GIS开关油压监控系统硬件电路设计

1、GIS开关油压监控系统硬件电路设计    【摘要】我国电网自从1100kv特高压和750kv超高压进入试运行以来，GIS组合开关在电网中暴露了一些问题。由于在GIS开关分合过程中，传统的机械信号指示器监控油压波动比较大，它将逐渐被电子式油压监控器所取代。本文为了进一步改善油压监控装置的稳定性和时效性，防止GIS组合开关在分合闸过程中因过高的共模电压和电磁干扰受到损坏，采用了STC15F2K60S2微控制器设计了一种油压监控系统，用它对GIS开关进行监控和操作，并设计硬件电路，对其输出/输出通道和电源通道的抗干扰功能进行了分析研究。保证系统自身稳定可靠运行

2、。 【关键词】GIS组合开关；STC15F2K60S2；抗干扰；油压监测系统 一、引言 目前国内电网的GIS高压开关的油压监控装置常采用传统机械信号指示器。在开关分合过程中，由于油压波动比较大，输出信号也跟随抖动，加之高压开关分合过程中开关触点放电产生的拉弧电压高达2万伏，并通过油罐缸壁的油压传感器传导到电子式油压监控器，油压监控装置的工作环境十分恶劣，受到很强的干扰。本文针对油压监控装置现有的缺点和工作环境，选用国内深圳宏晶科技公司生产的STC15F2K60S2的单时钟/机器周期（1T）的单片机。它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统单片机，但速度快8-12

3、倍。它内置60kb的Flash存储器和大容量2048字节的SRAM。具有较强的处理和控制功能并集成了丰富的外围模块。还能进行JTAG仿真调试和ISP编程1。将STC15F2K60S2应用于油压监控装置中，使硬件结构更加紧凑、稳定，并具有较强的抗干扰能力。 二、油压监控装置的硬件设计 该油压监控装置硬件包括电源电路、复位电路、数据采集模块、信号调理及模数转换模块、继电器输出模块以及通信模块。 其中，数据采集模块主要是对油压传感器的模拟信号进行采集，电压信号采集来自于GIS开关的油罐内缸壁。根据现场工业环境与模拟信号选用工业压力变送器进行油压采集。 （一）电源电路 在电源电路中，将LRV100S型

4、自恢复式保险丝串联在交流220V的火线上，LRV100S型自恢复式保险丝可对电路进行过电流和过电压保护，其最大工作电压为250V，最大承受电流为3A。设计选用10D430K型压敏电阻和NTC5D-9型热敏电阻组合使用，采用复合对称电路。此电路对装置开机上电瞬间产生的浪涌电流有较好的抑制作用。当浪涌电流产生时，NTC5D-9型热敏电阻的阻值随着装置温度升高呈非线性增加。而当装置没有浪涌电流时，NTC5D-9电阻变得非常小，它所消耗的功率几乎可以忽略不计，并且它还可以进行防雷和过压保护2。电源电路如图1所示，每个压敏电阻都要单独串联温度保险管TF，该温度保险管应于压敏电阻有良好的热耦合，以延长使用

5、寿命和确保安全。图1中，在线路中使用共模扼流线圈和线间电容器CY1和CY2来抑制共模噪声，在回路中，用跨线电容（X型电容器）C1抑制共模噪声。用广州金升阳公司出品LH10-10D0524-02开关电源模块给装置提供电源。LH10-10D0524-02是一种交直流两用型电源，LH10-10D0524-02有两路独立的输出，分别是5V/1A和24V/0.2A。该AC-DC转换器电压输出范围较宽，安全隔离，具有强抗干扰能力。在5V、24V的直流输出端分别串联上L2、L3和L4电感和电容，以进一步抑制差模噪声。除此之外，装置的模拟电路部分（前端信号采集传感器）采用IS0515KS DC/DC电源模块产

6、生±15V电源给其供电，经过一系列的抗干扰处理抑制电源电路的干扰信号，从而使输出信号愈加稳定，加强了系统的稳定性和抗干扰能力。 （二）复位电路 复位电路应具有手动复位和上电复位两种复位功能。 STC15单片机内部集成MAX810专用复位电路。若MAX810专用复位电路在ISP编程器中被允许，掉电复位/上电复位后会产生大约180ms复位延时，复位才被解除，提高了复位的可靠性。 为了加强复位电路的抗干扰能力及添加手动复位功能，图2利用RC充电原理的电路设计，按键S1可完成手动复位，上电的瞬间RC电路充电，RESET引脚产生正脉冲，保持10ms以上的高电平，可完成上电复位。当程序“跑飞”时

