CN104330612B - 一种谐振过电压监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种谐振过电压监测系统及方法。包括主站远程监控计算机和若干就地电压采集终端，就地电压采集终端包括微控制器、用于与主站远程监控计算机进行通信的通信模块、用于采样电压信号的采样芯片、电压变换电路、前端电压互感器和电源电路；所述微控制器通过SPI串行通讯接口连接至所述采样芯片，并经该采样芯片及电压变换电路与所述前端电压互感器连接，所述微控制器还通过USART串行通讯接口与所述通信模块连接；所述电源电路包括依次连接的滤波模块、降压模块、整流模块和稳压模块。本发明提高了自动化水平，为工作人员分析数据提供了良好的基础，保证了设备的安全稳定的运行，该系统的研制具有很强的现实意义和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种谐振过电压监测系统及方法。
背景技术
在配电网小电流接地系统中，电压互感器的铁磁谐振是一个常见的故障。当产生某种冲击扰动时，所产生的暂态冲击过程会在PT和三相导线对地电容间激发起铁磁谐振现象，造成系统过电压和PT过电流。目前，为了抑制铁磁谐振，都是通过监视并采集PT二次侧的电压，在配电主站中对波形进行判断识别，最后通过串入阻尼电阻进行消谐。
目前市场上可供选择的监视PT谐振过电压的终端很少见，并且其所采用的单片机处理速度不够快，采样速率较低，功能单一，不易于监视装置功能的扩展，同样也不适合用以实现复杂的算法，难以满足配电网自动化建设发展的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能及时报警并上传数据，减少了工作量，提高了自动化水平，为工作人员分析数据提供了良好的基础，保证了设备的安全稳定的运行，该系统的研制具有很强的现实意义和实用价值的谐振过电压监测系统及方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种谐振过电压监测系统，包括主站远程监控计算机和若干就地电压采集终端，所示就地电压采集终端包括微控制器、用于与主站远程监控计算机进行通信的通信模块、用于采样电压信号的采样芯片、电压变换电路、设置于10kV或35kV母线上的前端电压互感器和用于为整个装置供电的电源电路；所述微控制器通过SPI串行通讯接口连接至所述采样芯片，并经该采样芯片及电压变换电路与所述前端电压互感器连接，所述微控制器还通过USART串行通讯接口与所述通信模块连接；所述电源电路包括依次连接的滤波模块、降压模块、整流模块和稳压模块，所述滤波模块的输入端连接至220V交流电源。
在本发明实施例中，所述微控制器采用STM32F407VGT6芯片。
在本发明实施例中，所述电压变换电路包括一闭环霍尔电压传感器，该闭环霍尔电压传感器采用HCV-10E。
在本发明实施例中，所述采样芯片采用AD7606。
在本发明实施例中，所述通信模块为GPRS模块，该GPRS模块采用ME3000 V2。
在本发明实施例中，所述稳压模块采用两路稳压芯片LM2596，用于将所述整流模块输出的直流电压转为5V和用于为GPRS供电的4.2V直流电压输出，其中，5V直流电压分别经开关电源和3.3V稳压芯片转换为12V和3.3V电压。
本发明还提供了一种采用上述所述谐振过电压监测系统的谐振过电压监测方法，包括如下步骤，
步骤S1：就地电压采集终端的前端电压互感器采样母线上的电压信号，并经电压转换电路转换后传输至所述采样芯片；
步骤S2：就地电压采集终端的微控制器每隔0.1ms启动采样芯片，将模拟电压转换为数字电压存储至微控制器的缓冲区中；
步骤S3：就地电压采集终端的微控制器每隔0.02s进行一次过电压判断，若存储在缓冲区的电压值中有10个或以上大于设定的阈值电压，则判断发生过电压，并将过电压数据经通信模块发送至主站远程监控计算机，执行步骤S4；否则，继续进行过电压判断，并执行步骤S5；
步骤S4：主站远程监控计算机将各就地电压采集终端的微控制器发送的过电压数据进行解析及标度转换，存储于主站远程监控计算机的数据库中，同时，报警并提醒工作人员进行维护；
步骤S5：就地电压采集终端的微控制器判断是否接收主站远程监控计算机发送的上传正常电压数据及修改阈值电压的信息，若收到，则根据发送信息执行相应动作；若超过设定的预定时间未收到，则发送测试帧至所述主站远程监控计算机，等待主站远程监控计算机回应测试确认帧，以确认通讯链路正常。
步骤S6：根据过电压数据及通过采集各就地电压采集终端的微控制器发送的正常电压数据，绘制并显示整体电压波形图，并导出电压历史波形。
