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        面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

        2022-04-01 12:53:30馬磊娟
        企業(yè)科技與發(fā)展 2022年12期
        關(guān)鍵詞:信號處理避雷器上位

        馬磊娟

        (河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,河南 南陽 473009)

        0 引言

        近年來,我國電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大,但同時電網(wǎng)規(guī)模的不斷提升以及線路復雜度的迅速增加,給電網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn),倒逼電網(wǎng)升級。提高電網(wǎng)的信息化、自動化、智能化成為了重要任務。對此,國家高度重視智能電網(wǎng)建設(shè),我國“十四五”規(guī)劃綱要提出,加快電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造和智能微電網(wǎng)建設(shè)勢在必行。

        智能變電站作為智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的中間環(huán)節(jié),在產(chǎn)業(yè)鏈上游如可再生能源發(fā)電和不可再生能源發(fā)電與下游終端用戶用電環(huán)節(jié)之間起著舉足輕重的作用。目前,在各個地方的電網(wǎng)線路中,分布著很多不同類型的避雷器在線監(jiān)測設(shè)備,為智能變電站的安全穩(wěn)定運行提供了豐富、重要的數(shù)據(jù)。但同時這些監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量卻良莠不齊,很難判斷其性能的可靠性,當監(jiān)測設(shè)備發(fā)生異?;蚬收蠒r,電網(wǎng)工作人員需到現(xiàn)場檢測相關(guān)數(shù)據(jù),進而判斷發(fā)生異常或故障的原因,這給工作人員帶來很大的困擾[1]。

        本文研究的面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)作為智能化無人值守變電站的子系統(tǒng),旨在采用智能化手段提高電網(wǎng)的安全防御能力和自愈能力,使系統(tǒng)全面信息化,確保電力系統(tǒng)更加穩(wěn)定地運行。

        1 面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

        面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)借用光纖技術(shù)實現(xiàn)信號的遠傳,能夠做到在控制室(非現(xiàn)場)及時準確地接收到避雷器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù);能夠科學分析避雷器已經(jīng)發(fā)生的故障,準確判斷正在發(fā)生的故障,并對避雷器可能發(fā)生的故障進行預測,明確故障的性質(zhì)、類型、程度和原因,指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢;能夠有效控制避雷器故障發(fā)展,采取對應措施消除避雷器故障,避免電網(wǎng)事故發(fā)生,保障高壓設(shè)備安全、可靠運行,能夠為變電站及整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮積極作用。

        系統(tǒng)最大監(jiān)測泄漏電流可達10 mA,滿足國內(nèi)超高電壓線路用1 000 kV避雷器的監(jiān)測需要。監(jiān)測精度運行范圍內(nèi)0.01 mA,全量程范圍內(nèi)0.05 mA,精度優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測器5倍。無線參數(shù)距離不受限制,系統(tǒng)管理員可隨時了解現(xiàn)場避雷器運行的情況。

        2 面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計思路

        面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,整套系統(tǒng)包含:采樣單元、信號處理單元、主控單元、上位機等功能模塊。

        2.1 采樣單元

        采樣單元在借用傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上,新增加電-光轉(zhuǎn)換電路,將系統(tǒng)監(jiān)測電流(避雷器泄漏電流)轉(zhuǎn)換為光頻率信號,為監(jiān)測系統(tǒng)提供信號源。

        2.2 信號處理單元

        信號處理單元接收光頻率信號,然后轉(zhuǎn)換為電信號放大后由單片機進行集中編碼(每個信號處理單元可接收三套采樣單元的信號),然后使用RS485通訊協(xié)議將編碼信息傳送給主控單元(每個主控單元可接收四套信號處理單元的信息);采樣單元與信號處理單元采用光信號傳輸,使用光纖作為信號媒介(最遠10 m),徹底解決了系統(tǒng)的電氣隔離問題,確保了系統(tǒng)、設(shè)備及人員的安全。

        2.3 主控單元

        主控單元可嵌入手機模塊、RS232轉(zhuǎn)TCP/IP模塊,解碼后多路輸出,可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,同時上傳于上位機、手機模塊、網(wǎng)絡等功能,豐富監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平。

        2.4 上位機

        上位機程序使用VB完成,界面內(nèi)容簡潔易操作,加入數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的大容量保存。

        整套系統(tǒng)設(shè)計合理,模塊功能清晰明了:室外部分(包括采樣單元、信號處理單元)環(huán)境適應性好,使用環(huán)境溫度-40~70℃,抗震性能達到八級,高低壓電氣絕緣距離最大10 m;室內(nèi)部分(包括主控單元、上位機等)處理信息量大,顯示精度高,0.25~3 mA誤差不大于0.01 mA;3~6 mA誤差不大于0.05 mA[2],放電時間精確至秒。

