嵌入式中性点接地电阻监测系统的设计与实现

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来源: | 作者: | 发布时间: 2021-03-03 | 216 次浏览 | 分享到:

　　国网江西省电力科学研究院周友武周求宽林福海康琛

　　武汉理工大学何韬吴细秀张科杰

　　1 引言

　　中性点经小电阻接地系统，若发生间歇性电弧接地故障时，单相接地故障不能有效清除，电阻长期有电流通过，造成接地电阻发热，严重时会烧毁[1]，电阻损坏后，配网发展成不接地系统，若此时发生弧光接地，产生的过电压将对整个电网造成极大危害[2-3]。为了减小中性点低电阻接地配电网因高阻接地和间歇性电弧接地对电网损害，及早发现接地电阻故障，实时监测接地电阻工况非常必要[4]。本文设计了一款功能全面，稳定可靠的中性点经小电阻接地系统接地电阻的监测系统。

　　2 系统总体结构及设计目标

　　2.1 中性点经小电阻接地系故障特征

　　中性点经小电阻接地系统中故障类型有两类：一是接地电网系统的接地短路故障；二是电阻自身故障。接地故障主要包括单相接地故障和两相接地故障，发生接地短路故障时流过中性点的电流由零突增，故障相电压减少[5-7]。单相接地故障短路电流在800A～1200A范围内变化，两相接地故障短路电流则在3000A～6500A范围内变化，并且接地故障时故障相电压下降一般在50%以上[8]；电阻自身故障主要包括电阻烧损、熔焊和电阻掉线。当电阻发生烧损和熔焊故障时，阻值骤降；当电阻发生掉线故障时，接地电阻两端会出现无电压、无电流现象。

　　2.2 系统设计目标

　　根据对中性点经小电阻接地系统故障特征分析可知，要准确判断故障类型需对接地电阻两端电压、流过接地电阻电流及电阻温度进行监测。故本系统的总体设计目标为：

　　（1）准确判断故障类型。本设计中通过实时监测接地电阻电压、电流和温度的变化对故障进行判断。具体做法如下：根据接地电网的特点，系统预先设置某一电阻值作为参考值，将监测到的实时电阻值与设定的电阻值进行比较，根据比较结果判断故障类型。

　　（2）具有故障录波功能。为方便电站工作人员了解系统运行情况，需将故障发生特征记录下来，即记录每次发生故障前2s和故障后8s的电流、电压及温度数据。系统采用10kHz的采样频率，要求下位机连续保存一星期的数据且可及时查看故障数据，因要满足存储大量数据和及时方便调用存储数据的设计要求，故采用SD卡存储方式，通过U盘拷贝或串口通

　　信的方式将数据传送到电站监控室。

　　（3）故障及时报警。在发生故障时，监测器能及时将故障信息通过GSM或RS485总线传送给工作人员或监测主站，并有现场蜂鸣器报警，当故障较严重时，在允许的情况下可以启动继电器断开相应的电路。

　　2.3 系统总体结构

　　图1是中性点接地电阻监测系统框图，根据系统框架可分为两部分：前端信号处理采集和后端数据处理。本系统中在电阻两端加装高压CT、PT将故障电流电压处理后进行调理采集，采用红外传感器测量电阻柜电阻温升情况。根据电阻柜材料特性（不锈钢在10s内温度不能超过760℃）和电阻柜的安装环境，本系统设计的温度测量范围为：-20℃～1000℃。

　　3 系统硬件设计

　　中性点接地电阻监测系统的CPU选择ARM的Cortex-M3系列32位的RISC内核的STM32F103VET6，显示选用集成工控屏是带有嵌入式系统的触摸屏，可独立运行不需要另外的主机。根据系统硬件设计功能可将本系统划分为：前端处理电路，信号采集处理电路，存储电路，通讯报警电路，液晶显示等[9]。前端处理电路主要完成高压PT二次端输出电压的比例变小和CT二次侧输出电流转电压功能；信号采集处理电路主要完成信号的波形滤波和波形抬升等处理，处理后送给A/D采集[10]；数据采集直接采用ARM自带的12位AD进行采集，采样精度已经完全满足系统的需要。存储电路主要完成采集的数据的保存和USB数据拷贝等功能；通讯报警电路主要包括与上位机通讯和报警电路，报警电路主要包括蜂鸣器报警和GSM报警；液晶显示部分主要用于检测系统显示电阻状态，参数设置，数据查看和拷贝等功能。

