劉志勇 陳崗 陳超鑫 李耀 蔣鑫偉
(威勝信息技術(shù)股份有限公司 湖南省長(zhǎng)沙市 410205)
隨著國內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,社會(huì)對(duì)電力的需求和依賴性也越來越大,現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)、居民生活對(duì)供電的可靠性、電網(wǎng)質(zhì)量提出了很高的要求,促使電力產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展完善。配電網(wǎng)處于電力網(wǎng)絡(luò)的末端,直接向用電客戶輸送電能,配電網(wǎng)的可靠性對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的整體性能有較大的影響,是電網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。
目前配變臺(tái)區(qū)出線開關(guān)和分支出線開關(guān)還大量使用傳統(tǒng)非智能開關(guān),無法將出線的帶電狀態(tài)和線路的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)上傳,當(dāng)發(fā)生故障停電的時(shí)候無法快速的定位故障區(qū)域;臺(tái)區(qū)末端用戶基本都已經(jīng)全部使用電子式電能表,能夠監(jiān)測(cè)電能表進(jìn)線端的停上電狀態(tài),但是實(shí)際用戶使用電能是從電能表出線端使用,所以目前電能表提供的停上電狀態(tài)不能代表用戶的實(shí)際用電情況,并且無法提供線路的溫度監(jiān)測(cè)情況,無法預(yù)測(cè)因?yàn)橛脩糌?fù)荷過大引起的線路老化、燒毀等故障[2]。
隨著國內(nèi)智能電網(wǎng)建設(shè)的開展,配電自動(dòng)化技術(shù)在電網(wǎng)的應(yīng)用日益廣泛,借助一系列新技術(shù)、新設(shè)備的使用,配電網(wǎng)故障處理的模式逐漸發(fā)生著改變,配電網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、故障在線定位技術(shù)得到了發(fā)展。但國內(nèi)低壓配網(wǎng)建設(shè)還處于初期建設(shè)階段,隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)以及配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)理念的提出,針對(duì)低壓臺(tái)區(qū)感知層設(shè)備出現(xiàn)了很多智能化設(shè)備。但是目前還處于建設(shè)初期,大部分還屬于存量臺(tái)區(qū),在短時(shí)間內(nèi)不可能全部更換新的智能設(shè)備來達(dá)到目的。本文對(duì)低壓存量臺(tái)區(qū),在不更換原有設(shè)備的情況下,安裝本文研究的裝置,可實(shí)現(xiàn)低壓線路的停上電監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè),達(dá)到故障快速定位、快速恢復(fù)供電的目的。本裝置體積小、價(jià)格低廉,適應(yīng)低壓線路各個(gè)層級(jí)的應(yīng)用[3-6]。
本系統(tǒng)基于國產(chǎn)MCU GD32E230F8P6 為核心設(shè)計(jì)的一款用于低壓線路電壓監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)的裝置。該裝置主要包括5 個(gè)部分:信號(hào)采集、信息處理、通信、電源、指示。電壓信號(hào)通過金屬感知單元耦合到裝置,然后將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),經(jīng)過運(yùn)放放大,信后輸入MCU 的AD 轉(zhuǎn)換接口,MCU 通過AD 轉(zhuǎn)換計(jì)算出電壓值。溫度采樣使用溫度傳感器DS18B20 直接和MCU 通信,MCU 從溫度傳感器中讀取溫度數(shù)據(jù)。整體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。