在本发明实施例中，所述步骤S3中，所述电压数据为过电压前两周期波形和后10周期波形。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用高性能低成本的STM32F407VGT6，采样速率高，采样精度高，为分析和应对配电网PT谐振过电压提供良好的支持；
2、通过GPRS通信网络，方案实现简便，传输可靠性高，通信稳定，现场安装方便，减少单独铺设通信线路；实现远程PT谐振过电压监测；当PT发生过电压时监测装置能及时报警并上传数据，减少了工作量，提高了自动化水平，为工作人员分析数据提供了良好的基础，保证了设备的安全稳定的运行，本发明的研制具有很强的现实意义和实用价值。
附图说明
图1为本发明一种谐振过电压监测系统框图。
图2为本发明就地电压采集终端原理框图。
图3是本发明电源电路原理框图。
图4是本发明电源电路原理图。
图5是本发明采样芯片引脚连接图。
图6是本发明微控制器引脚连接图。
图7是本发明GPRS模块引脚连接图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
如图1所示，本发明一种谐振过电压监测系统，包括主站远程监控计算机和若干就地电压采集终端，所示就地电压采集终端包括微控制器（采用STM32F407VGT6芯片）、用于与主站远程监控计算机进行通信的通信模块（所述通信模块为GPRS模块，该GPRS模块采用ME3000 V2）、用于采样电压信号的采样芯片（采用AD7606）、电压变换电路、设置于10kV或35kV母线上的前端电压互感器和用于为整个装置供电的电源电路；所述微控制器通过SPI串行通讯接口连接至所述采样芯片，并经该采样芯片及电压变换电路与所述前端电压互感器连接，所述微控制器还通过USART串行通讯接口与所述通信模块连接；所述电源电路包括依次连接的滤波模块、降压模块、整流模块和稳压模块，所述滤波模块的输入端连接至220V交流电源。
所述电压变换电路包括一闭环霍尔电压传感器，该闭环霍尔电压传感器采用HCV-10E。
所述稳压模块采用两路稳压芯片LM2596，用于将所述整流模块输出的直流电压转为5V和用于为GPRS供电的4.2V直流电压输出，其中，5V直流电压分别经开关电源和3.3V稳压芯片转换为12V和3.3V电压。
本发明还提供了一种采用上述所述谐振过电压监测系统的谐振过电压监测方法，包括如下步骤，
步骤S1：就地电压采集终端的前端电压互感器采样母线上的电压信号，并经电压转换电路转换后传输至所述采样芯片；
步骤S2：就地电压采集终端的微控制器每隔0.1ms启动采样芯片，将模拟电压转换为数字电压存储至微控制器的缓冲区中；
步骤S3：就地电压采集终端的微控制器每隔0.02s进行一次过电压判断，若存储在缓冲区的电压值中有10个或以上大于设定的阈值电压，则判断发生过电压，并将过电压数据经通信模块发送至主站远程监控计算机，执行步骤S4；否则，继续进行过电压判断，并执行步骤S5；所述电压数据为过电压前两周期波形和后10周期波形；
步骤S4：主站远程监控计算机将各就地电压采集终端的微控制器发送的过电压数据进行解析及标度转换，存储于主站远程监控计算机的数据库中，同时，报警并提醒工作人员进行维护；
步骤S5：就地电压采集终端的微控制器判断是否接收主站远程监控计算机发送的上传正常电压数据及修改阈值电压的信息，若收到，则根据发送信息执行相应动作；若超过设定的预定时间未收到，则发送测试帧至所述主站远程监控计算机，等待主站远程监控计算机回应测试确认帧，以确认通讯链路正常。
步骤S6：根据过电压数据及通过采集各就地电压采集终端的微控制器发送的正常电压数据，绘制并显示整体电压波形图，并导出电压历史波形。
为更好的讲述本发明，以下为本发明的具体实施过程。
如附图1-2，本发明的一种谐振过电压监测系统，包括主站远程监控计算机和若干就地电压采集终端，该就地电压采集终端包括电压变换电路2、采样芯片3、微控制器4、通信模块5、电源6。所述微控制器4与采样芯片3采用SPI串行通讯接口连接，微控制器4与通信模块5采用USART串行通讯连接。
前端电压互感器PT（接在10kV或35kV母线上）二次侧的三相电压和零序电压信号1输入本装置。通过闭环霍尔电压互感器HCV-10E将电压转换成mA级别的电流，再流经测量电阻RM得到电压，将该电压信号（-10V~+10V之间）送入采样芯片3。采样芯片3将模拟电压量转换成数字量，由微控制器4采用SPI串行通信方式读取模数转换值，并进行判断是否发生过电压。若判定为过电压，则启动通信模块5，发送数据将采样得到的电压信号经通信模块5（GPRS模块）上传数据至上位机（远程监控计算机）。
