变电站地电位自动检测装置的研究和设计

摘要：为了实现变电站地电位自动监测系统，采用PC、单片机、光耦、电话线等设备组成自动检测系统，当地电位异常时，自动启动电路工作，采集、记录电位变化情况并上传至变电站中心控制室，在PC中保存地电位数据、绘制曲线，同时对串行数据通信设计了一种斩波式串行数据通信接口，使数据传输与远端电路馈电、话音(电话)传送共线，通过在变电站中的实验，得到监测系统可应用于变电站地电位自动检测的结果，同时为以后无线监测做好可能性的准备。
关键词：变电站；地电位；自动监测系统；斩波器；数据通信

0 引言
    变电站地电位自动监测装置(以下简称为装置)应用于变电站地电位的无人值守自动监测与记录，尤其是当输电系统发生故障、雷击时地电位变化过程的记录，以便为电力系统运行、故障诊断、变电设施的设计改进等系列工作提供分析依据。根据某电力部门所拟定的设计任务和要求，本课题所研制的装置主要功能分为两大部分：在线监测站内地电位，当监测值达到预先设定的阈值时，自动启动采集记录电路，并将所记录的数据通过串行总线发送到附近中心控制室的PC上，PC接收数据以文件形式存盘并在屏幕上绘制出由该数据形成的变化过程曲线；通过一个光电式高压隔离电话接口与外界固定电话网络进行信息交流(包括平常的电话使用和Internet网络应用)，隔离接口主要为了防止变电站内电位异常升高时会将异常高压引到电信线路上。为求简捷方便且节省投资，电话通信线路与监检系统本身上、下位机间的数据通信线路共用，且仅用两线制普通电话线(采用原来敷设好的电话线，不再另外增加工程)，电话的使用与平常使用方法、操作习惯相同，在启动监测电路时能自动转换为传输监测数据。

1 装置的组成框图及基本工作过程
    组成框图如图1所示，主要由外侧电话接口、内侧电话接口、通信接口、数据采集电路、光纤、传感器、PC等部分组成，总体工作的基本过程简述如下：

    (1)数据传送状态。设计一个监测电路，用以监测传感器提供的“当量地电位”，只有在监测到“当量地电位”达到某一指定的阈值时，才自动启动A／D采集电路，这时单片机采集地电位数据并存入数据存储器，随后将数据包通过数据通信接口和变电站内部的通信线路(普通电话线)上传送入PC，PC在接收数据串时在屏幕上画出时域波形，同时将数据以文件形式存盘以便事后重新观察分析数据和绘制波形曲线。在数据上传的过程中，由单片机控制自动切断内侧电话接口，使得站内电话线路与电话外线断开，以达到传送数据时电话内线与电话外线无任何联系的目的，即数据通信具有高级别权限。
    上位单片机设置了两个按钮，用于输入两个命令：“上传”和“调试”。“上传”命令能使数据采集系统所采集到的数据重新上传一遍，“调试”命令能使数据采集系统自动产生一组三角波数据并上传，其目的在于平时可以检验上下位单片机、通信接口、上传线路、接收系统的工作是否正常。
    (2)常态。通常状态下，数据采集电路(下位单片机系统)没有投入工作，而上位单片机系统处于工作状态，它随时监测内部电话机的提机／挂机状态，一旦检测到有效的提机信号，即刻向下位单片机发出信息，这时下位单片机控制接通内侧电话接口，内侧电话接口开始工作并通过光纤向外侧电话接口送“呼出”信号，于是外侧电话接口自动实现模拟提机，这样就接通了外部电话线与内部电话机的音频信号通路，内部电话机就可以象普通电话一样与外界通信，包括DTMF拨号和语音通话。

2 装置的组成原理
2．1 光电隔离电话接口
    图1中“外侧电话接口”和“内侧电话接口”分别装在同一个圆柱形的陶瓷壳体内的两端，中间通过两根30 cm光纤进行通信，实现电气高压隔离。内外侧电话接口框图分别如图2和图3所示。

