摘要：保护检修工作需定期测量压板对地电压修改保护定值，投、退压板也需测量压板对地电压；测量压板对地电压工作由表计自身原因或者操作原因极易造成压板接地，压板接地引起保护误动几率高。本文基于STM32F103ZET6研究设计一款应用于压板对地电压测量工作的电压测量专用表，可有效防止接地故障引起保护误动事故发生。
关键字：压板、压板接地、保护误动、电压表
1概述
在电力系统中，保护压板是保护装置联系外部接线的纽带，关系到保护功能和动作出口能否正常发挥作用，因此非常重要。在市场上由于保护装置厂家众多导致保护压板在外观设计上参差不齐。据统计，一个变电站的保护压板少至几百个多至一千多个，而一个管辖区域则包含多个变电站，如果每年对这么多个保护压板进行确认，那么对于技术人员的工作量就比较大，可能会出现疏漏的情况。而且目前在投退过程中多数使用万用表进行测量，但测量方法不当就会引起保护拒动或误动。
在2010年9月，某变电站操作人员使用万用表测量110KV线路保护压板时，原本应把插入电压插孔的正极导线插入了电流插孔，使得压板经万用表对地短接，造成运行中110KV线路开关跳闸的情况发生；某变电站，2012年5月工作人员使用万用表测量主变保护屏的压板两端电压时，原本应选用电流电压档却误用万用表的电阻档测压板两端电压，经电阻档的万用表对地短接，造成主变变低501开关误跳闸的情况发生；某变电站，2013年3月有操作人员用万用表测量稳控装置压板时，万用表直流电压档绝缘材料击穿，使得压板对地短接，加上分布电容等因素干扰，造成运行中的线路开关跳闸。此类真实的事故严重影响了供电的可靠性，对用户的正常用电造成极其不良的影响。
2压板投入专用表技术研究
根据现有的关于保护压板两端电压测量的实际现状，目前工作中使用的工具有可能带来隐患，造成不必要的财产损失，因此研究一款压板投入专用表来替代万用表进行压板两端电压的测量是非常有意义的。
2.1系统功能
压板投入专用表原理是设计一款高输入阻抗的电压表，专用于测量保护压板两端的电压，避免普通的电压表可能因内阻过小跳闸回路会通过表计导通，导致开关误跳。
2.2主要参数指标
压板投入专用表的主要技术指标要求：
直流电压测量：10～±500V,误差±1％。
交流电压测量：10～500V，50Hz,误差3%。
输入阻抗≧1000kΩ。
工作电源：3.7V锂电池。
2.3主要功能特点
压板投入专用表具备的功能特点：
无档位，高输入阻抗，确保测量安全。一方面防止了工作人员的误操作选错档位，另一方面高输入阻抗避免了压板对地短接。
可测量直流系统对地电压中是否存在交流成分。因为现场因素较多，只有绝对稳定的直流电才不会有交流成分，所以在环境复杂的情况下，一般的直流电都是会有交流成分在里面，只是如果这种交流成分不影响正常工作也就把它忽略了。
实时显示电压波形，可兼作示波器用。不仅可显示数值，还可以显示波形走势，方便直观，一物两用。
采用3.5寸彩色液晶屏，显示清晰。
防误触电源开关，一键开关机，操作简单便捷。
使用大容量锂电池，集成充电管理芯片。大容量锂电池可以解决续航时间短的问题。
3压板投入专用表设计
本系统的设计是由多个模块电路组成的，主要如下：STM32F103ZET6最小系统电路、LCD/OLED电路、电源电路、电池输入保护电路、开关控制电路、充电状态监测电路、锂电池充电电路、锂电池电压检测分压电路、输入端分压电路、直/交流采样电路。下面将对相对重要的电路分别进行介绍。
3.1单片机
STM32F103ZET6是ST公司推出的一款基于Cortex-M3内核的微处理器。STM32具有MCU应用领域的32位处理器的性能，STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核单片机。STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
主要特性如下：
（1）基于ARMCortexM3核心的32位微控制器LQFP-144封装。
