架空输电线路过电压在线监测系统

叶鹏，朱峰，李建明，杜林

（1.国家电网公司，北京 100031；2.四川电力科学研究院，成都 6100722；3.重庆大学，重庆 400030）

随着电力系统的发展，电压等级不断提高，杆塔的高度也随之增加，因此架空输电线路更容易遭受各种过电压的侵袭，引起设备损坏和造成停电事故[1-2]。在电力系统中尽管安装了避雷器等过电压保护装置，但输电线路过电压事故仍然严重。由于没有适当的输电线路过电压在线监测系统，造成缺乏实际过电压参数，因此难以确定过电压事故的原因是由于过电压的幅值或陡度超过设备的承受能力，或者设备的绝缘水平降低所造成，使得对过电压事故分析判断变得十分困难[3-5]。

因此国内外许多专家学者提出了多种过电压在线监测系统。但总体分为2种结构：集中式结构[6-14]和分布式结构[15-18]。文献[6-14]采用了数据采集卡和工控机的集中式结构，其结构简单，技术成熟，但由于测量系统阻抗难以精确匹配，过电压高频模拟信号经长距离传输，引起信号幅值衰减和波形畸变；同时受计算机插槽数量、地址、中断资源等限制，扩展不够灵活、而且成本较高。文献[15-18]采用分布式结构，即前置智能化过电压在线采集器，采用模块化设计，由各种智能数据采集板构成，完成故障记录、事件记录、电气量的计算等功能，主要由单片机或（DSP）芯片来完成。这种结构通道便于扩展，采用数字信号传输，其稳定性和抗干扰性能好，但运算速度及缺乏网络功能接口对于复杂、多任务并行运行在时间同步、数据传输上已经逐渐不能满足要求；同时软件设计采用传统的前后台设计，不区分操作系统和应用程序，因此软件的复杂度和开发难度较高，可移植性和可靠性都较低。因此本文提出了一种基于嵌入式微处理器（ARM）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）的输电线路过电压在线监测系统。采用高性能的ARM处理器作为系统的MCU，使得数据处理在下位机就能完成，满足控制对实时性的要求；使用复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为扩展芯片，利用其I/O端口多且可以自由编程定义其功能的特点，提高了系统的灵活性；利用无线通信模块与地面工作站进行数据传输；软件平台采用了免费公开源代码的μC/OS实时操作系统，负责过电压在线监测系统各模块的任务调度和管理，具有实时性、稳定性和可靠性好的特点。

1 过电压在线监测系统的总体结构

本系统主要针对输电线路过电压设计，由非接触式的过电压传感器、同轴电缆、嵌入式监控装置和监控主机构成，嵌入式监控装置又由前置电路、采集模块、监控模块、无线通信模块组成，其系统总体结构框图如图1所示。

图1 过电压在线监测系统结构框图Fig.1 Block diagram of the on-line monitoring system for overvoltage

非接触式过电压传感器负责输电线路过电压信号的采集，前置电路对过电压传感器输出信号进行必要的预处理和阈值比较，采集模块负责电网过电压信号的实时高速采集，监控模块负责过电压数据存盘，无线通信模块负责与地面监控主机进行数据传输，后台监控主机负责接收数据并以文件形式存盘，保存于已创建的数据库中。用户可从数据库中方便地提取数据，并观察由程序自动生成的过电压波形及参数值。

2 过电压在线监测系统的硬件设计

2.1 非接触式电压传感器

为了不改变电网本身的结构，传感器与架空输电线路之间应无电气连接。本文所提到的过电压传感器[19]如图2所示：采用文献[19]中所设计的非接触式的过电压传感器，通过输电线路对感应金属板的杂散电容C1和传感器低压臂电容C2组成电容分压器来获取过电压信号，过电压信号从低压电容C2经匹配电阻引出，通过同轴电缆传输到外部的嵌入式监控装置。

