配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

魯源，袁峻，陳井銳，周懋坤，周榮

（1.云南電網(wǎng)公司昆明供電局，云南昆明 650200；2.廣州安電測控技術(shù)有限公司，廣東廣州 510630）

配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

魯源1，袁峻1，陳井銳1，周懋坤1，周榮2

（1.云南電網(wǎng)公司昆明供電局，云南昆明 650200；2.廣州安電測控技術(shù)有限公司，廣東廣州 510630）

配網(wǎng)在電力系統(tǒng)中具有重要作用，通常通過帶電檢測對其運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測，以便于日常維護(hù)。傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)需要大量的布線，不僅實(shí)現(xiàn)過程復(fù)雜，而且存在一定的安全隱患，為此，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)。給出系統(tǒng)總體設(shè)計，選用具有良好一次電光效應(yīng)特性的鈮酸鋰晶體設(shè)計了無源集成的光電電壓傳感單元以及使用該單元的非接觸式過電壓監(jiān)測傳感器，通過相位合成完成分相檢測，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷、顯示全帶電或缺相帶電狀態(tài)。利用單片機(jī)自動實(shí)現(xiàn)電磁閉鎖，采用點(diǎn)陣圖形式的LCD對檢測結(jié)果進(jìn)行顯示，通過89C51單片機(jī)內(nèi)集成的串行端口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，將配網(wǎng)供電狀態(tài)反饋至上位機(jī)，完成配電網(wǎng)帶電的遠(yuǎn)程檢測。軟件設(shè)計中，給出了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，詳細(xì)介紹了信號采集的源代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)檢測結(jié)果的一致性較好，達(dá)到了較高的檢測準(zhǔn)確度。

配網(wǎng)；帶電；遠(yuǎn)程

隨著社會主義市場經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，電力企業(yè)在我國國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)的地位越來越高，為了更好地達(dá)到當(dāng)前社會對電力的需求，電力企業(yè)正朝著創(chuàng)新、進(jìn)步的方向逐漸發(fā)展[1-3]。配網(wǎng)在日趨復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，在配網(wǎng)工作的過程中存在很多問題，最嚴(yán)峻的問題之一就是配網(wǎng)帶電，其造成的后果將非常嚴(yán)重[4-6]。因此，對配網(wǎng)進(jìn)行帶電檢測成為亟需解決的關(guān)鍵問題之一，已經(jīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題，受到越來越廣泛的關(guān)注[7]。

目前，有關(guān)配網(wǎng)帶電檢測的研究有很多，相關(guān)研究也取得了一定的成果，其中文獻(xiàn)[8]提出一種基于超聲波法的配網(wǎng)帶電檢測方法，該方法是一種非侵入式的現(xiàn)場檢測方法，超聲波法在理論上能夠完成對局部放大的準(zhǔn)確定位，然而因?yàn)楫?dāng)前所生產(chǎn)的超聲波傳感器靈敏度較低，所以能夠進(jìn)行檢測的可行區(qū)域較小，不適用實(shí)際的大范圍的配網(wǎng)帶電檢測；文獻(xiàn)[9]提出一種基于鉗形電流傳感器和電壓隔離線圈的配電網(wǎng)帶電檢測方法，該方法分析了一種新型的檢測配網(wǎng)帶電的系統(tǒng)，通過精度很高的鉗形電流傳感器和電壓隔離線圈，對配網(wǎng)帶電進(jìn)行檢測，該方法雖然具備一定的抗電磁干擾功能，但在外界環(huán)境非常復(fù)雜的情況下也會受到一定的干擾，導(dǎo)致檢測結(jié)果不可靠；文獻(xiàn)[10]提出一種基于脈沖電流法的配網(wǎng)帶電檢測方法，該方法將線性耦合器穿過低壓側(cè)地線，利用磁耦合對配網(wǎng)放電在接地線中形成的脈沖電流信號進(jìn)行檢測。但該方法實(shí)現(xiàn)過程過于復(fù)雜，所需時間較長，不適合實(shí)際應(yīng)用。

