基于超声波传感器和STM32的局部放电监控系统设计

0 引言

随着电网系统的智能化程度越来越高，对开关设备的要求越来越高。为了保证开关设备的安全可靠运行，减少安全事故的发生，需要对开关设备的不同性能参数进行实时监测，其中局部放电监测是极其重要的一部分[1-2]。

因为在开关设备内部，若一直伴随有局放现象，将降低设备的使用周期，在严重情况下，一旦设备绝缘件破坏，易发生短路故障，进而引发燃弧爆炸等事故[3-5]。因此，需要对开关设备内部易放电部位进行监测，实时掌握其运行状态，一旦发现放电异常现象，便于及时维护，减少事故的发生。

目前开关设备对局部放电的监测种类主要有通过高频、脉冲电流、射频以及超声波等检测方法，其中，超声波监测法是利用开关设备内部元器件局部放电时产生的超声波信号，进而转化为电信号输出，不受开关设备本体运营的影响，其更适用于对局放的实时监测[6-9]。本文利用超声波监测法的抗干扰强等优势，同时结合STM32单片机高性能、低功耗、数据处理能力强等特性，针对开关设备设计了一种质量可靠、操作方便的局部放电实时在线监测系统。经试验验证，该监控系统能够实时准确监测到开关设备内部易放电部位的局放值，并配备报警、存储、通讯、显示等功能，方便用户操作，安全可靠。

1 监控系统整体架构设计

为了有效监测开关设备内的局部放电现象，实时掌握设备运行情况，本文设计了一种基于超声波传感器和STM32处理器的局部放电监控系统。该系统采用抗干扰强的超声波传感器以及性能强的处理器，使整套系统的安全可靠性得到充分保障。监控系统从总体结构上分为传感器层、数据处理层及后台监控层，系统整体架构设计方案如图1所示。

(1)传感器层：该层的关键设备是超声波传感器。把传感器布置在开关设备内部的套管等需要监测的元器件附近，一旦元器件发生放电现象，传感器将会实时采集到相应的超声波信号，然后经过传感器上的无线传输模块把处理后的信号传送给数据处理层上的信号接收器。

(2)数据处理层：该结构层主要分数据接收、处理、通讯等模块，该层的核心即为STM32处理器。信号接收器负责接收传感器发送的信号，并同时传送给信号处理模块，然后处理模块对接收的信息进行相应处理转换，最终通过RS485通讯把相应的局放值发送给后台监控层。

(3)后台监控层：该结构层主要包括串口服务器、以及后台监控设备等。处理后的局放值经过串口服务器到达后台监控设备，在监控后台上对数据进行显示、存储。同时通过监控终端可以设定局放报警值，具有报警事件记录查询、报警时远程控制、输出打印等功能。

图1 监控系统整体架构设计方案

2 传感器层设计

超声波传感器通过快速采集开关设备内元器件放电时所产生的超声波信号，然后使超声波信号通过声电转换器转换为电信号，最后通过无线传输模块输送给数据处理层的信号接收器。

该传感器内部主要由声-电转换传感器、信号带通滤波器、前置信号放大器、微处理单元、无线传输单元等组成，其硬件架构图如图2所示。

图2 传感器硬件架构图

2.1 信号滤波电路

该滤波电路采用带通滤波方式对超声波信号进行处理，其中在电路内部设计有2块SF356运算放大模块，通过两级处理以达到滤除低频和高频信号的目的，电路图如图3所示。

图3 滤波电路图

2.2 前置信号放大电路

采用AD603压控放大器对滤波后原始信号进行放大处理，AD603具有精确度高、噪声小等特性，通过将多个AD603串联起来实现对信号更好的处理和控制，其中信号放大电路如图4所示。

图4 前置放大电路图

2.3 微处理模块与无线传输模块

通过微处理单元FPGA对放大后的信号做进一步处理，其中FPGA由计算机编程进行控制，然后与基于NRF24L01芯片所设计的无线传输模块相连，把处理后的信号实时传送给外围的信号接收器，为后台监控提供稳定可靠的数据。

3 数据处理层设计

该局部放电监控系统的数据处理层主要实现信号的数据处理、传输及控制功能，包括电源、STM32处理器、数据采集处理、RS485通讯、控制等单元，其硬件结构框架图如图5所示。

图5 硬件结构框架

3.1 STM32处理器介绍

STM32F103ZET6作为本局部放电监控系统的神经中枢，配备有高性能ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率可达到72 MHz，相对于8/16位的处理器，代码效率更高，功耗更低，集成度极高。该处理器内置高达512 KB的嵌入式Flash和64 KB的嵌入式SRAM，读写速度快，方便存储数据结果和程序。同时，具备3个16通道A/D转换器，及13个通信接口，极大地满足了该监控系统的需求。

3.2 数据采集模块设计

该模块接口用来接收传感器层NRF24L01无线模块所发送的信号，然后通过滤波电路和STM32内置的ADC模块，对该信息进行处理及信息转换。其中ADC模块电路如图6所示。

图6 ADC模块电路图

3.3 RS485通讯模块设计

为便于用户实时观测开关设备局部放电情况，实现信息数据共享，系统需将处理后的局放数据上传至监控后台。本系统通过RS485通信电路实现数据的高效快速传输，SP3485作为收发器，最大传输速度可达10 Mbit/s，支持多达32个节点，并且有输出短路保护，其中通讯电路如图7所示。

图7 通讯模块电路图

4 后台监控层设计

后台监控层所用到的串口服务器、监控终端等硬件设备安装在变电站控制室中，同时通过EpSynall电力综合自动化软件设计上位机监控系统，该自动化软件提供有可编程的电力自动化人机交互界面(HMI)组件，具备开放的数据库管理系统和分布式网络化体系结构，以及独有的大规模快速求解算法，强大的script命令语言、运算和功能函数等，具有良好的兼容性和可扩展性，适用于电力系统远程控制和电力系统分层管理，在EpSynall平台上实现数据采集、信息显示、存储、危险报警、监视控制及打印等功能。

5 实验验证及分析

5.1 测试结果及分析

为了验证本监控系统的可靠性能，通过对4台开关柜进行测试，把传感器安装在不同开关设备的不同部位，使本系统的监测结果与采用局放检测仪检测到的结果进行对比，实验结果如表1所示，图8为采用本监控系统的后台显示结果。

表1 局放值检测结果对比

图8 本监控系统后台显示结果

由表1可知，把采用局放检测仪的检测结果与采用本监控系统的监测结果进行对比，针对同一检测点，两者检测结果比较接近，误差基本保持在1 pC左右，能够满足电力开关设备的需求。

5.2 应用实例

本文设计的基于超声波传感器和STM32的局放监控系统应用实例如图9所示。图9(a)为对开关设备内部的触头盒监测的应用实例，用绝缘扎带把传感器固定在触头盒附近。图9(b)为某工程项目的监控主系统图平台界面，中间为该项目的一次系统图，左右两侧实时显示被检测点的局放数据，信息显示一目了然，一旦出现异常，方便用户及时解决。

(a)开关设备安装应用

(b)某工程监控主系统图

图9 应用实例

6 结论

为了实时监测开关设备的绝缘性能，本文充分利用超声波传感器和STM32处理器的优越性能，设计一种针对开关设备局部放电现象的实时在线监测系统。本监控系统功能完善，同时设计有较人性化的监控后台，方便用户操作，通过对不同的开关设备进行检测，并与局放检测仪检测结果进行对比，可发现本监控系统具有高精度、高可靠性等优点，具有较好的应用前景。