嵌入式智能高壓帶電傳感器的設(shè)計

張秀國

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東珠海519090）

在PASS開關(guān)設(shè)計中，充分吸收了GIS和常規(guī)空氣絕緣開關(guān)AIS的運行經(jīng)驗，成功解決了GIS集成度過高而帶來的負面影響和常規(guī)空氣絕緣開關(guān)AIS占地面積大等問題。這種新型PASS開關(guān)組合電器為變電站的設(shè)備選型、設(shè)計、建設(shè)開拓了一條新的思路。最近幾年，在國內(nèi)外很多1變電站建設(shè)中均采用了PASS裝置，通過長期的實際運行檢驗顯示了其卓越的可靠性和經(jīng)濟性。盡管PASS開關(guān)的初衷是節(jié)約用地、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是在實現(xiàn)接地刀閘合閘閉鎖功能時都利用電壓互感器來獲取線路帶電狀態(tài)信息的。在PASS開關(guān)側(cè)安裝電壓互感器設(shè)備，通過電壓互感器檢測線路側(cè)是否帶電來控制接地刀閘合閘閉鎖繼電器的觸點狀態(tài)[1]，若檢測到帶電時則斷開觸點，若不帶電時則閉合觸點。從而實現(xiàn)接地刀閘的帶電閉鎖。但是從整體角度來說，PASS開關(guān)存在設(shè)備造價昂貴、設(shè)備功能過剩等問題，因此在不改變現(xiàn)有PASS主體結(jié)構(gòu)情況下解決上述缺陷成為本領(lǐng)域技術(shù)人員必須面對的問題。

1 總體設(shè)計思路

智能高壓帶電傳感器安裝于PASS開關(guān)線路側(cè)AT設(shè)備之上，通過直接安裝在AT之上的傳感探頭近距離地感應(yīng)到一次線路的帶電狀況，這樣可避免與其他線路和鄰相電壓產(chǎn)生干擾影響。通過對感應(yīng)的電壓信號進行現(xiàn)場的數(shù)字采樣和處理，獲取一次導(dǎo)體帶電狀態(tài)信息；通過現(xiàn)場帶電狀態(tài)的智能校準，可確保在不同安裝環(huán)境中均能夠準確地測定一次導(dǎo)體的帶電狀態(tài)；通過帶電狀態(tài)控制功率繼電器的觸點開合，為PASS開關(guān)隔離接地刀閘的閉鎖二次控制和顯示回路提供控制觸點。

2 硬件設(shè)計及內(nèi)部模塊技術(shù)參數(shù)

智能高壓帶電傳感器的硬件主要由信號調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、MCU分析模塊、輸出控制模塊、電源模塊等組成[2]，其邏輯結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。接下來我將簡要介紹各個模塊的技術(shù)參數(shù)及主要芯片的功能。

2.1 主要芯片介紹

目前，智能高壓帶電傳感器的芯片主要有兩類：AD623儀表放大器（信號調(diào)理電路模塊）；MSP430F2012單片機（MCU分析模塊）。

1）AD623儀表放大器

AD623儀表放大器屬于是一個集成單電源儀表放大器[3]，能夠在單電源（即：+3～+12 V）環(huán)境中保障滿電源幅度輸出。AD623儀表放大器可以使用單個的增益設(shè)置電阻來實施增益編程，這樣可讓用戶獲得良好的靈活性。當處于無外接電阻條件時，AD623儀表放大器可以設(shè)置成為單位增益；而當外接電阻之后，AD623儀表放大器可通過編程來設(shè)置增益，其最高增益之可以達到1 000倍。AD623儀表放大器擁有隨增益增大而增大的交流共模比，這樣可以保持最小的誤差，而諧波和線路噪聲在共模抑制比高達200 Hz時仍然能夠保持恒定而受到抑制。AD623儀表放大器優(yōu)化設(shè)計了單電源方式，但當其工作在雙電源（即：±2.5～±6 V）時仍然能夠保持良好的工作性能。其內(nèi)部工作原理如圖2所示。

圖1 智能高壓帶電傳感器原理圖Fig.1 Intelligent high-voltage electric sensor schematic

當將輸入信號加入到電壓緩沖器PNP晶體管上時，若能夠提供一個共模信號至輸入放大器，同時給予每一個放大器接入一個精確的反饋電阻（50 kΩ），這樣便可以保證增益可編程，其差分的輸出公式為：

