乔军 罗磊 莫青 唐宇婷 雷宇鹏 彭彦军 唐林峰 秦世旭
广西桂林兴安供电局 广西兴安 541399
摘要：介绍一个基于PowerPC+DSP的电压应急监测装置，详细说明了设计原理、硬件构成、以及软件设计方法。该装置的外形，小巧轻便、安装简单、检测方便，满足10k系统因电压互感器故障等因，失去绝缘监测功能，即时监测线路绝缘状况，避免10kV线路接地不能及时发现造成人身伤亡事故发生。结合以太网技术及上位机软件，可实现数据信息的远传功能，满足配电智能化、网络化发展的需求。
关键词：10kV系统；互感器；绝缘监测；应急装置
前言
国内电力系统变电站10kV母线采用单母线断路器分段或单母线接线方式 ,10kV系统绝缘状况由安装在母线中的电压互感器监测，母线电压互感器在运行中会出现各种异常运行或故障等情况。系统正常运行时无零序电压或者有很小值,当10kV系统发生接地故障时，互感器开口端产生零序电压，大于告警值时经延时启动告警及时发现系统绝缘状况。运行中互感器发生故障停运等情况，如果二次电压不能并列，此时10kV系统失去了绝缘监测，如果线路接地不能及时发现，存在人身伤亡安全事故风险。
一、10kV系统运行及电压异常情况
1、因雷雨等恶劣天气以及线路设备故障、树障等原因,10kV系统发生单相接地故障，此时电压互感器保护开口端出现零序电压并发出告警信号，调度会采取措施查找并停运接地故障线路，此时10k绝缘监测功能正常。
2、运行中母线电压互感器故障或停电检修时，应在母联开关在运行状态情况下将对应二次电压并列，然后将电压互感器转冷备用或检修状态。若因某种原因不能实现二次电压并列(如母联开关检修、电压并列装置故障等,则应根据调度命令将失去电压后可能误动的保护及自动装置退出，此时10kV系统失去了绝缘监测功能。
3、电压互感器受外部或内部过电压影响，互感器高压回路熔断器熔断，一次回路非全相断线时，会出现断线相电压指示为零，其余电压正常或偏低，并发出PT断线和出现接地信号； 10kV系统失去了绝缘监测功能。
4、运行中母线电压互感器故障或停电检修时，或两段母线电压互感器高压熔断器熔断，运行或检修人员赶往现场及处理，需时较长，此时10kV系统失去了绝缘监测功能，风险较大。
二、研制设想
为了防止变电站10kV系统在运行中，电压互感器故障、检修，电压并列装置故障等原因，失去绝缘监测功能，线路接地不能及时发现造成人身伤亡事故发生，开展研制本装置。
1.技术特点
1)．低功耗：本装置采用低消耗的微处理芯片，最大功耗小于10W。
2)．高精度：电压采样精度误差0.5%，完全满足设备的运行要求。
3)．较强的环境适应性：在温度-40~70℃的环境下可长期稳定工作。
4)．抗干扰能力强：EMC IV级环境下，稳定工作。
5). 宽电压范围： PT额定二次值设定为200V、100V、10V三档，保证各档电压精度。
2.系统结构
电压应急监测装置采用4U高度，19英寸半层标准机箱。机箱采用整体面板及大背板结构。
背板出线分上、下层布置，上层为箱体内部出线的弱电回路，下层为模拟量输入、开关量输入、信号触点、出口跳闸触点、直流电源等强电回路。保护插件采用贴装工艺，集DSP系统、模数转换、开入开出等于一体。开关量的输入输出采用高可靠性的光电隔离器件。这些措施提高了装置的可靠性，增强了装置的抗干扰能力。装置的安装方式为嵌入式安装；结构型式为组合插件式结构；接线方式为后接线方式
2.1 中央处理单元。中央处理单元采用高性能CPU，丰富的片内资源：16 位ADC，具有 256M RAM，16M FLASH。
2.2电源。电源输入电压范围85VAC~265VAC，输入频率45~60Hz，输出电压稳定、故障率小，具有过压，过流保护。该电源模块经实际现场使用，具有很高的稳定性、可靠性和抗干扰能力。
