在信號采樣回路增設(shè)保護措施很有必要。基于此，本文提出了新的在線監(jiān)測傳感器設(shè)計方案。

2? 在線監(jiān)測智能傳感器設(shè)計

2.1? 設(shè)計思路

以加強對信號采樣電路的保護為目的，文中傳感器的設(shè)計思路是：

（1）在電流互感器二次側(cè)增加程控硬件隔離保護;

（2）監(jiān)測系統(tǒng)在信號采樣期間硬件保護回路動作，互感器二次信號輸入采樣電路實現(xiàn)正常的信號采樣;

（3）監(jiān)測系統(tǒng)在采樣空閑期間硬件保護回路斷開，實現(xiàn)互感器二次輸出和信號采樣電路的機械隔離，有效保護信號采樣電路免受浪涌、雷擊等過電壓的影響。

（4）普通在線監(jiān)測傳感器一般由高精度穿心式電流互感器、信號采樣及調(diào)理電路及信號輸出接口和傳感器整體封裝結(jié)構(gòu)幾個部分組成。

在線監(jiān)測智能傳感器在研制過程中，為實現(xiàn)傳感器內(nèi)信號采樣電路的保護，相對于普通傳感器而言，本文著重解決以下幾方面問題：

（1）傳感器到系統(tǒng)的通訊;

（2）采用程控硬件隔離的方式實現(xiàn)對信號采樣回路的保護;

（3）在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加采樣保護控制程序模塊。

綜合以上幾點，區(qū)別于普通傳感器的設(shè)計，智能在線監(jiān)測傳感器的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)由以下幾部分組成：

（1）高精度穿心式電流互感器;

（2）信號采樣及調(diào)理電路，以及信號輸出接口;

（3）基于硬件的程控采樣保護控制回路;

（4）基于MCU的采樣保護控制及總線通訊接口;

（5）傳感器的整體封裝結(jié)構(gòu)。

2.2? 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

在線監(jiān)測智能傳感器各功能單元的組成如圖2所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，具體由以下功能單元組成：

（1）電流互感器（滿足高精度、穿心式、零磁通）;

（2）信號采樣及調(diào)理單元;

（3）通訊及采樣保護控制單元（工業(yè)級8位MCU程控單元）;

（4）信號采樣保護的硬件隔離單元（中間繼電器）;

（5）滿足IP55防護等級的傳感器整體封裝結(jié)構(gòu)。

2.3? 信號采樣及保護控制電氣原理設(shè)計

信號采樣及保護控制是智能傳感器的關(guān)鍵設(shè)計，信號采樣及保護控制回路如圖3所示，通過中間繼電器K1和K2實現(xiàn)信號采樣電路和互感器二次側(cè)的硬件隔離。中間繼電器K1和K2的動作由MCU程控單元實現(xiàn)控制，具體控制指令由上位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出，通過總線實現(xiàn)和程控單元的通訊，并由程控單元實現(xiàn)指令解碼后輸出控制信號。一般控制流程是系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)期間互感器二次信號輸入采樣電路，系統(tǒng)空閑期間互感器二次信號和采樣電路實現(xiàn)隔離，從而使得傳感器免受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊導(dǎo)致傳感器損壞，達到提高系統(tǒng)運行可靠性的目的。

3? 結(jié)? 論

受一次設(shè)備運行狀態(tài)的影響，傳統(tǒng)在線監(jiān)測傳感器容易損壞，進而影響到在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果。本文在傳統(tǒng)在線監(jiān)測傳感器的基礎(chǔ)上，基于工業(yè)級8位MCU的通訊及采樣保護控制單元，結(jié)合工程研發(fā)經(jīng)驗，提出新的設(shè)計思路。研制用于在線監(jiān)測的智能傳感器，可應(yīng)用在電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)上。應(yīng)用該設(shè)備，可以提高變電站監(jiān)測一次設(shè)備運行狀態(tài)的準(zhǔn)確性，適用于預(yù)防事故的發(fā)生，為設(shè)備的狀態(tài)檢修提供重要判斷依據(jù)。

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作者簡介：劉亞林（1982-），男，漢族，河南開封人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗研究;趙勝男（1989-），女，漢族，河南開封人，工程師，本科，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗研究;吳西博（1987-），男，漢族，山東冠縣人，工程師，碩士研究生，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗研究;張世達（1992-），男，漢族，河南鄭州人，碩士研究生，研究方向：高壓電氣設(shè)備檢修與試驗研究。