一种用于低压线路的电压和温度监测装置

刘志勇 陈岗 陈超鑫 李耀 蒋鑫伟

（威胜信息技术股份有限公司 湖南省长沙市 410205）

随着国内社会经济的快速发展，社会对电力的需求和依赖性也越来越大，现代社会工业生产、居民生活对供电的可靠性、电网质量提出了很高的要求，促使电力产业不断发展完善。配电网处于电力网络的末端，直接向用电客户输送电能，配电网的可靠性对供电网络的整体性能有较大的影响，是电网建设和维护的重点内容[1]。

目前配变台区出线开关和分支出线开关还大量使用传统非智能开关，无法将出线的带电状态和线路的温度进行监测上传，当发生故障停电的时候无法快速的定位故障区域；台区末端用户基本都已经全部使用电子式电能表，能够监测电能表进线端的停上电状态，但是实际用户使用电能是从电能表出线端使用，所以目前电能表提供的停上电状态不能代表用户的实际用电情况，并且无法提供线路的温度监测情况，无法预测因为用户负荷过大引起的线路老化、烧毁等故障[2]。

随着国内智能电网建设的开展，配电自动化技术在电网的应用日益广泛，借助一系列新技术、新设备的使用，配电网故障处理的模式逐渐发生着改变，配电网在线监测技术、故障在线定位技术得到了发展。但国内低压配网建设还处于初期建设阶段，随着泛在电力物联网以及配电物联网建设理念的提出，针对低压台区感知层设备出现了很多智能化设备。但是目前还处于建设初期，大部分还属于存量台区，在短时间内不可能全部更换新的智能设备来达到目的。本文对低压存量台区，在不更换原有设备的情况下，安装本文研究的装置，可实现低压线路的停上电监测和温度监测，达到故障快速定位、快速恢复供电的目的。本装置体积小、价格低廉，适应低压线路各个层级的应用[3-6]。

1 系统整体方案设计

本系统基于国产MCU GD32E230F8P6 为核心设计的一款用于低压线路电压监测和温度监测的装置。该装置主要包括5 个部分：信号采集、信息处理、通信、电源、指示。电压信号通过金属感知单元耦合到装置，然后将电流信号转换成电压信号，经过运放放大，信后输入MCU 的AD 转换接口，MCU 通过AD 转换计算出电压值。温度采样使用温度传感器DS18B20 直接和MCU 通信，MCU 从温度传感器中读取温度数据。整体设计框图如图1 所示。

2 外观结构设计

该装置主要用于台区开关出线、分支开关出线、用户表出线监测，安装空间有限，结构需要布局紧凑，另外该装置在配电物联网系统中属于感知层设备，数量需求大，需要满足不停电安装，避免因为安装停电带来的不便和损失[6]。

图1：系统整体框图

图2：测试等效原理图

图3：电容阻抗等效模型图

台区开关出线根据变压器容量的不同，出线回路数量不同需要的设备数量会不一样；分支开关出线根据用电情况不一样出线回路的数量也会不同，所需设备的数量也不相同；用户侧有单相用户也有三相用户，所以数量也不确定，所以设备需要方便扩展适应不同的使用场景。

图4：原理图

装置安装的位置一般在开关柜、分支箱、表箱等环境，其中分支箱的环境可能因为地势原因，遇到大雨天气分支箱内部湿度会很大，所以装置的防护等级需要做到IP66 等级[7]。

装置外壳采用PC+GF 材料，尺寸52mm×25mm×15.5mm，内部采用硅胶灌注工艺达到IP66 的防护等级[7]。连接线采用通信和电源一体化设计，方便现场接线安装，并可支持现场多个装置级联，适应现场多种应用场景。

3 系统硬件设计

3.1 非接触电压测量的方法研究

根据该装置应用场景，一般都是安装在开关出线上，所以根据现场的安装场景可以得出测量等效电路，如图2 所示。

由图2 可见，UL 为实际线缆电压，C0 为断路器的断开耦合电容，C1 为线路和感应金属片之间（装置外壳内）的耦合电容，C1与现场线缆种类、环境有关，是可变的，C2 是测量感应单元PCB上设计的对地电容，是固定的，C3 是端设备（装置的上行通信设备，本身具备交流采样功能）[6]系统地对零相的耦合电容，由于端设备[6]本身电路参数、器件参数不会随现场湿度、温度发生明显变化，所以可认为C3 是固定不变的，再根据电容阻抗等效模型（图3）可知，电容阻抗是由串联电阻Rs，并联电容C，并联电阻Rd组成，电路模型为Xc=Rs+wC//Rd，串联电阻Rs为电容的对外导线接触电阻，本设计中的所有等效电容C0,C1,C2,C3 的对外导线都非常短，有的甚至没有，可视为Rs≈0，Rd为电容本身的介质电阻，实测Rd≈∞，所以Xc≈wC。

