嵌入式智能高压带电传感器的设计

张秀国

（珠海城市职业技术学院广东珠海519090）

在PASS开关设计中，充分吸收了GIS和常规空气绝缘开关AIS的运行经验，成功解决了GIS集成度过高而带来的负面影响和常规空气绝缘开关AIS占地面积大等问题。这种新型PASS开关组合电器为变电站的设备选型、设计、建设开拓了一条新的思路。最近几年，在国内外很多1变电站建设中均采用了PASS装置，通过长期的实际运行检验显示了其卓越的可靠性和经济性。尽管PASS开关的初衷是节约用地、简化系统结构，但是在实现接地刀闸合闸闭锁功能时都利用电压互感器来获取线路带电状态信息的。在PASS开关侧安装电压互感器设备，通过电压互感器检测线路侧是否带电来控制接地刀闸合闸闭锁继电器的触点状态[1]，若检测到带电时则断开触点，若不带电时则闭合触点。从而实现接地刀闸的带电闭锁。但是从整体角度来说，PASS开关存在设备造价昂贵、设备功能过剩等问题，因此在不改变现有PASS主体结构情况下解决上述缺陷成为本领域技术人员必须面对的问题。

1 总体设计思路

智能高压带电传感器安装于PASS开关线路侧AT设备之上，通过直接安装在AT之上的传感探头近距离地感应到一次线路的带电状况，这样可避免与其他线路和邻相电压产生干扰影响。通过对感应的电压信号进行现场的数字采样和处理，获取一次导体带电状态信息；通过现场带电状态的智能校准，可确保在不同安装环境中均能够准确地测定一次导体的带电状态；通过带电状态控制功率继电器的触点开合，为PASS开关隔离接地刀闸的闭锁二次控制和显示回路提供控制触点。

2 硬件设计及内部模块技术参数

智能高压带电传感器的硬件主要由信号调理电路模块、A/D转换模块、MCU分析模块、输出控制模块、电源模块等组成[2]，其逻辑结构与工作原理如图1所示。接下来我将简要介绍各个模块的技术参数及主要芯片的功能。

2.1 主要芯片介绍

目前，智能高压带电传感器的芯片主要有两类：AD623仪表放大器（信号调理电路模块）；MSP430F2012单片机（MCU分析模块）。

1）AD623仪表放大器

AD623仪表放大器属于是一个集成单电源仪表放大器[3]，能够在单电源（即：+3～+12 V）环境中保障满电源幅度输出。AD623仪表放大器可以使用单个的增益设置电阻来实施增益编程，这样可让用户获得良好的灵活性。当处于无外接电阻条件时，AD623仪表放大器可以设置成为单位增益；而当外接电阻之后，AD623仪表放大器可通过编程来设置增益，其最高增益之可以达到1 000倍。AD623仪表放大器拥有随增益增大而增大的交流共模比，这样可以保持最小的误差，而谐波和线路噪声在共模抑制比高达200 Hz时仍然能够保持恒定而受到抑制。AD623仪表放大器优化设计了单电源方式，但当其工作在双电源（即：±2.5～±6 V）时仍然能够保持良好的工作性能。其内部工作原理如图2所示。

图1 智能高压带电传感器原理图Fig.1 Intelligent high-voltage electric sensor schematic

当将输入信号加入到电压缓冲器PNP晶体管上时，若能够提供一个共模信号至输入放大器，同时给予每一个放大器接入一个精确的反馈电阻（50 kΩ），这样便可以保证增益可编程，其差分的输出公式为：

图2 AD623内部工作原理图Fig.2 AD623 internal working schematics

差分电压在通过输出放大器之后便可转化为单端电压。6脚输出电压将以5脚电位为基准进行测量。当基准端（5脚）的阻抗达到100 kΩ时，在6脚与5脚之间连接一个小电阻即可实现电压/电流转换功能。-V s（4脚）和+V s（7脚）接入单极电源（+V s=3.0～12 V，-V s=0）或者双极电源（V s=±2.5～±6 V），在接近电源引脚处增加一个电容去耦，而去耦电容一般是选用钽电解电容（10 μF）和瓷片电容（0.1 μF）。AD623仪表放大器的增益G由RG进行电阻编程，也就是说由1脚和8脚之间的阻抗来直接决定的。其中RG的计算公式如下：

