泵站输变电设备在线监测与评估系统的设计与实现

陈晓龙，窦立祥，李翔宇，杨泽明

（1.天津水利电力机电研究所，天津 301900；2.天津理工大学自动化学院，天津 300384）

泵站输变电设备在线监测与评估系统的设计与实现

陈晓龙1，窦立祥2，李翔宇2，杨泽明1

（1.天津水利电力机电研究所，天津 301900；2.天津理工大学自动化学院，天津 300384）

针对泵站输变电设备在长期运行过程中因绝缘老化或接触电阻过大而引起的发热和可能存在的电能质量问题。本文设计实现了一种对泵站输变电设备进行电能质量和热点温度在线监测与评估的系统。利用不同的传感器技术的相互融合，实现对泵站输变电设备的高效监测。本系统由数据采集层、数据处理层、数据监测层构成。数据采集层设计了电压和电流采样电路、传感器阵列；数据处理层采用AM3352微处理器对热点温度进行处理分析，采用TMS320F2812实现对电能质量的高速计算功能；数据监测层实现了在线监测与评估的人机交互界面。经运行测试，该系统的设计可以满足对泵站输变电设备的发展要求。

输变电设备；电能质量；热点温度

0 引言

随着芯片的不断集成，材料的不断更新以及计算机技术、通信技术的不断发展，使新型传感器技术得到了广泛应用[1]。将其应用于变电站自动化系统，从而产生了基于新技术的新应用装置，比如对采样数据精度要求十分严格的继电保护和故障信息子站系统、新型数字故障录波监测装置等。而对于泵站中输变电设备热点温度和电能质量监测是实现泵站输变电设备状态运行检修的重要技术手段。通过将通信技术、传感器技术、计算机技术等相结合，实现了泵站输变电设备运行状态的监测与评估。不断建设和推广泵站输变电设备运行状态的监测与评估工作，对提升电网智能化水平和输变电设备状态运行管理具有重要的意义[2-5]。

针对泵站输变电设备运行状态监测与评估系统搭建总体框架，本系统分为三层，即数据采集层、数据处理层、数据监测层。如图1所示。

1 数据采集原理

图1 系统结构图

数据采集层采用SAW传感器和红外测温模块对泵站中输变电设备的温度进行采集，采用电网信号采集器对电压和电流进行采集。其中SAW传感器采集输变电设备易热点处的温度，红外测温模块采集输变电设备的表面温度，它们分别将采集到的温度信号传给温度采集器，转换为相应的数字信号。电网信号采集器采集三相及零序电压和电流的8路信号。

系统传感阵列由SAW传感器和红外测温模块构成，针对不同的设备不同安全等级要求，搭配相应的传感器阵列实时测量设备的运行温度信息，通过无线发射器将采集的信号发送采集器，从而把温度信号传送至控制器。

SAW传感器（图2）基于压电原理进行工作，通过频率的变化从而反映出压电基片的热胀冷缩效应，从而把温度信号进行调制处理，最后采集器对该温度信号进行接收再处理。

图2 SAW传感器

SAW传感器将直接安装在断路器、开关、电力电缆、避雷器、母线表面，首先，温度通过铜固定件把热量快速传送给温度传感芯片，从而完成对温度信号的获取。之后，在SAW晶体内部对温度信号进行信号处理。最后把载有温度信息的信号返回给采集器。

图3所示，为MLX90614测温模块。该测温模块通过对物体自身所存在红外辐射能量的大小进行测量，从而确定所测物体的表面温度。该模块在出厂前已完成校验，因此可以直接使用，将误差减到最小。81101热电元件是该模块的红外感应部分，在理想情况下热电元件的输出电压为：

其中To是被测物体的实际温度，Ta是传感器自身的温度，A是热电元件的灵敏度常数。

81101热电元件内置的热电偶用于对被测物体的实际温度和传感器的自身温度进行测量，并将两路温度信号进行模数转换处理，经过温度采集器和双核控制系统中的DSP计算处理从而得到输出。

图3 红外测温模块

变压器、电压互感器、电流互感器、并联电容器、串联电抗器、套管采用MLX90614测温模块。实时采集运行设备的温度。通过ADC采集电路，将采集到的各温度信息返回给ARM处理器，ARM处理器再将其他温度和电能量信息重新整合编码，通过串口将所有信息发送给上位监控与评估系统。

2 硬件电路设计

电流采样电路的设计，如图4所示。

图4 电流采样电路

电流互感器由两级组成，第一级互感器变比为4 A：1 A，第二级互感器采用TA1015-1,其变比为5 A:5 mA，也就是1 000:1，两级总共的互感器比例为4 000:1。当电流互感器一次侧的电流为4 A的时候，由第一级互感器变比可知二次侧的电流为1 A。同理可以知道二级互感器的二次侧电流大小为1 mA。如图所示，通过在互感器二次侧并联一个1 kΩ的电阻，便可以将一次侧的4 A的强电流信号变换为二次侧的弱电压信号。其公式为:

其峰值为：

因此，电流互感器二次侧输出的电压范围在-1.414 V～+1.414 V之间，即一次回路里的220 V的工频交流便被线性转化为-1.414 V～+1.414 V之间的直流信号。

转化后的信号经过信号电路处理，再将处理后的信号传给数据处理层的DSP。其中信号电路由3级构成，依次为偏置放大环节、有源滤波环节、跟随环节。该信号电路的设计目的在于将交流信号转换为直流信号，并滤除其中的干扰信号，提高其抗干扰能力。

图5 电压采样电路

电压互感器选择为TV1013-1H，其变比为2 mA:2 mA，也就是变比为2 000:2 000，本文设计的电压采集电路用于采集220 V的相电压，在电压互感器一次侧串联一个200 kΩ的电阻，再在二次侧并联一个330 Ω的电阻，便可以采集到满足要求的信号，其计算公式如下：

一次侧电流大小为:

因为该电压互感器的变比为2 000:2 000，所以二次侧的电流大小与一次侧的电流大小相同，即

1.1 mA。而二次侧的输出电压为:

3 电能质量数据的DSP算法实现

数据处理层基于ARM和DSP的双核采集控制系统[6-7]，如图6所示。其中AM3352主要用于对运行温度进行处理分析，TMS320F2812主要用于电能质量的采集与高速计算，如图7所示。

图6 ARM与DSP的双核采集控制系统

图7 电能质量计算流程图

（1）电路基本参数的测量原理

（2）信号处理模块说明

1）有功功率计量

各项的有功功率是把电流、电压信号进行去直流分量后，再经过乘法、加法、数字滤波等数字信号处理后得到。

2）无功功率计量

无功功率计量算法与有功类似，只是将电压信号移相90°。其中数字移相滤波器的带宽设置直接影响测量带宽。

3）视在功率、功率因数、相角测量

通过已经计算出的有功功率和无功功率，再进行开方、除法等运算从而得到相应的参数。

4）有效值测量

将电流和电压的采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算处理，从而得到有效值。误差小于0.5%。

5）能量计算

通过求取功率信号在时间上的积分从而得到能量值。

4 数据监测与评估

通过MAX485芯片转换模块实现温度测量信号的实时采集，采集的数据通过串口通信发送至上位机，上位机采用VB 6.0进行人机交互界面设计,通过向下位机发送控制命令和接收下位机上传的数据并实行人机交互，实现对数据进行分析和处理，实时显示曲线绘制、文件存储和参数设置等操作。由于上位机和下位机串口的工作电平不相同，它们间通过MAX485芯片实现电平转换功能。

ARM和DSP的双核采集控制系统通过RS485串口通讯技术，将数据处理结果发送给泵站输变电设备运行状态评估与分析的上位机，操作人员通过上位监控系统对运行状态进行评估与分析。上位监控与评估界面如图8，图9所示。

5 结论

本文介绍了以DSP和ARM为核心的双核控制器的三相交流电能和温度信号的采集应用方法。通过对硬件电路的设计和软件的编程，完成了对电网电压和电流的采集和不同运行设备的温度采集，对采集的电压和电流信号进行了数据处理，以DSP和ARM为核心的双核控制器通过RS485将电能数据和温度数据传送到上位机，上位机利用VB6.0软件实现电能数据和温度数据的读取，同时具有温度上下限设定与报警功能。通过实际测试结果表明，该测控软件界面友好、操作简单方便、易维护，同时，数据传输速度较快且较稳定，能够实时对模拟信号进行采集和监控，具有较高的可靠性，并且系统设计方案可以扩展应用于对其他非电学信号如压力、湿度、位移等的采集与控制，具有较好的应用前景。

图8 温度采集监控界面

图9 电能量采集监控界面

[1]鲍丙豪.传感器手册[M].北京:化学工业出版社，2008.

[2]邹健明.在线监测技术在电网中的应用[J].高电压技术，2007，33 (8)：203-206.

[3]孙才新.输变电设备在线监测与诊断技术现状和前景[J].中国电力，2005，38(2)：1-7.

[4]王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].北京:清华大学出版社，2006．

[5]朱德恒，严 璋.电气设备状态监测与故障诊断技术[M].北京:中国电力出版社，2009.

[6]陈 阳，徐晓光，陈跃东.基于嵌入式系统的电能采集终端设计与实现[J].重庆理工大学学报，2011，25(3):97-101.

[7]李全利，王振春.一种基于DSP的三相交流采样技术[J].自动化技术与应用，2008，27(12):85-89.

TM77

：A

：1672-5387（2017）03-0017-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.005

2016-07-18

中国水利水电科学研究院科研技术委托项目。

陈晓龙（1976-），男，工程师，从事电力设备检测与试验、电气产品开发与推广等工作。