設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種配電網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)。給出系統(tǒng)總體設(shè)計，對設(shè)計的重點(diǎn)進(jìn)行了分析。軟件設(shè)計中，給出了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，詳細(xì)介紹了信號采集的源代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)檢測結(jié)果的一致性較好，達(dá)到了較高的檢測準(zhǔn)確度。

1 配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

本節(jié)所設(shè)計的配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)主要由傳感器及單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。傳感器通常置于配網(wǎng)正下，單片機(jī)系統(tǒng)置于方便工作人員觀察、操作的位置，可利用電纜將二者連接在一起。以A通道為例，A相傳感器輸出信號經(jīng)過壓保護(hù)、放大后和經(jīng)整合后的B相、C相傳感器所接收到的信號合成在一起，僅對單一A相信號進(jìn)行輸出，經(jīng)低通濾波、線性檢波、電壓比較、光電隔離等前置電路待處理后傳輸至AT89C51單片機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測。B、C通道原理和A通道原理相同。通過分析A、B、C三相線路的供電狀況，AT89C51單片機(jī)即可確定是否利用繼電器輸出強(qiáng)制閉鎖信號，同時將檢測結(jié)果傳輸至LED模塊完成顯示或報警，并且，將配網(wǎng)的供電狀態(tài)利用串行通信傳輸至遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行智能監(jiān)控。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖用圖1進(jìn)行描述。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計

2.1 傳感器設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)高壓電網(wǎng)的安全準(zhǔn)確測量，采用具有良好一次電光效應(yīng)特性的鈮酸鋰晶體設(shè)計了無源集成的光電電壓傳感單元以及使用該單元的非接觸式過電壓監(jiān)測傳感器。傳感器的分壓單元由單元自身電容和定值電容并聯(lián)構(gòu)成的低壓臂電容與高壓導(dǎo)線和感應(yīng)金屬板的耦合電容串聯(lián)構(gòu)成。光電電壓傳感單元全光纖連接，只需感應(yīng)從分壓單元引出的較低幅值電壓信號，且無需在傳感器安裝點(diǎn)提供電源。傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路分別用圖2和圖3進(jìn)行描述。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig.1 The overall design diagram of the system

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Sensor structure

圖3 傳感器等效電路Fig.3 The equivalent circuit of sensors

圖3中，C1代表感應(yīng)電極和配網(wǎng)帶電體之間的雜散電容；C2代表感應(yīng)電極和與之相鄰的接地體之間的雜散電容；C3代表信號傳輸電纜的芯、地之間的電容；Z代表AT89C51單片機(jī)的等效輸入阻抗。在傳感器殼體中，設(shè)計了大半圓形的屏蔽層，從而使傳感器免于受到外界干擾。

2.2 采用分相檢測方法分析配網(wǎng)線路狀態(tài)

所設(shè)計的配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)需要滿足三相制使用原則，并通過頻率與相位間的微分關(guān)系，獲取平均間隔的矢量，設(shè)置初始相位，輸出的信號再通過適當(dāng)衰減網(wǎng)絡(luò)頻率，降低不同幅度相關(guān)的矢量，達(dá)到相位合成的目的，實(shí)現(xiàn)分相檢測，可以在三相配網(wǎng)線路中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷、顯示全帶電或缺相帶電狀態(tài)，還不容易受到外界的干擾。以A通道分相檢測為例，其電路用圖4進(jìn)行描述。

圖4中，YF1主要用于放大信號，和YF2共同組成加法器，輸出單一A相信號。通過YF3可完成低通濾波，利用YF4實(shí)現(xiàn)線性檢波，經(jīng)YF5完成電壓比較。

圖4 A通道分相檢測電路Fig.4 Split phase detection circuit of Channel A

2.3 閉鎖功能的實(shí)現(xiàn)

在本配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)中，單片機(jī)可自動實(shí)現(xiàn)電磁閉鎖，實(shí)現(xiàn)過程用圖5進(jìn)行描述。

圖5 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電磁閉鎖過程Fig.5 The magnetic closure process of single-chip microcomputer

