基于單片機(jī)的變電站MOA 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

張 翔 韋納斯 王展印 李瀟童 方勝利

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院電氣工程系，湖北 十堰442002)

關(guān)鍵字：MOA；實(shí)時檢測；特征電氣參數(shù)；監(jiān)測系統(tǒng)

MOA 利用其自身優(yōu)良的非線性伏安特性，使得當(dāng)系統(tǒng)過壓時保持其兩端電壓不超過規(guī)定值，從而保護(hù)與其并聯(lián)運(yùn)行的電氣設(shè)備免受過電壓沖擊。而其自身性能隨著帶電運(yùn)行時間、吸收過電壓次數(shù)及環(huán)境溫度/濕度的改變而改變，當(dāng)其性能老化后，不僅不能起到過壓保護(hù)功能，還可能引起熱崩潰，甚至爆炸事故。因此對其性能參數(shù)的實(shí)時檢測是預(yù)防電力事故的有效措施之一。通過分析可知，其阻性泄露電流是表征其性能的關(guān)鍵參數(shù)。目前國內(nèi)外對MOA 性能的檢測方法很多，主要有離線高壓沖擊法和在線特征參數(shù)檢測法兩種，其中離線高壓沖擊法由于需要MOA 在停運(yùn)的狀態(tài)下進(jìn)行，因此受限條件較多，現(xiàn)在大部分均采用基波法、諧波分析法、補(bǔ)償法等在線檢測法。

本文在研究其自身運(yùn)行電氣參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)作為主控單元，結(jié)合其他外圍電路模塊采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了變電站MOA 遠(yuǎn)程在線檢測系統(tǒng)。

1 MOA 等值電路分析

對MOA 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其特性進(jìn)行分析后，可得到其等值電路，如圖1 所示。

圖1 MOA 等值電路

通過分析可知：當(dāng)MOA 正常運(yùn)行時，阻性泄露電流iR一般很小（mA 級）；當(dāng)MOA 性能老化后，iR則會有較大幅度的提高。

對圖1 進(jìn)行電路分析，可知其阻性泄露電流為：

為防止由于iR較小而導(dǎo)致檢測不準(zhǔn)確，可采用高精度電流互感器感知總泄露電流iX和容性泄露電流iC，然后通過式（1）求解iR，最后對iR的大小進(jìn)行比較和分析即可對MOA 的性能進(jìn)行評估。

2 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在信號檢測端首先對被檢測電流參數(shù)iX和iC進(jìn)行電流互感器CT 傳感和信號調(diào)理，然后通過MCU 的A/D 外設(shè)得到相應(yīng)的數(shù)字量，并經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到iR，最后將iR的分析和比較結(jié)果傳輸至人機(jī)交互端，通過聲光提示向監(jiān)控人員反饋MOA 性能的檢測結(jié)果。此外，為同時對變電站的多臺MOA進(jìn)行性能檢測，本系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，并通過RS485 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。其總體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3 信號檢測端設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測原理及要求，對每臺MOA 的總泄露電流數(shù)iX和容性泄露電流iC進(jìn)行傳感、調(diào)理及A/D，然后通過MCU 的內(nèi)部數(shù)據(jù)計(jì)算得到阻性泄露電流iR，最后經(jīng)通訊電路將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.1 CT 傳感部分

考慮到原始檢測信號的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用精度為0.1s、二次側(cè)額定電流為1A 的電流互感器CT 對iX和iC進(jìn)行傳感，其二次側(cè)輸出低于1A 的電流信號。

3.2 信號調(diào)理部分

該部分電路的作用是采用相關(guān)模擬電子元器件將電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號，并經(jīng)過信號隔離、濾波和RMS 檢測最終得到iX和iC的有效值。

其中在電信號轉(zhuǎn)換部分，通過雙極性高精度集成運(yùn)放AD706 及并聯(lián)保護(hù)二極管、電阻、電容等外圍分立器件，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并將其按照預(yù)定的增益系數(shù)放大；在信號隔離、濾波部分，以集成運(yùn)放OP07 和RC 電路組成二階濾波器，實(shí)現(xiàn)電信號的低通濾波，然后通過電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)電信號的隔離作用；在RMS 檢測部分，主要以模擬器件LTC1966 為核心，通過其內(nèi)部集成電路將交流信號轉(zhuǎn)換為與其有效值成正比的直流電壓信號，并通過反相并聯(lián)二極管構(gòu)成的鉗位電路對輸出的電壓信號進(jìn)行0～3.3V 的限幅。

