配网带电远程智能检测系统的设计与实现

鲁源，袁峻，陈井锐，周懋坤，周荣

（1.云南电网公司昆明供电局，云南昆明 650200；2.广州安电测控技术有限公司，广东广州 510630）

配网带电远程智能检测系统的设计与实现

鲁源1，袁峻1，陈井锐1，周懋坤1，周荣2

（1.云南电网公司昆明供电局，云南昆明 650200；2.广州安电测控技术有限公司，广东广州 510630）

配网在电力系统中具有重要作用，通常通过带电检测对其运行情况进行监测，以便于日常维护。传统检测系统需要大量的布线，不仅实现过程复杂，而且存在一定的安全隐患，为此，设计并实现了一种配网带电远程智能检测系统。给出系统总体设计，选用具有良好一次电光效应特性的铌酸锂晶体设计了无源集成的光电电压传感单元以及使用该单元的非接触式过电压监测传感器，通过相位合成完成分相检测，实现准确判断、显示全带电或缺相带电状态。利用单片机自动实现电磁闭锁，采用点阵图形式的LCD对检测结果进行显示，通过89C51单片机内集成的串行端口实现远程通信，将配网供电状态反馈至上位机，完成配电网带电的远程检测。软件设计中，给出了系统软件开发平台，详细介绍了信号采集的源代码。实验结果表明，所设计系统检测结果的一致性较好，达到了较高的检测准确度。

配网；带电；远程

随着社会主义市场经济的迅猛发展，电力企业在我国国民经济中占据的地位越来越高，为了更好地达到当前社会对电力的需求，电力企业正朝着创新、进步的方向逐渐发展[1-3]。配网在日趋复杂的电网系统中具有关键作用，在配网工作的过程中存在很多问题，最严峻的问题之一就是配网带电，其造成的后果将非常严重[4-6]。因此，对配网进行带电检测成为亟需解决的关键问题之一，已经成为相关学者研究的重点课题，受到越来越广泛的关注[7]。

目前，有关配网带电检测的研究有很多，相关研究也取得了一定的成果，其中文献[8]提出一种基于超声波法的配网带电检测方法，该方法是一种非侵入式的现场检测方法，超声波法在理论上能够完成对局部放大的准确定位，然而因为当前所生产的超声波传感器灵敏度较低，所以能够进行检测的可行区域较小，不适用实际的大范围的配网带电检测；文献[9]提出一种基于钳形电流传感器和电压隔离线圈的配电网带电检测方法，该方法分析了一种新型的检测配网带电的系统，通过精度很高的钳形电流传感器和电压隔离线圈，对配网带电进行检测，该方法虽然具备一定的抗电磁干扰功能，但在外界环境非常复杂的情况下也会受到一定的干扰，导致检测结果不可靠；文献[10]提出一种基于脉冲电流法的配网带电检测方法，该方法将线性耦合器穿过低压侧地线，利用磁耦合对配网放电在接地线中形成的脉冲电流信号进行检测。但该方法实现过程过于复杂，所需时间较长，不适合实际应用。

设计并实现了一种配电网带电远程智能检测系统。给出系统总体设计，对设计的重点进行了分析。软件设计中，给出了系统软件开发平台，详细介绍了信号采集的源代码。实验结果表明，所设计系统检测结果的一致性较好，达到了较高的检测准确度。

1 配网带电远程智能检测系统总体设计

本节所设计的配网带电远程智能检测系统主要由传感器及单片机系统构成。传感器通常置于配网正下，单片机系统置于方便工作人员观察、操作的位置，可利用电缆将二者连接在一起。以A通道为例，A相传感器输出信号经过压保护、放大后和经整合后的B相、C相传感器所接收到的信号合成在一起，仅对单一A相信号进行输出，经低通滤波、线性检波、电压比较、光电隔离等前置电路待处理后传输至AT89C51单片机进行远程检测。B、C通道原理和A通道原理相同。通过分析A、B、C三相线路的供电状况，AT89C51单片机即可确定是否利用继电器输出强制闭锁信号，同时将检测结果传输至LED模块完成显示或报警，并且，将配网的供电状态利用串行通信传输至远程计算机进行智能监控。系统总体设计框图用图1进行描述。

