斷路器跳閘脈沖監(jiān)測系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

薛 峰 ，童勤毅 ，謝夏寅 ，王堅嶸 ，沈永東

(1.蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004；2.江蘇省電力公司檢修分公司蘇州分部，江蘇 蘇州 215004)

電力系統(tǒng)中高壓斷路器偷跳時有發(fā)生，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行帶來了一定的危害。一般造成斷路器偷跳的原因有兩方面，一是斷路器機構(gòu)本身的機械故障引起的跳閘，二是二次回路故障引起的跳閘。由于在可能導(dǎo)致斷路器跳閘的各個電氣回路沒有對應(yīng)的具有記錄功能的跳閘脈沖監(jiān)測設(shè)備，往往使得斷路器發(fā)生偷跳后無法可靠區(qū)分是機構(gòu)原因造成的偷跳，還是二次回路故障造成的偷跳。因此，專門研制跳閘脈沖監(jiān)測系統(tǒng)，用來甄別斷路器偷跳的真正原因，以便縮小查找范圍，快速排除故障。

跳閘脈沖監(jiān)測系統(tǒng)有兩部分組成，跳閘脈沖監(jiān)測器和跳閘信號手持式閱讀器。兩部分是相互獨立的，斷路器發(fā)生偷跳后，如果是二次回路故障引起的，跳閘脈沖監(jiān)測器將記錄下跳閘發(fā)生的絕對時間和跳閘脈沖寬度并存儲（可掉電保存）。然后用手持式閱讀器通過紅外收發(fā)模塊接收跳閘脈沖監(jiān)測器中記錄的跳閘脈沖發(fā)生時間和跳閘脈沖寬度數(shù)據(jù)，通過與系統(tǒng)精確時間的對比并結(jié)合斷路器跳閘發(fā)生的實際絕對時間，可分析判斷出此次斷路器偷跳行為是否為二次回路故障造成。合理地設(shè)置跳閘脈沖監(jiān)測器的監(jiān)測點，可以有效地縮小查找范圍，快速排除故障。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 跳閘脈沖監(jiān)測器的性能要求

（1）跳閘脈沖監(jiān)測器為一個獨立器件，使用磁感應(yīng)原理采集信號，不與斷路器二次回路發(fā)生電氣連接，不使用變電站內(nèi)的交直流電源，信號不接入監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）跳閘脈沖監(jiān)測器使用微型電池供電，靜態(tài)功耗不大于2 μA，要求電池有效時間大于5年。

（3）跳閘脈沖監(jiān)測器要求外形小巧，自身重量不大于30 g，適合在二次導(dǎo)線上懸掛安裝，采用開口式磁感應(yīng)探頭，適應(yīng)不停電安裝。

（4）跳閘脈沖監(jiān)測器能夠監(jiān)測的跳閘脈沖電流范圍為0.3～5 A?？捎涗?組以上跳閘脈沖發(fā)生的絕對時間、脈沖寬度。時間精度小于1 ms，脈沖寬度精度小于5 ms。

（5）跳閘脈沖監(jiān)測器具有良好的抗干擾性能。

（6）跳閘脈沖監(jiān)測器通過紅外收發(fā)模塊與手持式閱讀器進行數(shù)據(jù)交換。

1.2 手持式閱讀器的性能要求

（1）手持式閱讀器通過紅外收發(fā)模塊與跳閘脈沖監(jiān)測器進行數(shù)據(jù)交換。

（2）手持式閱讀器可通過GPS授時，準(zhǔn)確設(shè)定系統(tǒng)時間，時間誤差不大于1 μs。

（3）手持式閱讀器可以顯示接收到的跳閘脈沖發(fā)生的相關(guān)時間數(shù)據(jù)。

（4）手持式閱讀器可以存儲多組已接收數(shù)據(jù)，便于事后查看。

（5）手持式閱讀器具有標(biāo)準(zhǔn)跳閘脈沖發(fā)生器功能，具有對跳閘脈沖監(jiān)測器進行測試的功能。

1.3 硬件構(gòu)成

（1）跳閘脈沖監(jiān)測器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 跳閘脈沖監(jiān)測器結(jié)構(gòu)框圖

（2）手持式閱讀器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 手持式閱讀器結(jié)構(gòu)框圖

1.4 跳閘脈沖監(jiān)測器的設(shè)計

跳閘脈沖監(jiān)測器主要由跳閘脈沖感應(yīng)模塊，微控制器，紅外收發(fā)模塊，實時時鐘芯片，按鍵和指示燈組成。

（1） 微控制器選用TI公司超低功耗MSP430F2132單片機，帶 8 kB Program，512 kB SRAM，一組IrDA接口和一組I2C接口。工作電壓1.8～3.6 V，低功耗模式可達0.1 μA，適合電池供電系統(tǒng)[1-3]。

