基于DSP2812的绝缘子泄漏电流测控系统的研究

杨敏军，彭松仁

（1.湖北华电襄阳发电有限公司，湖北 襄阳441141；2.国电湖南宝庆煤电有限公司，湖南 宝庆422000）

1 引言

绝缘子在电力系统中主要起支撑导线和防止电流回地的作用［1］。随着我国工农业生产的发展，环境污染问题日益严重。而因环境污染导致的绝缘子污闪事故也越来越频繁地发生，这对电力系统的安全运行造成了严重威胁。目前能有效、方便、经济、实用监测绝缘子污秽状况的方法是实时监测它的泄漏电流［2］，进而判断绝缘子受污染的程度和当前的运行状况。为了实时监测、判断绝缘子泄漏电流是否已达到濒临污闪事故的程度，及时给电力部门制定检修计划提供参考，把事故消灭在萌芽状态，减少由事故带来的经济损失，设计一种能长期且有效地监测绝缘子泄漏电流测控系统并能自主分析其泄漏电流状况的装置显得尤为必要。

目前，市场上已有的装置主要功能只是起采集数据［3］的作用，需要上位机配合分析，没有真正实现全自动监测、分析、预警等一站式服务的目标。本文设计了一套绝缘子泄漏电流在线测控系统，通过无线通讯设施，利用特有的上位机界面远程控制安装在输电线路绝缘子周围的采集器分机，实时记录表征绝缘子运行状态特征量的泄漏电流，及时监测并判断绝缘子污闪状况，减少了相关人员的工作量，有效地提高了输电线路的运行安全，适应了当前形势发展要求和现有高压运行设备的需求。

2 绝缘子泄漏电流监测原理

图1 绝缘子泄漏电流监测系统设计图

绝缘子的泄漏电流是指其在污秽且受潮的情况下，运行中测得的绝缘子表面的电流，它受运行电压、气候、污秽三要素综合作用的影响而变化［4］。当运行电压不变时，泄漏电流随污秽程度和环境湿度的增大而变大；反之，当后者不变的情况下，泄漏电流会随施加电压的升高而增加。因此，在监测绝缘子状态中应选超过某一幅值的泄漏电流的脉冲计数和泄漏电流的有效值作为特征量，把运行电压等级和当前气候条件作为参考量［5］。从泄漏电流传感器来的模拟量经过前期处理后，通过DSP处理器的A/D模块，然后进行滤波并求有效值，再参照当前的气候环境信息做出是否报警的判断，最后通过无线通讯模块GSM/GPRS传输至后台监控中心进行处理。后台计算机专家系统据此判断目前绝缘子的污秽状态。分机的工作环境一般为高压、强磁场等恶劣环境，故该监测系统要具有高可靠性和稳定性，而且为了维护方便，系统也要具有低功耗特性，能满足在无须人工干预的情况下能长期在恶劣环境下工作的功能。如上图1所示，泄漏电流监测系统的分机采集器主要模块有：电源模块、信号采集转换调理电路模块、DSP数字信号处理电路、外围存储、时钟、通讯电路模块。

3 硬件平台搭建

由于本系统采集对象为微弱信号，且要求核心处理器的速度能达到系统的要求［6］，能实现目前较为先进的滤波算法，故在对芯片选型时主要考虑接口丰富、稳定性好，能满足系统功能的同时，还必须注意功耗低等特点。目前市场上主要有单片机（MCU）、DSP、ARM等嵌入式芯片，其中DSP芯片具有集成度高、性能优良、体积小、实时性好、外设丰富、高可靠性等优点。本文综合考虑到系统性能指标、功能特点、市场价格等因素，选用了德州仪器（TI）公司生产的TMS320C2000系列芯片TMS320F2812。该芯片是一款32位定点DSP芯片，它不但运行速度快，处理功能强大，并具有丰富的片内、外围设备，便于接口和模块化设计，性价比很高。该测控系统的外围电路按照功能不同分为以下几个模块。

