基于单片机的交流窜入直流监测仪的设计

王殿明

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)



基于单片机的交流窜入直流监测仪的设计

王殿明

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

针对变电站直流母线有交流电源窜入的问题，提出了利用单片机作为核心控制芯片开发交流窜入直流的监测仪设计。所设计设备对直流母线进行在线监测，能够实时显示母线电压和窜入交流的有效值，从而提高了直流系统的可靠性，具有操作简单、测量准确、稳定性好的优点。

直流母线；交流窜入直流；单片机

变电站的直流系统遍布站内各个场所，保证着电力系统的安全可靠运行。根据变电站直流母线电源的作用不同，可以分为控制母线和合闸母线两种。控制母线主要带操作回路、信号回路、保护装置等负荷，电压为直流220～230 V；合闸母线主要是带开关的合闸回路，电压为直流240～245 V。

通过以上分析可知，控制母线与合闸母线的电压稳定是变电站安全运行的前提，同时也是电网安全运行最重要的一个环节。影响母线安全运行的因素很多，其中交流电压源窜入直流母线是不安全因素之一。国家电网公司制定的《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第五项明确提出，在原有直流绝缘监测装置的基础上，要求增加交流窜入直流故障的测记和报警功能。

1 监测系统总体设计

变电站直流母线与交流电源为隔离电源，当有交流信号窜入时，需要检测母线端对大地的交流有效值。图1是交流监测设备电气连接图，M+、M-表示母线正、负两端，电阻R1为平衡电桥,R2为交流电源内阻。其中，AC1、AC2同一时间可能只有一个窜入直流系统。电源监测仪的检测信号端分别与大地、母线正负相连，对输入端定时采样，从而判断母线正或负端是否有交流窜入。

图1 交流窜直流监测连接图

在图1中，如果当M+端窜入交流信号时，则交流电压计算值UAN为：

(1)

通过(1)式可知，若电源内阻窜接电阻越小，直流通路反映出的接地故障越明显，交流通路对地交流电压越大。

该设备采用STC12C5A60S2单片机作为运算单元，通过AD端口定时读取母线交流电压信号，当检测到交流电压时，监测仪立即报警同时将检测信息上传至监控中心。

采集的数据包括控制母线电压、合闸母线电压和交流窜入直流的有效值。检测仪功能有交流窜入有效值的本地显示和历史数据的存储以及上传。

图2 监测仪总体设计方案

2 硬件电路设计

直流母线电压范围为200～250 V，为了增强监测设备的抗干扰能力以及安全性，对监测仪与母线直接连接的电路部分进行了电气隔离。

1)交流窜入直流信号的检测

图3是检测交流窜入的硬件电路。U1～U4为光耦，实现直流母线与其他电路的隔离。控制端A、B、C、D，为4路母线电压的切换电路，分别与KM+、KM-、HM+、HM-相对应。单片机IO端其中任意位置为0时，则采集对应通道的直流母线信号，如当CPU-A置0时，U1导通，KM+所在电路导通，电压互感器输出端为KM+感应出的电压值。

图3 交流电压检测电路

图4为交流信号有效值测量电路，芯片型号为AD736。AD637是AD公司生产的真有效值-直流转换芯片，它的功能是把外部输入的交流信号有效值变成直流信号输出，计算各种复杂波形的真有效值。对于1 Vrms的信号，它的3 dB带宽为8 MHz,并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，当输入电压为100 mV 时，带宽标称值为600 kHz；输入电压为2 V时，带宽标称值为8 MHz。另外，AD637通过片选(CS)管脚作用，可以使静态电流从2.2 mA降至350 μA。

电压互感器PT输出端经电容连接AD736，单片机采集AD736的输出端电压，经过线性比例放大后，显示实际的交流信号有效值，实现数据存储和上传。

图4 真有效值电路

2)报警电路

当电路产生故障时，即图4中U3输出不为0时，单片机会将某一输出引脚置0，则继电器线圈通电，实现蜂鸣器报警。U6为驱动电路，因为单片机输出引脚输出电流较小，驱动负载能力有限，因此利用光耦的开关作用实现继电器线圈的导通或者断开，实际电路图如图5所示。

图5 报警电路

3)直流母线电压采集电路

变电站直流母线电压是指控制母线、合闸母线的测量。由于母线电压在200 V以上，为了保证检测仪抗干扰能力和人员的安全，直流母线要与电路板进行隔离。隔离电路的设计，应保证隔离电路输出电压在单片机引脚工作电压0～5 V之间，且与母线电压成线性关系，如图6所示。图6中，R5为限流电阻，保证光耦电流在额定值范围内；R6、R7构成分压电阻，使U3工作在线性区；U4为反馈电路，保证电路受到干扰时，输出电压不变。

图6 直流母线电压采集电路

3 程序设计

C语言具有编程简单，可读性强等特点，非常适合单片机开发，因此采用C语言进行程序设计。装置的软件部分主要由主程序、定时采样程序、按键和显示屏程序组成。图7为主程序流程图。

图7 程序执行流程

3.1 定时采样程序

采样程序主要是利用单片机定时读取窜入交流电的真有效值和直流母线电压值，并将相关数据存储到单片机数据存储器中。变电站电磁环境复杂，采集电路容易受到外界干扰，采集的数据将会产生误差，因此对于采集的数据要进行处理。基本的数据处理方法是采用平均值处理方法，即对输入信号进行多次采样后取平均值。

3.2 显示界面的设计

界面显示部分主要包括工作界面和设置界面两部份。工作界面主要包括系统状态、各路母线电压和各路母线窜入交流信号的有效值。

设置界面可以调节的内容包括报警电压设定、日期设定、密码修改、故障记录和记录清除，如图8所示。每项参数的修改或设置都可以利用按键进行，设置好每项参数后，按返回键返回到工作界面。

图8 系统设置界面

4 结 语

所设计系统软硬件设计合理，监测值准确，当出现故障时能够立即报警，且能够通过通讯接口将相关数据上传到调度中心，设备功能完全满足国家电网技术要求。因此，该设备解决了目前变电站交流窜直流实时在线监测的问题，推广应用前景广阔。

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(责任编辑 佟金锴 校对 张 凯)

Design on the Monitoring Equipment of AC Intrusion into DC Based on Single-chip Microcomputer

WANG Dian-ming

(School of Renewable Energy,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

According to the problem of AC intrusion into DC system in substation,this paper puts forward the monitoring equipment design of AC intrusion into DC system,which using single-chip microcomputer as the core chip.The apparatus for online monitoring of DC bus can display the value of DC bus and the effective value of AC intrusion into DC system，so improves the reliability of DC system.The product has the advantages of easy operation,accurate measurement and good stability.

DC bus; AC intrusion into DC system; single-chip microcomputer

2015-03-18

王殿明(1983-),男，辽宁辽阳人，讲师，硕士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.017

TH86

B

1673-1603(2015)03-0266-04