該裝置主要用于臺(tái)區(qū)開關(guān)出線、分支開關(guān)出線、用戶表出線監(jiān)測(cè),安裝空間有限,結(jié)構(gòu)需要布局緊湊,另外該裝置在配電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中屬于感知層設(shè)備,數(shù)量需求大,需要滿足不停電安裝,避免因?yàn)榘惭b停電帶來的不便和損失[6]。
圖1:系統(tǒng)整體框圖
圖2:測(cè)試等效原理圖
圖3:電容阻抗等效模型圖
臺(tái)區(qū)開關(guān)出線根據(jù)變壓器容量的不同,出線回路數(shù)量不同需要的設(shè)備數(shù)量會(huì)不一樣;分支開關(guān)出線根據(jù)用電情況不一樣出線回路的數(shù)量也會(huì)不同,所需設(shè)備的數(shù)量也不相同;用戶側(cè)有單相用戶也有三相用戶,所以數(shù)量也不確定,所以設(shè)備需要方便擴(kuò)展適應(yīng)不同的使用場(chǎng)景。
圖4:原理圖
裝置安裝的位置一般在開關(guān)柜、分支箱、表箱等環(huán)境,其中分支箱的環(huán)境可能因?yàn)榈貏?shì)原因,遇到大雨天氣分支箱內(nèi)部濕度會(huì)很大,所以裝置的防護(hù)等級(jí)需要做到IP66 等級(jí)[7]。
裝置外殼采用PC+GF 材料,尺寸52mm×25mm×15.5mm,內(nèi)部采用硅膠灌注工藝達(dá)到IP66 的防護(hù)等級(jí)[7]。連接線采用通信和電源一體化設(shè)計(jì),方便現(xiàn)場(chǎng)接線安裝,并可支持現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)裝置級(jí)聯(lián),適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)多種應(yīng)用場(chǎng)景。
根據(jù)該裝置應(yīng)用場(chǎng)景,一般都是安裝在開關(guān)出線上,所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的安裝場(chǎng)景可以得出測(cè)量等效電路,如圖2 所示。
由圖2 可見,UL 為實(shí)際線纜電壓,C0 為斷路器的斷開耦合電容,C1 為線路和感應(yīng)金屬片之間(裝置外殼內(nèi))的耦合電容,C1與現(xiàn)場(chǎng)線纜種類、環(huán)境有關(guān),是可變的,C2 是測(cè)量感應(yīng)單元PCB上設(shè)計(jì)的對(duì)地電容,是固定的,C3 是端設(shè)備(裝置的上行通信設(shè)備,本身具備交流采樣功能)[6]系統(tǒng)地對(duì)零相的耦合電容,由于端設(shè)備[6]本身電路參數(shù)、器件參數(shù)不會(huì)隨現(xiàn)場(chǎng)濕度、溫度發(fā)生明顯變化,所以可認(rèn)為C3 是固定不變的,再根據(jù)電容阻抗等效模型(圖3)可知,電容阻抗是由串聯(lián)電阻Rs,并聯(lián)電容C,并聯(lián)電阻Rd組成,電路模型為Xc=Rs+wC//Rd,串聯(lián)電阻Rs為電容的對(duì)外導(dǎo)線接觸電阻,本設(shè)計(jì)中的所有等效電容C0,C1,C2,C3 的對(duì)外導(dǎo)線都非常短,有的甚至沒有,可視為Rs≈0,Rd為電容本身的介質(zhì)電阻,實(shí)測(cè)Rd≈∞,所以Xc≈wC。
所以本設(shè)計(jì)中的電容阻抗都用相應(yīng)的阻抗值X0,X1,X2,X3代替。
根據(jù)電容分壓原理:
當(dāng)斷路器導(dǎo)通的時(shí)候,C0 為0,C2 和C3 固定不變,可合并為C23,則上式可簡(jiǎn)化為:
所以上式可化為:
圖5:系統(tǒng)初始化流程圖
圖6:電壓采樣處理流程圖
令C23為A,則的傳遞函數(shù)就是也就有此式中,C1和A 都是可變參數(shù),在工廠內(nèi)部校正后,到現(xiàn)場(chǎng)安裝后C1和A 也會(huì)發(fā)生改變,造成測(cè)量不準(zhǔn),這也是本設(shè)計(jì)要解決的問題。針對(duì)該問題,本設(shè)計(jì)提出通過在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的方案來確定C1和A。
