避雷器智能化在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

引言

避雷器是電力系統(tǒng)中重要的預(yù)防及保護(hù)類設(shè)備,能夠準(zhǔn)確并及時掌握其運(yùn)行狀態(tài)并開展必要的檢修對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要[1],其性能優(yōu)劣將直接影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文提出了一種基于多傳感器的避雷器工作狀態(tài)的監(jiān)測裝置,其通過多個傳感器采集避雷器運(yùn)行時的多種數(shù)據(jù)并采用一定的算法加以融合,計算出避雷器是否存在需要檢修或?qū)⒁獡p壞的萌芽狀態(tài),以準(zhǔn)確反映避雷器的工作狀態(tài)及性能,從而提前對其進(jìn)行狀態(tài)檢修,保障避雷器的正常使用。

1避雷器監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端的電路設(shè)計采用可編程邏輯技術(shù),采用的器件是復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD。CPLD是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的,相對而言規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,屬于大規(guī)模集成電路范圍,是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。以CPLD為主要的硬件載體完成對前端電流信號的測頻及對頻值的采集方案。微處理器中以STM32單片機(jī)為核心對設(shè)備的工作過程進(jìn)行控制并能接收采集到的信息進(jìn)行有效分析處理,實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換芯片的信號頻率的測量和實時采樣控制,實現(xiàn)與數(shù)據(jù)存儲模塊、看門狗模塊、報警模塊的互聯(lián),還可完成數(shù)據(jù)的緩沖、傳輸、處理等（圖1）。

由于避雷器泄漏電流非常微弱,且變電站電磁環(huán)境復(fù)雜,電磁干擾強(qiáng)烈,精確測量泄漏電流幅值和相位具有很大困難,故在硬件設(shè)計時,要充分考慮傳感器的選型以及信號濾波、放大處理。通過高精度電流傳感器獲取MoA的泄漏電流,然后將獲取的電流信號通過程控放大電路進(jìn)行放大。放大后的信號送入A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換:微處理采用STM32單片機(jī),其具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn),溫度傳感器、濕度傳感器和污穢度傳感器選用瑞士SenSirion公司的傳感器,該傳感器采用芯片SHT11,具有集放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及存儲器于一體的功能,芯片是兩線數(shù)字接口,完全數(shù)字量輸出,無需微調(diào),可與微處理器直接相連,外圍電路簡單。放大模塊用于將泄漏電流傳感器采集到的電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大處理,泄漏電流傳感器采用法拉第的方式將光纖直接繞在電流線上進(jìn)行采集數(shù)據(jù),A/D轉(zhuǎn)換模塊將放大模塊處理的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,FFT模塊將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換:電源模塊采用直流12V、3.3V兩個電壓等級進(jìn)行供電,其中直流12V由輸入電壓為AC85～305V、輸出電壓為DC12V的金升陽LH10-13B12-10w電源模塊轉(zhuǎn)換而來,主要用來為液晶屏模塊提供直流12V電壓:直流3.3V由上級輸出的DC12V經(jīng)過VRB1203ZP-6wR2電源模塊轉(zhuǎn)換而來,對整個監(jiān)測裝置供電:液晶顯示模塊用來對微處理器處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,當(dāng)微處理器融合處理的數(shù)據(jù)偏離上位機(jī)設(shè)定的閾值時,報警模塊進(jìn)行報警提示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文監(jiān)測終端主控制器采用的是STM32+CPLD,因此,軟件方面的設(shè)計包括了STM32和CPLD兩個部分。

經(jīng)過對代碼的合理編寫,程序在STM32運(yùn)行時邏輯清晰且功能完善,突出了其健壯性且結(jié)構(gòu)緊湊,可維護(hù)性強(qiáng),符合工控軟件編寫要求。CPLD功能強(qiáng)大,能夠?qū)崿F(xiàn)對雷擊次數(shù)計數(shù)、電網(wǎng)頻率測定等功能,它的邏輯模塊由Veri1og語言編寫,在quartuSⅡ7.2集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā),主要包括了系統(tǒng)控制邏輯模塊、SPI通信邏輯模塊和雷擊計數(shù)邏輯模塊。

3系統(tǒng)運(yùn)行測試及數(shù)據(jù)分析

我們對氧化鋅避雷器的實驗環(huán)境進(jìn)行模擬,這時高壓避雷器的末端對地泄漏電流以及其兩端承受的電壓信號就成為了待測量。然后我們用高壓變壓器把220V的電壓信號升高到20kV接到氧化鋅避雷器和架空導(dǎo)線上,其中避雷器的A相電流輸出端接B相電流輸入端,B相電流輸出端接C相電流輸入端。通過相應(yīng)的傳感器采集所需信息送入監(jiān)測終端進(jìn)行處理,PC模擬后臺通過接收232網(wǎng)口傳送來的數(shù)據(jù)讀取終端分析出的數(shù)據(jù)。對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得到結(jié)果如表1所示。

在表1的測量數(shù)據(jù)中,我們?nèi)〕鋈娏髡`差最大的第9組數(shù)據(jù)和阻性電流誤差最大的第5組數(shù)據(jù),對它們根據(jù)公式測量誤差<(士標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)5%＋5μA）進(jìn)行分析。

全電流誤差范圍:

而在第9組中全電流誤差是2A95u+,在誤差范圍之內(nèi)。阻性電流誤差范圍:

而在第5組中阻性電流誤差為-1A17u+,也在誤差范圍之內(nèi)。通過與國家電網(wǎng)公司對氧化鋅避雷器監(jiān)測裝置技術(shù)指標(biāo)的對比得出:表中數(shù)據(jù)誤差完全符合技術(shù)指標(biāo)要求,同時其他測試也都滿足國家電網(wǎng)給出的技術(shù)指標(biāo),這表明了本文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足氧化鋅避雷器在線監(jiān)測的要求。

4結(jié)語

本文主要對氧化鋅避雷器在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了深入研究,設(shè)計了以STM32單片機(jī)為主控芯片、采用IRIG-B碼進(jìn)行系統(tǒng)對時的監(jiān)測方案對氧化鋅避雷器進(jìn)行有效監(jiān)測,并對設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場測試和驗證分析,運(yùn)行結(jié)果良好,監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差都在國家電網(wǎng)公司給出的標(biāo)準(zhǔn)誤差范圍之內(nèi)。