陳曉龍，竇立祥，李翔宇，楊澤明

（1.天津水利電力機電研究所，天津 301900；2.天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，天津 300384）

泵站輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

陳曉龍1，竇立祥2，李翔宇2，楊澤明1

（1.天津水利電力機電研究所，天津 301900；2.天津理工大學(xué)自動化學(xué)院，天津 300384）

針對泵站輸變電設(shè)備在長期運行過程中因絕緣老化或接觸電阻過大而引起的發(fā)熱和可能存在的電能質(zhì)量問題。本文設(shè)計實現(xiàn)了一種對泵站輸變電設(shè)備進行電能質(zhì)量和熱點溫度在線監(jiān)測與評估的系統(tǒng)。利用不同的傳感器技術(shù)的相互融合，實現(xiàn)對泵站輸變電設(shè)備的高效監(jiān)測。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)監(jiān)測層構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集層設(shè)計了電壓和電流采樣電路、傳感器陣列；數(shù)據(jù)處理層采用AM3352微處理器對熱點溫度進行處理分析，采用TMS320F2812實現(xiàn)對電能質(zhì)量的高速計算功能；數(shù)據(jù)監(jiān)測層實現(xiàn)了在線監(jiān)測與評估的人機交互界面。經(jīng)運行測試，該系統(tǒng)的設(shè)計可以滿足對泵站輸變電設(shè)備的發(fā)展要求。

輸變電設(shè)備；電能質(zhì)量；熱點溫度

0 引言

隨著芯片的不斷集成，材料的不斷更新以及計算機技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，使新型傳感器技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[1]。將其應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)，從而產(chǎn)生了基于新技術(shù)的新應(yīng)用裝置，比如對采樣數(shù)據(jù)精度要求十分嚴(yán)格的繼電保護和故障信息子站系統(tǒng)、新型數(shù)字故障錄波監(jiān)測裝置等。而對于泵站中輸變電設(shè)備熱點溫度和電能質(zhì)量監(jiān)測是實現(xiàn)泵站輸變電設(shè)備狀態(tài)運行檢修的重要技術(shù)手段。通過將通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)等相結(jié)合，實現(xiàn)了泵站輸變電設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測與評估。不斷建設(shè)和推廣泵站輸變電設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測與評估工作，對提升電網(wǎng)智能化水平和輸變電設(shè)備狀態(tài)運行管理具有重要的意義[2-5]。

針對泵站輸變電設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測與評估系統(tǒng)搭建總體框架，本系統(tǒng)分為三層，即數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)監(jiān)測層。如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)采集原理

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集層采用SAW傳感器和紅外測溫模塊對泵站中輸變電設(shè)備的溫度進行采集，采用電網(wǎng)信號采集器對電壓和電流進行采集。其中SAW傳感器采集輸變電設(shè)備易熱點處的溫度，紅外測溫模塊采集輸變電設(shè)備的表面溫度，它們分別將采集到的溫度信號傳給溫度采集器，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號。電網(wǎng)信號采集器采集三相及零序電壓和電流的8路信號。

系統(tǒng)傳感陣列由SAW傳感器和紅外測溫模塊構(gòu)成，針對不同的設(shè)備不同安全等級要求，搭配相應(yīng)的傳感器陣列實時測量設(shè)備的運行溫度信息，通過無線發(fā)射器將采集的信號發(fā)送采集器，從而把溫度信號傳送至控制器。

SAW傳感器（圖2）基于壓電原理進行工作，通過頻率的變化從而反映出壓電基片的熱脹冷縮效應(yīng)，從而把溫度信號進行調(diào)制處理，最后采集器對該溫度信號進行接收再處理。

圖2 SAW傳感器

SAW傳感器將直接安裝在斷路器、開關(guān)、電力電纜、避雷器、母線表面，首先，溫度通過銅固定件把熱量快速傳送給溫度傳感芯片，從而完成對溫度信號的獲取。之后，在SAW晶體內(nèi)部對溫度信號進行信號處理。最后把載有溫度信息的信號返回給采集器。