現(xiàn)場(chǎng)校正方法:利用端設(shè)備[4]的交流采樣功能,選擇不同時(shí)間通過端設(shè)備[4]采樣的當(dāng)前的線路電壓傳給本裝置的MCU 作為校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)值的方式測(cè)出C1和A,然后,把此參數(shù)存儲(chǔ)在MCU 中,就能測(cè)量出線路的電壓。通過檢測(cè)不同時(shí)刻的C1和A 計(jì)算得出Ux,這也就是本設(shè)計(jì)通過非接觸方式實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量的基本方法。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不可能時(shí)刻發(fā)生變化,所以是假定在某一段時(shí)間內(nèi)測(cè)出的C1和A 是不變的,當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生改變,例如溫濕度發(fā)生了變化或者裝置和線纜接觸的面積、松緊發(fā)生了變化,這些會(huì)造成C1發(fā)生變化,當(dāng)出現(xiàn)了變化,就需要裝置自動(dòng)重新進(jìn)行2 次校驗(yàn),校驗(yàn)表方法和上文一致。采用什么策略進(jìn)行自動(dòng)校驗(yàn)也是本文需要解決的關(guān)鍵之一。裝置校驗(yàn)的策略;
A.現(xiàn)場(chǎng)初始安裝時(shí)校驗(yàn),安裝好后通過端設(shè)備[6]下發(fā)校正命令,裝置啟動(dòng)開始校正。
B. 定時(shí)校正,可預(yù)設(shè)每隔1 個(gè)月校正1 次,由端設(shè)備[6]下發(fā)校正命令。
通過這兩種校正方式,可以有效的避免現(xiàn)場(chǎng)因?yàn)榄h(huán)境變化引起C1和A 變化帶來增大測(cè)量誤差,極大的保證了測(cè)量的準(zhǔn)確度。
非接觸電壓采樣模擬通道由非接觸感應(yīng)單元、電容分壓電路、直流電壓疊加電路、電壓跟隨電流放大電路、運(yùn)放放大電路等組成。
非接觸電壓采樣的基本原理是基于電場(chǎng)感應(yīng)及電容耦合,通過非接觸的方式,設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸感應(yīng)頭,和外部帶電導(dǎo)線的低頻電場(chǎng)感應(yīng)及電容耦合,轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電流信號(hào),該信號(hào)的初始值強(qiáng)度由非接觸感應(yīng)頭的尺寸材質(zhì)決定,這里選擇的是厚度為0.15mm 的紫銅片,面積大小為5.25mm2通過Multisim 仿真分析[8],該面積感應(yīng)到的電壓可以保證后續(xù)采樣電路的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。裝置獲得感應(yīng)電壓后,在電路上對(duì)地并聯(lián)一個(gè)分壓電容C6,該電容的作用是用來調(diào)整感應(yīng)電壓的幅值,因?yàn)楦袘?yīng)電壓是一個(gè)交流信號(hào),信號(hào)在正負(fù)之間交替,而單片機(jī)的AD 采樣信號(hào)要求輸入的是正信號(hào),所以,需要在電路上并聯(lián)一個(gè)直流正電壓疊加信號(hào),將交流信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)正信號(hào)。信號(hào)變?yōu)檎绷髌眯盘?hào)后,因?yàn)楦袘?yīng)電壓信號(hào)的電流持續(xù)能力很弱,需要加入一個(gè)電壓跟隨器,用來增強(qiáng)信號(hào)的電流,維持后續(xù)電路功耗的正常運(yùn)行,輸出電壓和輸入電壓幅值大小相同,相位相同。
圖7:溫度采樣處理流程圖
信號(hào)通過直流偏置后已轉(zhuǎn)為正直流信號(hào),再經(jīng)過電壓跟隨器后增大電流驅(qū)動(dòng)能力,在此點(diǎn)加入一個(gè)運(yùn)放電路,用來成比例的調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值大小,以獲得更大的采樣范圍。運(yùn)放電路和電壓跟隨電路共用一個(gè)雙通道的SGM8141 運(yùn)放芯片。SGM8141 運(yùn)放芯片是一款支持3.3V,單電源、軌到軌的雙通道高精度運(yùn)放。此處為保證進(jìn)入單片機(jī)的采樣信號(hào)為正,采用同相放大電路設(shè)計(jì),放大系數(shù)1:2,即2 倍放大。便于調(diào)整輸入AD 的采樣信號(hào)。具體如圖4 中非接觸電壓采樣電路所示。
