電力輸送故障遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

郅富標

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.050

摘 要：本文針對電力輸送故障產(chǎn)生的原因，故障產(chǎn)生所帶來的巨大經(jīng)濟損失，傳統(tǒng)故障診斷方法的缺陷，提出了一套基于STM32的電力傳輸遠程故障監(jiān)測系統(tǒng)。研究工作對電力輸送系統(tǒng)故障診斷提供了一種新的解決辦法，對以后的開發(fā)工作具有一定的指導意義和參考價值。

關(guān)鍵詞：電力輸送故障 程故障監(jiān)測系統(tǒng) 故障診斷

中圖分類號：TM764 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（a）-0050-02

在電力系統(tǒng)的各個設(shè)備中，電力傳輸和轉(zhuǎn)換設(shè)備占據(jù)主體地位，一旦該設(shè)備運行中發(fā)生故障問題，將直接造成電力系統(tǒng)無法正常有序的運轉(zhuǎn)下去，進而帶來不可估量的經(jīng)濟損失。隨著社會的快速發(fā)展，我國電網(wǎng)公司電力設(shè)備檢修工作的故障診斷已經(jīng)獲得了較好的實效性，然而診斷不夠及時和準確，所以當務之急就是深入分析研究輸變電設(shè)備故障遠程監(jiān)測系統(tǒng)，具有非?，F(xiàn)實的意義。

1 系統(tǒng)綜合設(shè)計

1.1 系統(tǒng)綜合構(gòu)架分析

本系統(tǒng)主要圍繞STM32處理器而展開，采用全球通遠程通信技術(shù)全面收集所有節(jié)點中的故障監(jiān)測信號，由集中控制室及時接收各類數(shù)據(jù)信息，有效落實在線監(jiān)測和遠程故障診斷。在健康有序運行情況下，通常由數(shù)據(jù)集中接收器對各個故障監(jiān)測節(jié)點進行集中控制，根據(jù)一定時間采集各監(jiān)測節(jié)點信號；當存在故障信號現(xiàn)象時，這時候的故障節(jié)點具有很高的優(yōu)先級，因此，集中控制室必須及時接收出現(xiàn)故障的信息，并要求相關(guān)工作者采取措施有效處理，減少因故障造成的巨大損失。

綜合化采集與處理電力輸送設(shè)備的電壓、電流等信號是故障監(jiān)測節(jié)點的核心任務，對現(xiàn)行設(shè)備的安全性、可靠性進行準確判斷。任何故障節(jié)點都存在特有的編碼，當故障問題出現(xiàn)時，相關(guān)人員就能夠及時找準具體的故障點，這是之前采用的逐級查找方法所不能實現(xiàn)的，將損失率減少到最小范圍內(nèi)。

數(shù)據(jù)集中接收器在一定時間內(nèi)綜合采集所有節(jié)點上的數(shù)據(jù)信息，并及時發(fā)現(xiàn)故障點，只有在規(guī)定時間內(nèi)完成采集工作，才能保證各節(jié)點的安全性和成本合理性，隨著對節(jié)點采用了在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲及故障發(fā)報技術(shù)，數(shù)據(jù)集中接收器不用再過于注重規(guī)定時間內(nèi)采集數(shù)據(jù)信息；規(guī)定時間內(nèi)進行采集不僅能夠掌握現(xiàn)行電力輸送設(shè)備的工作情況，還可定期完成監(jiān)測節(jié)點的工作狀況，從而減少節(jié)點的故障發(fā)生率，確保效益不受損。

最后，通過上位機顯示所有監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，只要為相關(guān)人員配備一套計算機，就能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)內(nèi)所有運行的節(jié)點情況，不僅減輕了勞動強度、節(jié)約了成本，而且適用性能顯著。

1.2 故障監(jiān)測節(jié)點

1.2.1 電流互感器

電流互感器主要是在電磁感應原理的基礎(chǔ)上將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)小電流來完成測量工作的儀器設(shè)備，其內(nèi)部構(gòu)造有閉合的鐵心和繞組。

實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)電線路、變電線路、輸電線路、配電線路以及用電線路之間的電流存在很大的差異，最小的有幾安，最大的高達幾萬安。初級繞組CT不多，在電路的測試序列中面臨巨大的電流，當二次側(cè)電路閉合，電流互感器在電流互感器和電隔離起著重要的作用。