图2 非接触式过电压传感器原理图Fig.2 Schematic diagram of the non-contact overvoltage sensor

2.2 前置电路

前置电路由保护电路、信号预处理电路、信号调理电路和整形触发电路四部分组成。考虑到来自过电压传感器的信号幅值较高，采用瞬态抑制管（TVS）作为保护电路。信号通过保护电路后，经电阻分压器，形成分压。电阻分压器由100 Ω无感电阻R1和10 Ω无感电阻R2组成。分压后的信号经阻抗隔离后分成两路：一路通过信号调理电路输入到数据采集通道；另一路进入触发电路，输入到比较逻辑电路，与预先设定的参考电压进行比较，当达到预先设定的参考电压时，便启动数据采集单元进行数据采集。信号调理电路由分压电路、一阶有源低通滤波电路、电压跟随电路、滤波电路组成，分压电路由10 kΩ电阻R3和10 kΩ电阻R4组成；一阶有源低通滤波电路由R5、C1构成低通滤波器，其高频截止频率fH为1 MHz左右，R6、C2构成负反馈电路，R6为1 kΩ的电阻，C2为33 pF的电容，其高频截止频率fH为4.8 MHz左右；电压跟随电路实现阻抗隔离，R7、C3构成负反馈电路，R7为1 kΩ的电阻，C3为33 pF的电容，其高频截止频率fH为4.8 MHz左右；滤波电路采用RC无源低通滤波器，R8为51 Ω的电阻，C4为150 pF的电容，其高频截止频率fH为20 MHz左右。运算放大器选用双运算放大器AD827和单运算放大器LM318。AD827具有50 MHz单位增益带宽，300 V/μs转换速率；LM318具有15 MHz单位增益带宽，70 V/μs转换速率。触发电路由触发电平电路、比较器组成。正极性触发电平由LM336组成的精密稳压电路提供，负极性触发电平由正极性触发电平经反相器提供，从而实现正负参考电平同步调节。比较器采用3片高速双比较器LM319，其响应延迟时间小于80 ns，集电极开路输出允许将三片比较器的输出端直接连接在一起。触发电路主要实现输出信号与预先设定的参考电压进行比较，当输电线路上出现过电压时，能迅速启动采集单元进行采样。由于无法事先确定输电线路过电压的极性，因此触发电路采用了双比较器组成窗口检测电路，实现不同极性过电压的触发判断。只要有任意一相电压超过预先设定的电压阈值，均可以触发采集。对于不同电压等级，其触发电平不一样。

2.3 采集模块

采集模块的硬件结构如图3所示：主要由信号调理电路、模数转换（ADC）电路、RAM以及CPLD控制电路四部分构成。信号调理电路对信号进行二次分压和滤波；模数转换（ADC）芯片采用8位高速转换芯片AD9288，其最高采样速率为100 MSample/s，存储器选用32 k字节，18 bit位宽的静态随机存储器IDT72V275。CPLD控制电路采用可编程逻辑控制器EPM570T144C5作为控制核心芯片，实现时钟/时序控制、触发逻辑控制、A/D采样控制、数据存储、计算机命令译码等功能。CPLD内部时钟模块由外部40MHz晶振提供，CPLD内部将其分频成16档，然后根据CPU的命令进行相应的分频操作产生要求的控制时钟信号。模数转换时钟和RAM写地址发生器时钟均由CPLD内部时钟模块提供。采样的同时，CPLD同步提供RAM的有效地址信号和写信号，将数据存储在RAM中，并且自动递增RAM地址。RAM被设计成一个环形的缓冲区，一旦数据超过最大容量，新数据会覆盖原来的数据，这个过程不断重复，但过电压达到预先设定的触发电平后，CPLD开始计数，计数达到指定值（该值由采集长度和预触发长度决定）后，采集结束。数据通过CPLD由控制模块读出。地址发生器时钟由采样时钟切换成数据读取时钟，数据地址逐渐递增，将RAM中的数据读入监控模块的内存，然后保存到CF卡中。

图3 采集单元硬件结构框图Fig.3 Hardware configuration diagram of the data acquisition module

2.4 监控模块

监控模块主要实现对采集模块的控制、数据读取存储。监控模块选用广州致远电子公司EPC-2601工控板[17]。它是一款基于32位ARM7的工控板，以NXP公司的ARM芯片LPC2377为核心。监控模块主要由ARM最小系统和外扩功能电路构成，ARM最小系统包括CPU、电源电路、复位电路、晶振电路、存储电路以及调试接口等；外扩功能电路包括非易失性存储电路、实时时钟电路、CF卡存储电路、数据采集接口电路和人机接口电路等。扩展电路中采用可编程逻辑控制器EPM570T144C5构成接口电路并实现译码功能。监控模块产生各种控制信号，实现对采集模块的控制；将数据读出，然后存入数据存储器CF卡中；将采集到的数据通过无线通信模块传输给地面监控主机。

3 过电压在线监测系统的软件设计

过电压在线监测系统的软件设计主要包括CPLD控制采集软件设计和ARM监控程序设计两部分。系统上电后自动运行这些程序控制系统工作，各部分软件相互配合，实现整个过电压在线监测系统的所有功能。系统主程序流程图如图4所示。

3.1 CPLD控制采集软件设计

CPLD是采集模块的核心器件，主要实现电网过电压信号的高速实时采集以及同监控模块进行数据交换。在具体的软件实现过程中，将整个系统分为3个功能逻辑模块：计算机接口模块、时钟模块、A/D控制与数据存储控制模块。

3.1.1 计算机总线接口模块

图4 系统软件流程图Fig.4 Flow chart of the software system

系统上电时，监控模块要对采集模块进行初始化操作，当采集模块完成一次数据采集后，监控模块读取对应的采集模块中的数据后并启动采集模块进行下一次采样。监控模块对采集模块的操作共有16种读写命令，计算机总线接口模块主要是对CPU命令进行译码并根据CPU命令决定进行何种操作。接口模块主要由译码电路和参数存储电路组成。

3.1.2 时钟模块

时钟模块是产生A/D采样时钟和RAM写地址发生器的工作时钟信号。时钟模块的输入为外部晶振，其频率为40 MHz，CPLD内部设计了分频电路，将外部的40 M晶振分成16档，最高40 MHz，最低500 Hz，其中分频系数由监控模块决定，每一个分频系数决定了一个分频时钟，CPLD根据CPU的命令进行相应的分频操作产生要求的控制时钟信号。