2．2 数据采集与传输
2．2．1 基本工作原理与过程
    数据采集、存储、传输及接口由下位单片机系统组成，如图4所示。

    传感器把感应到的高压转换为合适数值的低压，经传感器插座送入放大器MAX473，放大器输出的电压(0～5 VP-P)送入A／D采集转换器MAX191，该A／D转换器的分辨率为12位，其输出由单片机AT89C51读取并存入RAM(通过CZ3，CZ4，CZ5连接)，采集容量满时，把整组数据通过串行数据通信接口经插座CZ2、站内的通信线路(即原电话线)上传到PC机。
    比较器LM358又称监测器，当放大器MAX473输出电压幅值达到约0．1 V(该阈值可调节)时，比较器输出低电平信号，即启动单片机数采系统进行数采和数据上传。
2．2．2 上位机构成
    图5所示是上位机的组成原理图，主要由PC、串行通信接口、单片机AT89C2051等组成。下位机上传的数据经电话线路送至插座CZ3的A、B两线，其中A线为系统公共线，B线经三极管T3、非门U3F、电平变换电路MAX232送入PC机的标准串行口，PC机画出即时曲线，亦可事后重绘曲线。

    上位机包含了一个小单片机系统，它的主要工作任务有：向下位机发送命令(呼叫上传数据、呼叫调式数据、本机电话提机信号等)；接收下位机的外线呼入信息，上传或下传的命令、信息均以串行数据方式传送；当收到呼入信息时，控制一个振铃音响电路工作(由音乐IC及喇叭等组成)，以便发出铃声或其他类型的振铃音响；检测两个用于人工输入命令(上传呼叫和调试呼叫)的按钮；检测本机电话的提机／挂机。
2．2．3 串行数据通信接口
    串行数据通信接口采用了一种特别构造的斩波式串行数据通信接口，半双工工作方式，其数据格式符合RS 232规范(停止、起始位各一位，有效数据8位，无奇偶校验)，但其电平既不符合RS 232电平也不符合TTL电平。该结构的显著特点在于能在传输串行数据的同时又能通过同样的传输线路为下位机的数据采集系统电路提供电源，同时具有电路简单、抗干扰强，传输距离远等优点。
    图6为斩波式串行数据通信接口的电路原理图。串行数据的传输与下位机的馈电线路同用A、B两根线路。当上位机向下位机输出数据时，TTL电平的串行数据信号经过非门U3E倒相、三极管T1放大，在其集电极得到如图7所示的波形，其高电平约为20～24 V，低电平为9 V，然后经稳压管送上线路的信号波形如图8所示。当上位机从下位机获取数据时，线路上的信号(波形如图8所示)经过二极管D1加到电解电容E1，在波形的高电平期间，对电容E1充电，在波形的低电平期间电容E1放电，由于二极管D1的作用，使充电快而放电慢。

    因此电容E1上的电压(即三极管T2发射极电压)能维持在约20～24 V，同时线路上的信号经10 kΩ电阻加到三极管T2的基极，在信号波形高电平期间三极管截止，在信号波形的低电平期间三极管T2饱和导通，于是在三极管T2的集电极输出倒相的波形，再经过非门U3F的输出端得到了TTL电平的串行数据信号。下位机向上位机输出数据和下位机从上位机获取数据的工作原理同上所述。
2．3 电源
    系统电源有+12 V和+48 V两组，12 V电源是220 V市电经变压器变压、整流滤波、稳压取得，供上位单片机等电路使用；+48 V电源是+12 V电源经DC—DC变换后得到，作为电话通信环路(包括电话机)所需的电源，同时也作为下位单片机系统以及内侧电话接口的供电电源，馈电原理见图4、图5和图6。图6中的+12 V电源由电源插座引入，经三端稳压器7805稳压后供给上位单片机等电路。图5中，+48 V电源由电源插座引入后，一路经R2，CZ4供给站内电话机使用；另一路经R1，CZ3送入站内的电话线路，经过站内的电话线路，又送至图4中下位机的CZ2，经稳压器U7：78L05供给单片机AT89C51及数据采集等电路、经三极管Q3供给内侧电话接口。
    外侧电话接口的供电由电信局的电话线路提供(仅在模拟提机时)。

3 结语
    该装置能有效实时监测、记录高压变电站异常地电位变化情况和变化过程，为变电站运行故障诊断提供分析依据；光纤耦合高压隔离电话接口能有效防止站内的异常高压被引到电话馈线上；本装置中所设计的斩波式串行数据通信接口简单可靠，具有特色，可实现数据传输与远端电子装置的馈电共线，且抗干扰能力很强。在后继的研究中，将继续引入无线监测方式把数据传送至更远的控制中心。