        系統(tǒng)中應用了通信、計算機、自動化等技術(shù),并與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)有機融合,能夠提升監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平,使系統(tǒng)本身故障減少,并為避雷器狀態(tài)分析和輔助決策提供技術(shù)支持,為變電站的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮積極作用。

        3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

        3.1 電流采樣電路設(shè)計

        本文研究的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法以軟件分析為主,所以硬件電路較為簡單,但由于氧化鋅避雷器(Metal Oxide Arrester,MOA) 存在阻性泄漏電流值較小的特點,所以對硬件電路的性能要求較高[3]。為了使測量結(jié)果的準確度和精度更高,需要采用的硬件電路必須具備靈敏度高、溫漂低、共模抑制比高的特性,保證在消除干擾的同時又能使信號不失真。

        圖1為電流采樣電路原理圖,使用大容量低殘壓氧化鋅電阻片作為過電壓泄流回路,使用寬頻低溫漂自激勵振蕩電路實現(xiàn)避雷器泄露電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換,保證了數(shù)據(jù)精度(誤差不大于0.05 mA),并在前端設(shè)計壓敏電阻、電壓脈沖抑制器等保護回路,確保系統(tǒng)可靠運行。

        圖1 電流采樣電路原理圖

        本系統(tǒng)設(shè)計、制作下位機電路時所使用的軟件是Proteus,在對圖1所示的電流采樣電路進行設(shè)計和仿真的基礎(chǔ)上,使用Proteus軟件中的ARES軟件功能導入原理圖,然后生成對應的PCB文件后進行三維仿真。

        圖2 光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路原理圖

        3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路設(shè)計

        如圖2所示,采樣電路將泄漏電流轉(zhuǎn)換為光脈沖信號,通過光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換單元,紅外接口電路將光脈沖信號轉(zhuǎn)換為電信號,放大電路處理后進入以AT89 C2051為核心的編譯、運算中心。以AT89C2051為核心的信號處理中心主要由紅外接口電路、信號放大電路、信號跟隨電路、SOC最小系統(tǒng)電路、485通信接口電路和電源電路等組成。

        Proteus軟件安裝完成后,其元器件封裝庫中就已經(jīng)包含了大部分常用器件的封裝,如電阻、二極管和常用的芯片等,在對圖2所示的光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路進行PCB設(shè)計時,會遇到部分器件在Proteus的PCB封裝庫中找不到所需尺寸封裝的問題,這種情況下就需要手動制作所需要的元器件封裝,制作時可先依據(jù)以下兩種途徑獲取封裝參數(shù)數(shù)據(jù):一是根據(jù)元器件對應大的技術(shù)手冊所推薦的尺寸;二是使用游標卡尺對元器件進行實際測量得到的具體參數(shù);然后在Proteus軟件中ISIS封裝庫中制作并保存。

        由于圖2所示電路原理圖中所涉及到的元器件和芯片種類、數(shù)量較多,所以在設(shè)計其對應的PCB圖時,不能使用Proteus軟件中的自動布局和自動布線功能,而是需要手動布局和布線。手動布局布線時必須嚴格遵循PCB設(shè)計規(guī)則,先確定PCB板的尺寸,然后確定MCU放置的位置,再一一布置外圍電路[2]。且要把數(shù)字部分和模擬部分分開放置,同時使PCB圖上兩個相連接的管腳盡量靠近,保證PCB走線的通暢。

        3.3 電源電路設(shè)計

        由于普通智能控電器的結(jié)構(gòu)簡單,功耗較低,一般控制功率低于200 W,因此其系統(tǒng)電源由阻容降壓電路來提供;但由于遠距離的數(shù)據(jù)無線傳輸過程會瞬時消耗較大能量,另外大功率的繼電器阻容降壓電源提供的功率不夠[4]。

        所以本系統(tǒng)選用磁保持型繼電器,12 V的開關(guān)電源模塊,同時滿足大功率電流通斷和節(jié)能的需要。

        3.4 其他電路設(shè)計

        作為一個管理終端,需要對監(jiān)測參數(shù)信息進行存儲,針對不同芯片的存儲特點,這里選擇使用AT89C2051和AT24C02兩款芯片。其中AT89C2051芯片由于其“先擦除,再寫入”的操作特點,且擦寫次數(shù)有限,因此只適合存儲操作不頻繁的數(shù)據(jù),如避雷器地址,放電時間等的存儲;而AT24C02芯片則被選為存儲器用來存儲電參數(shù)的計量數(shù)值。

        此外,管理終端還需具備對避雷器工作狀態(tài)信息、放電信息、警告信息等主要信息進行顯示的功能和實現(xiàn)485通信、無線遠程傳輸?shù)墓δ?。其中?85通信電路,支持簡單協(xié)議的485通信操作,如監(jiān)測參數(shù)的讀取,系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置,數(shù)據(jù)處理指令等,紅外收發(fā)電路提高數(shù)據(jù)讀取及控制的效率和安全性。