（2）實時時鐘采用ST公司的M41T62高精度低功耗的實時時鐘芯片，時間精確到10 ms，提供給系統(tǒng)一個精確日歷時間，低功耗模式電流為0.35 μA。串行接口支持I2C總線，與單片機硬件連接如圖 3 所示[4，5]。

圖3 實時時鐘芯片與單片機的連接

（3）紅外收發(fā)模塊采用 SHARP公司的GP2W0110YPS紅外收發(fā)模塊。該模塊體積小，低功耗，關(guān)斷狀態(tài)電流不大于0.1 μA，符合irDA1.2串行紅外傳輸標(biāo)準(zhǔn)，其最高的紅外傳輸速度可達115.2 kb/s?？梢院蛦纹瑱CIrDA接口直接連接，不需要編碼/解碼芯片，即可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。硬件連接如圖4所示[6]。

圖4 紅外線收發(fā)模塊與單片機連接圖

（4）按鍵和指示燈。采用1個獨立式按鍵，2個LED指示燈（紅色和綠色）有單片機直接驅(qū)動。根據(jù)按鍵按下到松開的時間確定3種不同狀態(tài)，分別是數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)，數(shù)據(jù)接收狀態(tài)和數(shù)據(jù)擦除狀態(tài)。

（5）跳閘脈沖感應(yīng)模塊。該模塊有感應(yīng)探頭，低功耗運放，濾波電路和三極管組成。低功耗運放MAX4474在無信號的狀態(tài)下，工作電流小于0.8 μA。感應(yīng)探頭感應(yīng)跳閘回路通電及斷電瞬間的瞬變電流得到通電及斷電的脈沖信號后，經(jīng)過低通濾波、全波整流放大和三極管轉(zhuǎn)換為單片機可認的TTL電平信號，觸發(fā)單片機中斷。單片機監(jiān)測該中斷響應(yīng)的時間和由跳閘回路通電及斷電的脈沖而引起的兩次單片機中斷的間隔時間，就可以測量出二次回路上跳閘回路跳閘脈沖發(fā)生的時間和脈寬。電路原理如圖5所示[7，8]。其中H1為感應(yīng)探頭。

圖5 跳閘脈沖感應(yīng)模塊電路原理圖

1.5 跳閘信號手持閱讀器電路設(shè)計

跳閘信號手持閱讀器由微控制器、紅外收發(fā)模塊、實時時鐘芯片、GPS授時模塊、LCD模塊、EEPROM、跳閘試驗信號、按鍵和指示燈組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的精確授時，設(shè)置并接收跳閘脈沖監(jiān)測器的數(shù)據(jù)并予以顯示。

（1）微控制器選用TI公司超低功耗MSP430F 248單片機,帶48 kB Program，4096 kB SRAM和一組IrDA接口，兩組I2C接口，一組USCI接口，最大48個I/O接口。工作電壓1.8～3.6 V，低功耗模式可達 0.1 μA，適合電池供電系統(tǒng)[9，10]。

（2）實時時鐘采用ST公司的M41T62芯片，紅外模塊采用SHARP公司的GP2W0110YPS紅外數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。

（3）GPS授時模塊集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關(guān)外圍電路而組成的一個集成電路。支持準(zhǔn)確1 b/s輸出信號接軌GPS校準(zhǔn)，其脈沖前沿與UTC的同步誤差不超過1 μs，實現(xiàn)對系統(tǒng)的精確對時，達到電力系統(tǒng)要求的精度。支持串口9600波特率通信，與單片機的硬件連接如圖6所示。

（4）LCD模塊采用規(guī)格為240×160，和單片機并口連接，進行接收數(shù)據(jù)顯示，或者系統(tǒng)其他顯示。

圖6 GPS模塊與單片機的連接

（5）電可擦可編程只讀存儲器 （EEPROM）是一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。對紅外接收到的數(shù)據(jù)進行保存，以便于以后的查看。EEPROM采用常用的AT24C08芯片，可以存儲約80組跳閘監(jiān)測器的數(shù)據(jù)。串行接口支持I2C總線，與單片機硬件連接如圖7所示。

圖7 AT24C08與單片機的連接

（6）按鍵為獨立式按鍵，使用按鍵完成對系統(tǒng)的時間設(shè)置，數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)存儲或擦除，自檢等等。指示燈采用2個LED指示燈（紅色和綠色），用微控制器直接驅(qū)動，對系統(tǒng)的不同狀態(tài)進行指示。

