CN204666751U - 一种基于dsp芯片的氧化锌避雷器在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于DSP芯片的氧化锌避雷器介质损耗角在线监测装置，包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、第一和第二A/D转换模块、DSP处理模块，CAN收发机模块、上位机模块，所述电压采集模块用于获取氧化锌避雷器中的电压、其通过第一A/D转换模块与DSP处理模块连接，所述电流采集模块获取氧化锌避雷器接地线上的漏电流、其通过第二A/D转换模块与DSP处理模块连接，所述温度采集模块和CAN收发机模块分别与DSP处理模块连接，所述温度采集模块用于获取氧化锌避雷器的实时温度，所述上位机模块与CAN收发机模块相连。本装置能够在线测量氧化锌避雷器的关键参数，实现氧化锌避雷器的在线监测。

Description

一种基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置

技术领域

本实用新型属于电子、电气设备监控技术领域，具体涉及一种基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置。

背景技术

氧化锌避雷器由于具有良好的非线性V-I特性、通流大以及动作时间快等优点，自上世纪70年代面世以来，已经逐步取代了传统的SiC阀式避雷器，被广泛应用于高压、超高压雷电过电压保护领域，大大提高了电力系统的安全性。然而由于氧化锌避雷器取消了串联间隙，长期系统过电压承受工频电压，因此其内部阀片容易出现老化劣化的现象，而外部环境因素如潮湿、污秽、过电压、结构不良等会加速这种老化劣化的现象，直接导致氧化锌避雷器阻性电流上升，甚至会产生因阀片温度上升而导致的爆炸事故，造成电力系统崩溃等不良后果。因此，为了及时发现氧化锌避雷器在运行过程中的受潮、老化及其它安全隐患，避免电力事故的发生，对氧化锌避雷器进行在线监测是非常有效的手段，通过检测氧化锌避雷器的绝缘状况来判断其性能，从而能够及时有效地了解其运行状况，这样就为氧化锌避雷器的安全运行提供了一定的保证，可以有效减少经济损失，同时可以达到维护电力系统的安全运行以及节约人力、物力的目的。

目前针对氧化锌避雷器的在线监测大多是基于监测阻性电流的变化来实现的，然而由于在阻性电流在实际情况下通常只有微安到毫安量级，容易受到现场相间干扰，电网频率波动等因素的影响，阻性电流提取的精确性难以得到有效的保障，因此需要通过监测其他可以较为精确在线测量的参数，来保证在线监测的精确可靠。但目前，尚欠缺对氧化锌避雷器其他参数进行在线监测的装置。

发明内容

由于氧化锌避雷器属于一种二元电介质，在正常工作状态下表现出容性电介质的特征，而该类电介质的老化状态可以通过监测器监测介质损耗角来实现，因此本实用新型提供了一种基于DSP芯片的氧化锌避雷器介质损耗角在线监测装置，通过电压，电流，温度三个传感器模块获取氧化锌避雷器的实时工作状态。此外，通过DSP处理器对获取的信号进行实时谐波分析处理后，还可以精确地计算出介质损耗角。必须说明的是，本实用新型仅对硬件进行改进，其中DSP对介质损耗角的计算过程采用现有论文中的成熟代码，未对软件进行改进。

为了达到以上目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、第一A/D转换模块、第二A/D转换模块、DSP处理模块，CAN收发机模块、上位机模块，所述电压采集模块用于获取氧化锌避雷器中的电压、其通过第一A/D转换模块与DSP处理模块连接，所述电流采集模块获取氧化锌避雷器接地线上的漏电流、其通过第二A/D转换模块与DSP处理模块连接，所述温度采集模块和CAN收发机模块分别与DSP处理模块连接，所述温度采集模块用于获取氧化锌避雷器的实时温度，所述上位机模块与CAN收发机模块相连。

进一步的，所述电压采集模块包括依次连接的电压探测单元和电压信号放大单元，所述电压探测单元用于与采集氧化锌避雷器母线连接的电压互感器上的电压信号，所述电压信号放大单元用于对电压探测单元输出的信号进行放大和滤波处理。

进一步的，所述电流采集模块包括依次连接的电流探测单元、电流信号放大单元和低通滤波单元，所述电流探测单元用于探测氧化锌避雷器接地线上的漏电流信号，所述电流信号放大单元用于对电流探测单元输出的电流信号转换为电压信号并进行放大处理，所述低通滤波器用于去除电流信号放大单元输出信号中的高频干扰信号。

