基于雙軸傳感的直流驗電系統設計

譚毓苗，陳新崗，2，古亮，2，楊定坤，馬駿，譚昊

（1.重慶理工大學，重慶 400054；2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心，重慶 400054）

基于雙軸傳感的直流驗電系統設計

譚毓苗1，陳新崗1，2，古亮1，2，楊定坤1，馬駿1，譚昊1

（1.重慶理工大學，重慶 400054；2.重慶市能源互聯網工程技術研究中心，重慶 400054）

在復雜電磁環境下為實現對高電壓直流設備的可靠驗電，提出并設計一種基于雙軸傳感的直流驗電系統。通過分析高壓直流輸電線路與換流站閥廳直流側的電場特征，結合雙軸傳感機理，對振動電容傳感器探頭的結構進行設計，擴大系統的測量范圍。建立以32位低功耗、高性能ARM微控制器為核心的驗電系統，實現復雜電場環境下電場信息的雙軸同步采集，GPRS無線模塊進行驗電結果的可靠傳輸，降低換流站中直流側密集設備對測量系統的干擾。該系統的實施可準確檢測直流設備的帶電狀態，及時報警，具有無線傳輸、抗干擾力強、續航時間長等特點。

直流電場；雙軸傳感；驗電系統；GPRS

0 引言

隨著我國多端直流技術與柔性直流輸電靈活性的不斷突破，直流輸電技術逐漸多端化和網絡化，具有多電源供電、多落點受電、多電壓等級的發展趨勢[1-3]。直流輸配電工程運行電壓等級的不斷多樣化，線路維護工作的難度逐漸增大，對直流輸電系統電壓信息測量提出了新的要求。目前，現有的帶電狀態測量裝置通常采用電場比較原理實現[4]，傳感器在運行過程中可能會由于直流輸電系統的電磁環境相對復雜，造成傳感器采集結果重復性不好、準確度不高，導致驗電系統產生誤判。文獻[5]研制了一種交直流混合電場旋轉式一體化測試儀，可對交直流混合電場進行信號采集；文獻[6]設計了一種基于無線傳輸的合成電場測量裝置，可對直流合成電場進行信號采集和數據無線傳輸；但是它們在設備分布密集、電場環境更加復雜的換流站、變壓站中運行具有一定的局限性。

本文針對直流輸電系統中直流電壓信息測量的特殊需求問題，設計了基于雙軸傳感的直流驗電系統。該系統應用雙軸傳感探頭對空間水平方向、垂直方向的電場強度進行測量，GPRS實現電壓測量結果的遠程傳輸，確保了電場強度信號采集的同步性和無線數據傳輸的可靠性，提高了整個測量系統的性能。

1 系統整體方案

驗電系統的主要構成有：雙軸電場傳感器、電源控制模塊、STM32中央處理控制模塊、聲光報警模塊、GPRS無線模塊等。利用STM32系列微處理器，處理雙軸電場傳感器所采集到的電壓信號，進而控制預警模塊與GPRS無線模塊以聲光報警和發送短信的形式向現場技術人員提供具體準確的直流高壓設備的帶電狀態，并發出是否帶電預警信號。驗電系統功能框圖如圖1所示。

圖1 驗電系統功能框圖

雙軸電場傳感器及主要功能模塊集成于高壓直流探頭內，當雙軸傳感器檢測到高壓直流電場信號后，信號處理電路對采集所得的電信號進行預處理，經濾波、AD采樣送入主控芯片，主控系統將對所得的信號進行數據處理，判斷設備的帶電狀態。

2 雙軸電場傳感裝置設計

2.1 直流場強分布

高壓直流輸電線路及母線會在其周圍產生具有不同于交流特性的電場[7]。如圖2所示的輸電導線電壓極性固定，空間帶電運動產生的離子流場與導線電荷產生的靜電場相互疊加耦合，極導線外側場強大，兩極間場強小，地面場強有較大的加強。

