摘要：為了實現(xiàn)變電站地電位自動監(jiān)測系統(tǒng)，采用PC、單片機、光耦、電話線等設備組成自動檢測系統(tǒng)，當?shù)仉娢划惓r，自動啟動電路工作，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，同時對串行數(shù)據(jù)通信設計了一種斬波式串行數(shù)據(jù)通信接口，使數(shù)據(jù)傳輸與遠端電路饋電、話音(電話)傳送共線，通過在變電站中的實驗，得到監(jiān)測系統(tǒng)可應用于變電站地電位自動檢測的結果，同時為以后無線監(jiān)測做好可能性的準備。
關鍵詞：變電站；地電位；自動監(jiān)測系統(tǒng)；斬波器；數(shù)據(jù)通信
0 引言
變電站地電位自動監(jiān)測裝置(以下簡稱為裝置)應用于變電站地電位的無人值守自動監(jiān)測與記錄，尤其是當輸電系統(tǒng)發(fā)生故障、雷擊時地電位變化過程的記錄，以便為電力系統(tǒng)運行、故障診斷、變電設施的設計改進等系列工作提供分析依據(jù)。根據(jù)某電力部門所擬定的設計任務和要求，本課題所研制的裝置主要功能分為兩大部分：在線監(jiān)測站內(nèi)地電位，當監(jiān)測值達到預先設定的閾值時，自動啟動采集記錄電路，并將所記錄的數(shù)據(jù)通過串行總線發(fā)送到附近中心控制室的PC上，PC接收數(shù)據(jù)以文件形式存盤并在屏幕上繪制出由該數(shù)據(jù)形成的變化過程曲線；通過一個光電式高壓隔離電話接口與外界固定電話網(wǎng)絡進行信息交流(包括平常的電話使用和Internet網(wǎng)絡應用)，隔離接口主要為了防止變電站內(nèi)電位異常升高時會將異常高壓引到電信線路上。為求簡捷方便且節(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(采用原來敷設好的電話線，不再另外增加工程)，電話的使用與平常使用方法、操作習慣相同，在啟動監(jiān)測電路時能自動轉(zhuǎn)換為傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。
1 裝置的組成框圖及基本工作過程
組成框圖如圖1所示，主要由外側電話接口、內(nèi)側電話接口、通信接口、數(shù)據(jù)采集電路、光纖、傳感器、PC等部分組成，總體工作的基本過程簡述如下：
(1)數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。設計一個監(jiān)測電路，用以監(jiān)測傳感器提供的“當量地電位”，只有在監(jiān)測到“當量地電位”達到某一指定的閾值時，才自動啟動A／D采集電路，這時單片機采集地電位數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)存儲器，隨后將數(shù)據(jù)包通過數(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)串時在屏幕上畫出時域波形，同時將數(shù)據(jù)以文件形式存盤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)上傳的過程中，由單片機控制自動切斷內(nèi)側電話接口，使得站內(nèi)電話線路與電話外線斷開，以達到傳送數(shù)據(jù)時電話內(nèi)線與電話外線無任何聯(lián)系的目的，即數(shù)據(jù)通信具有高級別權限。
上位單片機設置了兩個按鈕，用于輸入兩個命令：“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)自動產(chǎn)生一組三角波數(shù)據(jù)并上傳，其目的在于平時可以檢驗上下位單片機、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(下位單片機系統(tǒng))沒有投入工作，而上位單片機系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，它隨時監(jiān)測內(nèi)部電話機的提機／掛機狀態(tài)，一旦檢測到有效的提機信號，即刻向下位單片機發(fā)出信息，這時下位單片機控制接通內(nèi)側電話接口，內(nèi)側電話接口開始工作并通過光纖向外側電話接口送“呼出”信號，于是外側電話接口自動實現(xiàn)模擬提機，這樣就接通了外部電話線與內(nèi)部電話機的音頻信號通路，內(nèi)部電話機就可以象普通電話一樣與外界通信，包括DTMF撥號和語音通話。
2 裝置的組成原理
2．1 光電隔離電話接口
圖1中“外側電話接口”和“內(nèi)側電話接口”分別裝在同一個圓柱形的陶瓷殼體內(nèi)的兩端，中間通過兩根30 cm光纖進行通信，實現(xiàn)電氣高壓隔離。內(nèi)外側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 基本工作原理與過程