（2）512K片内FLASH（相当于硬盘），64K片内RAM（相当于内存），片内FLASH支持在线编程（IAP）。
（3）高达72M的频率，数据，指令分别走不同的流水线，以确保CPU运行速度达到最大化。
（4）通过片内BOOT区，可实现串口下载程序（ISP）。
（5）片内双RC晶振，提供8M和32K的频率。
（6）支持片外高速晶振（8M）和片外低速晶振（32K），其中片外低速晶振可用于CPU的实时时钟，带后备电源引脚，用于掉电后的时钟行走。
（7）42个16位的后备寄存器（可以理解为电池保存的RAM），利用外置的纽扣电池，实现掉电数据保存功能。
（8）支持JTAG，SWD调试，配合廉价的J-LINK，实现高速低成本的开发调试方案。
.png)
图3.1单片机最小系统
（9）多达112个IO（大部分兼容5V逻辑），4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3个SPI接口，2个I2S接口，2个I2C接口，5个USART，一个USB从设备接口，一个CAN接口，SDIO接口，可兼容SRAM，NOR和NANDFlash接口的16位总线-FSMC。
（10）3个共16通道的12位AD输入，2个共2通道的12位DA输出，支持片外独立电压基准。
（11）CPU操作电压范围：2.0-3.6V，引脚图如图3.1所示。
由以上数据可以看出，本系统所选MCU性能十分卓越。相对于51单片机、RISC的8位AVR单片机还是16位的MSP430单片机，该处理器在Flash、RAM、工作频率以及外设上具有绝对的优势，综合性能、外设、功耗、价格、种类等多个方面性价比较高。
3.2输入端分压电路
电阻分压电路是各种分压电路中最基本的电路，用电阻构成的分压电路，R42和R47是分压电路中的两只电阻，如图3.2所示
输入端分压电路由R42和R47两只电阻构成。电路中有电压输入端和电压输出端。输入电压加在电阻R42和R47上，它产生的电流流过R42和R47，电流经过串联电路中下面一只电阻R47，产生输出电压。分压电路输出电压的计算方法：U0=R47/（R42+R47）*Ui。
.png)
图3.2输入端分压电路
3.3直流采样电路
该系统的直流采样电路主要由两极放大电路组成，电路如图3.3所示。
.png)
图3.3直流电压采样电路
输入电压先经过U9A第一级放大电路进行一次放大，如果属于低电压输入，再进过U9B第二级放大电路放大，再经DC-IN2端口进行采样。若端口DC-IN2输入接近饱和时，采样自动切换到DC-IN1，因为DC-IN1的第二级放大电路是一个电压跟随器，无电压放大效果。通过该电路实现输入电压宽范围高精度采样运行。
交流电压采样电路处理与直流电压采样电路相似，区别是电路滤波区别。
4小结
本文论述了一种基于STM32F103ZET6设计的高输入阻抗电压测量专用表，该电压表主要应用于电力系统二次设备维护过程电压测量，能够有效避免电压测量过程中由于使用工具原因导致一点接地故障。是一种从源头避免一点接地引起保护误动的有效方法。
参考文献
[1]邓效荣,保护压板投退过程防误方法探讨[J].中国高新技术企业,2014(34).
[2]吴耀庭,卢迪勇,一种保护跳闸出口压板测量装置的研制[J].电工电气,2011(05).
[3]朱江,微机保护压板电压测量方式探讨[J].电工技术,2012(07).
[4]杨跃辉,吕亮,保护压板测量风险辨识及预控措施[J].电工技术,2014(07).
[5]卢妍妍,基于STM32的可穿戴设备系统[D].河南,河南工业大学,2016.
项目名称:《量程自适应电力万用表的研制》;项目编号:031900KK 52190078
论文作者:陈泗贞
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/16
标签：压板论文; 电压论文; 电路论文; 测量论文; 万用表论文; 电阻论文; 单片机论文; 《电力设备》2019年第20期论文;