基于单片机控制的地震台站交流电保护系统的研发

王党席，韩晓飞，杨小林

（陕西省地震局，陕西 西安710068）

0 引 言

随着社会经济的发展，人们对地震行业提出更高的要求。为了提高地震监测能力，增加地震速报的准确性，为地震科研积累更多的第一手数据资料，地震局增加了一大批无人值守的地震台站。这些地震台站基本分布在偏僻地区，当地的交流电使用极其不规范，大功率电器随意接入电网，很多地方的电力线年久失修，造成电网电压波动、频繁跳闸，影响了监测质量。为此研发了一种交流电保护系统，这套系统既有自识别自恢复功能，也有远程监控和操作功能。该系统的投入使用将大幅度提高交流电的稳定性，增加交流电的不间断供给时间。

1 系统设计

本系统分为上位机监控软件和台站的交流电保护装置。远程监控软件可以对台站的交流电状态进行实时监控，包括电流、电压、装置内部的温度以及停电时间等信息。当检测到台站的电流不稳定，波动频繁、干扰大，就可以远程切断交流电，对仪器起到保护作用。现在的地震台站都配有UPS，所以短时间的切断交流电不会造成监测数据的断记。台站的交流电保护装置既要对电网中的参数进行采集，又要对电路进行保护；对电网中的电压和电流进行实时监测，并对环境温度进行检测，主控系统带有键盘和液晶显示，可以查看历史数据。系统定期对线路中的电压、电流、温度进行采集，当检测到电压、电流值在阀值范围以外时，将自动切断交流电，根据程序预先设定的等待时间恢复交流电，再次重新检测、判断。

2 交流电保护装置的软硬件设计与实现

2．1 硬件设计

硬件模块分为主电路和控制电路，如图1。主电路部分采取三级保护，其主要作用是发生雷电或者突发情况能够迅速切断电路，保护后续设备的安全。第一级是防雷模块保护，第二级是热敏电阻保护，第三级是零序电流互感器保护。控制电压量和电流量通过电压传感器和电流传感器进行采集。控制单元部分有单片机的电源模块单元，模拟量采集输入的调理电路、放大电路、驱动单元以及进行数据传输的通信模块单元。

图1 硬件单元模块图

主电路中的第一级模块是防雷保护模块。雷击主要分为直击雷和感应雷，不管是哪种雷电都会产生浪涌电流，对后续设备造成危害。目前我国的配电系统采用TN－C系统，所以在地震台站一定要有良好的PE接地网，这是防雷的首要条件。在防雷保护模块中采用火线L和接地线PE之间安装一个压敏电阻，零线N和PE之间也安装一个压敏电阻，平时这个压敏电阻的阻值很大相当于开路，当火线或者零线中产生高的尖峰电压或大的浪涌电流，压敏电阻导通，电流就顺着PE地线泄流了，起到了保护后续电路的功能。

第二级保护是热敏电阻。它是安装在火线和零线之间的一个电阻，平时阻值很大，一旦出现大电流，线路温度升高，这个电阻就导通。当零火线短路就带动前面的空开跳闸，起到保护线路的目的。

第三级是零序电流互感器。当设备正常运行时，流过火线的全部电流会从零线流回，互感器的进出电流保持平衡，且不变。原边线圈里面的磁通完全消失所以互感器的副边不会产生电流，当有故障或者触电情况发生时，互感器原边中的进出电流就会发生不平衡，那么在副边就会产生一个相应的电流，对这个电流信号进行整流滤波，然后经过运放电路，将其转化为DC5 V以下的电压信号，送到单片机的模拟量接口，单片机对其进行判断可得出线路是否漏电、短路等状态，从而及时控制继电器的开断。