进一步的，所述电流探测单元为宽带罗氏线圈。

进一步的，所述CAN收发机模块包括CAN收发器。

进一步的，所述CAN收发机模块还包括与CAN收发器连接的高速光耦芯片，所述高速光耦芯片用于对DSP芯片和物理总线进行光电隔离。

进一步的，所述CAN收发机模块与DSP处理模块之间还连接有CAN控制器。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

本实用新型基于DSP处理器设计，具有很强的数字信号处理能力；采用电压探测单元和电压信号放大单元能够精确采集氧化锌避雷器母线上的电压；采用宽带罗氏线圈测量氧化锌避雷器的流经电流的实时波形，抗干扰能力强，测量电流范围大且安全可靠；温度采集模块能够精确采集氧化锌避雷器上的实时温度；本装置能够在线测量氧化锌避雷器的关键参数，并传送至上位机，实现氧化锌避雷器的在线监测。此外，还能根据这些参数快速和精确地计算出氧化锌避雷器运行过程中的介质损耗角，诊断电涌保护器的运行状态，根据介质损耗角的偏离程度对氧化锌避雷器的状态进行在线监测和警报。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置原理框图；

图2为电压采集模块电路结构图；

图3为电流采集模块电路结构图；

图4为宽带罗氏线圈结构示意图；

图5为温度采集模块电路结构图；

图6为A/D转换模块电路结构图；

图7为CAN收发机模块电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本实用新型提供的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，包括电压采集模块，电流采集模块，温度采集模块，第一和第二A/D转换模块，DSP处理模块，CAN收发机模块和上位机模块。其中，电压采集模块通过第一A/D转换模块与DSP处理模块连接，电流采集模块通过第二A/D转换模块与DSP处理模块连接，温度采集模块与DSP处理模块连接，上位机模块通过CAN收发机模块与DSP处理模块连接。DSP处理模块优选采用TMS320F2812处理器芯片，该芯片通过外接存储器接口与外部RAM连接，通过PLL接口与晶振电路连接，通过McBSP接口与LED连接，通过SPI接口与时钟单元连接。

具体的说，如图2所示，电压采集模块包括彼此连接的电压探测单元和电压信号放大单元，其中，电压探测单元与氧化锌避雷器中连接于母线的电压互感器(PT)相连，电压探测单元包括精密微型电压互感器HPT303和其限流电阻R1，限流电阻R1取值为50kΩ，用于探测母线电压Ux的波形，以获取电压的实时相位同幅度。由于精密微型电压互感器HPT303经过外部电路补偿后相位差可以做到仅为l’到2’，因此可以有效减少传感器带来的误差，适用于氧化锌避雷器的在线监测。在实际应用中，PT二次侧电压通常在100V左右，通过限流电阻R1限流后，将产生1mA～2mA电流，通过精密微型电压互感器HPT303后将感应出相同的1mA～2mA电流。电压信号放大单元包括运算放大器IC1，二极管D1、D2，电阻R2、R3，电容C1、C2，其中IC1采用型号为LM358的高增益双运算放大器，其中正输入端接地、正负输入端与电压探测单元中精密微型电压互感器HPT303的输入端相连；二极管D1和D2相互反向放置于运算放大器IC1正负输入端之间，起到过电压保护作用，以防输入电压过大损坏运算放大器IC1；电阻R3和电容C1相互串联并连接在运算放大器IC1的负输入同输出端之间，其主要作用是用来补偿相位差；电阻R2连接在运算放大器IC1的负输入同输出端之间，用于调节输出端的电压输出，当R2＝2.5kΩ时，运算放大器IC1的输出电压为±5V；电容C2连接在运算放大器IC1的输出端同地之间，起滤波作用，从而到达抗干扰电流的目的，经过一系列限流，放大，滤波过程后，电压采集模块的输出电压为U01。