所以本设计中的电容阻抗都用相应的阻抗值X0，X1，X2，X3代替。

根据电容分压原理：

当断路器导通的时候，C0 为0，C2 和C3 固定不变，可合并为C23，则上式可简化为：

所以上式可化为：

图5：系统初始化流程图

图6：电压采样处理流程图

令C23为A，则的传递函数就是也就有此式中，C1和A 都是可变参数，在工厂内部校正后，到现场安装后C1和A 也会发生改变，造成测量不准，这也是本设计要解决的问题。针对该问题，本设计提出通过在现场校准的方案来确定C1和A。

现场校正方法：利用端设备[4]的交流采样功能，选择不同时间通过端设备[4]采样的当前的线路电压传给本装置的MCU 作为校准的标准值的方式测出C1和A，然后，把此参数存储在MCU 中，就能测量出线路的电压。通过检测不同时刻的C1和A 计算得出Ux，这也就是本设计通过非接触方式实现精准测量的基本方法。因为现场环境不可能时刻发生变化，所以是假定在某一段时间内测出的C1和A 是不变的，当现场环境发生改变，例如温湿度发生了变化或者装置和线缆接触的面积、松紧发生了变化，这些会造成C1发生变化，当出现了变化，就需要装置自动重新进行2 次校验，校验表方法和上文一致。采用什么策略进行自动校验也是本文需要解决的关键之一。装置校验的策略；

A.现场初始安装时校验，安装好后通过端设备[6]下发校正命令，装置启动开始校正。

B. 定时校正，可预设每隔1 个月校正1 次，由端设备[6]下发校正命令。

通过这两种校正方式，可以有效的避免现场因为环境变化引起C1和A 变化带来增大测量误差，极大的保证了测量的准确度。

3.2 非接触电压采样模拟电路设计

非接触电压采样模拟通道由非接触感应单元、电容分压电路、直流电压叠加电路、电压跟随电流放大电路、运放放大电路等组成。

非接触电压采样的基本原理是基于电场感应及电容耦合，通过非接触的方式，设计一个非接触感应头，和外部带电导线的低频电场感应及电容耦合，转换成感应电流信号，该信号的初始值强度由非接触感应头的尺寸材质决定，这里选择的是厚度为0.15mm 的紫铜片，面积大小为5.25mm2通过Multisim 仿真分析[8]，该面积感应到的电压可以保证后续采样电路的信号驱动能力。装置获得感应电压后，在电路上对地并联一个分压电容C6，该电容的作用是用来调整感应电压的幅值，因为感应电压是一个交流信号，信号在正负之间交替，而单片机的AD 采样信号要求输入的是正信号，所以，需要在电路上并联一个直流正电压叠加信号，将交流信号变为一个正信号。信号变为正直流偏置信号后，因为感应电压信号的电流持续能力很弱，需要加入一个电压跟随器，用来增强信号的电流，维持后续电路功耗的正常运行，输出电压和输入电压幅值大小相同，相位相同。

图7：温度采样处理流程图

信号通过直流偏置后已转为正直流信号，再经过电压跟随器后增大电流驱动能力，在此点加入一个运放电路，用来成比例的调节信号的幅值大小，以获得更大的采样范围。运放电路和电压跟随电路共用一个双通道的SGM8141 运放芯片。SGM8141 运放芯片是一款支持3.3V，单电源、轨到轨的双通道高精度运放。此处为保证进入单片机的采样信号为正，采用同相放大电路设计，放大系数1:2，即2 倍放大。便于调整输入AD 的采样信号。具体如图4 中非接触电压采样电路所示。

3.3 温度采样设计

温度采样设计了采用温度传感器芯片DS18B20，对该芯片温度输出信号上拉3.3V。温度传感器DS18B20 输出9 位至12 位摄氏温度测量值，测量范围在-55℃～125℃之间。通过1-Wire[9]总线和单片机进行通信，如图4 中温度采样电路所示。

3.4 MCU电路设计

装 置MCU 采 用GD32E230F8P6 芯 片，GD32E230F8P6 内 置Cortex-M23 核， 主 频72MHz ， 内 存8KB，64KB FLASH，2 个USART、1 个SPI、1 个具有新型可选数字滤波器功能的I2C、2 个独立的12 位ADC，定时器4 个，体积小。

其主要硬件资源分配说明如下：

UART1 用于维护RS-232 串口；UART0 用于RS-485 通信，用于本装置和其他设备进行通信；ADC1 用于非接触电压采样模数转换；PA4 用于和温度传感器进行1-Wire 通信[6]；PA6 用于控制运行灯；PA7 用于控制报警灯。具体原理如图4 中MCU 电路所示。

