二次地网电压监测装置和方法

技术领域

本申请涉及电压监测技术领域，特别是涉及一种二次地网电压监测装置和方法。

背景技术

在大型电厂或变电站中，现场实际接地电阻不为零，当系统发生单相接地短路时，流过接地点的短路电流会在接地电阻上产生一个电压，而远离接地点可以认为是零电位，这样从接地点至零电位处接的地网上就会产生自高至低的不均匀的电位。

随着电力系统的迅速发展，系统的短路容量也越来越大，短路时的入地电流最大可达到几千安，即使接地电阻很小，在短路点仍然会产生上百伏的电压。如果二次系统直接接入一次系统接地网，不仅对二次设备会产生较大危害，而且对双端接地的控制电缆屏蔽层来说，在屏蔽层两端的电压差会产生不平衡电流，该电流所产生的交变磁场将会在电缆芯线上产生一个交变的电压，严重时将会影响二次设备的正常运行。

然而目前行业内缺失检测二次等电位接地网运行状态的装置，电力系统的运行存在安全隐患。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种二次地网电压监测装置和方法，解决二次地网无监测的问题，提升电力系统的安全性。

在一个实施例中，一种二次地网电压监测设备，包括电压采集装置、主控制器、存储装置和告警装置；所述主控制器连接所述电压采集装置、所述存储装置和所述告警装置；

所述电压采集装置用于采集二次地网对一次地网的电压，得到采样信息并发送至所述主控制器；所述主控制器用于根据所述采样信息，判断所述电压是否大于或等于预设电压阈值，并在所述电压大于或等于预设电压阈值时，控制所述存储装置存储所述采样信息，通过所述告警装置输出告警信息。

在其中一个实施例中，二次地网电压监测设备还包括电源装置，所述电源装置连接所述主控制器和所述告警装置。

在其中一个实施例中，二次地网电压监测设备还包括对时装置，所述对时装置连接所述主控制器。

在其中一个实施例中，二次地网电压监测设备还包括通信装置和显示装置，所述通信装置和所述显示装置均连接所述主控制器，所述通信装置还用于连接上位机。

在其中一个实施例中，所述电压采集装置包括依次连接的电压采集电路、隔离电路和放大电路；所述电压采集电路用于连接所述二次地网和所述一次地网，所述放大电路连接所述主控制器。

在其中一个实施例中，所述电压采集电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2；

所述电阻R1的一端连接所述二次地网，另一端连接所述一次地网，所述电容C1与所述电阻R1并联；所述电阻R2与所述电容C2串联，形成的公共端连接所述隔离电路和第一电源，所述电阻R2的另一端连接所述二次地网，所述电容C2的另一端连接所述一次地网。

在其中一个实施例中，所述隔离电路为隔离光耦。

在其中一个实施例中，所述放大电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C3、电容C4和运算放大器；

所述电阻R3的一端连接所述隔离光耦的输出正极，所述电阻R3的另一端连接所述运算放大器的同相输入端；所述电阻R4的一端连接所述隔离光耦的输出负极，所述电阻R4的另一端连接所述运算放大器的反相输入端；

所述运算放大器的同相输入端通过所述电容C3接地，所述电阻R5与所述电容C3并联；所述运算放大器的同相输入端还通过所述电阻R6连接第二电源；所述电容C4连接所述运算放大器的反相输入端和输出端，所述电阻R7和所述电阻R8均与所述电容C4并联；

所述电阻R9连接所述运算放大器的输出端和所述主控制器。

在其中一个实施例中，所述电压采集装置还包括输入滤波电路和输出滤波电路，所述输入滤波电路连接所述隔离电路和所述放大电路，所述输出滤波电路连接所述放大电路和所述主控制器。