3.1 电源模块

电源电路作为系统动力部分，其稳定性极其重要。综合考虑系统的整体需求和节能环保要求，系统采取太阳能和蓄电池相结合供电，互为备用。在蓄电池电压下降到太阳能电池板输出电压时，太阳能会对蓄电池进行浮充电，另外当蓄电池电压高于某一值时，可通过控制继电器停止对蓄电池进行充电。蓄电池电压为6V。电源转换电路为DC/DC，电源电路不仅要满足各个功能模块的电压标准，还需要有足够的功率容量。TMS320F2812的I/O 电压为3.3V，内核工作电平为1.8V,本文选用了TI公司的TPS767D301芯片，能同时满足两种规格电源的输出，且输入电源为5V,其优点是功率大,驱动负载能力强。

3.2 外部时钟电路模块

系统除了给内核芯片提供时钟的晶振电路外，还为系统提供作为一种工作、休眠的外部实时时钟的参考电路。采用实时时钟芯片DS3231SN提供的时间基准。该芯片外部接线简单，体积小，采用I2C总线与CPU进行通信，能提供精准的时间，在主电源掉电的情况下，能够通过电池供电保证时钟数据不丢失。时钟具有AM/PM格式且一个月小于31天可以自动调整，具有闰年补偿功能。该模块功耗低，软件编程简单，可通过独立的地址访问和设置时间寄存器，即用BCD码表示年、月、日、星期、时、分秒。该模块具有两路报警设置，能给外部提供时钟，也可作为系统的外部中断源，能定时唤醒DSP，为监测系统的节能、低功耗提供了保证。

3.3 存储电路模块

由于TMS320F2812的片内存储器的容量有限，所以需选用片外存储器（RAM）IS61LV51216来扩展其容量，该芯片存储容量大小为512K×16位,有16位数据线和19位地址线，映射到TMS320F2812的ZONE6存储空间上，大小为0.5MB，地址范围为0x10 0000-0x17 FFFF,供电电源为3.3V，当DSP运行在150MHz时，地址和数据最小有效时间为3个时钟周期（20ns）,具有不需考虑时序设计的问题。另外为了存储大量数据,扩展了一块512K×16位的FLASH芯片SST39VF160映射到ZONE2的存储空间上。为了大量存储泄漏电流数字信号，本文还配置了通过I2C总线访问的铁电存储器FM24CL64，其容量可达8G，操作简便，存储稳定，不易丢失，保障了在DSP芯片内部发生故障时，能有效保存历史数据。

3.4 数据通信模块

TMS320F2812芯片内部自带两个SCI模块，通过RS-232、RS-485串行数据总线模式可以与无线通讯设备进行数据通讯，无线通讯模块再传给上位机，这样就能在PC机上利用MATLAB和VC等工具对下位机发来的数据进行后台分析。考虑到整个系统以后进行功能扩展，一个SCI模块可用于调试（RS-232接口），另一个（RS-485接口）可用作系统通讯总线，能够在相应的通讯协议下满足系统需要。RS-232的驱动芯片选用MAX3221EEAE,RS-485驱动芯片选用MAX3471EUA。无线通信模块采用杭州飞拓公司生产的UTC-1212SE数传模块，该模块不仅功耗低，且传输距离满足系统设计要求。

3.5 气象传感器模块

绝缘子泄漏电流与它所处环境下的气象条件有密切联系，即温、湿度以及风速等因素对其泄漏电流有较大的影响，本文选用瑞士SENSIRION公司生产的SHT21作为温湿度传感器，其集成度高、精度高、功耗低、稳定性好且不受光线影响。相对湿度精度±2% RH，温度误差±0.3%℃，采用贴片封装DFN形式，大大缩小了电路板的体积。

3.6 泄漏电流传感器模块

由于现场绝缘子泄漏电流信号十分微弱，其幅值和相位经常变化，特别是在绝缘子清洁干燥、性能良好时，其信号更微弱。如何实现把从传感器获得的模拟信号通过一定的倍数放大进行调整，并且能自动根据信号幅值调整放大倍数使其信号幅值在中心转换输入的允许范围内尽可能最大。本文通过单片机的软件程序来实现放大倍数的自动变换，能有效减小误差。调理电路主要由分压器、同相比例放大器、电压跟随器三部分组成。放大器一般选用集成运放，是因为其与电压跟随器相配合能够实现高精度，且其输入电阻大，输出电阻小，能够真实地将输入信号传给负载。另外，由于TMS320F2812的A/D模块输入信号为电压信号，所以必须把电流信号转换成电压信号，其原理图如图2所示，其中LM358AD是TI公司生产的一款性能良好的放大器，W1、W2为调零电阻。

