基于STM32的鐵芯接地電流無線在線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

方浩

摘 要：變壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵芯必須有一點(diǎn)可靠接地，如多點(diǎn)接地變壓器鐵芯和大地構(gòu)成了回路將嚴(yán)重威脅變壓器的安全運(yùn)行。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵芯工況，同時(shí)減輕裝置安裝的工作量，提出了一種變壓器鐵芯無線在線監(jiān)測(cè)的方案。采用STM32作為MCU，協(xié)同無線通信模塊對(duì)采集量進(jìn)行無線傳輸至子IED。

關(guān)鍵詞：變壓器；鐵芯；接地電流；無線通信；在線監(jiān)測(cè)

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，鐵芯必須有一點(diǎn)可靠接地，如多點(diǎn)接地變壓器鐵芯和大地構(gòu)成了回路將嚴(yán)重威脅變壓器的安全運(yùn)行。統(tǒng)計(jì)資料表明，電力系統(tǒng)故障中，變壓器故障仍占較大比例，而變壓器鐵芯多點(diǎn)接地故障在變壓器總事故中占第三位，因此對(duì)變壓器鐵芯接地電流的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)手段不僅能及時(shí)發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)接地故障，還可以通過長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析，預(yù)防事故擴(kuò)大[1-2]。

目前變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置通常采用有線數(shù)據(jù)傳輸，這種方式在220kV及以下變電站中應(yīng)用較多。但在220kV以上變電站中，由于主變多為單相變壓器，變壓器及電抗器數(shù)量多，采用有線數(shù)據(jù)傳輸會(huì)增加電纜敷設(shè)量，加大改造難度。因此，采用無線通信的形式，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就地?cái)?shù)字化后上傳至IED，將徹底擺脫電纜的束縛，提高系統(tǒng)的靈活性，減少帶電檢測(cè)或有線數(shù)據(jù)傳輸帶來的誤差。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變壓器鐵芯接地電流無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為監(jiān)測(cè)單元及IED兩個(gè)部分，系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性極強(qiáng)，單個(gè)監(jiān)測(cè)單元的故障不會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，提高了系統(tǒng)的可靠性。這種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)需要配置監(jiān)測(cè)單元數(shù)量而無需任何電纜敷設(shè)工作，同時(shí)，在增加或刪減監(jiān)測(cè)單元的時(shí)候只需要重新配置IED即可。其中監(jiān)測(cè)單元部署于變壓器本體上，負(fù)責(zé)采集鐵芯接地電流，就地?cái)?shù)字化傳輸至IED。IED可就地布置也可以布置于變電站主控室內(nèi)，通過網(wǎng)線以I2協(xié)議將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至站端CAC（狀態(tài)接入控制器）。

2 硬件方案

變壓器鐵芯接地電流監(jiān)測(cè)單元與變壓器鐵芯接地引下線無電氣連接，監(jiān)測(cè)單元通過電流互感器將采集接地電流，如圖2所示。通常情況下220kV及以下變壓器的鐵芯接地電流在10mA左右，隨著電壓等級(jí)上升或負(fù)載變大，鐵芯接地電流也將上升，正常情況下±800kV換流變的鐵芯接地電流在20mA～60mA之間。

監(jiān)測(cè)單元由STM32F103RB芯片作為MCU，外圍包括無線通信模塊、接地電流采集模塊、3.6V電池，如圖3所示。

監(jiān)測(cè)單元直接布置于變電站現(xiàn)場(chǎng)，大多數(shù)情況下是直接固定于變壓器本體上，所處的環(huán)境電磁干擾大，因此需要采用高靈敏度、低溫漂、高共模抑制比的硬件電路減少干擾，同時(shí)也不會(huì)不影響信號(hào)失真。監(jiān)測(cè)單元的外殼需要達(dá)到IP55的防水防塵等級(jí)，應(yīng)對(duì)戶外惡劣的自然環(huán)境。

2.1 微處理器MCU

由于整個(gè)裝置采用電池供電，為了減少功耗，本設(shè)計(jì)方案選取STM32F103RB作為裝置的MCU，該芯片作為一款低功耗處理器，本身自帶了16通道12位的A/D轉(zhuǎn)換器，兼顧了高性能及低功耗。該芯片在睡眠模式下消耗的電流僅為14μA，可以通過外部中斷INT對(duì)MCU進(jìn)行喚醒。

2.2 通信模塊

鑒于監(jiān)測(cè)單元需要經(jīng)常處于睡眠模式，睡眠狀態(tài)下要求的消耗電流需小于1μA，因此本裝置的無線通信芯片采用ChipCon公司的CC1100芯片，該芯片可以通過接收適當(dāng)?shù)碾姶判盘?hào)將自身從休眠狀態(tài)喚醒，進(jìn)而通過外觸發(fā)的方式將MCU從休眠狀態(tài)喚醒。該芯片在睡眠狀態(tài)下消耗電流僅為900nA，低消耗電流可以充分延長(zhǎng)電池供電時(shí)間及壽命。無線通信模塊與MCU的通信接口如圖4所示。

CC1100的電磁波喚醒功能能夠保證在沒有MCU的干預(yù)情況下，有效的電磁波到來時(shí)CC1100能從休眠狀態(tài)喚醒并進(jìn)入接收狀態(tài)，并通過GD引腳產(chǎn)生脈沖信號(hào)觸發(fā)MCU的外部中斷，MCU在外部中斷觸發(fā)后立刻喚醒并讀取CC1100接收到的指令信息，并執(zhí)行相關(guān)程序。

2.3 接地電流采集電路

采集電路包含濾波、放大及限流三個(gè)回路，可以通過MCU自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而得到接地電流值。根據(jù)通常變壓器鐵芯的接地電流值及國(guó)家電網(wǎng)公司制定的狀態(tài)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，變壓器鐵芯接地電流采集范圍為1mA～10A，精度為±1%。

3 軟件方案

為了最大程度發(fā)揮硬件電路的功能，實(shí)現(xiàn)超低功耗要求的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)，本系統(tǒng)對(duì)軟件部分進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。軟件流程如圖5所示。

系統(tǒng)在絕大多數(shù)的時(shí)間下都處于休眠狀態(tài)，僅在收到喚醒命令時(shí)，才會(huì)從休眠狀態(tài)喚醒。經(jīng)過短時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，完成接地電流采集并發(fā)送完成后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)的變壓器鐵芯接地電流在線監(jiān)測(cè)裝置可對(duì)同一變電站中的多臺(tái)變壓器鐵芯接地電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。裝置采用了短距離無線通信技術(shù)，并用大容量電池供電，超低功耗的設(shè)計(jì)使裝置工作年限大大延長(zhǎng)。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，裝置與被監(jiān)測(cè)對(duì)象及電源無任何電氣連接，提高了變電站運(yùn)行的安全性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鄔小波，彭珣，郭紹偉，等.變壓器鐵芯接地電流檢測(cè)裝置應(yīng)用研究[J].華北電力技術(shù)，2013（8）：9-15.

[2]孫松，楊陽，姜華.變壓器鐵芯接地故障的診斷與處理[J].湖南電力，2008（5）：32-33.