4 系统软件设计

4.1 软件总体结构

为了提高系统性能，系统中仅DMA FIFO 满及UART 接收产生两个中断，定时器时间到直接触发ADC 采样，定时器本身不产生中断。串口中断对电压计算不产生任何影响。软件主要由系统初始化模块，电压处理模块，温度处理模块，告警与显示模块，规约交互模块组成。

4.2 系统初始化

装置上电后对系统、GPIO、定时器、ADC、DMA、UART、数据进行初始化工作，流程如图5 所示。

4.3 电压采样处理

设置定时器每一个周波（20ms）采集128 或256 个点，也就是每156.25us或78.125us进行一次触发。定时器触发后启动ADC采样，ADC 转换完成后通过DMA 自动将数据传到指定BUF。BUF 中数据存满后产生DMA FIFO 中断，并设置数据满标志。主程序检测到数据满标志进行电压计算，电压计算完成后重新启动DMA 数据搬移。所有过程仅产生DMA FIFO 满中断，定时器不产生中断，尽量减少系统负荷。

流程如图6 所示中用到的感应系数为：感应电路没有校准时，上交流220V 电压，MCU 读到的电压值与220V 的比值为感应系数。校准系数为：通过台体或设置工具，给感应电路下发标准电压，MCU 读到的电压值与标准电压的比值为校准系数。正弦波正常情况分为正半波与负半波，为了MCU ADC 采样方便，硬件电路上将正弦波抬高一个定值，使负半波的最小值不出现负值，方便ADC寄存器处理。这个定值称为直流偏置。正常计算时这个直流偏置值需根据采样点计算得到。

4.4 温度采样处理

本项目采用DS18B20 作为温度传感器，它具有3 脚TO-92 小体积封装形式，温度测量范围为-55℃-+125℃，可进行9-12 位编程，分辨率可达0.0625。被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出，与MUC 通过1-Wire[9]总线方式通信。

操作过程如下：

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM 功能命令（命令CCH）→温度变换（命令44H）→发存储器读取命令（命令BEH）→ 读取温度→处理数据。详细流程如图7 所示。

4.5 规约解析

该装置属于感知层设备，需要和端设备通信把数据传送给边设备[6]。端设备[6]需要接入的设备一般会包括电能表、各类传感设备。电能表和传感设备行业中使用最多的是DL/T 645-2007 协议，按照容易接入节省开发难度的原则规约设计按照DL/T 645-2007 协议[10]格式进行扩展，串口通信格式为：1 位起始位，8 位数据位，偶校验，1 位停止位。通信速率：9600bps。字节顺序：低字节在前，高字节在后。

表1：电压采样试验结果（单位：V）

表2：温度采样试验结果（单位：℃）

4.6 告警与指示

系统提供过温、停电、上电指示，及状态读取。过温、停上电阀值可通过485 进行设置。MCU 通过I/O 控制LED 不同状态达到指示目的。

5 测试与分析

5.1 试验方法和步骤

首先测试电压测量误差，采用3P 空气开关模拟现场开关，开关后接交流火线，经过负载到零相。装置捆绑在开关后火线的绝缘层上，并通过RS-485 连接端设备[6]。通过调整经过开关的电压，测量不同电压值情况下测量的实际值。测量分四个环境：常温、高温、低温以及常温情况下浸水后的情况。然后测试温度测量误差，只需要将装置放置到需要测试的环境中，静置10-15 分钟左右，然后通过端设备读取装置测量的温度值。温度测量分为三个环境：常温、高温和低温环境。

5.2 试验结果

样品电压测量不同环境的试验结果如表1 所示。

样品温度测量不同环境的试验结果如表2 所示。

5.3 试验分析

电压采样在正常环境和高低温环境的测试结果都在±5%以内，达到预期效果；在浸水后采样电压的值会比实际的值普遍高20%以上，本设计主要是通过采样电压的值判断线路的停上电状态，要判断准确需要测量值准确，同时因为装置使用环境的影响，判断的条件也非常重要。配变台区设备正常工作电压范围为AC220V±20%，所设置的阀值必须包含这个范围，并且能避开浸水条件的影响，所以判断停电的条件为电压＜132V，判断上电的条件为电压＞176V。温度采样在各种环境中测试结果满足±10%以内，达到预期效果。

6 结束语

本文阐述了低压线路电压和温度监测装置的结构、硬件以及软件设计和实现方法。并对非接触电压采样的原理以及影响测量的变化因素，并提出了系统的解决办法，满足实际使用和推广的效果。该装置小巧、可免停电安装，是配电物联网智能台区建设的重要配套支撑产品，适用于配变台区总出线、分支出线、电能表后开关出线等各层级[5,6,11]。