微控制器4每0.1ms启动一次电压转换，并将数据存储在自身的缓冲区。每采集0.02s后便对数据进行过电压判断。数据缓冲区高达4800个16位的数据。
由附图3和附图4可知，电源输入为220V交流电源，先通过前端的滤波和保护电路防止雷击过电压或者电网中出现的过电压侵入波，并消除共模干扰及滤除高频谐波分量，再由变压器降压至交流电压6V，然后分别通过不可控整流电路，电容滤波电路，两路稳压芯片LM2596得到直流5V和4.2V。其中4.2V作为GPRS模块的供电电源。5V电压分别经开关电源DY05D12-2W升至±12V作为闭环电压霍尔传感器HCV-10E的供电电源、经开关电源DY05S12-1W升至12V作为继电器输出的供电电源、经LM1117-3.3稳压芯片降至3.3V作为主控板的电源，供给微控制器、通信模块和LED运行指示等使用。采样芯片AD7606的电源由2.5V，3.3V和5V组成。其中的2.5V电压由3.3V经精密稳压芯片ADR421降压得到。
如图6所示，MCU采用意法半导体公司的STM32F407VGT6微控制器。该微控制器是具有32位CPU，采用Cortex-M4内核，100个引脚，1MB的程序存储器，192KB的静态随机存储器（SRAM）并有4KB的备份存储区，3个10.5Mb/s的USART接口，3个37.5Mb/s的SPI。集成了单周期DSP指令和FPU（浮点单元），支持复杂算法的计算，有利于快速和处理采样得到的电压信号。
由附图2和附图5所示，采样芯片3采用的是16位精度8通道同步采样的AD7606。转换速率高达200kSPs。在本发明的就地电压采集终端中，有4路采样输入，分别接至PT三相开口处（测得零序电压），以及二次侧的A相、B相、C相。采样芯片AD7606与微控制器4的主要连接有数据线和控制线。由于本装置采用SPI串行通信方式，采样芯片3的DB7和微控制器4的SPI1_MISO单一的数据线相连，而SPI通信需要时钟线，采用微控制器4的SPI1_SCK引脚与采样芯片3的SCK连接，从而控制AD转换后的数据读取的速度。微控制器4的PC4引脚与采样芯片3的CONVSTA和CONVSTB引脚相连，控制启动AD转换。采样芯片3的BUSY引脚作为外部中断信号源接入微控制器4的PC3引脚，用于提示AD转换结束。采样芯片3的OS0~OS2是过采样模式引脚，通过配置这三个引脚可以改变采样芯片的采样率，从而实现采样率的调节。微控制器4的PA7引脚连接采样芯片3的RESET引脚，可以复位采样芯片3。此外，还可以通过改变采样芯片3的RANGE引脚接入的电平高低，改变输入电压的测量范围。例如：RANGE引脚接高电平，则测量范围为-10V~10V；反之，测量范围为-5V~5V。
如图7所示，通信模块5采用的是中兴的ME3000 V2。用于就地电压采集终端与主站远程监控计算机的通信。微控制用AT命令集操作通信模块5。通过中国移动的GPRS网络建立TCP/IP链接，就地电压采集终端可以接收来自远程监控计算机的控制命令，包括设定阈值电压，电压召唤，对时，以及主动上传电压数据等功能。由附图1、附图6和附图7可知，微控制器4与通信模块5的数据交互通过异步串行通信实现，微控制器的USART1_RX和USART1_TX分别与GPRS模块ME3000_V2的TXD和RXD相连，从而实现数据的交互。GPRS模块的28和30引脚分别控制来电、来短信指示灯LED3和控制网络信号指示灯LED2。由于LED3高电平点亮，而收到短信，将有4-5s的低电平，故LED3熄灭4-5s。微控制器的PB3输出电平信号通过三极管9014放大后控制GPRS模块的复位引脚RESET；通过PB4引脚与GPRS模块的ON/OFF引脚相连，控制通信模块5的开启和关闭；PD7引脚作为Si4435芯片（P-MOSFET）的栅极g输入控制GPRS模块的电源V_MAIN通断。此外，通信模块的数据流量使用是要付费的，这需要通过SIM卡实现。因此，GPRS模块需要和SIM卡实现信息交互。GPRS模块的V_CARD引脚作为电源连接SIM卡的VCC；UIM_RST引脚连接SIM卡的RST引脚实现复位功能；UIM_CLK引脚作为数据读写的时钟线连接SIM卡的CLK；UIM_DAT作为双向读写的数据线连接SIM卡的DAT。
通信模块5与远程监控计算机进行通讯的协议采用的是IEC60870-5-104规约。规约设定当通讯双方中的任意一方没有收到或发送任何数据超过4s，则发送测试帧对通讯链路进行测试，如果没有收到回复就立即断开链路重新连接。
