變電站地電位自動(dòng)檢測(cè)裝置的研究和設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)變電站地電位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用PC、單片機(jī)、光耦、電話線等設(shè)備組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)?shù)仉娢划惓r(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)電路工作，采集、記錄電位變化情況并上傳至變電站中心控制室，在PC中保存地電位數(shù)據(jù)、繪制曲線，同時(shí)對(duì)串行數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)了一種斬波式串行數(shù)據(jù)通信接口，使數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)端電路饋電、話音(電話)傳送共線，通過(guò)在變電站中的實(shí)驗(yàn)，得到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可應(yīng)用于變電站地電位自動(dòng)檢測(cè)的結(jié)果，同時(shí)為以后無(wú)線監(jiān)測(cè)做好可能性的準(zhǔn)備。
關(guān)鍵詞：變電站；地電位；自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；斬波器；數(shù)據(jù)通信

0 引言
    變電站地電位自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置(以下簡(jiǎn)稱為裝置)應(yīng)用于變電站地電位的無(wú)人值守自動(dòng)監(jiān)測(cè)與記錄，尤其是當(dāng)輸電系統(tǒng)發(fā)生故障、雷擊時(shí)地電位變化過(guò)程的記錄，以便為電力系統(tǒng)運(yùn)行、故障診斷、變電設(shè)施的設(shè)計(jì)改進(jìn)等系列工作提供分析依據(jù)。根據(jù)某電力部門(mén)所擬定的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，本課題所研制的裝置主要功能分為兩大部分：在線監(jiān)測(cè)站內(nèi)地電位，當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)采集記錄電路，并將所記錄的數(shù)據(jù)通過(guò)串行總線發(fā)送到附近中心控制室的PC上，PC接收數(shù)據(jù)以文件形式存盤(pán)并在屏幕上繪制出由該數(shù)據(jù)形成的變化過(guò)程曲線；通過(guò)一個(gè)光電式高壓隔離電話接口與外界固定電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交流(包括平常的電話使用和Internet網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用)，隔離接口主要為了防止變電站內(nèi)電位異常升高時(shí)會(huì)將異常高壓引到電信線路上。為求簡(jiǎn)捷方便且節(jié)省投資，電話通信線路與監(jiān)檢系統(tǒng)本身上、下位機(jī)間的數(shù)據(jù)通信線路共用，且僅用兩線制普通電話線(采用原來(lái)敷設(shè)好的電話線，不再另外增加工程)，電話的使用與平常使用方法、操作習(xí)慣相同，在啟動(dòng)監(jiān)測(cè)電路時(shí)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換為傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1 裝置的組成框圖及基本工作過(guò)程
    組成框圖如圖1所示，主要由外側(cè)電話接口、內(nèi)側(cè)電話接口、通信接口、數(shù)據(jù)采集電路、光纖、傳感器、PC等部分組成，總體工作的基本過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

    (1)數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)測(cè)電路，用以監(jiān)測(cè)傳感器提供的“當(dāng)量地電位”，只有在監(jiān)測(cè)到“當(dāng)量地電位”達(dá)到某一指定的閾值時(shí)，才自動(dòng)啟動(dòng)A／D采集電路，這時(shí)單片機(jī)采集地電位數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，隨后將數(shù)據(jù)包通過(guò)數(shù)據(jù)通信接口和變電站內(nèi)部的通信線路(普通電話線)上傳送入PC，PC在接收數(shù)據(jù)串時(shí)在屏幕上畫(huà)出時(shí)域波形，同時(shí)將數(shù)據(jù)以文件形式存盤(pán)以便事后重新觀察分析數(shù)據(jù)和繪制波形曲線。在數(shù)據(jù)上傳的過(guò)程中，由單片機(jī)控制自動(dòng)切斷內(nèi)側(cè)電話接口，使得站內(nèi)電話線路與電話外線斷開(kāi)，以達(dá)到傳送數(shù)據(jù)時(shí)電話內(nèi)線與電話外線無(wú)任何聯(lián)系的目的，即數(shù)據(jù)通信具有高級(jí)別權(quán)限。
    上位單片機(jī)設(shè)置了兩個(gè)按鈕，用于輸入兩個(gè)命令：“上傳”和“調(diào)試”。“上傳”命令能使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)重新上傳一遍，“調(diào)試”命令能使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生一組三角波數(shù)據(jù)并上傳，其目的在于平時(shí)可以檢驗(yàn)上下位單片機(jī)、通信接口、上傳線路、接收系統(tǒng)的工作是否正常。
    (2)常態(tài)。通常狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集電路(下位單片機(jī)系統(tǒng))沒(méi)有投入工作，而上位單片機(jī)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，它隨時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部電話機(jī)的提機(jī)／掛機(jī)狀態(tài)，一旦檢測(cè)到有效的提機(jī)信號(hào)，即刻向下位單片機(jī)發(fā)出信息，這時(shí)下位單片機(jī)控制接通內(nèi)側(cè)電話接口，內(nèi)側(cè)電話接口開(kāi)始工作并通過(guò)光纖向外側(cè)電話接口送“呼出”信號(hào)，于是外側(cè)電話接口自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬提機(jī)，這樣就接通了外部電話線與內(nèi)部電話機(jī)的音頻信號(hào)通路，內(nèi)部電話機(jī)就可以象普通電話一樣與外界通信，包括DTMF撥號(hào)和語(yǔ)音通話。