溫度采樣設(shè)計(jì)了采用溫度傳感器芯片DS18B20,對(duì)該芯片溫度輸出信號(hào)上拉3.3V。溫度傳感器DS18B20 輸出9 位至12 位攝氏溫度測(cè)量值,測(cè)量范圍在-55℃~125℃之間。通過1-Wire[9]總線和單片機(jī)進(jìn)行通信,如圖4 中溫度采樣電路所示。
裝 置MCU 采 用GD32E230F8P6 芯 片,GD32E230F8P6 內(nèi) 置Cortex-M23 核, 主 頻72MHz , 內(nèi) 存8KB,64KB FLASH,2 個(gè)USART、1 個(gè)SPI、1 個(gè)具有新型可選數(shù)字濾波器功能的I2C、2 個(gè)獨(dú)立的12 位ADC,定時(shí)器4 個(gè),體積小。
其主要硬件資源分配說明如下:
UART1 用于維護(hù)RS-232 串口;UART0 用于RS-485 通信,用于本裝置和其他設(shè)備進(jìn)行通信;ADC1 用于非接觸電壓采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換;PA4 用于和溫度傳感器進(jìn)行1-Wire 通信[6];PA6 用于控制運(yùn)行燈;PA7 用于控制報(bào)警燈。具體原理如圖4 中MCU 電路所示。
為了提高系統(tǒng)性能,系統(tǒng)中僅DMA FIFO 滿及UART 接收產(chǎn)生兩個(gè)中斷,定時(shí)器時(shí)間到直接觸發(fā)ADC 采樣,定時(shí)器本身不產(chǎn)生中斷。串口中斷對(duì)電壓計(jì)算不產(chǎn)生任何影響。軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊,電壓處理模塊,溫度處理模塊,告警與顯示模塊,規(guī)約交互模塊組成。
裝置上電后對(duì)系統(tǒng)、GPIO、定時(shí)器、ADC、DMA、UART、數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化工作,流程如圖5 所示。
設(shè)置定時(shí)器每一個(gè)周波(20ms)采集128 或256 個(gè)點(diǎn),也就是每156.25us或78.125us進(jìn)行一次觸發(fā)。定時(shí)器觸發(fā)后啟動(dòng)ADC采樣,ADC 轉(zhuǎn)換完成后通過DMA 自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳到指定BUF。BUF 中數(shù)據(jù)存滿后產(chǎn)生DMA FIFO 中斷,并設(shè)置數(shù)據(jù)滿標(biāo)志。主程序檢測(cè)到數(shù)據(jù)滿標(biāo)志進(jìn)行電壓計(jì)算,電壓計(jì)算完成后重新啟動(dòng)DMA 數(shù)據(jù)搬移。所有過程僅產(chǎn)生DMA FIFO 滿中斷,定時(shí)器不產(chǎn)生中斷,盡量減少系統(tǒng)負(fù)荷。
流程如圖6 所示中用到的感應(yīng)系數(shù)為:感應(yīng)電路沒有校準(zhǔn)時(shí),上交流220V 電壓,MCU 讀到的電壓值與220V 的比值為感應(yīng)系數(shù)。校準(zhǔn)系數(shù)為:通過臺(tái)體或設(shè)置工具,給感應(yīng)電路下發(fā)標(biāo)準(zhǔn)電壓,MCU 讀到的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓的比值為校準(zhǔn)系數(shù)。正弦波正常情況分為正半波與負(fù)半波,為了MCU ADC 采樣方便,硬件電路上將正弦波抬高一個(gè)定值,使負(fù)半波的最小值不出現(xiàn)負(fù)值,方便ADC寄存器處理。這個(gè)定值稱為直流偏置。正常計(jì)算時(shí)這個(gè)直流偏置值需根據(jù)采樣點(diǎn)計(jì)算得到。
