余亞東， 李杰， 張荻

(1.平頂山學(xué)院 電氣與機械工程學(xué)院，河南 平頂山 467000；2.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及自動化水平的提高，電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的檢修手段也在逐步改進，狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估及狀態(tài)檢修是未來電力系統(tǒng)的必然方向[1]。金屬氧化物避雷器作為變電站內(nèi)重要的過電壓保護設(shè)備，其本身運行狀況的好壞將直接影響到電力系統(tǒng)的安全[2]。因此對金屬氧化物避雷器進行在線監(jiān)測就顯得尤為重要。

金屬氧化物避雷器的核心器件是電阻片，電阻片具有極為優(yōu)越的非線性特性[3]。在正常工作電壓下，流過電阻片的電流僅為微安級[4]，但長期在工頻電壓下工作會使電阻片的非線性發(fā)生變化，導(dǎo)致流過電阻片的泄漏電流增加，泄漏電流的增加直接使電阻片溫度上升而發(fā)生熱崩潰，嚴(yán)重時直接引起避雷器的爆炸。為了防患事故的發(fā)生，筆者和國內(nèi)知名避雷器生產(chǎn)廠家聯(lián)合公關(guān)，設(shè)計了一整套金屬氧化物避雷器(MOA)在線監(jiān)測系統(tǒng)，包含避雷器監(jiān)測單元、系統(tǒng)電壓監(jiān)測單元、避雷器監(jiān)測IED和后臺系統(tǒng)，可為用戶提供完整的避雷器監(jiān)測解決方案。

1 交流避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

筆者根據(jù)現(xiàn)場工程的需要，設(shè)計了一套基于STM32F407的數(shù)字式避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 交流避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)圖

圖1所示的在線監(jiān)測系統(tǒng)中包含了避雷器在線監(jiān)測單元的設(shè)計、PT系統(tǒng)電壓在線監(jiān)測單元的設(shè)計以及避雷器監(jiān)測IED單元的設(shè)計。其中，避雷器A、B、C相的在線監(jiān)測單元采集避雷器的泄漏電流的幅值、動作次數(shù)以及泄露電流與參考相之間的夾角；PT的系統(tǒng)電壓采樣單元采集電網(wǎng)的電壓頻率、諧波及電壓轉(zhuǎn)換成電流后與參考相的夾角值；避雷器監(jiān)測IED單元是將避雷器在線監(jiān)測單元的采樣值與PT系統(tǒng)電壓的采樣值在其IED內(nèi)部進行數(shù)學(xué)計算，得出泄露電流與母線電壓的夾角，進而得出容性電流和阻性電流的大小。

1.1 避雷器在線監(jiān)測單元的設(shè)計

在線監(jiān)測單元由核心模塊、電源模塊、MOA采集模塊和零磁通電流互感器組成。該監(jiān)測單元能夠準(zhǔn)確地采集每相避雷器的泄露電流(容性電流和阻性電流)、避雷器的動作次數(shù)以及泄露電流與參考相夾角。

1.1.1 CPU核心模塊設(shè)計

避雷器在線監(jiān)測單元的控制核心為德州儀器公司生產(chǎn)的型號為STM32F407的微處理器，完成交流避雷器的泄漏電流、基準(zhǔn)參考電壓的采集、避雷器動作次數(shù)的計數(shù)和RS-485的通信等功能，同時完成系統(tǒng)控制條件判定與策略實現(xiàn)，該芯片具有強大的嵌入式控制功能，完全能夠滿足本系統(tǒng)的要求[5]。

1.1.2 電源模塊的設(shè)計

電源模塊的設(shè)計是為整個監(jiān)測裝置提供合適的動力來源，該電源模塊的輸入來自于變電站內(nèi)的AC220 V，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后可為監(jiān)測裝置內(nèi)的主控芯片、隔離放大及信號的調(diào)理電路和通信電路的供電。圖2給出了監(jiān)測單元電源電路設(shè)計原理圖。

圖2 避雷器在線監(jiān)測單元電源模塊設(shè)計

圖2中:G1、G2為固體放電管；RV1為壓敏電阻；L1為共模扼流圈；T1為電源電路的穩(wěn)壓保護元件；U1為廣州金升陽公司的AC/DC電源模塊L005-00B05E，該電壓轉(zhuǎn)換器是隔離型芯片，抗干擾能力強。同時在該電源模塊內(nèi)AC220 V電壓經(jīng)無感電阻網(wǎng)絡(luò)變化后得到電流，作為參考相電流。

1.1.3 MOA采集板

在該在線監(jiān)測裝置中需實時監(jiān)測泄漏電流和動作次數(shù)等參數(shù)。交流避雷器的泄漏電流一般情況下很小[6-7](μA級)。本文選取零磁通電流傳感器作為MOA采集板的前端輸入，零磁通電流傳感器由起始導(dǎo)磁率高，損耗小的坡莫合金鐵芯作為主要零部件，同時采用深度負反饋技術(shù)和屏蔽措施，能夠?qū)﹁F心全自動補償，使鐵心工作在理想的零磁通狀態(tài)，較好地解決避雷器泄露電流小的微弱信號的采集問題。圖3為MOA采集模塊的設(shè)計圖。

圖3中，MOA采集模塊可針對三相避雷器100 μA～700 mA泄露電流和參考相電流的實時采樣，經(jīng)過電壓跟隨放大電路后在AD7606芯片內(nèi)進行AD轉(zhuǎn)換，最終將采集到的泄露電流的數(shù)值和參考相電流輸入至后端CPU內(nèi)部進行FFT算法分析及數(shù)據(jù)的處理。在圖3中通過避雷器放電檢測互感器對避雷器的放電動作次數(shù)進行了實時記錄，經(jīng)過信號調(diào)理保護電路和光耦后將避雷器動作次數(shù)輸入至后端CPU內(nèi)部。