3.1.3 A/D转换与数据存储控制模块

A/D转换与数据存储控制模块主要有A/D转换控制、RAM读、写地址发生器逻辑电路组成。其中A/D转换时钟和RAM写地址发生器时钟由CPLD内部时钟模块产生，RAM读地址发生器时钟由计算机读数据命令产生，每一个读命令对应一个读地址时钟脉冲。

在进行每点采样的同时，CPLD同步提供RAM有效的地址信号和写信号，把每次的结果直接存到RAM，且自动递增RAM地址。本文中将RAM作为一个环形缓存区，当A/D转换的数据采样点数超过存储器的最大容量，新数据会由零地址起覆盖旧数据，若CPLD没有收到外部触发信号，这个过程是周而复始的。如果CPLD接收到外部触发信号，立即启动其内部一个计数器进行计数，计数达到指定值（该值由采集长度和预触发长度决定）后，停止采样，通知CPU读取数据。

3.2 ARM监控程序设计

ARM监控模块采用EPC-2601工控板，主要功能是对采集模块的参数控制、过电压数据的读取与存储以及同后台监控主机进行通信，它是整个采集单元的管理核心。ARM监控程序结构包括3个层面：设备驱动层、操作系统层以及实际应用层。以ARM芯片为CPU的嵌入式系统，还需要加载启动程序Bootloader。整个过电压监控系统软件结构如图5所示。

图5ARM监控程序软件结构Fig.5 Soft configuration of the ARM monitor program

μC/OS-Ⅱ是一个基于优先级的多任务实时内核，根据功能进行应用程序任务的编写，需要确定各任务的优先等级。本文的在线监测系统中，根据功能将应用程序分为1个主函数、4个中断和5个任务。主函数是整个嵌入式实时操作系统的核心，负责不同任务之间的调度，所有的中断和任务都是在任务调度模块的控制下有序地执行。4个中断分别为：定时中断、I2C串口中断、采集卡数据采集完成中断以及数据收发中断。定时中断产生操作系统的调度时钟，每10 ms中断一次。5个任务分别为系统监控任务、采集控制任务、数据接收处理任务、数据发送处理任务以及时钟管理任务。系统监控任务被赋予最高的优先级，用于对其他任务进行监控，并在程序出现异常时及时做出反应。采集控制任务一直查询采集卡的工作状态，当检测到采集卡完成数据采集后，首先将采集卡控制参数和由采集卡中断服务程序记录的时间信息保存到CF卡中，然后读取采集卡中的数据并保存。数据接收处理任务接收远程主机的命令帧并进行相应的处理。数据发送任务将保存在CF卡中的数据主动或者被动发送给后台监控主机。在主函数中，首先进行ARM目标系统的初始化操作，主要对 LPC2377的I/O端口、串口和定时器的初始化；完成系统硬件初始化后，调用μC/OS-Ⅱ中的初始化函数OSInit（）对μC/OS-Ⅱ中所有的变量和数据结构进行初始化，然后调用任务建立函数OSTASKCreate建立5个任务，最后调用OSStart（）进入多任务调度。主函数程序流程如图6所示。

图6 主函数程序流程图Fig.6 Flow chart of the main function

4 实验研究及结果分析

为了验证架空输电线路过电压采集系统的性能，对过电压系统进行了工频电压和雷电冲击电压实验。试验接线示意图如图7所示，传感器位于导线的正下方，导线长为3.18 m，半径为0.0125 m，感应金属板长宽各为0.4 m的铝板，感应金属板下方串联0.047 μF的电容，电压信号从低压臂电容引出，经50 Ω匹配电阻后由SYV-50-5的同轴电缆接入嵌入式监控装置。

图7 试验接线示意图Fig.7 The experiment wiring schematic

从图8和图9中可以看出，该在线监测系统数据采集功能正常，与监控主机通信速度快，工作稳定可靠，能够满足雷电过电压测量要求。

5 结论

图8 工频交流电压测量波形Fig.8 Power frequency voltage waveform measured by the system

图9 操作冲击测量波形Fig.9 Switching impulse voltage waveform measured by the system

本文针对输电线路过电压，在不增加电网一次设备并且保证系统安全运行的前提下，引入基于ARM高性能处理器和CPLD的嵌入式解决方案，利用可编程逻辑技术，简化了电路板的设计和开发，程序可重复烧写，方便调试和升级；软件设计中移植嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ，增强了监测软件的开发性和灵活性，提高了整个监测系统的实时性和可靠性；在此基础上对应用程序进行规划并实现了各功能程序设计。利用3通道8位高速并行采样，最高采样频率为40 MHz，满足过电压的测量要求；实现对输电线路过电压实时在线监测，直观显示出过电压的波形和幅值等参数。经实验证明：该在线监测系统数据采集功能正常，与监控主机通信速度快，工作稳定可靠，能够满足过电压测量要求。

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