智能非接觸式高壓驗電器的開發(fā)

蔡歡歡

CAI Huan-huan

（廣西工商職業(yè)技術(shù)學院，南寧 530003）

0 引言

驗電器是電力檢修工作中一個常用的必不可少的設(shè)備。傳統(tǒng)接觸式驗電器在使用過程中需要接觸被測線路，操作不方便，存在一定的安全隱患，因此，近年來，非接觸式驗電器得到了廣泛的應用，文獻[1～3]就非接觸式驗電器的開發(fā)和改進做了很多工作，并取得了很大的成效，也得到了很大的推廣和應用。

但隨著時代的發(fā)展以及新的客觀條件的變化，市場對驗電器的功能和使用便利性上提出了新的要求。本將文以市場需求為出發(fā)點，開發(fā)一套功能強大，使用方便安全，適用于高壓和超高壓等不同場合的驗電器。

1 系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)

1.1 普通非接觸式驗電器缺陷

文獻[1～3]中設(shè)計的驗電器雖然已經(jīng)批量生產(chǎn)并投入使用，但在性能和功能上尚存有不足之處。

1）信號受天氣變化影響大，雨天信號弱，出現(xiàn)了誤報現(xiàn)象，系統(tǒng)沒有從根本上解決這個問題。

2）對干擾信號處理能力不強，當有機車通過時，判斷有電和無電的指示燈連續(xù)跳動的現(xiàn)象仍然存在，需改進設(shè)計，提高抗干擾能力。

3）測量量程單一。由于前文中驗電器僅針對于鐵路線路設(shè)計，僅能用于鐵路上，然而，電力上對非接觸式驗電器的需求更廣泛。

1.2 智能驗電器功能簡介

根據(jù)原驗電器運行過程中出現(xiàn)的問題，對新型智能驗電器的性能和功能方面進行改進。

1）引入濕度傳感技術(shù)，根據(jù)天氣變化自動處理信號衰減所帶來的影響，提高系統(tǒng)可靠性。

2）在軟件系統(tǒng)中加入抗干擾算法，徹底解決系統(tǒng)指示燈連續(xù)跳變現(xiàn)象。

3）引入多量程測量技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)置了高壓測量、標準測量和低壓測量，分別適用于測量超高壓線路(100KV及以上)、高壓線路(10KV-100KV)和低壓線路(10KV及以下)。

4）自檢。每次開機系統(tǒng)強制自檢，確保安全。

1.3 智能驗電器總體結(jié)構(gòu)

新型智能驗電器系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由CPU、前端信號調(diào)理電路、人機接口（鍵盤、液晶顯示、語音提示和指示燈等）、自檢電路、濕度傳感電路和時鐘電路等組成。

本系統(tǒng)以凌陽SPE61A單片機作為控制核心。開機后系統(tǒng)自動進行自檢，自檢未通過則停止工作，同時顯示提示語音和文字。電壓傳感器監(jiān)測高壓線附近電場，將電場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號后送往信號處理電路，信號處理電路將該模擬信號轉(zhuǎn)換成直流的有電、無電的狀態(tài)信號送往單片機。單片機將接收到的信號進行識別，發(fā)出有電或無電信號到語音模塊、指示模塊和信號傳送模塊。語音模塊收到信號后發(fā)出有電或無電語音提示；指示模塊收到信號后發(fā)出有電或無電指示。鍵盤中設(shè)有量程轉(zhuǎn)換鍵、手動自檢鍵和時間調(diào)整鍵。

圖1 智能驗電器硬件框架圖

圖2 信號處理電路

圖3 自檢電路

2 智能驗電器硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)中，電壓傳感、液晶顯示、語音模塊和指示燈等模塊設(shè)計參看文獻[3]。本文主要從信號處理、自檢脈沖、數(shù)據(jù)采樣、溫度傳感和鍵盤等模塊進行硬件介紹。

2.1 信號處理

信號處理電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。工頻交流信號經(jīng)跟隨電路后進行濾波，然后整流成直流信號，由減法電路減除臨線干擾信號，經(jīng)采樣后送入中央處理器。