如图3所示，电流采集模块包括依次连接的宽带罗氏线圈，电流信号放大单元，低通滤波单元。宽带罗氏线圈直接套装在被测氧化锌避雷器的接地线上，不改变设备原有的接线方式，能起到良好的电气隔离的作用。宽带罗氏线圈结构图如图4所示，该宽带罗氏线圈的骨架选用圆环形结构，便于安装在设备的接地线上，线圈的内、外半径分别为a＝400mm，b＝460mm，绕线的线径为1mm，匝数为2500匝。由于不存在磁芯饱和的问题，该线圈测量范围宽，电流测量范围小到μA数量级。必须指出，宽带罗氏线圈能够实现电流探测采集功能，本领域内技术人员也可以采用其他的电流探测单元来达到同样的效果。电流信号放大单元包括电阻R4、R5、R6、R7、R8，运算放大器IC2。其中，外积分电阻R4连接在宽带罗氏线圈的两个抽头之间，用于将宽带罗氏线圈上的感应的电流信号转换为电压信号；输入电阻R5连接在电阻R4的一端同运算放大器IC2负输入端之间，输入电阻R5连接在电阻R4的另一端同运算放大器IC2正输入端之间，电阻R7连接在运算放大器IC2负输入端同输出端之间，电阻R8连接在运算放大器IC2正输入端同地之间，运算放大器IC1同样采用型号为LM358的高增益双运算放大器，电阻R5～R8的取值都为10kΩ，上述元件构成高阻抗差分放大电路，可以将外积分电阻R4上采集的微弱电压信号有效放大，并且抑制共模干扰，从而方便后级电路进行处理。低通滤波单元包括电阻R9和电容C3，电阻R9的一端连接运算放大器IC2输出端，另一端作为输出信号UO2，电容C3连接在电阻R9输出端和地之间，电阻R9和电容C3组成无源低通滤波器，其主要功能是滤除信号中的高频干扰成分，保证电压信号的正常传输。

如图5所示，温度采集模块包括温度传感器DS18B20和限流电阻R18，由于DS18B20芯片采用1-wire单总线的传输方式，因此在处理模块中只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，而不会造成时序上的混乱。在温度采集模块中，DS18B20的芯片采用外部+5V电源供电方式，即VDD和GND分别接电源和地，数据线上接4.7K的上拉电阻同芯片的寄生电容形成充放电回路。温度传感器优选采用胶水直接固定在需要监测的氧化锌避雷器表面，能够采集器件实时温度。

第一和第二A/D转换模块结构相同，请参阅图6，A/D转换芯片采用型号为ADC0804的8位高速A/D转化芯片，芯片的6脚和7脚分别作为VIN(+)和VIN(-)输入差分电压。当7脚接地时，6脚VIN(+)端的电压即为模拟输入电压。VIN(+)与输入电压之间串联一个10kΩ的电阻R10，其作用是限制VIN(+)端的电流，防止电流过大而烧毁A/D芯片。而11～18脚作为输出端，输出DB1～DB8的8位数字信号。

由于TMS320F2812嵌入了支持CAN2.0A和CAN2.0B协议的增强型CAN控制器(eCAN)，使系统设计时不必外加CAN控制器便可接入到CAN总线，简化了系统的电路，当使用不含CAN控制器的DSP处理器时，还需DSP还需外接CAN控制器才能与CAN收发器连接。图7为CAN收发机模块电路结构图，CAN收发器采用SN65HVD230芯片，其中，TMS320F2812芯片的CAN管脚通过接口CANTX和CANRX与高速光耦OPT1和OPT2相连，高速光耦型号为6N137，高速光耦芯片6N137主要通过对DSP芯片和物理总线进行光电隔离，从而起到保护DSP芯片的作用。高速光耦OPT1的IN+端接+3.3V供电，IN-端和CANTXA之间通过电阻R11相连，高速光耦OPT1的OUT端和CAN收发器SN65HVD230芯片的TXD端相连，电阻R14连接在TXD端和VCC电源之间，+5V电源连接在VCC和电阻R14之间，电容C4连接在+5V电源和地之间。高速光耦OPT2的IN-端通过电阻R15和SN65HVD230芯片的RXD端相连，IN+端接+5V电源，GND端接地，OUT端同接口CANRX相连，电阻R12连接在地和高速光耦OPT2的OUT端口之间，电阻R13连接在VCC同+5V电源之间，电容C5连接在+5V电源同地之间，SN65HVD230芯片的VCC端接+3.3V电源，其CANH和CANL引脚连接到外部CAN总线。为减小通信介质中信号的反射，以及克服长线效应，在SN65HVD230的输出引脚CANH和CANL之间并联一个阻值为120Ω的电阻R16。由于DSP芯片TMS320F2812采用+3.3V电压供电，而芯片6N137内部采用+5V电压供电，R2和R3组成的分压回路在DSP与6N137之间实现电平转换作用。