在A、B、C三相配網(wǎng)線路中其中一相帶電的情況下，89C51-P3.5發(fā)送的高電平信號經(jīng)光耦后，如果繼電器J1線圈通電，則其常開觸點(diǎn)閉合；如果繼電器J2線圈短路，則其常開觸點(diǎn)斷開；如果電磁鎖線圈S沒有電流經(jīng)過，則發(fā)送強(qiáng)制閉鎖信號。在三相線路均不帶電的情況下，P3.5發(fā)送低電平信號，J1失電，J2得電，電磁鎖線圈才有電流經(jīng)過，解除閉鎖功能。

分析上述過程可知，電磁閉鎖有很大的作用，一方面，在配網(wǎng)不帶電的情況下，電磁鎖則不通電，能夠增長其使用壽命；另一方面，只要配網(wǎng)帶電，則單片機(jī)系統(tǒng)與閉鎖回路會一起出故障，電磁鎖閉鎖，能夠有效避免電氣誤操作。

2.4 LCD顯示模塊設(shè)計

通常情況下，在常規(guī)的配網(wǎng)帶電顯示閉鎖裝置中，僅選用LED燈或數(shù)碼管，工作人員僅可依據(jù)設(shè)計時的規(guī)則對配網(wǎng)的工作狀態(tài)進(jìn)行觀察。本節(jié)采用點(diǎn)陣圖形式的LCD，通過其能夠顯示漢字、圖形、表格等。

在所設(shè)計的配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)中，選用帶背光的GXM-12864液晶模塊完成多屏菜單內(nèi)容的顯示。其中，LCD模塊和89C51單片機(jī)之間的接口選擇間接控制的形式。這是因?yàn)锳T89C51單片機(jī)中集成有4 kB的只讀存儲器，將源代碼錄入其中，減少了單片機(jī)的外圍電路。

2.5 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控模塊設(shè)計

89C51單片機(jī)內(nèi)集成有串行端口，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程通信，將配網(wǎng)供電狀態(tài)反饋至上位機(jī)，完成配電網(wǎng)帶電的遠(yuǎn)程檢測，達(dá)到自動化管理的目的。這里，強(qiáng)調(diào)以下2點(diǎn)：

1）為了達(dá)到系統(tǒng)對通信距離、通信速度和抗干擾能力的要求，系統(tǒng)遠(yuǎn)程智能通信選擇傳輸性能穩(wěn)定的RS-485串行接口。然而由于單片機(jī)輸入/輸出信號為TTL電平，因此，需轉(zhuǎn)換為達(dá)到RS-485標(biāo)準(zhǔn)的電平才可完成數(shù)據(jù)傳輸，這里選用MAX491芯片完成電平轉(zhuǎn)換。

2）RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計。遠(yuǎn)程PC機(jī)中通常存在RS-232C串行接口。為了完成信息的遠(yuǎn)程傳輸，需設(shè)置RS-485/RS-232的轉(zhuǎn)換接口。該模塊主要包括RS-485和TTL的轉(zhuǎn)換以及TTL和RS-232的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路圖用圖6進(jìn)行描述。

圖6 轉(zhuǎn)換電路圖Fig.6 Conversion circuit diagram

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件的開發(fā)選用和LabVIEW平臺開發(fā)相應(yīng)的配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)軟件。LabVIEW為美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的一種程序環(huán)境，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在程序的編寫模式上和其余計算機(jī)語言依據(jù)文本編程不同，LabVIEW是直接通過圖形編寫程序，利用直觀的描述形成框圖式的程序結(jié)構(gòu)。

按照配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)的需要開發(fā)了對應(yīng)的軟件系統(tǒng)，其界面用圖7進(jìn)行描述。該軟件系統(tǒng)能夠完成帶電信號的采集、顯示、分析及保存等功能。

圖7 系統(tǒng)軟件界面圖Fig.7 System software interface diagram

3.2 信號采集源代碼設(shè)計

分析上節(jié)可知，所設(shè)計的軟件系統(tǒng)能夠完成帶電信號的采集、顯示、分析及保存等功能。本節(jié)對最基本的信號采集功能的實(shí)現(xiàn)源代碼進(jìn)行設(shè)計：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計的配網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。本實(shí)驗(yàn)將某市配網(wǎng)設(shè)備作為研究對象，通過本研究系統(tǒng)對其帶電情況進(jìn)行檢測，將得到的檢測結(jié)果和實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，得到的測試結(jié)果用表1進(jìn)行描述。

