泵站輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉龍，竇立祥，李翔宇，楊澤明

（1.天津水利電力機(jī)電研究所，天津 301900；2.天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384）

泵站輸變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳曉龍1，竇立祥2，李翔宇2，楊澤明1

（1.天津水利電力機(jī)電研究所，天津 301900；2.天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384）

針對(duì)泵站輸變電設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中因絕緣老化或接觸電阻過(guò)大而引起的發(fā)熱和可能存在的電能質(zhì)量問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)泵站輸變電設(shè)備進(jìn)行電能質(zhì)量和熱點(diǎn)溫度在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估的系統(tǒng)。利用不同的傳感器技術(shù)的相互融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站輸變電設(shè)備的高效監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集層設(shè)計(jì)了電壓和電流采樣電路、傳感器陣列；數(shù)據(jù)處理層采用AM3352微處理器對(duì)熱點(diǎn)溫度進(jìn)行處理分析，采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的高速計(jì)算功能；數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估的人機(jī)交互界面。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以滿足對(duì)泵站輸變電設(shè)備的發(fā)展要求。

輸變電設(shè)備；電能質(zhì)量；熱點(diǎn)溫度

0 引言

隨著芯片的不斷集成，材料的不斷更新以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使新型傳感器技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1]。將其應(yīng)用于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，從而產(chǎn)生了基于新技術(shù)的新應(yīng)用裝置，比如對(duì)采樣數(shù)據(jù)精度要求十分嚴(yán)格的繼電保護(hù)和故障信息子站系統(tǒng)、新型數(shù)字故障錄波監(jiān)測(cè)裝置等。而對(duì)于泵站中輸變電設(shè)備熱點(diǎn)溫度和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)泵站輸變電設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行檢修的重要技術(shù)手段。通過(guò)將通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了泵站輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估。不斷建設(shè)和推廣泵站輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作，對(duì)提升電網(wǎng)智能化水平和輸變電設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行管理具有重要的意義[2-5]。

針對(duì)泵站輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)搭建總體框架，本系統(tǒng)分為三層，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)層。如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)采集原理

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層采用SAW傳感器和紅外測(cè)溫模塊對(duì)泵站中輸變電設(shè)備的溫度進(jìn)行采集，采用電網(wǎng)信號(hào)采集器對(duì)電壓和電流進(jìn)行采集。其中SAW傳感器采集輸變電設(shè)備易熱點(diǎn)處的溫度，紅外測(cè)溫模塊采集輸變電設(shè)備的表面溫度，它們分別將采集到的溫度信號(hào)傳給溫度采集器，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。電網(wǎng)信號(hào)采集器采集三相及零序電壓和電流的8路信號(hào)。

系統(tǒng)傳感陣列由SAW傳感器和紅外測(cè)溫模塊構(gòu)成，針對(duì)不同的設(shè)備不同安全等級(jí)要求，搭配相應(yīng)的傳感器陣列實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備的運(yùn)行溫度信息，通過(guò)無(wú)線發(fā)射器將采集的信號(hào)發(fā)送采集器，從而把溫度信號(hào)傳送至控制器。

SAW傳感器（圖2）基于壓電原理進(jìn)行工作，通過(guò)頻率的變化從而反映出壓電基片的熱脹冷縮效應(yīng)，從而把溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理，最后采集器對(duì)該溫度信號(hào)進(jìn)行接收再處理。

圖2 SAW傳感器

SAW傳感器將直接安裝在斷路器、開(kāi)關(guān)、電力電纜、避雷器、母線表面，首先，溫度通過(guò)銅固定件把熱量快速傳送給溫度傳感芯片，從而完成對(duì)溫度信號(hào)的獲取。之后，在SAW晶體內(nèi)部對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理。最后把載有溫度信息的信號(hào)返回給采集器。

圖3所示，為MLX90614測(cè)溫模塊。該測(cè)溫模塊通過(guò)對(duì)物體自身所存在紅外輻射能量的大小進(jìn)行測(cè)量，從而確定所測(cè)物體的表面溫度。該模塊在出廠前已完成校驗(yàn)，因此可以直接使用，將誤差減到最小。81101熱電元件是該模塊的紅外感應(yīng)部分，在理想情況下熱電元件的輸出電壓為：

其中To是被測(cè)物體的實(shí)際溫度，Ta是傳感器自身的溫度，A是熱電元件的靈敏度常數(shù)。

81101熱電元件內(nèi)置的熱電偶用于對(duì)被測(cè)物體的實(shí)際溫度和傳感器的自身溫度進(jìn)行測(cè)量，并將兩路溫度信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，經(jīng)過(guò)溫度采集器和雙核控制系統(tǒng)中的DSP計(jì)算處理從而得到輸出。

圖3 紅外測(cè)溫模塊

變壓器、電壓互感器、電流互感器、并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、套管采用MLX90614測(cè)溫模塊。實(shí)時(shí)采集運(yùn)行設(shè)備的溫度。通過(guò)ADC采集電路，將采集到的各溫度信息返回給ARM處理器，ARM處理器再將其他溫度和電能量信息重新整合編碼，通過(guò)串口將所有信息發(fā)送給上位監(jiān)控與評(píng)估系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