圖3所示，為MLX90614測溫模塊。該測溫模塊通過對物體自身所存在紅外輻射能量的大小進行測量，從而確定所測物體的表面溫度。該模塊在出廠前已完成校驗，因此可以直接使用，將誤差減到最小。81101熱電元件是該模塊的紅外感應(yīng)部分，在理想情況下熱電元件的輸出電壓為：

其中To是被測物體的實際溫度，Ta是傳感器自身的溫度，A是熱電元件的靈敏度常數(shù)。

81101熱電元件內(nèi)置的熱電偶用于對被測物體的實際溫度和傳感器的自身溫度進行測量，并將兩路溫度信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，經(jīng)過溫度采集器和雙核控制系統(tǒng)中的DSP計算處理從而得到輸出。

圖3 紅外測溫模塊

變壓器、電壓互感器、電流互感器、并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、套管采用MLX90614測溫模塊。實時采集運行設(shè)備的溫度。通過ADC采集電路，將采集到的各溫度信息返回給ARM處理器，ARM處理器再將其他溫度和電能量信息重新整合編碼，通過串口將所有信息發(fā)送給上位監(jiān)控與評估系統(tǒng)。

2 硬件電路設(shè)計

電流采樣電路的設(shè)計，如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

電流互感器由兩級組成，第一級互感器變比為4 A：1 A，第二級互感器采用TA1015-1,其變比為5 A:5 mA，也就是1 000:1，兩級總共的互感器比例為4 000:1。當(dāng)電流互感器一次側(cè)的電流為4 A的時候，由第一級互感器變比可知二次側(cè)的電流為1 A。同理可以知道二級互感器的二次側(cè)電流大小為1 mA。如圖所示，通過在互感器二次側(cè)并聯(lián)一個1 kΩ的電阻，便可以將一次側(cè)的4 A的強電流信號變換為二次側(cè)的弱電壓信號。其公式為:

其峰值為：

因此，電流互感器二次側(cè)輸出的電壓范圍在-1.414 V～+1.414 V之間，即一次回路里的220 V的工頻交流便被線性轉(zhuǎn)化為-1.414 V～+1.414 V之間的直流信號。

轉(zhuǎn)化后的信號經(jīng)過信號電路處理，再將處理后的信號傳給數(shù)據(jù)處理層的DSP。其中信號電路由3級構(gòu)成，依次為偏置放大環(huán)節(jié)、有源濾波環(huán)節(jié)、跟隨環(huán)節(jié)。該信號電路的設(shè)計目的在于將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，并濾除其中的干擾信號，提高其抗干擾能力。

圖5 電壓采樣電路

電壓互感器選擇為TV1013-1H，其變比為2 mA:2 mA，也就是變比為2 000:2 000，本文設(shè)計的電壓采集電路用于采集220 V的相電壓，在電壓互感器一次側(cè)串聯(lián)一個200 kΩ的電阻，再在二次側(cè)并聯(lián)一個330 Ω的電阻，便可以采集到滿足要求的信號，其計算公式如下：

一次側(cè)電流大小為:

因為該電壓互感器的變比為2 000:2 000，所以二次側(cè)的電流大小與一次側(cè)的電流大小相同，即

1.1 mA。而二次側(cè)的輸出電壓為:

3 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的DSP算法實現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理層基于ARM和DSP的雙核采集控制系統(tǒng)[6-7]，如圖6所示。其中AM3352主要用于對運行溫度進行處理分析，TMS320F2812主要用于電能質(zhì)量的采集與高速計算，如圖7所示。

圖6 ARM與DSP的雙核采集控制系統(tǒng)