此外，為實(shí)現(xiàn)各集成電子器件的預(yù)定功能，本部分還設(shè)計(jì)了±15V、5V 及3.3V 電源電路。首先經(jīng)過電源變壓器將220V交流市電降壓至16V，經(jīng)由IN4007 組成的橋式整流電路進(jìn)行不可控整流。其次經(jīng)分別通過LM317、LM337、LC 濾波電路及瞬態(tài)抑制二極管等相關(guān)外圍電路產(chǎn)生±15V 直流電源，為AD706、OP07 等模擬器件供電。再次，采用L7805 三段降壓穩(wěn)壓管及外圍電容將15V 直流電源降至5V，為LTC1966 供電。最后經(jīng)AMS1117-3.3V 三段降壓穩(wěn)壓管及外圍電容將5V 直流電源降至3.3V，為數(shù)據(jù)處理/控制單片機(jī)供電。

3.3 MCU 部分

該部分主要利用單片機(jī)的A/D 外設(shè)及內(nèi)部運(yùn)算處理器計(jì)算iR，并通過其集成的UART 外設(shè)實(shí)現(xiàn)與通訊部分的數(shù)據(jù)交互?？紤]到最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度和功能要求，本系統(tǒng)采用28 引腳封裝的MSP430I2021 型號單片機(jī)，其自帶2 個24 位高精度獨(dú)立A/D，能實(shí)現(xiàn)同步采樣功能，此外還集成有2 個16 位計(jì)時器和1個UART 通信外設(shè)，能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和異步通信需求。該部分電路如圖3 所示，其中LED 用于表征內(nèi)部程序運(yùn)行正常與否。

圖3 MCU 部分電路

3.4 通訊部分

該部分主將單片機(jī)內(nèi)部TTL 電平轉(zhuǎn)換成與RS485 電氣特性相符的差分信號, 用于信號檢測端與人機(jī)交互端的遠(yuǎn)距離通信。其電路如圖4 所示。

圖4 通訊部分電路

4 人機(jī)交互端設(shè)計(jì)

置于變電站監(jiān)控室的人機(jī)交互端主要與信號檢測端的數(shù)據(jù)通信及聲光提示功能，當(dāng)信號檢測端判斷某MOA 性能老化時人機(jī)交互端對應(yīng)發(fā)出一定頻率的聲光報(bào)警，同時監(jiān)控人員可進(jìn)行消警操作。其通訊部分信號檢測端一致（見圖4）。對于MCU部分，考慮到其UART 外設(shè)功能和多臺MOA 的檢測要求，選用28 引腳封裝的MSP430I2021 型號單片機(jī)，其集成有16 個GPIO口，因此可同時對16 臺MOA 的性能進(jìn)行監(jiān)測，該部分電路類似與信號檢測端。對應(yīng)于某臺MOA 的聲光提示部分電路如圖5所示。

在圖5 中，若經(jīng)信號檢測端判斷該MOA 性能正常，則MCU控制端口PX.y 輸出低電平，則三極管S9013 不導(dǎo)通，無聲光提示；反之，則控制端口PX.y 輸出一定頻率的高、低電平，則發(fā)出對應(yīng)頻率的聲光提示。此外，若監(jiān)控人員已獲知該MOA 性能異常情況，可通過自鎖式按鍵S1 消除聲光提示報(bào)警。

5 系統(tǒng)測試

對以上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行樣件制作，然后在實(shí)際變電站進(jìn)行調(diào)試，最終進(jìn)行實(shí)際測試。對3 臺已老化的MOA 測試，測試結(jié)果顯示在人機(jī)交互端均有異常報(bào)警；而對另外6 臺近期更換的MOA 進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示在人機(jī)交互端無任何異常報(bào)警，可知該系統(tǒng)對MOA 性能的檢測和判斷準(zhǔn)確率為100%，且通過長時間的試運(yùn)行，該系統(tǒng)均能穩(wěn)定可靠工作，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文在對MOA 特征電氣參數(shù)進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前MOA 檢測方法，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的變電站MOA 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，其采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可同時對變電站內(nèi)多臺MOA 的性能檢測，經(jīng)過實(shí)際測試，該系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，且穩(wěn)定可靠，滿足了MOA 性能的在線監(jiān)測要求。