基于MCU的在線監測智能傳感器設計

劉亞林 趙勝男 吳西博 張世達

摘? 要：因在線監測傳感器一次設備受浪涌、雷擊等過電壓沖擊的影響，導致其運行可靠性較差，從而使在線監測系統難以發揮監測效果。文章基于工業級8位MCU的通訊及采樣保護控制單元，結合工程研發經驗，提出一種研發在線監測傳感器的新設計思路。

關鍵詞：在線監測傳感器;泄漏電流;MCU程控單元;信號采樣保護單元;信號采樣及調理單元

中圖分類號：TM93;TP212? ? ? 文獻標識碼：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

變電設備的運行狀態直接關系到電網運行的安全。通過借助先進電子通信技術，在線監測可以實時感知設備的健康狀態，對于防止運行事故的發生以及為狀態檢修提供依據具有重要意義[1-3]。文獻[4]介紹了一種高壓斷路器的在線監測系統，文獻[5]介紹了一種包括數據截斷和數據疊加的數據處理方法用于在線監測。但實現這些，需要依賴傳感器精準穩定的數據采集。

變電站電磁環境復雜，一次設備經常遭受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊，這些因素對在線監測傳感器的影響很大，進而會影響到在線監測系統的監測效果[6，7]。在線監測傳感器長期在變電站的復雜電磁環境下運行，當一次設備經受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊時很容易造成傳感器內脆弱的信號采樣電路損壞。以上因素的影響導致傳感器的性能難以滿足在線監測的要求，很多已投運的在線監測系統普遍存在運行可靠性差的缺陷，傳感器故障頻發，系統難以發揮作用[8]。

本文力求解決傳感器在超、特高壓變電站環境下的可靠性問題。針對變電站復雜的電磁環境，高壓電氣設備運行狀態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備的對地泄漏電流信號，因此當一次設備遭受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊時，雖然互感器線圈的磁感應回路會產生飽和，但互感器的二次側輸出信號仍然會產生較大的沖擊電流，對傳感器內脆弱的信號耦合及調理電路產生沖擊，從而導致傳感器的損壞[9]。

因此，文章首先分析了傳統在線監測傳感器的缺陷。然后，為了提高在線監測系統運行的可靠性，對傳感器進行了改進設計，結合研制單位在智能電網狀態監測領域多年的工程研發經驗，提出了新的設計思路。

1? 傳統在線監測傳感器的缺陷

變電站一次設備（包括各類電容型設備、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、無功量等表征設備運行狀態的特征參數。

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測可以通過泄漏電流獲知設備的健康狀態，進而可以預防事故并為狀態檢修提供依據[10]。

變電站一次設備對地泄漏電流的信號范圍跨度很大，比如某些電容型設備的對地泄漏電流可達數百毫安，而某些避雷器正常工作時其泄漏電流為數十微安，但在遭受系統過電壓（浪涌、雷擊等）沖擊時，其對地泄放電流可達數千安培。

目前，在線監測技術所依賴的主要技術有[11]：

（1）數字信號處理技術，目前已經成熟應用于狀態監測領域;

（2）高精度傳感器技術，特別是有源零磁通互感器的應用，使復雜電磁環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位浮點運算的數字信號處理器DSP架構的高端硬件平臺，基于ARM、DSP等架構的高端硬件平臺在狀態監測數據采集、數字信號分析中的應用比較廣泛，相關軟硬件開發環境的第三方技術支持比較成熟。

以上技術的應用為智能電網狀態監測提供了強大的技術支撐，使得在線監測越來越成為保障電網安全運行的重要技術手段，同時也使得高壓電氣設備從計劃檢修向智能化的狀態檢修過渡，是設備運檢集約化、科學化的發展方向。

在以上技術得到應用的同時，在線監測技術的發展也面臨很多制約因素，主要顯現在：

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

（2）微弱信號經過電流互感器時一致性差，導致在線監測數據分散性大、重復性差;

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

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

2? 在線監測智能傳感器設計

2.1? 設計思路

以加強對信號采樣電路的保護為目的，文中傳感器的設計思路是：

（1）在電流互感器二次側增加程控硬件隔離保護;

（2）監測系統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正常的信號采樣;

（3）監測系統在采樣空閑期間硬件保護回路斷開，實現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）普通在線監測傳感器一般由高精度穿心式電流互感器、信號采樣及調理電路及信號輸出接口和傳感器整體封裝結構幾個部分組成。

在線監測智能傳感器在研制過程中，為實現傳感器內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）傳感器到系統的通訊;

（2）采用程控硬件隔離的方式實現對信號采樣回路的保護;

（3）在數據采集系統中增加采樣保護控制程序模塊。

綜合以上幾點，區別于普通傳感器的設計，智能在線監測傳感器的功能結構設計應由以下幾部分組成：

（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構。

2.2? 功能結構設計

在線監測智能傳感器各功能單元的組成如圖2所示，其內部結構采用模塊化設計，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）信號采樣及調理單元;

（3）通訊及采樣保護控制單元（工業級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構。

2.3? 信號采樣及保護控制電氣原理設計

信號采樣及保護控制是智能傳感器的關鍵設計，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實現信號采樣電路和互感器二次側的硬件隔離。中間繼電器K1和K2的動作由MCU程控單元實現控制，具體控制指令由上位機數據采集系統發出，通過總線實現和程控單元的通訊，并由程控單元實現指令解碼后輸出控制信號。一般控制流程是系統采集數據期間互感器二次信號輸入采樣電路，系統空閑期間互感器二次信號和采樣電路實現隔離，從而使得傳感器免受浪涌、雷擊等過電壓的沖擊導致傳感器損壞，達到提高系統運行可靠性的目的。

3? 結? 論

受一次設備運行狀態的影響，傳統在線監測傳感器容易損壞，進而影響到在線監測系統的監測效果。本文在傳統在線監測傳感器的基礎上，基于工業級8位MCU的通訊及采樣保護控制單元，結合工程研發經驗，提出新的設計思路。研制用于在線監測的智能傳感器，可應用在電氣設備的狀態監測系統上。應用該設備，可以提高變電站監測一次設備運行狀態的準確性，適用于預防事故的發生，為設備的狀態檢修提供重要判斷依據。

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[11] 張磊.智能變電站在線監測系統的建設及運行研究 [D].濟南：山東大學，2017.

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：高壓電氣設備檢修與試驗研究。