由于傳感器信號負載能力弱，在電路前端設(shè)計了跟隨電路，提高電路信號讀取能力。濾波電路采用一階巴特沃斯低通濾波器設(shè)計，濾除電路中各種高頻噪聲。

2.2 自檢電路

自檢電路采用文氏電橋振蕩電路設(shè)計，如圖3所示。電路發(fā)生正弦信號，通過MOS管接入信號處理單元，MOS管柵極由CPU控制。自檢過程中，CPU發(fā)出高電平信號，MOS管導通，交流信號輸入信號處理模塊，處理后的信號送入CPU，若CPU接收到有電信號，則自檢通過，否則發(fā)出設(shè)備故障信號。

2.3 數(shù)據(jù)采樣

送入A/D轉(zhuǎn)換器(數(shù)據(jù)采樣)中的電壓典型值為2V，即在3米的測量距離中，測試30KV線路時，送入A/D轉(zhuǎn)換器中的電壓為2V，并且，系統(tǒng)判定被測線路為有電狀態(tài)。

2.4 濕度傳感

濕度傳感器用于監(jiān)測天氣情況，將監(jiān)測結(jié)果送入CPU，監(jiān)測結(jié)果分為兩類，晴天和雨天，晴天發(fā)送高電平信號，雨天發(fā)送低電平信號，CPU根據(jù)傳感器監(jiān)測結(jié)果切換到相應的模式下工作。

2.5 鍵盤

系統(tǒng)共設(shè)置5個鍵盤，采用共陽極開關(guān)鍵盤設(shè)計，分別為設(shè)置鍵、手動自檢鍵、方向鍵（向上、向下）和確認鍵。設(shè)置鍵開啟系統(tǒng)中斷，進入鍵盤設(shè)置，系統(tǒng)按照時間-日期-檢測模式的順序進行設(shè)置。每設(shè)置完一個模塊進入下一個模塊，直到按下設(shè)置鍵后中斷返回。

3 智能驗電器軟件系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。系統(tǒng)啟動后首先進行自檢，以確保系統(tǒng)的可靠性。自檢通過后系統(tǒng)進行初始化，先初始化到有電狀態(tài)并將該信號端口中的指示模塊中顯示結(jié)果，調(diào)用語音子程序輸出語音提示信息[3]，自檢未通過則系統(tǒng)停止工作。初始化完成后讀取傳感器信號，并將信號保存。濕度傳感器只送兩個狀態(tài)信號：晴天或雨天，系統(tǒng)讀取信號后。接下來，系統(tǒng)將讀取數(shù)據(jù)采集模塊送來的信號，并將信號保存，通過信號處理模塊處理后輸出。輸出模塊同文獻[3]。

3.1 信號處理

信號處理結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，系統(tǒng)讀取傳感器送來的天氣信號，對信號進行處理。如果是晴天，信號傳送能力較強，系統(tǒng)直接讀取端口信號進行處理，即晴天模式；如果是雨天，系統(tǒng)將信號放大3倍后再進行處理，即雨天模式。

3.1.1 測量模式

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 自檢原理圖

圖6 信號處理結(jié)構(gòu)圖

測量模式有3種：高壓（100KV以上）測量、標準（10-100KV）測量和低壓（10KV以下）測量。在電力線路檢測過程中，當電壓在300KV時，傳感器探頭在3米距離測量到的電壓高達200V左右，因此，需要將信號進行衰減至5%才能測量，而當電壓低于3KV時，傳感器探頭在3米距離測量到的電壓為0.3V左右，因此需要將信號進行放大10倍才能測量。而在標準高壓時，取50KV，傳感器探頭在3米距離測量到的電壓為5V左右，因此不需做任何處理，直接測量。

圖7 中斷設(shè)置圖

3.1.2 抗干擾

文獻[1]中驗電器存在著抗干擾性差的問題：當電力機車通過測量點時偶爾會出現(xiàn)驗電器系統(tǒng)連續(xù)跳變現(xiàn)象，即在有電和無電之間不停跳變，影響了驗電器的正常使用。本系統(tǒng)將從軟件上實現(xiàn)這個問題。