本实用新型的工作原理如下：电压采集模块中电压探测单元采集连接于母线的电压互感器(PT)上的电压，经过电压信号放大单元限流、放大、滤波处理后，通过第一A/D转换模块模数转换后送入DSP处理模块，由此可以获取母线电压的实时相位同幅度；电流采集模块通过宽带罗氏线圈探测氧化锌避雷器接地线上的漏电流，经过外积分电阻，将电流信号转化成电压信号，该电压信号经过电流信号放大单元进行放大处理后，通过低通滤波器去除高频的干扰信号后输出，输出信号经过第二A/D转换模块，将采集到的模拟信号转换为数字信号送入DSP处理模块中，从而获取氧化锌避雷器上流经电流的实时相位同幅度，温度采集模块通过温度传感器获取氧化锌避雷器的实时温度，送入DSP处理模块。DSP处理模块通过CAN收发机模块将获取到的数据经过CAN总线送入上位机。上位机针对电压、电流、温度信号进行监测，当超过预先设定的阈值时，上位机发出警报。

在DSP处理模块中，可以进一步根据获得的电压和电流信号计算后获得氧化锌避雷器的介质损耗角，根据谐波分析法，在DSP处理模块中可以进行相关傅里叶变化，从而可以计算出各次谐波的幅值和初相角。离散化后的电压基波分量的傅里叶系数为：

$a_1=\frac{2}{T}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{U}_{k}cos\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}kn\right)\frac{T}{N}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{U}_{k}cos\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}kn\right)$

$b_1=\frac{2}{T}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{U}_{k}sin\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}kn\right)\frac{T}{N}=\frac{2}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{U}_{k}sin\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}kn\right)$

求得电压信号基波的幅值和初相角为：

$U_1=\sqrt{{a_1}^2+{b_1}^2}$

${\mathrm{\α}}_1={\tan }^{-1}\left(\frac{a_1}{b_1}\right)$

同理，可以求出电流信号基波的幅值I₁和初相角β₁。则可以求出介质损耗角：最后将该介质损耗角的计算结果同实时温度通过CAN收发机模块经过CAN总线送入上位机，上位机根据历史记录分析该温度下介质损耗角的偏离程度，当偏离程度过大时，发出警报，从而达到氧化锌避雷器的在线监测目的。以上处理过程可参照基于DSP的频谱分析系统的设计(.哈尔滨工程大学,2012.李振华.)一文中的代码实现部分。本实用新型提供了可实现的硬件平台，并不涉及软件部分的改进，即使去除介质角计算部分，本实用新型依然可以较为精确地采集氧化锌避雷器中的电压、电流和温度数据，并将其传输至上位机中。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，其特征在于：包括电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、第一A/D转换模块、第二A/D转换模块、DSP处理模块，CAN收发机模块、上位机模块，所述电压采集模块用于获取氧化锌避雷器中的电压、其通过第一A/D转换模块与DSP处理模块连接，所述电流采集模块获取氧化锌避雷器接地线上的漏电流、其通过第二A/D转换模块与DSP处理模块连接，所述温度采集模块和CAN收发机模块分别与DSP处理模块连接，所述温度采集模块用于获取氧化锌避雷器的实时温度，所述上位机模块与CAN收发机模块相连。

2.根据权利要求1所述的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，其特征在于：所述电压采集模块包括依次连接的电压探测单元和电压信号放大单元，所述电压探测单元用于与采集氧化锌避雷器母线连接的电压互感器上的电压信号，所述电压信号放大单元用于对电压探测单元输出的信号进行放大和滤波处理。

3.根据权利要求1所述的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，其特征在于：所述电流采集模块包括依次连接的电流探测单元、电流信号放大单元和低通滤波单元，所述电流探测单元用于探测氧化锌避雷器接地线上的漏电流信号，所述电流信号放大单元用于对电流探测单元输出的电流信号转换为电压信号并进行放大处理，所述低通滤波器用于去除电流信号放大单元输出信号中的高频干扰信号。

4.根据权利要求3所述的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，其特征在于：所述电流探测单元为宽带罗氏线圈。

5.根据权利要求1所述的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，其特征在于：所述CAN收发机模块包括CAN收发器。

6.根据权利要求5所述的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，其特征在于：所述CAN收发机模块还包括与CAN收发器连接的高速光耦芯片，所述高速光耦芯片用于对 DSP 芯片和物理总线进行光电隔离。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于DSP芯片的氧化锌避雷器在线监测装置，其特征在于：所述CAN收发机模块与DSP处理模块之间还连接有CAN控制器。