2 系统关键模块设计

2.1 传感器设计

为了实现高压电网的安全准确测量，采用具有良好一次电光效应特性的铌酸锂晶体设计了无源集成的光电电压传感单元以及使用该单元的非接触式过电压监测传感器。传感器的分压单元由单元自身电容和定值电容并联构成的低压臂电容与高压导线和感应金属板的耦合电容串联构成。光电电压传感单元全光纤连接，只需感应从分压单元引出的较低幅值电压信号，且无需在传感器安装点提供电源。传感器结构和等效电路分别用图2和图3进行描述。

图1 系统总体设计框图Fig.1 The overall design diagram of the system

图2 传感器结构图Fig.2 Sensor structure

图3 传感器等效电路Fig.3 The equivalent circuit of sensors

图3中，C1代表感应电极和配网带电体之间的杂散电容；C2代表感应电极和与之相邻的接地体之间的杂散电容；C3代表信号传输电缆的芯、地之间的电容；Z代表AT89C51单片机的等效输入阻抗。在传感器壳体中，设计了大半圆形的屏蔽层，从而使传感器免于受到外界干扰。

2.2 采用分相检测方法分析配网线路状态

所设计的配网带电远程智能检测系统需要满足三相制使用原则，并通过频率与相位间的微分关系，获取平均间隔的矢量，设置初始相位，输出的信号再通过适当衰减网络频率，降低不同幅度相关的矢量，达到相位合成的目的，实现分相检测，可以在三相配网线路中实现准确判断、显示全带电或缺相带电状态，还不容易受到外界的干扰。以A通道分相检测为例，其电路用图4进行描述。

图4中，YF1主要用于放大信号，和YF2共同组成加法器，输出单一A相信号。通过YF3可完成低通滤波，利用YF4实现线性检波，经YF5完成电压比较。

图4 A通道分相检测电路Fig.4 Split phase detection circuit of Channel A

2.3 闭锁功能的实现

在本配网带电远程智能检测系统中，单片机可自动实现电磁闭锁，实现过程用图5进行描述。

图5 单片机实现电磁闭锁过程Fig.5 The magnetic closure process of single-chip microcomputer

在A、B、C三相配网线路中其中一相带电的情况下，89C51-P3.5发送的高电平信号经光耦后，如果继电器J1线圈通电，则其常开触点闭合；如果继电器J2线圈短路，则其常开触点断开；如果电磁锁线圈S没有电流经过，则发送强制闭锁信号。在三相线路均不带电的情况下，P3.5发送低电平信号，J1失电，J2得电，电磁锁线圈才有电流经过，解除闭锁功能。

分析上述过程可知，电磁闭锁有很大的作用，一方面，在配网不带电的情况下，电磁锁则不通电，能够增长其使用寿命；另一方面，只要配网带电，则单片机系统与闭锁回路会一起出故障，电磁锁闭锁，能够有效避免电气误操作。

2.4 LCD显示模块设计

通常情况下，在常规的配网带电显示闭锁装置中，仅选用LED灯或数码管，工作人员仅可依据设计时的规则对配网的工作状态进行观察。本节采用点阵图形式的LCD，通过其能够显示汉字、图形、表格等。

在所设计的配网带电远程智能检测系统中，选用带背光的GXM-12864液晶模块完成多屏菜单内容的显示。其中，LCD模块和89C51单片机之间的接口选择间接控制的形式。这是因为AT89C51单片机中集成有4 kB的只读存储器，将源代码录入其中，减少了单片机的外围电路。

2.5 远程智能监控模块设计

89C51单片机内集成有串行端口，能够实现远程通信，将配网供电状态反馈至上位机，完成配电网带电的远程检测，达到自动化管理的目的。这里，强调以下2点：

1）为了达到系统对通信距离、通信速度和抗干扰能力的要求，系统远程智能通信选择传输性能稳定的RS-485串行接口。然而由于单片机输入/输出信号为TTL电平，因此，需转换为达到RS-485标准的电平才可完成数据传输，这里选用MAX491芯片完成电平转换。