系統(tǒng)讀取采樣器信號后將信號轉(zhuǎn)換成有電、無電狀態(tài)信號，但并不直接輸出，而是延時0.5秒后再次讀取采樣器信號，然后再轉(zhuǎn)換成有電、無電狀態(tài)信號，將兩次狀態(tài)信號進行對比，只有兩次狀態(tài)信號一致時系統(tǒng)才將新的狀態(tài)與原狀態(tài)對比，若新狀態(tài)與原狀態(tài)相同，保持原狀態(tài)，系統(tǒng)返回，繼續(xù)讀取采樣信號；若新狀態(tài)與原狀態(tài)不同，系統(tǒng)輸出新的狀態(tài)。

3.2 自檢

自檢原理圖如圖5所示。自檢開始后，CPU發(fā)出高電平，圖3電路通過MOS管導通，接入驗電器信號處理端，系統(tǒng)延時3秒，以保證信號能夠順利通過信號處理電路。系統(tǒng)讀取輸入端口信號，并轉(zhuǎn)換成狀態(tài)信號，如果是有電狀態(tài)則自檢成功，系統(tǒng)可以進入下一步工作，否則自檢失敗，系統(tǒng)停止工作。

手動自檢與自檢不同之處在于，手動自檢通過鍵盤向CPU發(fā)送手動自檢信號，收到自檢信號后系統(tǒng)中斷，進行自檢。

3.3 鍵盤設(shè)置

鍵盤的設(shè)置采用中斷的方式來進行，如圖6所示。設(shè)置鍵啟動中斷，中斷響應后先進行時間設(shè)置：按時-分-秒的順序設(shè)置；設(shè)置完時間后自動進入日期設(shè)置：按年-月-日順序設(shè)置，最后進入模式設(shè)置：選擇高壓模式、標準模式或低壓模式。所有設(shè)置完成后，通過確認鍵中斷返回。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)較文獻[3]中驗電器在性能上有了較大突破，具體如下。

1）系統(tǒng)開機強制自檢，自檢通過后系統(tǒng)才能工作，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

2）抗干擾能力有了較大提高。通過實驗驗證，當系統(tǒng)輸入信號幅值在臨界點來回波動時，若頻率高于2HZ，即信號在新的狀態(tài)下不能保持0.5秒以上，系統(tǒng)認將該信號判定為干擾信號，保持原來狀態(tài)，較好地解決了抗干擾問題。

3）設(shè)置了多種模式下的測量功能。本系統(tǒng)設(shè)置了高壓測量、標準測量和低壓測量，能較好地滿足超高壓電力線路、鐵路線路和城市次高壓線路的測量需要。

4）引入了晴天和雨天測量模式。由于天氣對信號傳輸?shù)挠绊戄^大，本系統(tǒng)引入了濕度參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，分析發(fā)現(xiàn)，晴天、多云或陰天，信號傳輸基本不受影響，但下雨天氣對信號影響較大，系統(tǒng)接收到的信號強度大約衰減至晴天時的1/3。

5 結(jié)束語

文章根據(jù)非接觸式驗電器在實際應用中存在的問題進行了改進和完善，使其在性能和可靠性上有了較大的提高。本系統(tǒng)通過軟件的方法解決了驗電器在信號不穩(wěn)定時存在的跳變問題。

[1]蔡歡歡, 毛明星, 蘇波等. 非接觸式高壓驗電器的開發(fā)[J].今日電子, 2007. 12.

[2]蔡歡歡, 付光, 林芳. 非接觸式高壓驗電器的改進[J].今日電子, 2008. 6.

[3]侯媛彬, 袁益民, 霍漢平, 等. 凌陽單片機原理及其畢業(yè)設(shè)計精選[M]. 北京: 科學出版社, 2006.

[4]蔡歡歡. 基于SPE61A單片機的非接觸式高壓驗電器的開發(fā)[J]. 今日電子, 2008. 10.

[5]李靖, 王克英. 基于AVR單片機的多功能電能表的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電測與儀表, 2012. 3.

[6]于龍梅, 懷新江, 徐洪久等地面驗電器的研制[J]. 東北業(yè)林大學學報, 1988. 10.