图2 泄漏电流接入图

4 系统软件实现

系统软件包括下位机软件与上位机软件。下位机软件的主要功能为对绝缘子特征量的采集、处理和传输，并能接受远程控制中心传输的指令并实现相应的处理与应答。上位机软件的主要功能为对各个分机实现系统参数修改、设置分机编号、读取温湿度信息、读取当前泄漏电流信息、读取历史数据信息、图形显示、数据保存等功能。

下位机软件是在TI公司针对DSP芯片提供的集C语言与汇编语言于一体的编译软件、汇编软件、连接软件的集成开发环境CCS（Code Compose Studio）软件下编写的。为了有利于用户软件的设计、修改和维护，本文采用模块化、结构化的软件设计思想，主要由初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、存储模块、外部时钟模块、通讯模块、低功耗模块组成。其中初始化主要包括初始化系统控制寄存器、锁相环（PLL）、看门狗和系统内部时钟，配置通用I/O（GPIO）的方向与初值，清除所有CPU中断，初始化中断向量PIE控制寄存器以及中断向量表，初始化事件管理器EVA、ADC模块、SCI模块，使能EVA中断向量、ADC中断向量、串口中断向量，对串口接收数组变量及ADC采样数组变量赋初值，并向上位机发送“系统开机”数据信息。数据采集模块主要利用事件管理器EVA的通用定时器来管理ADC采样模块。数据存储模块、外部时钟模块以及温湿度传感器模块都采用了软件模拟I2C总线来进行通讯。串行通讯模块SCI采用中断方式接收上位机命令，然后根据设计好的通信协议执行相应的命令，再查询相应寄存器标志，做出是否向上位机发送反馈信息。下位机主流程图如图3所示。

图3 下位机主流程图

上位机软件是在Microsoft Visual Basic 6.0环境下编程实现的，即通过设置一个特定的通讯协议，利用VB6.0中主要的控件如串口通讯控件MSComm、定时器控件Timer、进度条控件Progress等来实现。

5 系统测试

上位机监控界面如图4所示，系统实验环境主要为室内，利用数字信号发生器模拟泄漏电流，监测结果反映在上位机PC机上（如图5所示）。

图4 上位机监控界面

图5 系统测试结果

从图5（a）的示波图中可观察到由I/V转换后的模拟电压幅值U1=584mV，图5（b）中AD转换显示结果幅值为3840，由ADC转换公式可得U1=586.0mV，误差只有2mV。从图5（c）的示波图中可观察到由I/V转换后的模拟电压幅值U2=20mV，图5（d）中AD转换显示结果幅值为128，由ADC转换公式可得U2=19.5mV，误差只有0.5mV。由此可知本监测系统能准确地转换和还原监测到的模拟信号。

6 结束语

本文设计制作了一种基于DSP芯片TMS320F2812的绝缘子泄漏电流监测系统［7］。长期运行结果表明，该系统具有功耗低、性价比高、数据采集速度快等优点，能够根据监测数据反应绝缘子污秽状况，为实现绝缘子从计划检修过渡到状态检修提供了保障，对电力系统的安全有效运行也具有十分重要的意义。

［1］张仁豫.绝缘污秽放电［M］.北京：水利电力出版社，1994.

［2］王 雪，张冠军，严 璋.国内高压绝缘子在线监测方法综述［J］.电瓷避雷器，2002，190（6）：3－5.

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［4］张 威，赵新德.污秽绝缘子泄漏电流与湿度及盐密关系综述［J］.云南电力技术，2010，38（1）：55－56 .

［5］赵新德.人工污秽绝缘子泄漏电流、湿度、盐密关系及对比研究［D］.长沙理工大学硕士论文集.长沙：长沙理工大学，2008.15－17.

［6］陈耀高，邓 敏，林力辉.高压绝缘子在线监测系统简析［J］.电网技术，2001，25（11）：83－85.

［7］赵汉表，林 辉，廖生蓝等.小波变换在绝缘子泄漏电流检测中的应用［J］.高电压技术，2005，31（4）：34－36.