　　3.1 信号采集前端处理电路的设计

　　图2为电流信号采集前端处理电路示意图。

　　电流转电压使用电压输出型电流变换器TA1322B，额定输入电流1A，额定输出电压有效值0.3535V即峰值0.5V，最大线性转化电流10A。TA1322B输出信号经过分压处理，将输出电压限制在0V～1.5V范围内。ACT45B-510为感性共模干扰抑制器，对信号进行共模滤波处理。具体调理电路图如图3所示，经过传感器的电流信号转换成电压信号，然后通过滤波、放大及电压抬升后输入到ARM的A/D采集口。

　　温度测量使用红外传感器，红外传感器的输出信号为直流信号，额定输出为直流0V～5 V。采集的温度信号先进行共模滤波处理，然后通过电阻分压限制0V～3V内，可以直接送给ARM自带A/D采集。经过前端处理的电流、电压、温度信号经过信号采集处理电路处理后可以直接送给ARM自带A/D采集。

　　3.2 监测系统通讯电路与存储电路的设计

　　中性点接地电阻监测系统使用以太网和RS232接口通讯和传送数据。以太网负接口责与上位机通讯，RS232接口负责与GSM通讯。以太网接口采用芯片ENC28J60，采用标准SPI接口通讯。ENC28J60内置10Mbps以太网物理器件PHY及媒体访问控制器MAC，较高的输入输出速度和可靠性。串口使用双串口芯片MAX202，串口1负责与GSM通讯，串口2为备用。GSM选用市场常见的支持二次开发的西门子TC35i模块，能提供标准的UART串口，支持GSM07.05支持的AT指令集。系统通讯电路示意图如图3所示。

　　中性点接地电阻监测系统存储电路设计了SD接口和USB接口。SD接口采用6线SD卡方式，电路设计如下图，SD卡存储故障电流、电压、温度、时间及故障事件等数据。USB接口设计直接采用STM32内部集成的USB，用于将SD卡中数据，拷贝到U盘，支持各种U盘。系统SD卡连接示意图如图4所示。

　　3.3 显示电路的设计

　　中性点接地电阻监测系统显示单元选用了集成的工控屏，主要用于显示电阻状态，参数设置，数据查看和拷贝等功能。工控屏是带有嵌入式系统的触摸屏，界面友好，可独立运行。系统显示驱动电路如图5所示。

　　4 系统软件设计

　　4.1 软件功能设计

　　软件操作系统采用μC/OS-II系统，监测系统软件系统分为5个任务，按照优先级从高到低有：数据处理任务、数据存储及操作任务、液晶屏显示任务、报警任务、以太网通讯任务。

　　（1）数据处理。数据处理是从AD中断中将采集的数据取出装入数组并计算出瞬时电阻值，通过与设定的参考电阻比较判断出电阻工况。若判断存在故障则启动故障事件记录，故障判断类型主要有大电流故障、小电流故障、电阻短路故障、电阻断线故障、电阻温度故障、电阻阻值变化故障等。理论上在系统正常工作情况下和电阻断线是流过电阻的电流都为零，实际运行中系统正常工作中会有较小的电流流过电阻，通过系统是否能监测到这部分小电流来判断系统是正常工作还是电阻断线故障。

　　（2）数据存储及操作。数据存储以文件形式将故障信息存储，可供实时查询。数据存储及操作存在3种模式：正常模式，操作模式，数据传送模式。正常模式下当系统监测到故障时，任务将采集的数据组存入SD卡，在故障标志创建后，将此刻前2s及后8s的数据以文件格式保存；操作模式是指使用液晶屏对查看SD卡文件，删除文件，格式化SD卡等操作，在检测到SD卡内存小于256M时，就自动删除时间点最前面的数据，直到SD卡内存大于256M。

