摘要：在电力发供电系统中广泛应用的直流电源，要提升自动化监测水平，首先要解决信号采集难题。研究摒弃了低频振荡法，避免向系统再度输送交变信号，运用了先进的霍尔技术，通过电流变化进行故障采集，同时引入智能化手段实施分析判断，有效提升故障处理和电网安全运行水平。
关键词：直流故障；信号采集；智能化处理
1 直流监测问题
在电力发供电网络中，广泛应用的直流电源，因分支线路多，走向复杂，接地、短路等故障时有发生。过去靠人工拉闸断电寻找故障线路，其方法原始落后，并使正常线路受到停电影响，故不可取，需进行自动化监测的研究。
直流电源与交流电源不同，电磁场极弱，故障信号采集非常困难。因此，有点监测仪器是运用低频振荡法，向直流系统反送10Hz左右的交变信号，再对该信号进行采集分析并判断有无故障，其实质是将直流变交流监测。这种方法虽然能够起到一定在线监测作用，但反送信号的方式，无疑是给下大力气实现整流、滤波的直流电源带来新的交变污染。因此，将采用新的方法进行故障采集和分析处理。
2 霍尔采样原理
由于直流电源电磁场弱，采样非常困难，同时反送交变信号采集法又不可取，对此，采用了先进的霍尔技术，运用其传感器进行采样，解决了上述难题。霍尔传感器是一种半导体器件，在无电流通过时，处于稳定状态；当直流系统出现接地故障，将产生不平衡电流，在霍尔传感器中激活电荷，送出对应变化的电信号。再将这些信号传送给主机，经处理完成比较、判断、显示和报警等功能。
霍尔采样接线如图1所示。在图1中，被测直流线路穿过霍尔传感器的采样中心圆孔，接线端子排a、b为±15 V；c是采样信号输出端；d为公共地，传感器基座和横竖固定孔可根据现场位置选用。在图1中只要被测线穿过测试孔，接上工作电源，即可进入监测状态。
图1 霍尔传感器监测采样图
图2为霍尔传感器采样电路图。图2中，R1、R2为平衡电阻；A为霍尔传感器，L为负载；r为在发生接地故障时出现的接地电阻。
图2 霍尔传感器采样电路
在采样装置内部，当直流系统没有接地故障时，穿过霍尔传感器的电流i+和i+′与i－大小相等，方向相反。故有：
i++i!=0 （1）
3 电力直流信息采集与智能化处理装置的研究
因为i+和i－的合成电流为0，故合成磁场亦为0，则传感器中无信号输出。当系统中出现接地故障时，产生接地电阻r和接地电流i0，i0经大地形成回路，其电流关系为：
i+=i0+i+!
i+!+i²=0
i+²i+!=i0 （2）
由图2和计算推导可见，当出现接地故障时，正常工作电路i+′和i－仍然互相抵消，但会留下接地电路i0。因i0的存在，霍尔器件电荷平衡被打破，并产生涌动，同时转化为电信号，在c端输出，从而达到采样目的。
直流系统有小母线，小母线又带有多条分支线，所以，监测要用到数十个传感器。若这些传感器都和主机相连，则线路太多、太庞杂，不仅占据空间，而且容易出错。为此，选用了RS 485 接口的传输方式，使每只传感器c端输出信号线都并联相接，如图3所示。
图3 传感器并联相接图
由图3可见，有多条被监测直流线路，配置了多个霍尔传感器，每个传感器的±15 V电源和采集到的电信号并联传送给主机，再由主机完成后续的比较、判别、显示和报警等项工作。
4 主机结构原理
本直流故障智能处理器结构如图4所示。
4.1 霍尔采样单元
本装置外部来源于前面监测部分，各负载FZ1～n 在直流小母线U＋、U－上分支引出，并正负线穿过霍尔传感器HR1～n中心孔，做出有无接地故障等的初步判断，确定有无电信号输出。
霍尔传感器和计算机内部工作均需电源，为减少工频干扰和设备投资，本装置又摒弃了常规交直流变换法，运用了从直流母线索取电源的方式。传感器采集到的信号加上电源线，采用了多芯电缆交互传递。
图4 智能直流故障监测装置结构
4.2 智能处理单元
在直流故障监测中，霍尔传感器采集到的故障信息，传入到主机中，将做进一步的技术处理。
4.2.1 A－D转换
