電壓互感器低壓回路接地電流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)

孟 星，夏海飛，陳生學(xué)

（1.昭通學(xué)院物理與信息工程學(xué)院，云南昭通 657000；2.昭通供電局，云南昭通 657000）

變電站電壓互感器二次回路發(fā)生多點(diǎn)接地，易造成距離保護(hù)、零序保護(hù)拒動(dòng)、誤動(dòng)現(xiàn)象，甚至引起高低壓繞組間絕緣擊穿造成設(shè)備故障和人身事故。常規(guī)測(cè)試方案為定期測(cè)量其接地線上通過的電流，當(dāng)電流超過某數(shù)值時(shí)人為判定為異常狀態(tài)。但現(xiàn)有方法不能滿足電網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求；開口型鉗形表測(cè)量微小電流時(shí)有極大漂移；因測(cè)量原理的限制，不同型號(hào)表計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)之間誤差大；周期性對(duì)該數(shù)值進(jìn)行人工測(cè)試記錄，增加人力成本。迫切需要能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、集成度高、價(jià)格低的在線系統(tǒng)。電壓互感器低壓回路接地電流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)主要針對(duì)電網(wǎng)中存在的這一類問題進(jìn)行研究。

1 總體設(shè)計(jì)方案

電壓互感器低壓回路接地電流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)主要由Arduino 主控板、電流檢測(cè)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、閾值設(shè)定模塊和電源模塊組成，如圖1 所示。Arduino 主控板負(fù)責(zé)對(duì)電流檢測(cè)模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示實(shí)際電流值和設(shè)定的電流閾值，當(dāng)檢測(cè)到的電流值高于閾值時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，一方面，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員通過聲光快速定位，另一方面，繼電器動(dòng)作后輸出無源接點(diǎn)信號(hào)至站內(nèi)測(cè)控裝置用于后臺(tái)系統(tǒng)告警。同時(shí)增加電流閾值調(diào)整按鈕，使設(shè)備參數(shù)可整定，針對(duì)小感應(yīng)面積變電站變更設(shè)備參數(shù)即可準(zhǔn)確測(cè)量。

圖1 總體方案圖

2 硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 電流檢測(cè)模塊

通過檢查電壓互感器二次回路N600 只有一點(diǎn)接地的方法發(fā)現(xiàn)，若電流發(fā)生變化，則二次回路發(fā)生多點(diǎn)接地，若電流不發(fā)生變化，則只有一點(diǎn)接地[1-2]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出一般電流大于50 mA 時(shí)提示多點(diǎn)接地，因此在實(shí)際工作中，通過實(shí)時(shí)測(cè)量電流值與50 mA 閾值相比較，當(dāng)大于閾值時(shí)提示多點(diǎn)接地。故在選擇電流傳感器時(shí)需考慮能夠準(zhǔn)確測(cè)量50 mA的交流電。

最基本的電流測(cè)量方法是基于歐姆定理選取電阻串在電路中進(jìn)行電流測(cè)量，測(cè)量小電流時(shí)響應(yīng)速度快，但需與被測(cè)電路產(chǎn)生直接的硬件連接，若產(chǎn)生故障，將導(dǎo)致電壓互感器二次回路失去保護(hù)接地點(diǎn)?；魻杺鞲衅?、電流互感器和羅氏線圈無需與被測(cè)電路直接接觸，能夠避免系統(tǒng)受到強(qiáng)信號(hào)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性[3-4]?？紤]到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和安全性問題，主要選擇與被測(cè)回路無直接接觸的測(cè)量方式，根據(jù)測(cè)量信號(hào)為交流小信號(hào)，選擇閉環(huán)電流互感器。在通信方面，RS485 采用差分信號(hào)傳輸，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，支持遠(yuǎn)距離傳輸[5]，接口信號(hào)電平比RS232 低，不易損壞接口電路芯片，而且與TTL 電平兼容[6-7]，綜合考慮，選擇交流漏電流傳感器JLA-4，量程范圍為0～500 mA，RS485 輸出。如圖2 所示，將要測(cè)量的線路以穿孔方式接入傳感器，傳感器將測(cè)量信號(hào)直接通過RS485 半雙工通信輸出。

圖2 電流檢測(cè)模塊圖

通信模塊選用具有自動(dòng)選向控制功能的485 芯片MAX13487[8]，其連接如圖3 所示，該模塊用于傳送傳感器數(shù)據(jù)。為了使電源接近理想電壓源，在電源和地之間并聯(lián)0.1 μF 無極性電容和10 μF 電解電容，使其為低阻抗；2、3 管腳接電源，使芯片工作在正常工作模式下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定向電路控制；6、7 管腳間為了防止信號(hào)反射，接120 Ω 電阻；為了保護(hù)元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞，分別在6、7 管腳與地間接雙向瞬態(tài)抑制二極管[9]。MAX13487 的6、7 引腳分別與交流漏電流傳感器JLA-4 的輸出2、3 接口相連接，1、4 引腳分別與Arduino 主控板中的11、10 管腳相連接，通過Arduino 主控板的軟串口功能實(shí)現(xiàn)主控板與電流傳感器的通信。