分析表1可以看出，實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果和實(shí)際結(jié)果相比，全電壓全電流測量誤差不到1%，阻性電流有效值波動低于0.005 mA。說明本研究系統(tǒng)檢測結(jié)果的一致性較好，達(dá)到了較高的檢測準(zhǔn)確度。

表1 測試結(jié)果Tab.1 The test results

為了更加直觀地驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，將嵌入式系統(tǒng)作為對比，對配網(wǎng)進(jìn)行了局部的放電帶電檢測，得到的結(jié)果用圖8、圖9進(jìn)行描述。

圖8 本文系統(tǒng)檢測結(jié)果Fig.8 Results of the system test n this paper

圖9 嵌入式系統(tǒng)檢測結(jié)果Fig.9 Detection results of the embedded system

分析圖8、圖9可以看出，本系統(tǒng)能夠有效地檢測出局部放電信號，而嵌入式系統(tǒng)并未檢測到局部放電信號，說明本系統(tǒng)對配網(wǎng)帶電的檢測性能更佳，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)語

設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種配電網(wǎng)帶電遠(yuǎn)程智能檢測系統(tǒng)。給出系統(tǒng)總體設(shè)計，選用非接觸式傳感器實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)交變電壓信號的耦合。通過相位合成完成分相檢測，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷、顯示全帶電或缺相帶電狀態(tài)。利用單片機(jī)自動實(shí)現(xiàn)電磁閉鎖，采用點(diǎn)陣圖形式的LCD對檢測結(jié)果進(jìn)行顯示，通過89C51單片機(jī)內(nèi)集成的串行端口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，將配網(wǎng)供電狀態(tài)反饋至上位機(jī)，完成配電網(wǎng)帶電的遠(yuǎn)程檢測。軟件設(shè)計中，給出了系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，詳細(xì)介紹了信號采集的源代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)檢測結(jié)果的一致性較好，達(dá)到了較高的檢測準(zhǔn)確度。

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Design and Implementation of the Charged Remote Intelligent Monitoring System for Distribution Networks

LU Yuan1，YUAN Jun1，CHEN Jingrui1，ZHOU Maokun1，ZHOU Rong2
（1.Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650200，Yunnan，China；2.Guangzhou Andian Measurement&Control Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，Guangdong，China）

Distribution network plays an important role in the power system，and to facilitate the everyday maintenance the live（charged）detection is usually used to monitor its running situation.Traditional detection system needs a lot of wiring，and its implementation process is not only complex，but also has certain hidden security dangers.To this end，a charged remote intelligent distribution network test system is designed and implemented.With the overall system design given and selection of the lithium niobate crystal of good Electra-optical properties，the passive integrated optical voltage sensing unit and the non-contact overvoltage monitoring sensor used in the unit are designed，and the phase detection is made through phase synthesis to realize the accurate judgment and display of the fully charged or phase deficient charged state.The single ship micro-computer is used to realize the automatic electromagnetic lock and the dot matrix graphic LCD is used to display the detection result and the remote communication is realized through the serial port integrated in the 89C51 single-chip computer and the power supply state of the distribution network is fed to the upper monitor，thus the remote live detection of the distribution network is completed.The system software development platform is given in the software design，and the source code of the signal acquisition is introduced in detail.The experimental results show that the designed system has good consistency and high detection accuracy.

distribution network；charged；remote

2015-10-14。

魯 源（1988—），男，碩士研究生，技師，主要研究高壓試驗(yàn)和技術(shù)監(jiān)督相關(guān)工作。

（編輯 徐花榮）

中國南方電網(wǎng)公司科技項目（項目編號 ：KYN2014-156）。

Project Supported by Science and Technology Projects of China Southern Power Grid Company（K-YN2014-156）.

1674-3814（2016）05-0016-06

TP271

A