數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸及接口由下位單片機系統(tǒng)組成，如圖4所示。
傳感器把感應到的高壓轉(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AT89C51讀取并存入RAM(通過CZ3，CZ4，CZ5連接)，采集容量滿時，把整組數(shù)據(jù)通過串行數(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。
比較器LM358又稱監(jiān)測器，當放大器MAX473輸出電壓幅值達到約0．1 V(該閾值可調(diào)節(jié))時，比較器輸出低電平信號，即啟動單片機數(shù)采系統(tǒng)進行數(shù)采和數(shù)據(jù)上傳。
2．2．2 上位機構成
圖5所示是上位機的組成原理圖，主要由PC、串行通信接口、單片機AT89C2051等組成。下位機上傳的數(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U3F、電平變換電路MAX232送入PC機的標準串行口，PC機畫出即時曲線，亦可事后重繪曲線。
上位機包含了一個小單片機系統(tǒng)，它的主要工作任務有：向下位機發(fā)送命令(呼叫上傳數(shù)據(jù)、呼叫調(diào)式數(shù)據(jù)、本機電話提機信號等)；接收下位機的外線呼入信息，上傳或下傳的命令、信息均以串行數(shù)據(jù)方式傳送；當收到呼入信息時，控制一個振鈴音響電路工作(由音樂IC及喇叭等組成)，以便發(fā)出鈴聲或其他類型的振鈴音響；檢測兩個用于人工輸入命令(上傳呼叫和調(diào)試呼叫)的按鈕；檢測本機電話的提機／掛機。
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，無奇偶校驗)，但其電平既不符合RS 232電平也不符合TTL電平。該結構的顯著特點在于能在傳輸串行數(shù)據(jù)的同時又能通過同樣的傳輸線路為下位機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路提供電源，同時具有電路簡單、抗干擾強，傳輸距離遠等優(yōu)點。
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)的傳輸與下位機的饋電線路同用A、B兩根線路。當上位機向下位機輸出數(shù)據(jù)時，TTL電平的串行數(shù)據(jù)信號經(jīng)過非門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波形如圖8所示。當上位機從下位機獲取數(shù)據(jù)時，線路上的信號(波形如圖8所示)經(jīng)過二極管D1加到電解電容E1，在波形的高電平期間，對電容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，同時線路上的信號經(jīng)10 kΩ電阻加到三極管T2的基極，在信號波形高電平期間三極管截止，在信號波形的低電平期間三極管T2飽和導通，于是在三極管T2的集電極輸出倒相的波形，再經(jīng)過非門U3F的輸出端得到了TTL電平的串行數(shù)據(jù)信號。下位機向上位機輸出數(shù)據(jù)和下位機從上位機獲取數(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)所需的電源，同時也作為下位單片機系統(tǒng)以及內(nèi)側電話接口的供電電源，饋電原理見圖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)電話機使用；另一路經(jīng)R1，CZ3送入站內(nèi)的電話線路，經(jīng)過站內(nèi)的電話線路，又送至圖4中下位機的CZ2，經(jīng)穩(wěn)壓器U7：78L05供給單片機AT89C51及數(shù)據(jù)采集等電路、經(jīng)三極管Q3供給內(nèi)側電話接口。
外側電話接口的供電由電信局的電話線路提供(僅在模擬提機時)。
3 結語
該裝置能有效實時監(jiān)測、記錄高壓變電站異常地電位變化情況和變化過程，為變電站運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；本裝置中所設計的斬波式串行數(shù)據(jù)通信接口簡單可靠，具有特色，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與遠端電子裝置的饋電共線，且抗干擾能力很強。在后繼的研究中，將繼續(xù)引入無線監(jiān)測方式把數(shù)據(jù)傳送至更遠的控制中心。
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