圖2 高壓直流輸電線電場分布

直流場作為換流站的一個主要的組成部分，如圖3所示主要由電抗器、避雷器、開關設備、以及各種測量設備組成。相比輸電線路，換流站內直流場中存在多個帶電設備，分布密集，空間場強分布復雜[8-9]。開關場內的管母線支柱、接地刀閘等設施的屏蔽作用，降低了所在區域的直流場強；連接管母線的跳線使周圍合成電場強度有一定的增強。空間場強相互交錯，站內不同位置電場強度不同；帶電設備附近空間場強因帶電離子流的存在，空間場強相互耦合，使得空間場強在水平方向差別較小；在垂直方向上離子流濃度密集以及設備場強相互疊加小，導致空間場強在垂直方向變化大，電場垂直極化嚴重，垂直方向電場強度較大。

2.2 雙軸傳感原理

圖3 換流站直流側簡易示圖

電場和電壓具有同步性，通過場強值的大小可以判斷設備是否存在直流高電壓。在換流站電磁場環境下對直流電場測量，由于電暈產生的離子流場和電荷產生的標稱電場相互耦合，設備密集，空間電場相互疊加，使得傳統電場傳感器探頭測量不能克服帶電設備分布密集時待測設備周圍復雜場強所帶來的干擾。

合成電場具有垂直極化嚴重，空間電場的垂直方向分量大于水平方向分量的特點。因此，通過測量電場的二維分量，比較水平方向電場和垂直方向電場的大小可以最大化地降低被測設備周圍其他帶電體的干擾，能可靠判斷被測設備是否存在直流高電壓。如圖4所示，Ey為垂直方向電場值，Ex為水平方向電場值，當Ey和Ex差值位于y=x上方，即Ey與Ex差值落點在區域1時，可視為被測設備帶電；Ey和Ex差值位于y=x下方時，可視為被測設備不帶電，電場的存在可能由周邊其他帶電設備引起。

圖4 雙軸電場差分圖

針對單軸傳感器不能同步測量水平、垂直方向上的場強大小，需設計一種雙軸結構的電場傳感器。雙軸傳感器由2個面積、材料、厚度均相同的感應探頭組成，2個感應探頭分別安置于傳感器外殼頂端處，作為感應電極與外直流電場作用。采用雙軸結構的傳感器測量范圍大、準確性高，適合復雜電場環境條件下電場的測量。

2.3 傳感器選擇

振動電容傳感器精度高、穩定性好，具有全天候工作能力，比旋轉式傳感器尺寸小，功耗更低。其工作原理是通過交變電容感知電場，利用位于電場中傳感器的電極振動，在傳感器電極上產生交變的電壓信號，此電壓信號反映被測帶設備的電壓[10-11]。

振動電容傳感器原理如圖5所示，在距離振動電極位置d0存在一個虛擬的等效電極，兩電極間形成一個平板電容器。

傳感器電極以振幅Δd作正弦振動，其角頻率為ω，此時兩個電極板之間的距離為

圖5 振動電容傳感器原理圖

則平板電容的電容值為

傳感器電極的電壓為

輸入回路經大電阻接地，對地電壓較小，Vin≈0；傳感器電極Δd≤d0，Vin≤V，得：

式中：ε——空氣介電常數；

S——傳感器電極的面積；

C0——兩個電極距離d0時的電容；

C——傳感器電極與等效電極間的電容；

R——接地電阻；

V——被測直流帶電設備的電壓；

Vin——傳感器電極的電壓；

Iin——傳感器電極的電流。

由上述推導可得，傳感器所得電壓信號與被測帶電設備電壓成正比。因此，測量傳感器電極的電壓信號可用于分析被測帶電體的電壓，采用兩個傳感器組成的雙軸傳感探頭能夠實現直流電場在垂直方向和水平方向上的同步測量，滿足本文系統設計所需的傳感器要求。

3 系統設計與實現

3.1 信號變換電路

雙軸電容傳感器同時采集產生的兩組交變電信號，信號變換與處理系統分別對所產生的兩組電場信號的交流量進行處理。信號變換與處理電路如圖6所示，將單向感應電極產生的感應電流Iin輸入I/V變換電路，轉化為同頻變化的電壓信號，將其輸入到電壓跟隨器，經信號預處理電路二級放大、全波變換、高低通濾波后輸出除去干擾量的可測信號，并對兩路信號做進一步的雙通道數據處理，最后進入A/D采集所需信號的值。