7、，通过周期性的向软件发送WDI信号，执行看门狗复位，防止程序进入死循环。有图2看出，该电路的实质是一个低通滤波环节，对于脉冲宽度较小的干扰有很好的抑制作用。 （三）信号调理及模数转换电路 为了将数据采集模块的电压接入A/D模块，本文采用了Lincar出品的具有高抗共模电压范围、高精度、微功率、轨至轨差分运算放大器。在外部提供±15V的电压时LT1990正常工作电压范围±250V，并能承受±350V共模电压和±500V的差分电压。如图3所示，差分运放以后的模拟信号串转换成与ADS7818共模端端信号后经过1/2分压、滤波之后接入ADS7818。ADS781

8、8是一款12位的高速模数转换芯片，采样周期为350nS，最高时钟频率为8MHZ。完成A/D转换之后，通过光电耦合器FODM611使之与CPU之间进行有效隔离。将转换结果通过SPI发送给CPU。CPU的CS连接端口用来输出片选信号，SCLK连接端口是ADS7818的控制线，SDO连接端口为数据线，ADS7818与CPU之间用FODM611来隔离。 （四）继电器输出模块 继电器输出模块是GIS开关油压监控装置的执行机构，为此，在进行继电器输出驱动设计时要对开关量过程输出通道进行严格的安全设计。一方面，按照装置的要求设计两个继电器串联，分步操作驱动中间继电器动作减少出口受干扰的概率，另一方面，为了避

9、免继电器的模拟电路干扰CPU微处理器的信号数字系统，本装置设计采用光电耦合进行信号隔离，抑制模拟信号的噪声干扰。 如图4所示，经过A/D转换的数字信号与CPU的各个输出继电器的设定值进行比较，不同的转换值区间，CPU向不同的输出端口发送信号，驱动不同的输出继电器。此外，用DS2E-2-DC24V继电器作为执行机构，该继电器击穿电压1500V，属于高灵敏继电器。为了防止电源波动，125缓冲器工作不稳定造成出口继电器的短时误动，每个输出继电器驱动回路同时采用OUT和/OUT两个相反状态来信号驱动，相互制约，以降低误出口的效果，提高了系统的抗干扰能力。其次，板上8个继电器都通过辅助触点设计有状态返校

10、电路，一旦检测到继电器工作状态不正确，立即执行软件清除指令，并返回执行出错指示。 （五）通信模块 油压监控装置采用RS485接口与外部计算机实现通信功能，为了提高串行通信抗干扰能力，防止错误的通信干扰信号传递给CPU。而且RS485接口采用差分接收器和平衡驱动器的组合，抗共模干扰能力强3。 隔离RS485接口采用TI公司生产的ISO3082芯片，ISO3082芯片是一种数字隔离器，使用其半双工模式进行数据的收发。如图5所示。 图5中，RS485通信线的正负端都接有P6KE22CA瞬态吸收二极管，其作用相当于突波吸收器，当通信线上的电压大于22V时，P6KE22CA自动对地导通，当通信线上的电压

11、恢复正常状态时，P6KE22CA自动截止4。用B0505XT-1W芯片给ISO3082差分信号侧供电，与工作电源完全隔离，抑制电源噪声干扰，保障RS485稳定、可靠的数据收发。 三、结束语 本文针对GIS开关分合闸过程中产生过高的差模电压和共模电压，电磁干扰十分严重的工作环境。采用了宏晶科技公司生产的STC15F2K60S2增强型单片机，设计了一款GIS开关油压监控系统。在硬件设计方面，分别对通信模块、电源电路模块、继电器输出模块、模数转化模块与CPU电路之间进行了有效的光耦隔离，并采取了一系列抗干扰措施保证系统的稳定可靠运行。为确保对状态进行有效控制，继电器电路采用两路协同工作来控制继电器输出信号，并且对主要器件的电源与地引脚之间加耦合电容进行滤波。试验结果表明，系统的功能和抗干扰能力均符合相关技术指标的要求。 参考文献 1丁向荣.STC系列增强型805