在一个实施例中，一种二次地网电压监测方法，基于上述的二次地网电压监测设备实现，所述方法包括：

电压采集装置实时采集二次地网对一次地网的电压，得到采样信息并发送至主控制器；

主控制器根据所述采样信息，判断所述电压是否大于或等于预设电压阈值；

若是，则所述主控制器控制存储装置存储所述采样信息，并通过告警装置输出告警信息。

上述二次地网电压监测设备，配置电压采集装置实时采集二次地网对一次地网的电压，配置主控制器在该电压大于或等于预设电压阈值时，控制存储装置存储采样信息，并通过告警装置输出告警信息，可以有效检测电厂或变电站的二次地网接地情况，为维护人员提供检修依据，解决了二次地网无监测的现状问题，有利于提高电力系统运行的安全性。

附图说明

图1为一实施例中二次地网系统的结构原理图；

图2为一实施例中二次地网电压监测设备的结构框图；

图3为另一实施例中二次地网电压监测设备的结构框图；

图4为一实施例中485通信电路的结构原理图；

图5为一实施例中电压采集装置的结构框图；

图6为一实施例中电压采集装置的结构原理图；

图7为一实施例中二次地网电压监测方法的流程图；

图8为另一实施例中二次地网电压监测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

如图1所示，变电站接地网为一次地网1，为保证变电站内的设备安全，设计专门的二次等电位接地网，即为二次地网2。二次设备3通过二次地排4连接二次地网2，二次地排4与二次地网2之间，以及二次地网2与一次地网1之间均通过地网互联电缆5连接。在雷雨天，一次地网1可能存在大电流，通过二次地网2全站一点接入一次地网1，可以避免因二次地网2多点接地造成的电压不一致问题，保证二次设备3的安全。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种二次地网电压监测设备，包括电压采集装置100、主控制器200、存储装置300和告警装置400。该主控制器200连接电压采集装置100、存储装置300和告警装置400。电压采集装置100用于采集二次地网对一次地网的电压，得到采样信息并发送至主控制器200；主控制器200用于根据采样信息，判断电压是否大于或等于预设电压阈值，并在该电压大于或等于预设电压阈值时，控制存储装置300存储采样信息，通过告警装置400输出告警信息。

其中，电压采集装置100可以是包含互感器，基于感应原理进行电压采集的装置，也可以是包含分压或分流器件，基于分压或分流原理进行电压采集的装置。主控制器200可以是控制芯片，也可以是包含逻辑器件的控制电路。存储装置300是指可以用于存储信息的装置，该存储装置300可以是各式存储器或存储芯片。例如，存储装置可以为128M的存储芯片。告警装置400可以是警示灯和/或蜂鸣器。总之，本实施例对各组成部分的具体器件构成并不作限定。

具体的，设备上电工作后，电压采集装置100开始采集二次地网对一次地网的电压，得到采样信息并发送至主控制器200。主控制器200获取采样信息后，根据采样信息，判断电压是否大于或等于预设电压阈值。当电压大于或等于预设电压阈值时，说明存在二次地网异常，主控制器200控制存储装置300存储采样信息，通过告警装置400输出告警信息。此外，主控制器200还可以同时生成告警记录，并控制存储装置300存储该告警记录。

进一步的，当电压小于预设电压阈值时，主控制器200检查上一次的告警信息是否清除，若已清除则直接获取下一次的采样信息；若未清除则将告警信息清除，并生成故障复归记录后再获取下一次的采样信息。另外，主控制器200获取采样信息后，进行二次地网对一次地网的电压判断的同时，还可以控制存储装置300缓存采样信息。若二次地网正常运行，则存储装置300按照末位自动溢出的方式进行存储，存储装置300中配置的缓存空间满足预设时长数据量的存储要求。若存在二次地网异常，则存储装置300先将当前的缓存数据进行存储，再继续存储后续采样信息，直至完成预设录波时长的数据存储。可以理解，上述预设时长和预设录波时长并不唯一，可以根据采样需求进行灵活设置，例如预设时长可以为1秒，预设录波时长可以为1分钟。