因霍尔传感器采集并转换成的电压是模拟信号，而所有智能芯片响应的是数字信号，所以，首先要做整形和A－D转换，将采集到的模拟信号转变为数字信号，再由数据总线传送给CPU，进行比较、判断等工作。
4.2.2 装置硬件
除A－D转换器外，装置内部还有石英晶体振荡器、计数器等，以产生年、月、日、时、分和秒走时信号，其用途是既确定扫描时间间隔，又记录故障发生时刻等，以便于分析处理。
在图4的右侧，设有键盘和I/O集成接收处理器，该处理器是RAID 控制器的指令中心，实现包括PCI 和SCSI 总线数据传输等，在与键盘相互配合中完成人机对话，可进行被测支路、传感器号、电压门槛值、报警起动值、时间校正和通信规约等设置；又可结合液晶显示屏实现故障线路号、接地电阻值和故障时间等的调看和查询。
而CPU智能芯片通过地址总线和数据总线接收霍尔传感器和键盘人工设置的双重信号，按周期循环选线开始工作，采集每条支路的信号，进行计算、比较和判断等处理。随后，将处理结果送至液晶屏显示、蜂鸣器报警，还将信号传送给上位机，进行更宽范围、更大功效的编排、制表和存储等处理。同时按现场适应的通信规约，经RS232、RS 485接口等将信号传递到系统网络上，使安全生产管理人员在远方也能了解和掌握设备情况，对事故及时作出排查处理，以保证直流系统的安全运行。
4.3 软件流程
据前面所述，绘制出相关软件流程图，如图5 所示。
图5 软件流程
由图5可见，装置首先进行人机对话，从键盘中输入被监测线路数n和电压等级（48 V、110 V和220 V），以确定比较判断值；再设置采集时间间隔t，本装置取为10 s，这是做延时处理，避免瞬时冲击，以确认故障的延续性和真实性。
当内部参数设置完成，便进行数据转换处理，形成单片机能识别的二进制码，输送给CPU作比较判别用。
另一侧，由霍尔传感器HR1～n对各被监测支路FZ1～n进行采样，并经A－D模数转换，送给单片机进行外部正负接地测试值Vw、Vw－与内部正负设定值Vn、Vn－的数据比较。正常时，外部采集信号Vw接近于0，必然小于内部设定信号，即Vw＜Vn或Vw－＞Vn－，所以从比较器的N端输出，继续“循环访问”；但当某支路出现接地故障，平衡被打破，霍尔传感器采集到的信号传送给单片机进行比较判别中，会出现Vw＞Vn或Vw－＜Vn－，则信号将从比较器的Y端输出。
Y端输出的信号还根据内部比较结果的不同，传送的信息和走向有别，分别起动“正接地”或“负接地”阀门，提供给液晶屏做不同故障类型显示。在“循环访问”中，程序是按线路号和时间间隔逐条进行查询比较的。所以，当发现故障时，装置内部都将做出记录和存储，并在Y端输出信号中，同时将“线路号”和“故障时间”在液晶屏中显示。
当CPU处理完毕，相关信号又会送给上位机，进行多条线路监测的整合与归类等处理，使之更加系列化、规范化。随后再经接口电路，传送给通信网络，使安全生产部门在远方也能了解直流系统工作情况，对监测到的故障及时做出防护和维修处理，以免事故的蔓延扩大。
5 结语
针对直流电源磁场弱，故障查找困难，摒弃反送信号的低频振荡法，运用先进霍尔技术解决了直流电源的采样问题，并引入智能手段进行优化处理，增强了正接地、负接地等故障的分析判断能力。本装置充分利用RS 485通信接口，在大批量信号采集与网络传输中发挥了极大作用。本监测装置的研制投用，将大幅提高电力直流系统的安全水平，增强电力系统的运行稳定性。
参考文献：
[1]李富颖．关于直流系统绝缘监测装置的研究 [D]．北京：华北电力大学，2010．
[2]吕阳．直流系统接地故障的分析 [C]．重庆市电机工程学会论文集，2010．
[3]杨伟，张俊芳．微机选线式直流系统绝缘监察装置的研究 [J]．电力自动化设备，2000，20（4）：19-21．
论文作者:秦力,牛妮,赵锦明
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/7/31
标签：霍尔论文; 故障论文; 传感器论文; 信号论文; 装置论文; 系统论文; 线路论文; 《电力设备》2018年第11期论文;