对发生过电压的判断方法为：每采集0.02s，将采样获得的电压值与设定的阈值对比。当有10个数据大于设定值时，判定为发生过电压，反之则判定为电压状态正常。当发生过电压时，立即向远程监控计算机发送电压数据，内容为过电压前两周期波形和后10周期波形。
如附图1，本发明的就地电压采集终端B与装有相应监控及管理软件的远程监控计算机A组成谐振过电压监测系统。从功能上讲，远程监控计算机通过GPRS网络获取各个监测装置的信息，并对信息进行解析，显示在图形界面上。工作人员在监控计算机上就可以对各个监测终端的电压阈值进行设定，召唤监测装置上传电压数据，查看历史电压数据，显示数据波形，导出电压的历史波形 。
使用本发明谐振过电压监测系统的工作过程的一个示例如下所述。
就地电压采集终端通过电压采样芯片以10kHz的频率对输入电压进行采样，通过SPI串行总线送到微控制器，微控制器对采集到的电压数据进行判断，如果发生了过电压，则调用通信模块，将12个周期的电压波形数据用通讯规约打包发送给远程监控计算机。远程计算机对数据进行解析，标度转换，然后存在自身的数据库中。并在图形界面上显示出警报信息，提醒工作人员。如果没有发生过电压，则判断是否接收到远程监控计算机发送的数据，如果收到，则解析数据，并按数据的内容执行相应的动作，如修改本就地电压采集终端的电压阈值等。如果监控计算机向其召测数据，数据集中器就将所召测的数据按照规约打包，通过GPRS网络传送到监控计算机，监控计算机收到数据后，对其进行数据解析、标度转换后存储在自身的数据库中。如果没有收到任何远程监控计算机发送的任何数据则判断是否超过设定的时间，超过即发送测试帧，测试链路状态。此时远程监控计算机回应测试确认帧，确认通讯链路正常。工作人员可以在监控计算机上对历史电压数据进行查看，同时也可以远程对就地电压采集终端的运行进行手动召唤。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种谐振过电压监测系统，其特征在于：包括主站远程监控计算机和若干就地电压采集终端，所述就地电压采集终端包括微控制器、用于与主站远程监控计算机进行通信的通信模块、用于采样电压信号的采样芯片、电压变换电路、设置于10kV或35kV母线上的前端电压互感器和用于为整个装置供电的电源电路；所述微控制器通过SPI串行通讯接口连接至所述采样芯片，并经该采样芯片及电压变换电路与所述前端电压互感器连接，所述微控制器还通过USART串行通讯接口与所述通信模块连接；所述电源电路包括依次连接的滤波模块、降压模块、整流模块和稳压模块，所述滤波模块的输入端连接至220V交流电源；
所述微控制器采用STM32F407VGT6芯片；
所述电压变换电路包括一闭环霍尔电压传感器，该闭环霍尔电压传感器采用HCV-10E；
所述采样芯片采用AD7606；
所述通信模块为GPRS模块，该GPRS模块采用ME3000 V2；
所述稳压模块采用两路稳压芯片LM2596，用于将所述整流模块输出的直流电压转为5V直流电压和用于为GPRS供电的4.2V直流电压输出，其中，5V直流电压分别经开关电源和3.3V稳压芯片转换为12V和3.3V电压；
该谐振过电压监测系统的谐振过电压监测方法，包括如下步骤，
步骤S1：就地电压采集终端的前端电压互感器采样母线上的电压信号，并经电压变换电路转换后传输至所述采样芯片；
步骤S2：就地电压采集终端的微控制器每隔0.1ms启动采样芯片，将模拟电压转换为数字电压存储至微控制器的缓冲区中；
步骤S3：就地电压采集终端的微控制器每隔0.02s进行一次过电压判断，若存储在缓冲区的电压值中有10个或以上大于设定的阈值电压，则判断发生过电压，并将过电压数据经通信模块发送至主站远程监控计算机，执行步骤S4；否则，继续进行过电压判断，并执行步骤S5；
步骤S4：主站远程监控计算机将各就地电压采集终端的微控制器发送的过电压数据进行解析及标度转换，存储于主站远程监控计算机的数据库中，同时，报警并提醒工作人员进行维护；
步骤S5：就地电压采集终端的微控制器判断是否接收主站远程监控计算机发送的上传正常电压数据及修改阈值电压的信息，若收到，则根据发送信息执行相应动作；若超过设定的预定时间未收到，则发送测试帧至所述主站远程监控计算机，等待主站远程监控计算机回应测试确认帧，以确认通讯链路正常；
步骤S6：根据过电压数据及通过采集各就地电压采集终端的微控制器发送的正常电压数据，绘制并显示整体电压波形图，并导出电压历史波形；
所述步骤S3中，所述电压数据为过电压前两周期波形和后10周期波形。
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