圖3 MOA采集模塊的設(shè)計

1.2 PT系統(tǒng)電壓在線監(jiān)測單元的設(shè)計

在該系統(tǒng)中需要實時采集PT上的系統(tǒng)電壓，以此作為參考電壓，圖4給出了PT系統(tǒng)電壓的原理圖。PT系統(tǒng)電壓采集模塊可以針對三相PT系統(tǒng)電壓轉(zhuǎn)換后的100 uA～700 mA電流的實時采樣，經(jīng)過電壓跟隨放大電路后在AD7606芯片內(nèi)進行AD轉(zhuǎn)換，最終將采集到的PT系統(tǒng)電壓的數(shù)值輸入至后端CPU內(nèi)部作為參考相電流。

圖4 PT系統(tǒng)電壓采集模塊設(shè)計圖

1.3 避雷器監(jiān)測IED單元的設(shè)計

為減少整個監(jiān)測單元的開發(fā)周期,避雷器監(jiān)測IED單元的硬件系統(tǒng)購買了上海某公司的開發(fā)平臺，在該開發(fā)平臺上只進行了軟件系統(tǒng)的開發(fā)，完成了由MOA監(jiān)測裝置和PT采樣裝置向IED單元傳送變量的存儲，同時在監(jiān)測IED單元內(nèi)部通過算法計算得出泄露電流與母線電壓的夾角，進而得出容性電流和阻性電流。

2 交流避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置模塊、泄漏電流采集模塊、動作次數(shù)采集模塊、快速傅里葉分析算法、數(shù)據(jù)分析判斷及狀態(tài)指示模塊。

2.1 主系統(tǒng)初始化及主函數(shù)實現(xiàn)

圖5給出了主系統(tǒng)的初始化和主函數(shù)的流程圖。

圖5 主系統(tǒng)的初始化和主函數(shù)的流程圖

系統(tǒng)程序運行時，首先完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化，以確保整個系統(tǒng)軟件中各個子程序的功能實現(xiàn)及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。系統(tǒng)及外設(shè)初始化包括時鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口和ADC轉(zhuǎn)換等的初始化配置。

2.2 交流避雷器在線監(jiān)測同步采集的實現(xiàn)

在該在線監(jiān)測系統(tǒng)中存在著一個至關(guān)重要的問題，即避雷器泄露電流與母線PT電壓信號的同步采集(時鐘同步)。目前解決采集同步的方法主要有參考相位法、 相位搜索法、 GPS法和避雷器泄露采樣與PT電壓采樣放于同一個裝置法等多種方法。通過查閱相關(guān)文獻，認為參考相位法具有較強的現(xiàn)實意義，故本文選擇參考相位法解決采集的同步問題。圖6為同步采集時序圖。

圖6 同步采集時序圖

2.3 數(shù)據(jù)的處理流程圖

在線監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的處理是采集N個周波的數(shù)據(jù)集，選擇合適的放大倍數(shù)，通過快速傅里葉變換(FFT)獲得全電流和參考相位，之后進行電流閾值的判定和循環(huán)。圖7給出了數(shù)據(jù)的處理流程。

圖7 數(shù)據(jù)處理流程圖

傅里葉變化是數(shù)字信號處理中對信號進行分析時常采用的一種方法。本文對采集到的泄露電流部分進行FFT運算，獲取泄露電流數(shù)據(jù)。當(dāng)周期信號x(t)滿足狄利克雷(Dirichlet)條件時，可分解為傅里葉級數(shù)表達式：

(1)

式中：t為時間；T為周期；a0、an、bn均為常數(shù)。

將滿足狄氏條件的非正弦周期電壓u(t)和電流i(t)分解為傅里葉級數(shù)：

(2)

式中：U0、I0分別為電壓直流分量和電流直流分量；Uk、Ik分別為k次諧波電壓幅值和諧波電流幅值；φuk、φik分別為k次諧波電壓初相位和諧波電流初相位；ω為角頻率。

為求取初相位，首先要解析出基波電流信號和基波電壓信號的相位，根據(jù)三角函數(shù)的正交性以及離散周期序列的傅里葉級數(shù)變換得：

(3)

式中：Uk為k次諧波電壓；N為序列周期。依據(jù)式(3)可得：

(4)

式中：UR(k)、UI(k)分別為U(k)的實部和虛部。由式(4)可以看出：

該方法優(yōu)點為高次諧波對基波電壓信號相位和基波電流相位的求解無關(guān)，具有較高的測量精度[8]。將阻性電流從總泄露電流計算出來，可準(zhǔn)確反映避雷器絕緣狀態(tài)。

3 試驗研究及結(jié)果分析

為驗證本文所研制系統(tǒng)的有效性和可行性，在某公司的10 kV交流避雷器上安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過試驗得到表1所示的全電流、阻性電流和容性電流的采樣數(shù)據(jù)值。

表1 泄漏電流采樣數(shù)據(jù)對比表 μA

從表1可看出，本系統(tǒng)在試驗條件下能夠有效地采集到避雷器的全電流、阻性電流和容性電流，同時能夠準(zhǔn)確地分離出阻性電流數(shù)值，準(zhǔn)確反應(yīng)了交流避雷器的絕緣狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文基于工程實際，開發(fā)了一套換流站內(nèi)高壓交流側(cè)金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測裝置。給出了詳細的裝置開發(fā)過程，對交流避雷器內(nèi)的泄露電流等相關(guān)參數(shù)進行了實時采集，采集的準(zhǔn)確度和實時性較高，可為避雷器的狀態(tài)檢修提供有力的支撐。