圖2 AD623內(nèi)部工作原理圖Fig.2 AD623 internal working schematics

差分電壓在通過輸出放大器之后便可轉(zhuǎn)化為單端電壓。6腳輸出電壓將以5腳電位為基準進行測量。當基準端（5腳）的阻抗達到100 kΩ時，在6腳與5腳之間連接一個小電阻即可實現(xiàn)電壓/電流轉(zhuǎn)換功能。-V s（4腳）和+V s（7腳）接入單極電源（+V s=3.0～12 V，-V s=0）或者雙極電源（V s=±2.5～±6 V），在接近電源引腳處增加一個電容去耦，而去耦電容一般是選用鉭電解電容（10 μF）和瓷片電容（0.1 μF）。AD623儀表放大器的增益G由RG進行電阻編程，也就是說由1腳和8腳之間的阻抗來直接決定的。其中RG的計算公式如下：

2）MSP430F2012單片機

MSP430F2012單片機內(nèi)置工作頻率最高達到16MIPS，是TI公司推出的一款高性能的微控制器[4]。MSP430F2012功耗低，節(jié)省電能，在發(fā)生中斷的情況下，可在不足l μs的時間內(nèi)從超低功耗500 nA待機模式喚醒到全速工作模式[5]。MSP430F2012在外圍功能器件中還集成了16位定時器、l0位AD、看門狗定時器、USI通訊模塊（支持SPI、I2C）、捕獲比較器以及掉電檢測（BOR）等。MSP430F2012的MCU平臺可滿足便攜式儀表、計量及智能傳感單元等超低功耗工業(yè)的需要。MSP430F2012的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 MSP430F2012單片機Fig.3 Internal logic structure MSP430F2012

2.2 內(nèi)部模塊技術(shù)參數(shù)

1）傳感探頭：輸入電壓110 kV；輸出電壓3 V，50 Hz，AC；輸出阻抗100 M。

2）信號調(diào)理模塊：輸入信號電壓0-3 V，50 Hz，AC；輸入阻抗＞30 M；輸出電壓3 V，75 Hz低通濾波，AC；輸出阻抗＜1 k[6]。

3）A/D轉(zhuǎn)換模塊：輸入信號電壓3 V，50 Hz，AC；輸入阻抗＞300 k；輸出I2C。

4）MCU模塊：輸入I2C，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；輸出（I/O控制信號端口）3.3 V邏輯電平，有電為0，沒電為1。

5）輸出控制模塊：輸入（I/O控制信號端口）3.3 V邏輯電平，有電為0，沒電為1；輸出額定5 A負載開關(guān)端子，有電斷開，沒電閉合。

6）電源模塊：輸入220 VAC/DC；輸出隔離雙5 VDC，2×1.5 W。

3 軟件設(shè)計

智能高壓帶電傳感器主要采用AD轉(zhuǎn)換來進行數(shù)字化測量判定，其可以靈活設(shè)定帶電判定電壓和不帶電的回差電壓[7]。在智能高壓帶電傳感器中設(shè)有現(xiàn)場校準按鈕，其可以通過軟件現(xiàn)場調(diào)整判定限值，以此來適應(yīng)不同地點的電場。但是由于分布的差異性可能導(dǎo)致判定標準實際要求不同，因此不能統(tǒng)一按出廠設(shè)定來判定設(shè)備是否帶電的問題。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序框圖Fig.4 Main diagram

3.1 是否帶電判定子程序框圖

通過預(yù)裝在110 kV或以上電壓等級的PASS開關(guān)上的專用AT上的傳感探頭，利用電場感應(yīng)準確測量到通過AT的一次導(dǎo)體的電壓帶電狀態(tài)，然后根據(jù)檢測到的一次導(dǎo)體帶電狀態(tài)信息，按照隔離接地刀閘二次閉鎖回路的需要提供帶電閉鎖控制觸點輸出[8]。若一次導(dǎo)體經(jīng)測量處于帶電狀態(tài)時，輸出的控制觸點斷開；若一次導(dǎo)體經(jīng)測量處于不帶電狀態(tài)時，輸出的控制觸點閉合。判定是否帶電的子程序框圖如圖5所示。

