基于超聲波傳感器和STM32的局部放電監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范冠鵬，李永軍，王亞杰，王俊豪，魏樹聲

(河南繼元智能科技股份有限公司，河南許昌 461500)

0 引言

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化程度越來越高，對開關(guān)設(shè)備的要求越來越高。為了保證開關(guān)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，減少安全事故的發(fā)生，需要對開關(guān)設(shè)備的不同性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其中局部放電監(jiān)測是極其重要的一部分[1-2]。

因?yàn)樵陂_關(guān)設(shè)備內(nèi)部，若一直伴隨有局放現(xiàn)象，將降低設(shè)備的使用周期，在嚴(yán)重情況下，一旦設(shè)備絕緣件破壞，易發(fā)生短路故障，進(jìn)而引發(fā)燃弧爆炸等事故[3-5]。因此，需要對開關(guān)設(shè)備內(nèi)部易放電部位進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握其運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)放電異?，F(xiàn)象，便于及時(shí)維護(hù)，減少事故的發(fā)生。

目前開關(guān)設(shè)備對局部放電的監(jiān)測種類主要有通過高頻、脈沖電流、射頻以及超聲波等檢測方法，其中，超聲波監(jiān)測法是利用開關(guān)設(shè)備內(nèi)部元器件局部放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，不受開關(guān)設(shè)備本體運(yùn)營的影響，其更適用于對局放的實(shí)時(shí)監(jiān)測[6-9]。本文利用超聲波監(jiān)測法的抗干擾強(qiáng)等優(yōu)勢，同時(shí)結(jié)合STM32單片機(jī)高性能、低功耗、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特性，針對開關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)了一種質(zhì)量可靠、操作方便的局部放電實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測到開關(guān)設(shè)備內(nèi)部易放電部位的局放值，并配備報(bào)警、存儲(chǔ)、通訊、顯示等功能，方便用戶操作，安全可靠。

1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

為了有效監(jiān)測開關(guān)設(shè)備內(nèi)的局部放電現(xiàn)象，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波傳感器和STM32處理器的局部放電監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用抗干擾強(qiáng)的超聲波傳感器以及性能強(qiáng)的處理器，使整套系統(tǒng)的安全可靠性得到充分保障。監(jiān)控系統(tǒng)從總體結(jié)構(gòu)上分為傳感器層、數(shù)據(jù)處理層及后臺(tái)監(jiān)控層，系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

(1)傳感器層：該層的關(guān)鍵設(shè)備是超聲波傳感器。把傳感器布置在開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的套管等需要監(jiān)測的元器件附近，一旦元器件發(fā)生放電現(xiàn)象，傳感器將會(huì)實(shí)時(shí)采集到相應(yīng)的超聲波信號(hào)，然后經(jīng)過傳感器上的無線傳輸模塊把處理后的信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)處理層上的信號(hào)接收器。

(2)數(shù)據(jù)處理層：該結(jié)構(gòu)層主要分?jǐn)?shù)據(jù)接收、處理、通訊等模塊，該層的核心即為STM32處理器。信號(hào)接收器負(fù)責(zé)接收傳感器發(fā)送的信號(hào)，并同時(shí)傳送給信號(hào)處理模塊，然后處理模塊對接收的信息進(jìn)行相應(yīng)處理轉(zhuǎn)換，最終通過RS485通訊把相應(yīng)的局放值發(fā)送給后臺(tái)監(jiān)控層。

(3)后臺(tái)監(jiān)控層：該結(jié)構(gòu)層主要包括串口服務(wù)器、以及后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備等。處理后的局放值經(jīng)過串口服務(wù)器到達(dá)后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備，在監(jiān)控后臺(tái)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)。同時(shí)通過監(jiān)控終端可以設(shè)定局放報(bào)警值，具有報(bào)警事件記錄查詢、報(bào)警時(shí)遠(yuǎn)程控制、輸出打印等功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2 傳感器層設(shè)計(jì)

超聲波傳感器通過快速采集開關(guān)設(shè)備內(nèi)元器件放電時(shí)所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，然后使超聲波信號(hào)通過聲電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后通過無線傳輸模塊輸送給數(shù)據(jù)處理層的信號(hào)接收器。

該傳感器內(nèi)部主要由聲-電轉(zhuǎn)換傳感器、信號(hào)帶通濾波器、前置信號(hào)放大器、微處理單元、無線傳輸單元等組成，其硬件架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感器硬件架構(gòu)圖

2.1 信號(hào)濾波電路

該濾波電路采用帶通濾波方式對超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，其中在電路內(nèi)部設(shè)計(jì)有2塊SF356運(yùn)算放大模塊，通過兩級(jí)處理以達(dá)到濾除低頻和高頻信號(hào)的目的，電路圖如圖3所示。

圖3 濾波電路圖

2.2 前置信號(hào)放大電路

采用AD603壓控放大器對濾波后原始信號(hào)進(jìn)行放大處理，AD603具有精確度高、噪聲小等特性，通過將多個(gè)AD603串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)對信號(hào)更好的處理和控制，其中信號(hào)放大電路如圖4所示。