2）MSP430F2012单片机

MSP430F2012单片机内置工作频率最高达到16MIPS，是TI公司推出的一款高性能的微控制器[4]。MSP430F2012功耗低，节省电能，在发生中断的情况下，可在不足l μs的时间内从超低功耗500 nA待机模式唤醒到全速工作模式[5]。MSP430F2012在外围功能器件中还集成了16位定时器、l0位AD、看门狗定时器、USI通讯模块（支持SPI、I2C）、捕获比较器以及掉电检测（BOR）等。MSP430F2012的MCU平台可满足便携式仪表、计量及智能传感单元等超低功耗工业的需要。MSP430F2012的内部逻辑结构图如图3所示。

图3 MSP430F2012单片机Fig.3 Internal logic structure MSP430F2012

2.2 内部模块技术参数

1）传感探头：输入电压110 kV；输出电压3 V，50 Hz，AC；输出阻抗100 M。

2）信号调理模块：输入信号电压0-3 V，50 Hz，AC；输入阻抗＞30 M；输出电压3 V，75 Hz低通滤波，AC；输出阻抗＜1 k[6]。

3）A/D转换模块：输入信号电压3 V，50 Hz，AC；输入阻抗＞300 k；输出I2C。

4）MCU模块：输入I2C，A/D转换数据；输出（I/O控制信号端口）3.3 V逻辑电平，有电为0，没电为1。

5）输出控制模块：输入（I/O控制信号端口）3.3 V逻辑电平，有电为0，没电为1；输出额定5 A负载开关端子，有电断开，没电闭合。

6）电源模块：输入220 VAC/DC；输出隔离双5 VDC，2×1.5 W。

3 软件设计

智能高压带电传感器主要采用AD转换来进行数字化测量判定，其可以灵活设定带电判定电压和不带电的回差电压[7]。在智能高压带电传感器中设有现场校准按钮，其可以通过软件现场调整判定限值，以此来适应不同地点的电场。但是由于分布的差异性可能导致判定标准实际要求不同，因此不能统一按出厂设定来判定设备是否带电的问题。主程序流程图如图4所示。

图4 主程序框图Fig.4 Main diagram

3.1 是否带电判定子程序框图

通过预装在110 kV或以上电压等级的PASS开关上的专用AT上的传感探头，利用电场感应准确测量到通过AT的一次导体的电压带电状态，然后根据检测到的一次导体带电状态信息，按照隔离接地刀闸二次闭锁回路的需要提供带电闭锁控制触点输出[8]。若一次导体经测量处于带电状态时，输出的控制触点断开；若一次导体经测量处于不带电状态时，输出的控制触点闭合。判定是否带电的子程序框图如图5所示。

图5 是否带电判定子程序框图Fig.5 Charged determine whether subdiagram

3.2 执行校准指令子程序框图

在不同的安装场合，由于周边设备布置不同可能导致电场分布的不同，从而影响到根据感应电压量值来判定有电没电的判定值与标准值有所差异[9]。因此，应根据现场的实际运行工况，对判定电压的进行自动或手动校准。执行校准指令的子程序框图如图6所示。

图6 执行校准指令子程序框图Fig.6 Perform the calibration instruction flow chart

通过对带电状态判定电压的校准，其可以为每一个现场的带电状态找到实际的最佳判定条件。当系统测到的感应电压高于带电状态判定电压时判定带电，而在测到的感应电压低于带电状态判定电压的66%时则判定不带电。通过对两个判定边界的校准来防止干扰，进而提高带电状态判定的准确性[10]。

4 结束语

相对于采用电压互感器获取线路带电状态信息，本文设计的智能高压带电传感器，在不改变现有的PASS开关主体结构的情况下，具有以下特点：

1）不需要昂贵的电压互感器设备，节省设备投资，减少运行维护工作量。

2）传感器和一次导体没有接触，处于低压侧，免维护。

3）传感器体积小，可直接安装在控制柜的空隙中。

4）传感器成本低廉，可节省巨大的设备投资和运行维护费用。

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