圖5 是否帶電判定子程序框圖Fig.5 Charged determine whether subdiagram

3.2 執(zhí)行校準指令子程序框圖

在不同的安裝場合，由于周邊設(shè)備布置不同可能導(dǎo)致電場分布的不同，從而影響到根據(jù)感應(yīng)電壓量值來判定有電沒電的判定值與標準值有所差異[9]。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際運行工況，對判定電壓的進行自動或手動校準。執(zhí)行校準指令的子程序框圖如圖6所示。

圖6 執(zhí)行校準指令子程序框圖Fig.6 Perform the calibration instruction flow chart

通過對帶電狀態(tài)判定電壓的校準，其可以為每一個現(xiàn)場的帶電狀態(tài)找到實際的最佳判定條件。當系統(tǒng)測到的感應(yīng)電壓高于帶電狀態(tài)判定電壓時判定帶電，而在測到的感應(yīng)電壓低于帶電狀態(tài)判定電壓的66%時則判定不帶電。通過對兩個判定邊界的校準來防止干擾，進而提高帶電狀態(tài)判定的準確性[10]。

4 結(jié)束語

相對于采用電壓互感器獲取線路帶電狀態(tài)信息，本文設(shè)計的智能高壓帶電傳感器，在不改變現(xiàn)有的PASS開關(guān)主體結(jié)構(gòu)的情況下，具有以下特點：

1）不需要昂貴的電壓互感器設(shè)備，節(jié)省設(shè)備投資，減少運行維護工作量。

2）傳感器和一次導(dǎo)體沒有接觸，處于低壓側(cè)，免維護。

3）傳感器體積小，可直接安裝在控制柜的空隙中。

4）傳感器成本低廉，可節(jié)省巨大的設(shè)備投資和運行維護費用。

[1] 劉明.電子式互感器技術(shù)和應(yīng)用評述[J].變壓器，2013，8（2）：24-28.LIU Ming.Review of electronic instrument transformer technology and its application[J].Transformers，2013，8（2）:24-28.

[2] 覃宗濤.開閉所高壓帶電傳感器故障原因分析及處理方法探討[J].電氣開關(guān)，2012，14（5）：89-95.TAN Zong-tao.Open/close sensor fault reasons and treatment methods of high voltage electrified[J].Electrical Switches，2012，14（5）:89-95.

[3] 李曉婷.嵌入式智能故障診斷專家系統(tǒng)中WinCE的定制[J].科技致富導(dǎo)向，2009，20（3）：114-116,LI Xiao-ting.Embedded WinCE in Intelligent fault diagnosis expert system for customizing[J].Technology-rich Guide，2009，20（3）:114-116

[4] 廖林峽.嵌入式智能節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)[J].華中科技大學(xué)，2013，20（3）:176-178.LIAO Lin-xia.Design and implementation of embedded intelligent nodes[J].Huazhong University of Science and，2013，20（3）:176-178.

[5] 毛德梅.嵌入式智能高壓斷路器狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].皖西學(xué)院學(xué)報，2013，6（2）：47-50.MAO De-mei.Embedded intelligent study and design of high voltage circuit breakers condition monitoring system[J].Journal of West Anhui University，2013，6（2）:47-50.

[6] 周昌，陳耀武.一種新型的嵌入式智能圖像傳感器設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007（5）：5-7.ZHOU Chang，CHEN Yao-wu.design of a new type of embedded intelligent image sensor[J].Journal of Sensing Technology，2007（5）:5-7.

[7] 王剛.對嵌入式智能傳感器的理論研究[J].科技資訊，2010，13（9）：44-47.WANG Gang.The theory of embedded sensors[J].Information Technology，2010，13（9）:44-47.

[8] 嚴斌.高分子濕度傳感器的濕滯補償研究[J].桂林電子科技大學(xué)，2012，25（9）：18-21 YAN Bom.Wet polymer humidity sensor delay compensation[J].Guilin University，2012，25（9）:18-21.

[9] 王小玲.網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器通用平臺的研究與設(shè)計[J].中南大學(xué)，2012，7（6）：28-29.WANG Xiao-ling.Networked intelligent sensor research and design of General platform[J].Central South University，2012，7（6）:28-29.

[10] 苑永強.嵌入式智能光電傳感器的研究[J].大慶石油學(xué)院，2013，12（2）133-135.YUAN Yong-qiang.Embedded intelligentphotoelectric sensors[J].Northeat Petroleum University，2013，12（2）：133-135.