        4 避雷器在線監(jiān)測裝置與上位機通信協(xié)議

        通訊協(xié)議實現(xiàn)將實時監(jiān)測的避雷器信息通過RS-485上傳到上位通訊管理機的功能,本系統(tǒng)采用MODBUS協(xié)議進行通訊,通訊協(xié)議見表1,避雷器信息寄存器對應詳見表2。

        表1 避雷器在線監(jiān)測裝置與上位機通訊協(xié)議詳表

        表2 避雷器信息寄存器對應詳表

        5 上位機軟件設(shè)計

        如圖3所示是監(jiān)測系統(tǒng)與計算機連接方法。監(jiān)測系統(tǒng)通過串口線連接到計算機的指定串口(COM 2),即用串口線把監(jiān)測系統(tǒng)中顯示終端(或轉(zhuǎn)換單元)的RS232口和裝有應用程序的計算機串口連接。轉(zhuǎn)換單元之間的通信采用485BUS方式實現(xiàn),傳輸距離可達1200m。

        圖3 監(jiān)測系統(tǒng)與計算機連接示意圖

        上位機管理軟件是整個系統(tǒng)的最終人機交互接口,要根據(jù)系統(tǒng)整體框架、上中下位機的不同功能、通信協(xié)議和客戶的不同需求有針對性地進行設(shè)計。在遠程服務器上安裝該管理軟件后,可以通過網(wǎng)頁的形式在局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)進行遠端登錄后,對系統(tǒng)信息進行查看或者管理。

        上位機程序設(shè)計使用VB高級語言完成,監(jiān)測信息顯示直觀,方便查詢、保存等。程序集成了監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)管理功能。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示功能包括歷史數(shù)據(jù)查看、實時電流顯示和放電次數(shù)顯示功能;參數(shù)管理功能使得用戶通過軟件界面可以立即修改系統(tǒng)的所有參數(shù),同時也可對數(shù)據(jù)進行讀存、清空、導出和打印等操作。

        5.1 歷史數(shù)據(jù)的操作界面

        用鼠標左鍵單擊上位機管理軟件主界面中的“查看歷史數(shù)據(jù)”按鈕,即可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查看。在歷史數(shù)據(jù)界面上單擊鼠標右鍵,出現(xiàn)如圖4所示菜單,單擊“清空數(shù)據(jù)”按鍵,即可完成所有歷史數(shù)據(jù)的清空。單擊“導出數(shù)據(jù)”按鍵,所有歷史數(shù)據(jù)導出到Excel工作欄中。可以使用Excel功能對所有歷史數(shù)據(jù)進行另存、編輯、打印等操作。

        圖4 歷史數(shù)據(jù)的操作界面

        5.2 放電次數(shù)及時間查詢

        本系統(tǒng)新增了避雷器放電次數(shù)顯示,且對放電時間自動保存,可供用戶隨時調(diào)用查看。系統(tǒng)連接成功后,則可查看放電次數(shù)及時間,在上位機管理軟件主界面中用鼠標左鍵雙擊“北京線”/“A相”下面的放電次數(shù)空白框,系統(tǒng)自動提取該相放電次數(shù)及時間(只能查詢連接成功有電流顯示相的放電次數(shù)及時間,每次只能查看一相)。

        系統(tǒng)對每相的放電時間能保存42次??蛻艨筛鶕?jù)需要對查詢到的時間進行另存(在查詢結(jié)果頁面單擊鼠標右鍵,點擊“導出”按鍵,放電時間導出到Excel工作欄中,然后可以使用Excel功能時間數(shù)據(jù)進行另存、編輯、打印等操作)。導出另存完成后,如需要清空放電時間,回到上位機管理軟件主界面,單擊“系統(tǒng)管理”“清空放電次數(shù)及時間”,5s后系統(tǒng)自動完成清空操作。

        6 結(jié)語

        面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)作為智能化無人值守變電站的子系統(tǒng),可使其安全水平、科技水平和智能化水平得到全面提升,順應了智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。通信、計算機、自動化等技術(shù)在系統(tǒng)中得到廣泛深入的應用,并與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)有機融合,極大地提升了監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平。信息技術(shù)在系統(tǒng)中的應用,對避雷器可能出現(xiàn)的問題提出充分的警告,并為避雷器狀態(tài)分析和輔助決策提供了技術(shù)支持,在線路受到斷電影響之前就能采取有效的措施,使電站無人值守成為可能。無需網(wǎng)絡投資和維護,經(jīng)濟效益顯著,實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集,使系統(tǒng)全面信息化,降低了事故發(fā)生的可能性,確保電力系統(tǒng)更加穩(wěn)定地運行。

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