2）RS-485/RS-232转换模块的设计。远程PC机中通常存在RS-232C串行接口。为了完成信息的远程传输，需设置RS-485/RS-232的转换接口。该模块主要包括RS-485和TTL的转换以及TTL和RS-232的转换。转换电路图用图6进行描述。

图6 转换电路图Fig.6 Conversion circuit diagram

3 系统软件设计

3.1 系统软件开发

系统软件的开发选用和LabVIEW平台开发相应的配网带电远程智能检测系统软件。LabVIEW为美国国家仪器（NI）公司开发的一种程序环境，其优势主要表现在程序的编写模式上和其余计算机语言依据文本编程不同，LabVIEW是直接通过图形编写程序，利用直观的描述形成框图式的程序结构。

按照配网带电远程智能检测系统的需要开发了对应的软件系统，其界面用图7进行描述。该软件系统能够完成带电信号的采集、显示、分析及保存等功能。

图7 系统软件界面图Fig.7 System software interface diagram

3.2 信号采集源代码设计

分析上节可知，所设计的软件系统能够完成带电信号的采集、显示、分析及保存等功能。本节对最基本的信号采集功能的实现源代码进行设计：

4 实验验证结果

为了验证本文设计的配网带电远程智能检测系统的有效性，需要进行相关的实验分析。本实验将某市配网设备作为研究对象，通过本研究系统对其带电情况进行检测，将得到的检测结果和实际结果进行比较，得到的测试结果用表1进行描述。

分析表1可以看出，实验检测结果和实际结果相比，全电压全电流测量误差不到1%，阻性电流有效值波动低于0.005 mA。说明本研究系统检测结果的一致性较好，达到了较高的检测准确度。

表1 测试结果Tab.1 The test results

为了更加直观地验证本系统的有效性，将嵌入式系统作为对比，对配网进行了局部的放电带电检测，得到的结果用图8、图9进行描述。

图8 本文系统检测结果Fig.8 Results of the system test n this paper

图9 嵌入式系统检测结果Fig.9 Detection results of the embedded system

分析图8、图9可以看出，本系统能够有效地检测出局部放电信号，而嵌入式系统并未检测到局部放电信号，说明本系统对配网带电的检测性能更佳，验证了本系统的有效性。

5 结语

设计并实现了一种配电网带电远程智能检测系统。给出系统总体设计，选用非接触式传感器实现配网交变电压信号的耦合。通过相位合成完成分相检测，实现准确判断、显示全带电或缺相带电状态。利用单片机自动实现电磁闭锁，采用点阵图形式的LCD对检测结果进行显示，通过89C51单片机内集成的串行端口实现远程通信，将配网供电状态反馈至上位机，完成配电网带电的远程检测。软件设计中，给出了系统软件开发平台，详细介绍了信号采集的源代码。实验结果表明，所设计系统检测结果的一致性较好，达到了较高的检测准确度。

[1]欧相林，邓鹤鸣，王力农，等.10 kV配电线路带电作业安全综合评价应用分析[J].高压电器，2013（2）:55-60.OU Xianglin，DENG Heming，WANG Linong，et al.Application of synthetical safety evaluation in the live working on 10 kV distribution line[J].High Voltage Apparatus，2013（2）:55-60（in Chinese）.

[2]林晓珊.影响配电网工程带电作业的因素及安全管理[J].科技与创新，2015（19）:70-71.LIN Xiaoshan.Factors affecting the operation of distribution network and the safety management[J].Science and Technology&Innovation，2015（19）:70-71（in Chinese）.

[3]欧国东.10 kV配网带电作业及其安全措施[J].科技与创新，2014（4）:16-17.OU Guodong.10 kV disrribution network live operations and safety measures[J].Science and Technology&Innovation，2014（4）:16-17（in Chinese）.