CT有利于電流的及時變換，在一定的變比情況下將一次大電流變換成小電流，對二次儀表實施準確測量并發(fā)揮應有的保護作用。

1.2.2 電流信號采集

實際采集輸送電設(shè)備的電流信號過程中，因為受到功率和高壓等因素的影響，通常會以套管式和母線式電流互感器為主要手段，互感器二次側(cè)中的電流信號在進行一番信號濾波、放大及調(diào)理工作后，輸送至單片機中，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而在一番變比計算后獲得原邊電流。

1.2.3 電壓互感器

電壓互感器的作用是變換線路上的電壓，對儀表和繼電保護裝置供電、線路電壓、功率、電能進行測量，所以，電壓互感器不會有太大的容量，通常保持在幾伏安、幾十伏安，最多也不超過1kVA。有的電壓互感器對電路正常供電提供保障，當電路出現(xiàn)異常情況時，對線路中一些核心的組件加以保護。

1.2.4 電壓信號采集

在采集輸送電設(shè)備電壓信號過程中，應結(jié)合現(xiàn)場實際情況，配備合適變比和封裝類型功率的電壓互感器，互感器二次側(cè)中的電壓信號在進行一番信號分壓、濾波、調(diào)理工作后，輸送至單片機中，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而在一番變比計算后獲得原邊電壓。

1.2.5 GSM遠程傳輸設(shè)計

（1）GSM模塊。

通過GSM模塊能夠?qū)崟r發(fā)送SMS短信、語音通話，并完成GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫訥SM網(wǎng)絡(luò)為前提的通信。

GSM模塊相關(guān)研發(fā)者通過ARM或者單片機實現(xiàn)RS232串口與GSM模塊之間的通信，在專用的AT命令基礎(chǔ)上對GSM模塊的整體無線通信功能進行合理控制，最初研發(fā)的GSM模塊應用于手機行業(yè)中，由手機行業(yè)和模塊制造商直接聯(lián)系購買，再配置一些外圍器件，一部完整的手機就形成了。

（2）GSM數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計。

隨著GSM數(shù)據(jù)遠程通信技術(shù)投入到實際中使用，合理降低了整體系統(tǒng)的設(shè)計成本，無需再開展龐大的電纜鋪設(shè)工程，進一步深化了遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測工作。在設(shè)計GSM數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)過程中，應營造基于SIM900A模塊的作業(yè)氛圍，通過通用異步收發(fā)傳輸器的串行接口與單片機保持良好的通信，按照統(tǒng)一的AT指令集配置模塊，與相關(guān)協(xié)議相對應，采用接收短消息的方式將數(shù)據(jù)信息發(fā)出。

（3）數(shù)據(jù)集中接收器設(shè)計。

主要通過STM32處理器和GSM模塊配合協(xié)作，全面采集工業(yè)現(xiàn)場中各設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中接收器共涉及了以下內(nèi)容：GSM通信單元、液晶顯示單元、按鍵交互單元、數(shù)據(jù)存儲單元、狀態(tài)指示及報警單元等，密切聯(lián)系小功耗的電源管理設(shè)計，從而毫無遺漏地采集和查詢各手持數(shù)據(jù)，及時接收各類信號，并且本系統(tǒng)內(nèi)還新增了USB通信構(gòu)建了USB打印接口，及時把各類數(shù)據(jù)信息打印到PC等USB主機移動設(shè)備中展開深入細致的分析研究。還實現(xiàn)了相匹配的PC上位機軟件系統(tǒng)，主要負責及時接收電壓、電流等信號，為大數(shù)據(jù)處理提供有力依據(jù)。endprint

2 故障監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計

故障監(jiān)測節(jié)點的內(nèi)容有：CPU、實時時鐘、電流采集電路、電壓采集電路、數(shù)據(jù)存儲器、GSM遠程通信模組、電源電路等。

2.1 電流檢測電路設(shè)計

對于強電電流的檢測，通常采用電流互感器，因為這樣能夠在變比計算后把大電流變換為方便開展測量的小電流，并實現(xiàn)了電氣之間的有效隔離，二次側(cè)輸出的電流再通過取樣電阻得到交流電壓波形，從濾波電路、運算放大器、精密整流電路的渠道輸送至A/D轉(zhuǎn)換器上，單片機在相關(guān)計算后知曉具體的電流值。