電流采樣電路的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

電流互感器由兩級(jí)組成，第一級(jí)互感器變比為4 A：1 A，第二級(jí)互感器采用TA1015-1,其變比為5 A:5 mA，也就是1 000:1，兩級(jí)總共的互感器比例為4 000:1。當(dāng)電流互感器一次側(cè)的電流為4 A的時(shí)候，由第一級(jí)互感器變比可知二次側(cè)的電流為1 A。同理可以知道二級(jí)互感器的二次側(cè)電流大小為1 mA。如圖所示，通過(guò)在互感器二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)1 kΩ的電阻，便可以將一次側(cè)的4 A的強(qiáng)電流信號(hào)變換為二次側(cè)的弱電壓信號(hào)。其公式為:

其峰值為：

因此，電流互感器二次側(cè)輸出的電壓范圍在-1.414 V～+1.414 V之間，即一次回路里的220 V的工頻交流便被線性轉(zhuǎn)化為-1.414 V～+1.414 V之間的直流信號(hào)。

轉(zhuǎn)化后的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)電路處理，再將處理后的信號(hào)傳給數(shù)據(jù)處理層的DSP。其中信號(hào)電路由3級(jí)構(gòu)成，依次為偏置放大環(huán)節(jié)、有源濾波環(huán)節(jié)、跟隨環(huán)節(jié)。該信號(hào)電路的設(shè)計(jì)目的在于將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，并濾除其中的干擾信號(hào)，提高其抗干擾能力。

圖5 電壓采樣電路

電壓互感器選擇為TV1013-1H，其變比為2 mA:2 mA，也就是變比為2 000:2 000，本文設(shè)計(jì)的電壓采集電路用于采集220 V的相電壓，在電壓互感器一次側(cè)串聯(lián)一個(gè)200 kΩ的電阻，再在二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)330 Ω的電阻，便可以采集到滿足要求的信號(hào)，其計(jì)算公式如下：

一次側(cè)電流大小為:

因?yàn)樵撾妷夯ジ衅鞯淖儽葹? 000:2 000，所以二次側(cè)的電流大小與一次側(cè)的電流大小相同，即

1.1 mA。而二次側(cè)的輸出電壓為:

3 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的DSP算法實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理層基于ARM和DSP的雙核采集控制系統(tǒng)[6-7]，如圖6所示。其中AM3352主要用于對(duì)運(yùn)行溫度進(jìn)行處理分析，TMS320F2812主要用于電能質(zhì)量的采集與高速計(jì)算，如圖7所示。

圖6 ARM與DSP的雙核采集控制系統(tǒng)

圖7 電能質(zhì)量計(jì)算流程圖

（1）電路基本參數(shù)的測(cè)量原理

（2）信號(hào)處理模塊說(shuō)明

1）有功功率計(jì)量

各項(xiàng)的有功功率是把電流、電壓信號(hào)進(jìn)行去直流分量后，再經(jīng)過(guò)乘法、加法、數(shù)字濾波等數(shù)字信號(hào)處理后得到。

2）無(wú)功功率計(jì)量

無(wú)功功率計(jì)量算法與有功類似，只是將電壓信號(hào)移相90°。其中數(shù)字移相濾波器的帶寬設(shè)置直接影響測(cè)量帶寬。

3）視在功率、功率因數(shù)、相角測(cè)量

通過(guò)已經(jīng)計(jì)算出的有功功率和無(wú)功功率，再進(jìn)行開(kāi)方、除法等運(yùn)算從而得到相應(yīng)的參數(shù)。

4）有效值測(cè)量

將電流和電壓的采樣值進(jìn)行平方、開(kāi)方以及數(shù)字濾波等一系列運(yùn)算處理，從而得到有效值。誤差小于0.5%。

5）能量計(jì)算

通過(guò)求取功率信號(hào)在時(shí)間上的積分從而得到能量值。

4 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與評(píng)估

通過(guò)MAX485芯片轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)采用VB 6.0進(jìn)行人機(jī)交互界面設(shè)計(jì),通過(guò)向下位機(jī)發(fā)送控制命令和接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)并實(shí)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)時(shí)顯示曲線繪制、文件存儲(chǔ)和參數(shù)設(shè)置等操作。由于上位機(jī)和下位機(jī)串口的工作電平不相同，它們間通過(guò)MAX485芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。

ARM和DSP的雙核采集控制系統(tǒng)通過(guò)RS485串口通訊技術(shù)，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送給泵站輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與分析的上位機(jī)，操作人員通過(guò)上位監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與分析。上位監(jiān)控與評(píng)估界面如圖8，圖9所示。

5 結(jié)論

本文介紹了以DSP和ARM為核心的雙核控制器的三相交流電能和溫度信號(hào)的采集應(yīng)用方法。通過(guò)對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的編程，完成了對(duì)電網(wǎng)電壓和電流的采集和不同運(yùn)行設(shè)備的溫度采集，對(duì)采集的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，以DSP和ARM為核心的雙核控制器通過(guò)RS485將電能數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，上位機(jī)利用VB6.0軟件實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的讀取，同時(shí)具有溫度上下限設(shè)定與報(bào)警功能。通過(guò)實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)控軟件界面友好、操作簡(jiǎn)單方便、易維護(hù)，同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速度較快且較穩(wěn)定，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控，具有較高的可靠性，并且系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以擴(kuò)展應(yīng)用于對(duì)其他非電學(xué)信號(hào)如壓力、濕度、位移等的采集與控制，具有較好的應(yīng)用前景。

圖8 溫度采集監(jiān)控界面

圖9 電能量采集監(jiān)控界面

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TM77

：A

：1672-5387（2017）03-0017-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.005

2016-07-18

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研技術(shù)委托項(xiàng)目。

陳曉龍（1976-），男，工程師，從事電力設(shè)備檢測(cè)與試驗(yàn)、電氣產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與推廣等工作。