圖7 電能質(zhì)量計算流程圖

（1）電路基本參數(shù)的測量原理

（2）信號處理模塊說明

1）有功功率計量

各項的有功功率是把電流、電壓信號進行去直流分量后，再經(jīng)過乘法、加法、數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理后得到。

2）無功功率計量

無功功率計量算法與有功類似，只是將電壓信號移相90°。其中數(shù)字移相濾波器的帶寬設(shè)置直接影響測量帶寬。

3）視在功率、功率因數(shù)、相角測量

通過已經(jīng)計算出的有功功率和無功功率，再進行開方、除法等運算從而得到相應(yīng)的參數(shù)。

4）有效值測量

將電流和電壓的采樣值進行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算處理，從而得到有效值。誤差小于0.5%。

5）能量計算

通過求取功率信號在時間上的積分從而得到能量值。

4 數(shù)據(jù)監(jiān)測與評估

通過MAX485芯片轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)溫度測量信號的實時采集，采集的數(shù)據(jù)通過串口通信發(fā)送至上位機，上位機采用VB 6.0進行人機交互界面設(shè)計,通過向下位機發(fā)送控制命令和接收下位機上傳的數(shù)據(jù)并實行人機交互，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)進行分析和處理，實時顯示曲線繪制、文件存儲和參數(shù)設(shè)置等操作。由于上位機和下位機串口的工作電平不相同，它們間通過MAX485芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換功能。

ARM和DSP的雙核采集控制系統(tǒng)通過RS485串口通訊技術(shù)，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送給泵站輸變電設(shè)備運行狀態(tài)評估與分析的上位機，操作人員通過上位監(jiān)控系統(tǒng)對運行狀態(tài)進行評估與分析。上位監(jiān)控與評估界面如圖8，圖9所示。

5 結(jié)論

本文介紹了以DSP和ARM為核心的雙核控制器的三相交流電能和溫度信號的采集應(yīng)用方法。通過對硬件電路的設(shè)計和軟件的編程，完成了對電網(wǎng)電壓和電流的采集和不同運行設(shè)備的溫度采集，對采集的電壓和電流信號進行了數(shù)據(jù)處理，以DSP和ARM為核心的雙核控制器通過RS485將電能數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)傳送到上位機，上位機利用VB6.0軟件實現(xiàn)電能數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的讀取，同時具有溫度上下限設(shè)定與報警功能。通過實際測試結(jié)果表明，該測控軟件界面友好、操作簡單方便、易維護，同時，數(shù)據(jù)傳輸速度較快且較穩(wěn)定，能夠?qū)崟r對模擬信號進行采集和監(jiān)控，具有較高的可靠性，并且系統(tǒng)設(shè)計方案可以擴展應(yīng)用于對其他非電學(xué)信號如壓力、濕度、位移等的采集與控制，具有較好的應(yīng)用前景。

圖8 溫度采集監(jiān)控界面

圖9 電能量采集監(jiān)控界面

[1]鮑丙豪.傳感器手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]鄒健明.在線監(jiān)測技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2007，33 (8)：203-206.

[3]孫才新.輸變電設(shè)備在線監(jiān)測與診斷技術(shù)現(xiàn)狀和前景[J].中國電力，2005，38(2)：1-7.

[4]王昌長，李福祺，高勝友.電力設(shè)備的在線監(jiān)測與故障診斷[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006．

[5]朱德恒，嚴(yán) 璋.電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2009.

[6]陳 陽，徐曉光，陳躍東.基于嵌入式系統(tǒng)的電能采集終端設(shè)計與實現(xiàn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報，2011，25(3):97-101.

[7]李全利，王振春.一種基于DSP的三相交流采樣技術(shù)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27(12):85-89.

TM77

：A

：1672-5387（2017）03-0017-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.005

2016-07-18

中國水利水電科學(xué)研究院科研技術(shù)委托項目。

陳曉龍（1976-），男，工程師，從事電力設(shè)備檢測與試驗、電氣產(chǎn)品開發(fā)與推廣等工作。