圖3 通信模塊原理圖

2.2 閾值設(shè)定模塊

閾值設(shè)定模塊選用兩個(gè)獨(dú)立按鍵[10]，將其接到Arduino 主控板的2、3 管腳，分別表示閾值加和閾值減，當(dāng)鍵按下，即進(jìn)入外部中斷[11]。由于機(jī)械彈性的作用，觸點(diǎn)式按鍵存在抖動(dòng)現(xiàn)象，若在抖動(dòng)期間檢測(cè)其通斷，會(huì)被誤認(rèn)為多次操作，導(dǎo)致判斷出錯(cuò)，故采用硬軟件方式消抖。硬件方面選用0.1 μF 電容“濾波”消抖，軟件方面采用延時(shí)和多次判斷消抖[12]。

2.3 顯示模塊和報(bào)警模塊

顯示模塊選用OLED 顯示屏SSD1306。SSD1306采用方形的發(fā)光點(diǎn)陣列組成，分辨率為128×64?？捎糜陲@示英文、數(shù)字和漢字。其中嵌入了對(duì)比度控制器、顯示RAM 和晶振，減少了外部器件，具有自發(fā)光、重量輕、厚度薄，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約接口、價(jià)格低廉、功耗低等特點(diǎn)[13]。SSD1306 的SDA、SCL 接口分別與Arduino 主控板的A4、A5 管腳相連，實(shí)現(xiàn)Arduino 主控板通過I2C 總線對(duì)SSD1306 的控制。

報(bào)警模塊如圖4 所示。報(bào)警模塊選用有源蜂鳴器[14]，直流電供電，當(dāng)Arduino 主控板讀取到電流傳感器檢測(cè)的實(shí)際電流值高于閾值電流值時(shí)，使管腳8和9 輸出高電平信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出聲響、報(bào)警燈亮、繼電器動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)工作人員能通過聲光快速定位，繼電器動(dòng)作后輸出無源接點(diǎn)信號(hào)至站內(nèi)測(cè)控裝置，用于后臺(tái)系統(tǒng)告警。

圖4 報(bào)警模塊原理圖

2.4 電源模塊

根據(jù)所選用的元器件的特點(diǎn)，需要12 V 和5 V電源，原理圖如圖5 所示。三端穩(wěn)壓器具有輸出穩(wěn)定性好，使用方便，輸出過流、過熱自動(dòng)保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此選用三端穩(wěn)壓器LM7805 實(shí)現(xiàn)5 V 電壓輸出[15]，LM7812 實(shí)現(xiàn)12 V 電壓輸出[16]?？紤]到三端穩(wěn)壓器有2.5 V 左右的“壓損”，所以將220 V 市電通過變壓器降壓到15 V，橋式整流之后輸出脈動(dòng)直流電，并采用3 300 μF 的電解電容器進(jìn)行濾波，輸出21 V 左右的直流電，依次作為兩個(gè)三端穩(wěn)壓器的輸入端電壓。三端穩(wěn)壓器的3 腳均反接一個(gè)二極管用來避免其受到反壓損壞。在輸出端并接一個(gè)信號(hào)燈，用于電源模塊運(yùn)行指示。

圖5 電源模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程

主程序流程圖如圖6 所示。首先，將系統(tǒng)初始化，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行賦值，如原閾值initialcurrent=50（可根據(jù)實(shí)際情況賦值）、閾值設(shè)定值setcurrent=0，將initialcurrent 存入存儲(chǔ)器，設(shè)置中斷服務(wù)，SSD1306 開像素點(diǎn)發(fā)光、清屏、設(shè)置字體，開啟串口通信，Arduino 發(fā)出測(cè)電流命令等；然后，從串口讀取傳感器JLA-4 的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出實(shí)際電流值Current，并與initialcurrent 一起送到SSD1306進(jìn)行顯示；最后，比較實(shí)際電流值Current 與閾值initialcurrent，當(dāng)Current 大于initialcurrent 時(shí)，表示存在多點(diǎn)接地，報(bào)警開出（蜂鳴器響、報(bào)警燈亮、繼電器動(dòng)作）。

圖6 主程序流程圖

3.2 中斷服務(wù)程序

采用Arduino 的外部中斷，流程圖如圖7 所示。當(dāng)add 或minus 鍵按下，即進(jìn)入中斷。在中斷中對(duì)setcurrent 賦值，add 鍵按下，setcurrent 加1；minus 鍵按下，setcurrent 減1。將setcurrent 存入寄存器，最后讀取寄存器值并賦值給initialcurrent，中斷結(jié)束。

圖7 中斷程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

如圖8 所示，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M輸入30～115 mA 電流，閾值設(shè)定電流值為50 mA，當(dāng)實(shí)際測(cè)得電流大于50 mA 時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音、告警燈亮、繼電器動(dòng)作，且閾值可以通過按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足預(yù)設(shè)要求。

圖8 系統(tǒng)調(diào)試圖

5 結(jié)束語

電壓互感器低壓回路接地電流實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓互感器低壓回路的電流值，當(dāng)電流值高于閾值電流，提示存在多點(diǎn)接地問題，告警輸出，解決了常規(guī)測(cè)試方案中不同型號(hào)鉗流表誤差大的問題，并節(jié)省人力成本，而且設(shè)置電流閾值調(diào)整按鈕，使設(shè)備參數(shù)可整定，針對(duì)小感應(yīng)面積變電站變更設(shè)備參數(shù)后亦可準(zhǔn)確測(cè)量其接地電流。所選用器件從低功耗、低成本方面考慮，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看可以滿足要求。但目前搭建的電路比較粗糙，后期將繼續(xù)優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和程序，并進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，以便將該設(shè)備接入變電站二次運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)。