2 裝置的組成原理
2．1 光電隔離電話接口
    圖1中“外側(cè)電話接口”和“內(nèi)側(cè)電話接口”分別裝在同一個(gè)圓柱形的陶瓷殼體內(nèi)的兩端，中間通過(guò)兩根30 cm光纖進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)電氣高壓隔離。內(nèi)外側(cè)電話接口框圖分別如圖2和圖3所示。

2．2 數(shù)據(jù)采集與傳輸
2．2．1 基本工作原理與過(guò)程
    數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸及接口由下位單片機(jī)系統(tǒng)組成，如圖4所示。

    傳感器把感應(yīng)到的高壓轉(zhuǎn)換為合適數(shù)值的低壓，經(jīng)傳感器插座送入放大器MAX473，放大器輸出的電壓(0～5 VP-P)送入A／D采集轉(zhuǎn)換器MAX191，該A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位，其輸出由單片機(jī)AT89C51讀取并存入RAM(通過(guò)CZ3，CZ4，CZ5連接)，采集容量滿時(shí)，把整組數(shù)據(jù)通過(guò)串行數(shù)據(jù)通信接口經(jīng)插座CZ2、站內(nèi)的通信線路(即原電話線)上傳到PC機(jī)。
    比較器LM358又稱監(jiān)測(cè)器，當(dāng)放大器MAX473輸出電壓幅值達(dá)到約0．1 V(該閾值可調(diào)節(jié))時(shí)，比較器輸出低電平信號(hào)，即啟動(dòng)單片機(jī)數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)采和數(shù)據(jù)上傳。
2．2．2 上位機(jī)構(gòu)成
    圖5所示是上位機(jī)的組成原理圖，主要由PC、串行通信接口、單片機(jī)AT89C2051等組成。下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)電話線路送至插座CZ3的A、B兩線，其中A線為系統(tǒng)公共線，B線經(jīng)三極管T3、非門(mén)U3F、電平變換電路MAX232送入PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行口，PC機(jī)畫(huà)出即時(shí)曲線，亦可事后重繪曲線。