模拟量采集部分对供电线路的电压、电流进行实时采集，对环境温度进行监控。首先将三路物理信号转换为电信号，然后再将这三路电信号通过信号调理电路转换成单片机可以识别的电信号，接入单片机的模数转换电路。采集到的数据在单片机内部进行相应的存储和显示。采用美国模拟器件公司生产的AD590作为温度传感器，流过传感器的电流反映器件所处环境的热力学温度，对其进行线路设计，采取电压输出，然后对输出的电压进行信号放大，直接输入到单片机的模拟量接口上。电压转换电路采取霍尔电压传感器CHV－50P对电压进行采样，此款电压传感器输出端与原边电路是电隔离的，可测量直流、交流和脉动电压或小电流。其磁补偿式测量过载能力强，性能稳定可靠，易于安装。经过霍尔传感器采样得出的信号为交流信号0～±5 V，而系统单片机的A／D输入电平要求为0～5 V，所以需要信号调理电路将其转变为单片机能够识别的电压信号。电流采样和电压类似。单片机对温度、电压、电流等采集量进行分析，与阀值进行比较，超出阀值范围及时关闭供电线路。

由于控制系统不能直接驱动被控元件，这需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流、电压要求。ULN2003高压大电流达林顿晶体管阵列产品就属于这类可控大功率器件。本系统的驱动单元采用ULN2003，它也是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。

本系统选取的单片机是Microchip公司生产的PIC系列40引脚的16F877，此款单片机有高效能的RISC CPU，工作电压范围2．0～5．5 V，带有预分频器的8位和16位定时器／计数器，两个捕捉器，比较器，PWM模块，10位多通道模数转换器，带有SPI和I2C模式的SSP，带有9位地址探测的通用同步异步接收、发送器。为了保证单片机的安全可靠运行，由UPS给单片机供电，单片机对采集到的数据进行分析，如果发现电压或者电流超出设定值的范围，将立即关闭继电器，切断后续电路，保证后续设备的安全。可以根据需要设定自动恢复时间，在设定的时间到后，恢复继电器的工作状态，再进行线路检测、判定和对继电器进行相应的操作。

单片机使用的直流电源，由于某种原因净化不佳，就会对系统产生干扰，所以本系统供电模块采用降压型DC－DC转换技术设计，先将交流电用变压器降压，通过整流电路，滤波电路，取得12 V的直流电，然后将12 V的直流电用降压型电源管理单片集成电路进行处理，得到5 V的直流电。这种供电方法可以提高电路的供电效率，较好地隔离交流电网上的尖峰干扰，降低直流供电产生的纹波电压干扰。

为了远程监控系统工作状态，及时了解系统的运行状况，此系统必须具有远程通信功能。通过远程监控可以对数据采集器死机的故障在线处理。目前的无人值守地震台站绝大多数的通讯方式都采取有线或无线介质，并且已经很成熟，利用路由接入可方便地将数据传回省局台网。

2．2 软件部分的设计

本系统能够完成电压、电流、温度的检测，对漏电流、短路电流进行检测判断，能够在过压、过流、欠压、漏电、短路状态及时关闭供电线路，保证后续用电器的安全。根据设定时间，在定时器时间到后恢复供电线路，继续对上述量进行检测分析，有异常又马上关闭供电线路。继续等待设定时间到，再进行下一轮的工作。每次设定时间根据需要设置，恢复次数也是根据需要进行设定。

本系统的单片机程序设计采用结构化思路，将复杂的问题分阶段进行处理。采用自顶向下的方法进行结构化设计，使得程序结构清晰，层次分明，容易修改。自顶向下的设计方法是根据程序所要完成的功能将程序划分成几个功能模块，再将各个功能模块细分下去，一直到不能再分为止。尽量降低各模块之间的耦合性，这样才能保证一个模块修改时，其它模块不受影响，如图2、图3。

3 结 论

图2 主程序流程图

降低地震台站的交流电故障是本系统设计的主要目的，首先增加防雷模块，构造多级防雷保护，减轻雷电对地震台站的影响。其次通过对电压、电流、温度等数据的采集、分析做到漏电保护、低压保护、过电流保护、过电压保护和短路保护。最后通过对线路的故障检测和判断完成自动合闸。此系统的运行可以有效地降低台站维修的费用，降低台站交流电故障率，提高台站的数据运行效率。

图3 操作程序流程图

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