（7）跳閘脈沖模擬電路由大容量電池，電阻、MOSFET繼電器和單片機組成，電路原理如圖8所示。MOSFET繼電器選用歐姆龍G3VM-21HR型號，可實現(xiàn)最大2.5 A開閉電流。單片機通過控制MOSFET繼電器模擬跳閘時的脈沖電流，用于檢驗跳閘回路脈沖監(jiān)測器能否監(jiān)測到跳閘信號。同時單片機記錄繼電器閉合時的系統(tǒng)準(zhǔn)確時間，然后再接收跳閘回路脈沖監(jiān)測器的數(shù)據(jù)，兩個時間進行對比，就可檢驗出跳閘回路脈沖監(jiān)測器工作是否正常。

圖8 跳閘脈沖模擬電路原理圖

1.6 硬件抗干擾措施

根據(jù)變電站常見干擾信號的特點，裝置硬件上主要通過低通濾波電路和外加接地屏蔽罩來實現(xiàn)抗干擾。

2 軟件系統(tǒng)

2.1 跳閘脈沖監(jiān)測器

跳閘脈沖監(jiān)測器主要由主程序和2個中斷服務(wù)程序組成。中斷服務(wù)程序包括跳閘監(jiān)測中斷服務(wù)程序和按鍵中斷服務(wù)程序。

（1）主程序主要是進行初始化以及外圍設(shè)備初始化，然后進入低功耗模式。程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程

（2）跳閘中斷服務(wù)程序主要是完成記錄跳閘脈沖發(fā)生的時間和脈寬。程序框圖如圖10所示。

圖10 跳閘脈沖監(jiān)測中斷程序流程

按鍵中斷程序則主要完成對數(shù)據(jù)的收發(fā)、擦除及系統(tǒng)設(shè)置。程序框圖如圖11所示。

2.2 跳閘信號手持閱讀器

跳閘信號手持閱讀器系統(tǒng)程序要由主程序和按鍵中斷程序組成。

（1）主程序完成對設(shè)備的初始化及LCD顯示，等待按鍵中斷響應(yīng)，程序框圖如圖12所示。

（2）按鍵中斷程序主要完成數(shù)據(jù)接受、數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測器設(shè)置、主機設(shè)置、數(shù)據(jù)擦除等工作，程序流程如圖13所示。

圖11 按鍵中斷程序流程

圖12 主程序流程

圖13 按鍵中斷程序流程

2.3 軟件抗干擾措施

首先分別檢測跳閘回路直流觸發(fā)脈沖及返回脈沖的個脈沖寬度，濾除小于0.5 ms脈寬的脈沖信號，解決高頻干擾。再檢測觸發(fā)脈沖上升沿與返回脈沖上升沿之間的寬度，判斷是否大于10 ms，濾除小于10 ms脈寬的數(shù)據(jù)，以此判斷是否為正常的分閘信號。最后再通過設(shè)置軟件“看門狗”定時監(jiān)視程序循環(huán)運行，若超出已知的循環(huán)設(shè)定時間進入死循環(huán)，則強迫系統(tǒng)復(fù)位，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

3 應(yīng)用舉例

本系統(tǒng)應(yīng)用的最終目的是快速查明造成斷路器偷跳的原因。對于無保護動作信號的斷路器偷跳事件，現(xiàn)場最大的難題是如何甄別本次斷路器跳閘是二次回路故障原因造成的，還是機構(gòu)本身機械原因造成的。如果是二次回路故障造成的，那么如何快速甄別跳閘脈沖來自哪個回路是現(xiàn)場的主要工作。因此，合理設(shè)置監(jiān)測點，可以有效地縮小查找范圍，快速接近故障點。具體運用舉例如圖14所示。

圖14 跳閘脈沖監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖

按圖14布置的5個監(jiān)測點中，安裝在跳閘線圈根部的1號監(jiān)測點為電氣量跳閘的總監(jiān)測點，如果發(fā)生斷路器偷跳事故后在1號監(jiān)測點未檢測到跳閘脈沖，可認為本次斷路器偷跳事故是由于斷路器本身的機械原因造成。如果在1號監(jiān)測點檢測到跳閘脈沖，而2，3，4，5號監(jiān)測點未檢測到跳閘脈沖，則可認為A點到B點之間的二次電纜可能存在故障。如果在2，3，4，5號監(jiān)測點檢測到得到了某一對應(yīng)的跳閘脈沖，則可根據(jù)監(jiān)測器安裝的位置得到故障支路的具體位置信息。監(jiān)測器可以在基建施工時統(tǒng)一安裝使用。也可以在發(fā)生斷路器偷跳故障后，其原因不明時則有針對性地安裝使用。

5 結(jié)束語

跳閘脈沖監(jiān)測器具有外形小巧、低功耗、免維護，適應(yīng)不停電安裝的特點，合理適時地布置監(jiān)測點，可以快速有效地縮小故障查找范圍，快速排除故障，保障系統(tǒng)安全運行。

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