    上位機(jī)包含了一個(gè)小單片機(jī)系統(tǒng)，它的主要工作任務(wù)有：向下位機(jī)發(fā)送命令(呼叫上傳數(shù)據(jù)、呼叫調(diào)式數(shù)據(jù)、本機(jī)電話提機(jī)信號(hào)等)；接收下位機(jī)的外線呼入信息，上傳或下傳的命令、信息均以串行數(shù)據(jù)方式傳送；當(dāng)收到呼入信息時(shí)，控制一個(gè)振鈴音響電路工作(由音樂(lè)IC及喇叭等組成)，以便發(fā)出鈴聲或其他類型的振鈴音響；檢測(cè)兩個(gè)用于人工輸入命令(上傳呼叫和調(diào)試呼叫)的按鈕；檢測(cè)本機(jī)電話的提機(jī)／掛機(jī)。
2．2．3 串行數(shù)據(jù)通信接口
    串行數(shù)據(jù)通信接口采用了一種特別構(gòu)造的斬波式串行數(shù)據(jù)通信接口，半雙工工作方式，其數(shù)據(jù)格式符合RS 232規(guī)范(停止、起始位各一位，有效數(shù)據(jù)8位，無(wú)奇偶校驗(yàn))，但其電平既不符合RS 232電平也不符合TTL電平。該結(jié)構(gòu)的顯著特點(diǎn)在于能在傳輸串行數(shù)據(jù)的同時(shí)又能通過(guò)同樣的傳輸線路為下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路提供電源，同時(shí)具有電路簡(jiǎn)單、抗干擾強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
    圖6為斬波式串行數(shù)據(jù)通信接口的電路原理圖。串行數(shù)據(jù)的傳輸與下位機(jī)的饋電線路同用A、B兩根線路。當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)輸出數(shù)據(jù)時(shí)，TTL電平的串行數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)非門(mén)U3E倒相、三極管T1放大，在其集電極得到如圖7所示的波形，其高電平約為20～24 V，低電平為9 V，然后經(jīng)穩(wěn)壓管送上線路的信號(hào)波形如圖8所示。當(dāng)上位機(jī)從下位機(jī)獲取數(shù)據(jù)時(shí)，線路上的信號(hào)(波形如圖8所示)經(jīng)過(guò)二極管D1加到電解電容E1，在波形的高電平期間，對(duì)電容E1充電，在波形的低電平期間電容E1放電，由于二極管D1的作用，使充電快而放電慢。

    因此電容E1上的電壓(即三極管T2發(fā)射極電壓)能維持在約20～24 V，同時(shí)線路上的信號(hào)經(jīng)10 kΩ電阻加到三極管T2的基極，在信號(hào)波形高電平期間三極管截止，在信號(hào)波形的低電平期間三極管T2飽和導(dǎo)通，于是在三極管T2的集電極輸出倒相的波形，再經(jīng)過(guò)非門(mén)U3F的輸出端得到了TTL電平的串行數(shù)據(jù)信號(hào)。下位機(jī)向上位機(jī)輸出數(shù)據(jù)和下位機(jī)從上位機(jī)獲取數(shù)據(jù)的工作原理同上所述。
2．3 電源
    系統(tǒng)電源有+12 V和+48 V兩組，12 V電源是220 V市電經(jīng)變壓器變壓、整流濾波、穩(wěn)壓取得，供上位單片機(jī)等電路使用；+48 V電源是+12 V電源經(jīng)DC—DC變換后得到，作為電話通信環(huán)路(包括電話機(jī))所需的電源，同時(shí)也作為下位單片機(jī)系統(tǒng)以及內(nèi)側(cè)電話接口的供電電源，饋電原理見(jiàn)圖4、圖5和圖6。圖6中的+12 V電源由電源插座引入，經(jīng)三端穩(wěn)壓器7805穩(wěn)壓后供給上位單片機(jī)等電路。圖5中，+48 V電源由電源插座引入后，一路經(jīng)R2，CZ4供給站內(nèi)電話機(jī)使用；另一路經(jīng)R1，CZ3送入站內(nèi)的電話線路，經(jīng)過(guò)站內(nèi)的電話線路，又送至圖4中下位機(jī)的CZ2，經(jīng)穩(wěn)壓器U7：78L05供給單片機(jī)AT89C51及數(shù)據(jù)采集等電路、經(jīng)三極管Q3供給內(nèi)側(cè)電話接口。
    外側(cè)電話接口的供電由電信局的電話線路提供(僅在模擬提機(jī)時(shí))。

3 結(jié)語(yǔ)
    該裝置能有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄高壓變電站異常地電位變化情況和變化過(guò)程，為變電站運(yùn)行故障診斷提供分析依據(jù)；光纖耦合高壓隔離電話接口能有效防止站內(nèi)的異常高壓被引到電話饋線上；本裝置中所設(shè)計(jì)的斬波式串行數(shù)據(jù)通信接口簡(jiǎn)單可靠，具有特色，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)端電子裝置的饋電共線，且抗干擾能力很強(qiáng)。在后繼的研究中，將繼續(xù)引入無(wú)線監(jiān)測(cè)方式把數(shù)據(jù)傳送至更遠(yuǎn)的控制中心。