[4]朱欣颖，袁焕丽.基于PC104总线的性能检测系统[J].电子设计工程，2014，22（8）:186-188.ZHU Xinying，YUAN Huanli.Performance testing system based on PC104 bus[J].Electronic Design Engineering，2014，22（8）:186-188（in Chinese）.

[5]倪广魁，李岩，高云，等.谐振接地配电网单相接地故障带电定位方法研究[J].供用电，2015（7）:70-73.NI Guangkui，LI Yan，GAO Yun.Research on the methods of online fault location for single-phase ground fault in resonant grounded distribution network[J].Distribution &Utilization，2015（7）:70-73（in Chinese）.

[6]倪广魁，李岩，尚绪健.GPRS在谐振接地配电网带电故障定位中的应用[J].山东电力技术，2015，42（1）.NI Guangkui，LI Yan，SHANG Xujian.Application of GPRS on online fault location method in resonant grounded distribution network[J].Shandong Electric Power，2015，42（1）（in Chinese）.

[7]吴炳卫，赵磊，董俊，等.高原10 kV配电网电缆线路带电作业开断空载线路试验研究[J].环境技术，2015（1）: 12-14.WU Bingwei，ZHAO Lei，DONG Jun，et al.Plateau 10 kV distribution network cable line live working breaking no load line test research[J].Environmental Technology，2015（1）:12-14（in Chinese）.

[8]丁一峰，钱晶，庞峰，等.移动发电系统带电接入10 kV配电网分析[J].云南电力技术，2015，43（5）:4-7.DING Yifeng，QIAN Jing，PANG Feng.Analysis on technology condition of mobile power generation system for 10 kV distribution network[J].Yunnan Electric Power，2015，43（5）:4-7（in Chinese）.

[9]段本成，张鑫.一种新型容性设备带电检测系统应用研究[J].电气开关，2014，52（6）:29-32.DUAN Bencheng，ZHANG Xin.Applied research on a new-type capacitive eqiupment with live detecting system[J].Electric Switchgear，2014，52（6）:29-32（in Chinese）.

[10]彭倩，黄治华，曹永兴，等.基于无线同步技术的氧化锌避雷器带电检测系统[J].电瓷避雷器，2014（6）:99-103.PENG Qian，HUANG Zhihua，CAO Yongxing，et al.MOA live detection system based on wireless synchronization[J].Insulators and Surge Arresters，2014（6）:99-103（in Chinese）.

Design and Implementation of the Charged Remote Intelligent Monitoring System for Distribution Networks

LU Yuan1，YUAN Jun1，CHEN Jingrui1，ZHOU Maokun1，ZHOU Rong2
（1.Kunming Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650200，Yunnan，China；2.Guangzhou Andian Measurement&Control Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，Guangdong，China）

Distribution network plays an important role in the power system，and to facilitate the everyday maintenance the live（charged）detection is usually used to monitor its running situation.Traditional detection system needs a lot of wiring，and its implementation process is not only complex，but also has certain hidden security dangers.To this end，a charged remote intelligent distribution network test system is designed and implemented.With the overall system design given and selection of the lithium niobate crystal of good Electra-optical properties，the passive integrated optical voltage sensing unit and the non-contact overvoltage monitoring sensor used in the unit are designed，and the phase detection is made through phase synthesis to realize the accurate judgment and display of the fully charged or phase deficient charged state.The single ship micro-computer is used to realize the automatic electromagnetic lock and the dot matrix graphic LCD is used to display the detection result and the remote communication is realized through the serial port integrated in the 89C51 single-chip computer and the power supply state of the distribution network is fed to the upper monitor，thus the remote live detection of the distribution network is completed.The system software development platform is given in the software design，and the source code of the signal acquisition is introduced in detail.The experimental results show that the designed system has good consistency and high detection accuracy.

distribution network；charged；remote

2015-10-14。

鲁 源（1988—），男，硕士研究生，技师，主要研究高压试验和技术监督相关工作。

（编辑 徐花荣）

中国南方电网公司科技项目（项目编号 ：KYN2014-156）。

Project Supported by Science and Technology Projects of China Southern Power Grid Company（K-YN2014-156）.

1674-3814（2016）05-0016-06

TP271

A