圖6 信號變換與處理電路

圖7 最小系統硬件電路

3.2 主控制器及外圍電路

系統控制電路主控制器采用STM32系列高性能ARM內核32位微控制器，選用STM32L152RBT6型號芯片，可通過串口與GPRS模塊進行通信，具有工業級溫度范圍[12-13]。該系列芯片內核是專門設計用于滿足集高性能、低功耗，具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求，可滿足直流驗電系統設計所需的功耗低、穩定性強的要求。主控制器集中處理雙軸傳感器信號，控制聲光報警模塊發出是否帶電預警信號，并通過短信的形式將驗電信息發送到指定設備中。直流驗電系統主控制器最小系統硬件電路如圖7所示。

3.3 GPRS無線傳輸設計

考慮直流驗電系統使用環境的復雜多變性，需要把驗電信息快速、準確地傳輸給運檢人員[14]。通過無線傳輸方式的優缺分析，采用獨立的GPRS無線傳輸方式，具有“一對一”和“一對多”的傳輸模型，同時其獨立于網內無線傳輸的方式增強了驗電信號傳輸的安全性和可靠性。優化硬件電路排版和外部屏蔽的設計，減少了可能存在的電磁干擾影響。裝置中GPRS模塊由兩部分構成：SIM900A通信模塊及SIM卡。GPRS通信模塊如圖8所示。

圖8 GPRS通信模塊

3.4 系統軟件設計

當初始化完成后，系統主程序進入自檢，開始檢測后采集系統通過雙軸傳感器采集電場信號，中央處理器接收垂直與水平方向上對應電場的電平信號并進行比較處理，主程序調用子程序控制聲光報警模塊與GPRS無線通信模塊運行，聲光報警模塊發出是否帶電警示，帶電狀態信號以短信形式經GPRS無線模塊傳輸至接收終端中。圖9所示為主程序流程圖。

圖9 主程序流程圖

4 結束語

1）針對高電壓直流設備驗電問題，設計了一種基于雙軸傳感的直流驗電系統。在電場信號采集方面利用雙軸傳感原理擴大了系統的測量范圍，實現了復雜電場環境下直流電場信息的采集，降低換流站中直流場中密集設備對待測帶電體的干擾，提高了驗電結果的準確性，為減少誤判事故的發生提供了保障。

2）GPRS無線傳輸系統實現了驗電數據的可靠傳輸，解決了傳統總線系統的布線工作繁重、強電磁環境中抗干擾能力的問題，具有適用性強，實時性好，數據傳輸穩定、安全等優點。

3）系統采用高精度、低功耗電容傳感器，以32位低功耗、高性能ARM微控制器為核心的控制系統，增強了系統運行的續航能力，具有良好的應用前景。

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（編輯：商丹丹）

Design of DC electroscope system based on biaxial sensor

TAN Yumiao1，CHEN Xin’gang1，2，GU Liang1，2，YANG Dingkun1，MA Jun1，TAN Hao1
（1.Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China；2.Chongqing Engineering Research Center of Energy Internet，Chongqing 400054，China）

In order to realize the reliability of electroscope of high voltage direct current(HVDC) equipment in the complex electromagnetic environment，a direct current(DC)electroscope system based on biaxial sensing is proposed and designed.By analyzing the electric field characteristics of the HVDC transmission line and the DC side of the valve hall of the converter station，combining with the biaxial sensing mechanism，the structure of the probe of the vibration capacitance sensor was designed and the measuring range of the system was expanded.With the electroscope system with a 32-bit low-power and high-performance ARM micro-controller as the core，electric field signal can be

by the dual-axis synchronous acquisition in the complex electromagnetic environment.The GPRS wireless module is used for reliable transmission of electroscope results，reducing the interference of dense equipment in DC field in converter station on measuring system. The implementation of the system can accurately detect the charged state of DC equipment，timely alarm，with features such as wireless transmission，strong anti-interference，long using life.

direct current electric field；biaxial sensor；electroscope system；GPRS

A

1674-5124（2017）05-0076-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.05.016

2016-11-18；

2016-12-29

重慶市教委科技計劃項目（KJ1400914）；重慶理工大學研究生創新基金資助項目（YCX2016203）

譚毓苗（1991-），男，重慶市人，碩士研究生，專業方向為電氣設備狀態監測。