2.3 数据采集和运算。采用16位高精度AD7606芯片，误差小于0.5%。
2.4 人机界面。高分辨率大液晶。
2.5 通讯接口模块。通讯采用通用的RS485通讯接口，以太网接口。
2.6 模拟量输入。外部电流及电压输入经隔离互感器隔离变换后，由低通滤波器输入至模数变换器，CPU经采样数字处理。Ua1、Ub1、Uc1为10V电压档，Ua2、Ub2、Uc2为100V电压档，Ua3、Ub3、Uc3为200V电压档。本装置自产，用于零序电压报警判断和零序电压测量。
3.实现功能及原理
3.1 本设计的主要目的就是采用CPU来实现对传感器电压的采集和处理，既可在现场通过电压表监测线路电压，也可以通过数字式电压监测装置监测电压，满足10k系统因电压互感器故障等原因，失去绝缘监测功能。即时监测线路绝缘状况，避免10kV线路地不能及时发现造成人身伤亡事故发生。
3.2装置接入中置柜电缆室电容式传感器采集电压为相电压，电压表显示A、B、C三相电压。当线路发生接地时，电容式传感器采集接地相电压为零或降低，电压表显示接地相为零或低于相电压，另两相电压升高，通过模拟量输入模块，采集电压变换后输入CPU模块，经计算后传输告警信息至后台。
3.3 装置接地故障判据：当装置检测到零序电压大于SET1*Un且负序电压小于SET2*Un 或者最大相电压大于SET3*Un，报接地告警,其中SET1、SET2、SET3可整定。
4、软件设计方法
系统软件设计包括以下四个部分：主程序、测量模块、显示模块及通讯模块。主程序完成上电或复位初始化，复位看门狗，任务调度等功能。
程序初始化包括CPU的I/O口初始状态、SPI、各种定时器、时钟的配置、RAM的初始化、各种信息的引导。
任务调度主要分为4个任务，任务1：电压采集，采集传感器电压，对通过傅氏算法计算电压有效值。装置可以接入9个电压；
任务2：运算和接地逻辑判断，通过装置内部运算，合成零序电压、负序电压，根据零序负序电压的大小，判断是否发生接地故障。
任务3：通讯任务，系统通讯采用标准Modbus-RTU规约或者IEC103规约，便于上位机管理软件设计，组网使用，实现对供配电系统的绝缘检测。
任务4：液晶显示。LCD模块采用内部通信方式与CPU模块进行数据交换，通过操作按键对装置进行查看和修改数据。
事件标志主要有：接地故障上送、接地故障告警。
中断主要有：定时器中断1数据采集，定时器中断2 逻辑运算，定时器中断3通讯中断数据接收和发送。
5、结语
通过开展研制10kV系统电压应急监测装置，具有多种功能，即可在现场通过电压表监测线路电压，也可以通过数字是电压监测装置监测电压(数字电压采集装置可升级安装中置柜),该装置具有重量轻操作简单、便于携带等特点，满足10k系统因电压互感器故障等因，失去绝缘监测功能，即时监测线路绝缘状况，避免10kV线路地不能及时发现造成人身伤亡事故发生。
作者简介：
乔军（1964）,男，汉，甘肃泾川人，高级工程师， 大专学历，从事电力设备检修与维修技术管理工作；
罗磊（1983），男，汉，广西上林人，工程师，本科学历，从事电力设备管理工作；
莫青（1973），男，广西荔浦人，工程师，本科学历，事电力设备检修与维修技术管理工作；
唐宇婷（1988），女，广西兴安人，本科学历，从事电力营销与维修工作；
雷宇鹏（1992），男，湖南益阳人，工程师，本科学历，从事电力设备管理工作；
彭彦军1981）,男，汉，甘肃庆阳人，高级工程师， 本科学历，从事电力设备检修与维修技术管理工作；
唐林峰（1977），男，广西兴安人，变电检修技师，大专学历，从事电力设备检修工作；
秦世旭（1976），男，广西兴安人，本科学历，从事电力设备检修工作；