　　（3）液晶屏显示。具有显示内容，翻页和查找功能。显示采集的电压、电流、温度值、系统状态、故障事件、SD卡存储的文件及操作选项等；具有翻页对系统参数进行设置和修改的功能。

　　（4）报警。当数据处理程序中判断出故障情况时，监测系统启动蜂鸣器报警，并通过GSM将故障数据传送给工作人员。监测系统采用RS232接口与GSM通讯，通过短信将故障信息发送给工作人员，使工作人员及时获取接地电阻工况。当故障情况较严重时，可以启动继电器接口，断开相应的回路避免故障扩大。

　　（5）通讯。实现监测系统与上位机之间进行通讯。中性点接地电阻监测系统采用以太网与上位机通讯，监测系统只通过接收上位机的指令做出相应的动作。发送的指令类型一共有三种：实时值数据指令、传送文件目录指令、传送文件指令。

　　为了有效地管理SD卡的内存，这里使用常用的FatFs文件系统。FatFs是一个针对小型嵌入式应用的通用文件系统，完全兼容ANSIC并且与磁盘I/O层分离，是一个完全独立于具体硬件架构的文件系统，不用任何更改就可以方便的应用于廉价的微控制器系统中。资源文件中也包含有范例驱动。

　　4.2 数据处理流程图

　　监测系统数据处理流程如图6所示。数据采集采用启动突变量和稳态数据判断。当检测出故障时，系统建立故障事件标志，并启动故障录波，故障录波文件以故障发生时间命名；故障结束后，监测系统清除故障标志，将故障事件信息保存到EVENT命名的文件中。

　　4.3 故障判断

　　监测系统主要是用于判断过流、过压、电阻过热及温升过快的一些故障特征，程序中故障判断方法采用电压、电流有效值和峰值与设定值不断比较，当超过设定值时开启故障判断程序，然后确定是哪一种故障。

　　4.4 显示与打印

　　上位机采用VC编写，界面如图7所示，可以实时显示中性点接地电阻监测系统状态；发生故障后工作人员可以通过以太网接口传送故障文件等信息至上位机，也可以直接去现场拷贝；使用上位机可以查看上述文件的详细情况，通过故障波形可以查看故障的波形变化及发展过程，可以有效的分辨出间歇性电弧接地故障，高阻接地等小电流的情况，有效的避免电阻烧毁事故；上位机还可以直接输出打印波形或故障事件。

　　5 系统测试分析

　　可靠性和稳定性是系统应用重要的两个方面。该中性点监测装置设计完毕后在某电力配件有限公司进行了样机测试，人为产生短路、电阻断线等故障以检验样机能否有效的发现和识别故障。测试结果表明，样机稳定性较高，样机信号采集数据的误差可以控制在5%以内，故障报警和故障记录都具有较高的可靠性。可以满足中性点接地电阻监测及保护等功能，有较好的实用性。图8为中性点接地电阻监测系统实物内部图和主界面，故障标号为故障的累计次数。故障事件记录了故障发生的时间，故障持续时间，故障时采集的电压、电流、温度最大有效值。故障实际情况与实际测试吻合，记录数据误差能控制在5%以内。

　　该中性点小电阻智能监测系统样机在内蒙古某电厂已经运行近三年，图9为现场测试时样机监测到中性点接地电阻流过的零序电流波形。采集的波形完整，与实际故障波形一致。

　　5 总结

　　根据目前中性点接地电阻的现状，本文设计了一款采用ARM控制、功能全面的中性点经低电阻接地系统监测系统。实际运行结果，该装置具有较好的精度，可靠性，稳定性以及抗干扰能力。本监测系统主要用于中性点电阻接地系统电阻的监测与保护，较市面上的监测装置或成套设备具有故障录波功能、GSM报警和继电器保护、电阻和配网电流故障判断功能，有较好的实用性。