基于单片机的变电站MOA 远程在线监测系统设计与研究

2021-04-24韦纳斯王展印李潇童方胜利

科学技术创新 2021年9期

张翔韦纳斯王展印李潇童方胜利

(湖北汽车工业学院电气与信息工程学院电气工程系，湖北十堰442002)

关键字：MOA；实时检测；特征电气参数；监测系统

MOA 利用其自身优良的非线性伏安特性，使得当系统过压时保持其两端电压不超过规定值，从而保护与其并联运行的电气设备免受过电压冲击。而其自身性能随着带电运行时间、吸收过电压次数及环境温度/湿度的改变而改变，当其性能老化后，不仅不能起到过压保护功能，还可能引起热崩溃，甚至爆炸事故。因此对其性能参数的实时检测是预防电力事故的有效措施之一。通过分析可知，其阻性泄露电流是表征其性能的关键参数。目前国内外对MOA 性能的检测方法很多，主要有离线高压冲击法和在线特征参数检测法两种，其中离线高压冲击法由于需要MOA 在停运的状态下进行，因此受限条件较多，现在大部分均采用基波法、谐波分析法、补偿法等在线检测法。

本文在研究其自身运行电气参数的基础上，利用单片机作为主控单元，结合其他外围电路模块采用分布式结构设计了变电站MOA 远程在线检测系统。

1 MOA 等值电路分析

对MOA 的内部结构及其特性进行分析后，可得到其等值电路，如图1 所示。

图1 MOA 等值电路

通过分析可知：当MOA 正常运行时，阻性泄露电流iR一般很小（mA 级）；当MOA 性能老化后，iR则会有较大幅度的提高。

对图1 进行电路分析，可知其阻性泄露电流为：

为防止由于iR较小而导致检测不准确，可采用高精度电流互感器感知总泄露电流iX和容性泄露电流iC，然后通过式（1）求解iR，最后对iR的大小进行比较和分析即可对MOA 的性能进行评估。

2 检测系统总体设计

根据系统设计要求，在信号检测端首先对被检测电流参数iX和iC进行电流互感器CT 传感和信号调理，然后通过MCU 的A/D 外设得到相应的数字量，并经数据计算得到iR，最后将iR的分析和比较结果传输至人机交互端，通过声光提示向监控人员反馈MOA 性能的检测结果。此外，为同时对变电站的多台MOA进行性能检测，本系统采用分布式结构，并通过RS485 进行数据通讯。其总体设计如图2 所示。

图2 系统总体设计图

3 信号检测端设计

根据检测原理及要求，对每台MOA 的总泄露电流数iX和容性泄露电流iC进行传感、调理及A/D，然后通过MCU 的内部数据计算得到阻性泄露电流iR，最后经通讯电路将数据发送出去。

3.1 CT 传感部分

考虑到原始检测信号的准确性，本系统采用精度为0.1s、二次侧额定电流为1A 的电流互感器CT 对iX和iC进行传感，其二次侧输出低于1A 的电流信号。

3.2 信号调理部分

该部分电路的作用是采用相关模拟电子元器件将电流信号转换为相应的电压信号，并经过信号隔离、滤波和RMS 检测最终得到iX和iC的有效值。

其中在电信号转换部分，通过双极性高精度集成运放AD706 及并联保护二极管、电阻、电容等外围分立器件，将电流信号转化为电压信号，并将其按照预定的增益系数放大；在信号隔离、滤波部分，以集成运放OP07 和RC 电路组成二阶滤波器，实现电信号的低通滤波，然后通过电压跟随器实现电信号的隔离作用；在RMS 检测部分，主要以模拟器件LTC1966 为核心，通过其内部集成电路将交流信号转换为与其有效值成正比的直流电压信号，并通过反相并联二极管构成的钳位电路对输出的电压信号进行0～3.3V 的限幅。

此外，为实现各集成电子器件的预定功能，本部分还设计了±15V、5V 及3.3V 电源电路。首先经过电源变压器将220V交流市电降压至16V，经由IN4007 组成的桥式整流电路进行不可控整流。其次经分别通过LM317、LM337、LC 滤波电路及瞬态抑制二极管等相关外围电路产生±15V 直流电源，为AD706、OP07 等模拟器件供电。再次，采用L7805 三段降压稳压管及外围电容将15V 直流电源降至5V，为LTC1966 供电。最后经AMS1117-3.3V 三段降压稳压管及外围电容将5V 直流电源降至3.3V，为数据处理/控制单片机供电。

3.3 MCU 部分

该部分主要利用单片机的A/D 外设及内部运算处理器计算iR，并通过其集成的UART 外设实现与通讯部分的数据交互。考虑到最终计算结果的准确度和功能要求，本系统采用28 引脚封装的MSP430I2021 型号单片机，其自带2 个24 位高精度独立A/D，能实现同步采样功能，此外还集成有2 个16 位计时器和1个UART 通信外设，能满足本系统数据采集和异步通信需求。该部分电路如图3 所示，其中LED 用于表征内部程序运行正常与否。

图3 MCU 部分电路

3.4 通讯部分

该部分主将单片机内部TTL 电平转换成与RS485 电气特性相符的差分信号, 用于信号检测端与人机交互端的远距离通信。其电路如图4 所示。

图4 通讯部分电路

4 人机交互端设计

置于变电站监控室的人机交互端主要与信号检测端的数据通信及声光提示功能，当信号检测端判断某MOA 性能老化时人机交互端对应发出一定频率的声光报警，同时监控人员可进行消警操作。其通讯部分信号检测端一致（见图4）。对于MCU部分，考虑到其UART 外设功能和多台MOA 的检测要求，选用28 引脚封装的MSP430I2021 型号单片机，其集成有16 个GPIO口，因此可同时对16 台MOA 的性能进行监测，该部分电路类似与信号检测端。对应于某台MOA 的声光提示部分电路如图5所示。

在图5 中，若经信号检测端判断该MOA 性能正常，则MCU控制端口PX.y 输出低电平，则三极管S9013 不导通，无声光提示；反之，则控制端口PX.y 输出一定频率的高、低电平，则发出对应频率的声光提示。此外，若监控人员已获知该MOA 性能异常情况，可通过自锁式按键S1 消除声光提示报警。

5 系统测试

对以上设计的系统进行样件制作，然后在实际变电站进行调试，最终进行实际测试。对3 台已老化的MOA 测试，测试结果显示在人机交互端均有异常报警；而对另外6 台近期更换的MOA 进行测试，测试结果显示在人机交互端无任何异常报警，可知该系统对MOA 性能的检测和判断准确率为100%，且通过长时间的试运行，该系统均能稳定可靠工作，完全满足设计要求。