本項(xiàng)目采用DS18B20 作為溫度傳感器,它具有3 腳TO-92 小體積封裝形式,溫度測(cè)量范圍為-55℃-+125℃,可進(jìn)行9-12 位編程,分辨率可達(dá)0.0625。被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16 位數(shù)字量方式串行輸出,與MUC 通過1-Wire[9]總線方式通信。
操作過程如下:
初始化DS18B20(發(fā)復(fù)位脈沖)→發(fā)ROM 功能命令(命令CCH)→溫度變換(命令44H)→發(fā)存儲(chǔ)器讀取命令(命令BEH)→ 讀取溫度→處理數(shù)據(jù)。詳細(xì)流程如圖7 所示。
該裝置屬于感知層設(shè)備,需要和端設(shè)備通信把數(shù)據(jù)傳送給邊設(shè)備[6]。端設(shè)備[6]需要接入的設(shè)備一般會(huì)包括電能表、各類傳感設(shè)備。電能表和傳感設(shè)備行業(yè)中使用最多的是DL/T 645-2007 協(xié)議,按照容易接入節(jié)省開發(fā)難度的原則規(guī)約設(shè)計(jì)按照DL/T 645-2007 協(xié)議[10]格式進(jìn)行擴(kuò)展,串口通信格式為:1 位起始位,8 位數(shù)據(jù)位,偶校驗(yàn),1 位停止位。通信速率:9600bps。字節(jié)順序:低字節(jié)在前,高字節(jié)在后。
表1:電壓采樣試驗(yàn)結(jié)果(單位:V)
表2:溫度采樣試驗(yàn)結(jié)果(單位:℃)
系統(tǒng)提供過溫、停電、上電指示,及狀態(tài)讀取。過溫、停上電閥值可通過485 進(jìn)行設(shè)置。MCU 通過I/O 控制LED 不同狀態(tài)達(dá)到指示目的。
首先測(cè)試電壓測(cè)量誤差,采用3P 空氣開關(guān)模擬現(xiàn)場(chǎng)開關(guān),開關(guān)后接交流火線,經(jīng)過負(fù)載到零相。裝置捆綁在開關(guān)后火線的絕緣層上,并通過RS-485 連接端設(shè)備[6]。通過調(diào)整經(jīng)過開關(guān)的電壓,測(cè)量不同電壓值情況下測(cè)量的實(shí)際值。測(cè)量分四個(gè)環(huán)境:常溫、高溫、低溫以及常溫情況下浸水后的情況。然后測(cè)試溫度測(cè)量誤差,只需要將裝置放置到需要測(cè)試的環(huán)境中,靜置10-15 分鐘左右,然后通過端設(shè)備讀取裝置測(cè)量的溫度值。溫度測(cè)量分為三個(gè)環(huán)境:常溫、高溫和低溫環(huán)境。
樣品電壓測(cè)量不同環(huán)境的試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。
樣品溫度測(cè)量不同環(huán)境的試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
電壓采樣在正常環(huán)境和高低溫環(huán)境的測(cè)試結(jié)果都在±5%以內(nèi),達(dá)到預(yù)期效果;在浸水后采樣電壓的值會(huì)比實(shí)際的值普遍高20%以上,本設(shè)計(jì)主要是通過采樣電壓的值判斷線路的停上電狀態(tài),要判斷準(zhǔn)確需要測(cè)量值準(zhǔn)確,同時(shí)因?yàn)檠b置使用環(huán)境的影響,判斷的條件也非常重要。配變臺(tái)區(qū)設(shè)備正常工作電壓范圍為AC220V±20%,所設(shè)置的閥值必須包含這個(gè)范圍,并且能避開浸水條件的影響,所以判斷停電的條件為電壓<132V,判斷上電的條件為電壓>176V。溫度采樣在各種環(huán)境中測(cè)試結(jié)果滿足±10%以內(nèi),達(dá)到預(yù)期效果。
本文闡述了低壓線路電壓和溫度監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)、硬件以及軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。并對(duì)非接觸電壓采樣的原理以及影響測(cè)量的變化因素,并提出了系統(tǒng)的解決辦法,滿足實(shí)際使用和推廣的效果。該裝置小巧、可免停電安裝,是配電物聯(lián)網(wǎng)智能臺(tái)區(qū)建設(shè)的重要配套支撐產(chǎn)品,適用于配變臺(tái)區(qū)總出線、分支出線、電能表后開關(guān)出線等各層級(jí)[5,6,11]。