圖4 前置放大電路圖

2.3 微處理模塊與無線傳輸模塊

通過微處理單元FPGA對放大后的信號(hào)做進(jìn)一步處理，其中FPGA由計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行控制，然后與基于NRF24L01芯片所設(shè)計(jì)的無線傳輸模塊相連，把處理后的信號(hào)實(shí)時(shí)傳送給外圍的信號(hào)接收器，為后臺(tái)監(jiān)控提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì)

該局部放電監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理層主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)據(jù)處理、傳輸及控制功能，包括電源、STM32處理器、數(shù)據(jù)采集處理、RS485通訊、控制等單元，其硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖5所示。

圖5 硬件結(jié)構(gòu)框架

3.1 STM32處理器介紹

STM32F103ZET6作為本局部放電監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，配備有高性能ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，相對于8/16位的處理器，代碼效率更高，功耗更低，集成度極高。該處理器內(nèi)置高達(dá)512 KB的嵌入式Flash和64 KB的嵌入式SRAM，讀寫速度快，方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)果和程序。同時(shí)，具備3個(gè)16通道A/D轉(zhuǎn)換器，及13個(gè)通信接口，極大地滿足了該監(jiān)控系統(tǒng)的需求。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

該模塊接口用來接收傳感器層NRF24L01無線模塊所發(fā)送的信號(hào)，然后通過濾波電路和STM32內(nèi)置的ADC模塊，對該信息進(jìn)行處理及信息轉(zhuǎn)換。其中ADC模塊電路如圖6所示。

圖6 ADC模塊電路圖

3.3 RS485通訊模塊設(shè)計(jì)

為便于用戶實(shí)時(shí)觀測開關(guān)設(shè)備局部放電情況，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享，系統(tǒng)需將處理后的局放數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控后臺(tái)。本系統(tǒng)通過RS485通信電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效快速傳輸，SP3485作為收發(fā)器，最大傳輸速度可達(dá)10 Mbit/s，支持多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且有輸出短路保護(hù)，其中通訊電路如圖7所示。

圖7 通訊模塊電路圖

4 后臺(tái)監(jiān)控層設(shè)計(jì)

后臺(tái)監(jiān)控層所用到的串口服務(wù)器、監(jiān)控終端等硬件設(shè)備安裝在變電站控制室中，同時(shí)通過EpSynall電力綜合自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該自動(dòng)化軟件提供有可編程的電力自動(dòng)化人機(jī)交互界面(HMI)組件，具備開放的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和分布式網(wǎng)絡(luò)化體系結(jié)構(gòu)，以及獨(dú)有的大規(guī)?？焖偾蠼馑惴ǎ瑥?qiáng)大的Script命令語言、運(yùn)算和功能函數(shù)等，具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性，適用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和電力系統(tǒng)分層管理，在EpSynall平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信息顯示、存儲(chǔ)、危險(xiǎn)報(bào)警、監(jiān)視控制及打印等功能。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

5.1 測試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性能，通過對4臺(tái)開關(guān)柜進(jìn)行測試，把傳感器安裝在不同開關(guān)設(shè)備的不同部位，使本系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果與采用局放檢測儀檢測到的結(jié)果進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，圖8為采用本監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)顯示結(jié)果。

表1 局放值檢測結(jié)果對比

圖8 本監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)顯示結(jié)果

由表1可知，把采用局放檢測儀的檢測結(jié)果與采用本監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，針對同一檢測點(diǎn)，兩者檢測結(jié)果比較接近，誤差基本保持在1 pC左右，能夠滿足電力開關(guān)設(shè)備的需求。

5.2 應(yīng)用實(shí)例

本文設(shè)計(jì)的基于超聲波傳感器和STM32的局放監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例如圖9所示。圖9(a)為對開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的觸頭盒監(jiān)測的應(yīng)用實(shí)例，用絕緣扎帶把傳感器固定在觸頭盒附近。圖9(b)為某工程項(xiàng)目的監(jiān)控主系統(tǒng)圖平臺(tái)界面，中間為該項(xiàng)目的一次系統(tǒng)圖，左右兩側(cè)實(shí)時(shí)顯示被檢測點(diǎn)的局放數(shù)據(jù)，信息顯示一目了然，一旦出現(xiàn)異常，方便用戶及時(shí)解決。

(a)開關(guān)設(shè)備安裝應(yīng)用

(b)某工程監(jiān)控主系統(tǒng)圖

6 結(jié)論

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)設(shè)備的絕緣性能，本文充分利用超聲波傳感器和STM32處理器的優(yōu)越性能，設(shè)計(jì)一種針對開關(guān)設(shè)備局部放電現(xiàn)象的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)。本監(jiān)控系統(tǒng)功能完善，同時(shí)設(shè)計(jì)有較人性化的監(jiān)控后臺(tái)，方便用戶操作，通過對不同的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢測，并與局放檢測儀檢測結(jié)果進(jìn)行對比，可發(fā)現(xiàn)本監(jiān)控系統(tǒng)具有高精度、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。