2.2 電壓檢測電路設(shè)計

強電電壓檢測和強電電流檢測工作基本上一致，主要以電壓互感器為核心工具，把原本較高的電壓變換為低電壓，以此完成相關(guān)檢測。

2.3 數(shù)據(jù)存儲器

根據(jù)故障監(jiān)測節(jié)點情況，本系統(tǒng)將串行Flash作為了主要手段，由于手持數(shù)據(jù)接收器中存在龐大的數(shù)據(jù)量，因此為了更好地儲存龐大的數(shù)據(jù)信息，一般會選用TF卡來實現(xiàn)。關(guān)于串行FLASH應以型號為AT45DB642D為主，因為其有足夠的容量。

2.4 監(jiān)測節(jié)點電源電路

監(jiān)測節(jié)點電源常見于多路電源供電，我們必須注重電源這一環(huán)節(jié)的設(shè)計工作，電源直接將現(xiàn)場380V交流電通過變壓器、整流、濾波，最終獲得15V直流電壓，在LM317的作用下將15V電壓降低為12V，不僅保證了后續(xù)電路處于穩(wěn)定電壓下供電，而且為GSM模組提供所需的電量，在LM2940的作用下將12V電壓降低到5V，主要為報警指示等電路提供所需的電量，最后通過超低壓降穩(wěn)壓芯片662K穩(wěn)壓到3.3V，為CPU系統(tǒng)提供所需的電量，從而確保CPU電源一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。另外，將大量的濾波電容投入到實際中使用，實現(xiàn)了穩(wěn)定性能極高的直流電壓，推動電源系統(tǒng)穩(wěn)定有序運轉(zhuǎn)。

2.5 手持數(shù)據(jù)接收器硬件設(shè)計

手持數(shù)據(jù)接收器硬件設(shè)計至關(guān)重要，在規(guī)定時間內(nèi)綜合采集所有監(jiān)測節(jié)點上的數(shù)據(jù)信息，深入分析、有效處理、全面存儲及顯示各類數(shù)據(jù)，對故障節(jié)點信號進行及時接收，準確獲取具有較高優(yōu)先級的節(jié)點信號，通過聲光預警提示，并做好節(jié)點ID標示工作，為維修人員的工作提供方便快捷。

2.6 USB通信模塊

在設(shè)計USB通信過程中，我們主要以CP2102為手段實現(xiàn) USB轉(zhuǎn)串口通信，之所以會選擇這一手段，是因為USB協(xié)議具有復雜繁瑣性特點，開發(fā)難度較大，CP2102芯片內(nèi)部就存在USB協(xié)議，速率也較為理想，性價比高，STM32自帶多組串口，能夠提高本設(shè)計的數(shù)據(jù)通信效率。

3 故障監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 GSM遠程傳輸程序設(shè)計

GSM遠程傳輸是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上進行的，其功能作用是把各類信號傳輸?shù)饺魏蔚胤健Ｔ诒姸嗟姆涓C系統(tǒng)中GSM網(wǎng)絡(luò)的地位十分突出，屬于全球通。為了對GSM模塊更好地控制，必須貫徹落實AT指令。AT指令集是海因斯首次推出了一個調(diào)制解調(diào)器命令集，是行業(yè)標準的調(diào)制解調(diào)器通信接口，它能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)制解調(diào)器配置和軟件同步運行，并完成遠程通信。

3.2 故障監(jiān)測節(jié)點程序設(shè)計

故障監(jiān)測節(jié)點的職責義務是整體采集各種電壓和電流，準確監(jiān)測和判斷出現(xiàn)的故障點，及時存儲所有采集數(shù)據(jù)，只要出現(xiàn)故障先，獲得最高優(yōu)先級將故障情況第一時間發(fā)送至主機，同時在工業(yè)現(xiàn)場現(xiàn)場進行聲光預警提示。

3.3 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集程序主要通過STM32內(nèi)部12位高精度AD來全面采集現(xiàn)場運行設(shè)備的電壓和電流，同時做好相關(guān)的故障分析和儲存工作。

4 結(jié)語

本課題研究內(nèi)容可靠、穩(wěn)定的實現(xiàn)了電力輸送系統(tǒng)中的故障在線監(jiān)測，監(jiān)測節(jié)點對電力輸送過程中的電壓、電流等進行實時監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)進行采集和存儲，配合手持主機數(shù)據(jù)接收處理，發(fā)生故障時及時產(chǎn)生報警信號，并通過GSM遠程告知工作人員，以及時進行故障處理，將損失降到最小，收到較好的經(jīng)濟效益。

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