此外，当二次地网对一次地网电压大于或等于预设电压阈值时，主控制器200还需判断当前是否已经为告警状态，若否，则生成告警记录，控制存储装置300存储采样信息，并控制告警装置400输出告警信息。若是，则需判断当前告警的持续时间。在持续时间未达到预设录波时长时，主控制器200继续获取采样信息，并控制存储装置300进行录波；在持续时间已达到预设录波时长时，继续获取采样信息，并进行二次地网异常判断。

在一个实施例中，主控制器200是型号为STM32F103ZET6的控制芯片。该控制芯片自带有12位模数转换器，工作频率最高可达72MHz。使用该控制芯片，采用1kHz速率进行电压模数转化，可以实现高速高精度采集二次地网对一次地网电压。STM32F103ZET6芯片是ARM 32位的CortexTM--M3 CPU，具有运行速度快、存储量大、功耗低和各种功能接口数量众多的特点，有利于提升二次地网电压监测设备的性能。

上述二次地网电压监测设备，配置电压采集装置100实时采集二次地网对一次地网的电压，配置主控制器200在该电压大于或等于预设电压阈值时，控制存储装置300存储采样信息，并通过告警装置400输出告警信息，可以有效检测电厂或变电站的二次地网接地情况，为维护人员提供检修依据，解决了二次地网无监测的现状问题，有利于提高电力系统运行的安全性。

在一个实施例中，如图3所示，二次地网电压监测设备还包括电源装置500，该电源装置500连接主控制器200和告警装置400。

其中，电源装置500是指包含电能存储模块，可以向外输出电能的装置。该电能存储模块，可以是储能电池组或超级电容。进一步的，电源装置500还可以包括转换模块，用于同时实现多种电压的输出，匹配不同负载的使用需求。

在一个实施例中，该电源装置500包括储能电源和电源控制芯片，电源控制芯片用于实现储能电源的输出电压转换。例如，储能电源可以为PV75-36D系列电源，能输出+12V和+5V两种电压；电源控制芯片可以为XC6206P332MR芯片，能将+5V电压转换成+3.3V电压并输出。上述电源模块500，可以同时输出+12V、+5V和+3.3V三种电压，同时满足显示屏、模拟电路和数字电路等不同硬件的供电需求。

在一个实施例中，请继续参考图3，二次地网电压监测设备，还包括对时装置600，该对时装置600连接主控制器200。

统一精确的时间是保证电力系统安全运行，提高运行水平的一个重要措施，而对时装置600是实现全网不同地点，以及不同变电站的时间同步的重要手段。该对时装置600，可以是脉冲对时装置、串口报文对时装置、时间编码方式对时装置或网络方式对时装置。在一个实施例中，该对时装置600为B码对时装置，通过与B码装置通信，接收B码源实现对时功能。

上述实施例中，通过设置对时装置600确保设备与全网保持统一时间，有利于避免时间顺序错位，提高存储装置300中存储的录波信息的有效性。

在一个实施例中，请继续参考图3，二次地网电压监测设备，还包括通信装置700和显示装置800，该通信装置700和该显示装置800均连接主控制器200，通信装置700还用于连接上位机。

其中，通信装置700可以为有线通信装置或无线通信装置。显示装置800可以为显示屏或触控屏。例如，显示装置800可以是7寸工业触控屏，可以同时实现显示与按键输入功能，完成人机交互。进一步的，显示装置800和通信装置700均连接电源装置500，由电源装置500向显示装置800和通信装置700提供工作电压。

具体的，主控制器200获取采样信息后，可以通过显示装置800显示当前的电压信息，以及当前二次地网的运行状态，并通过通信装置700与上位机通信，实现数据交互。

在一个实施例中，如图4所示，通信装置700为485通信电路。该485通信电路由通信芯片U3、限流电阻R21、限流电阻R22、限流电阻R23和滤波电容C21构成。其中，限流电阻R21连接端口RXD1和通信芯片U3，限流电阻R22连接端口TXD1和通信芯片U3。通信芯片U3的供电端连接电源装置500，由电源装置500向通信芯片U3提供+5V的工作电压，通信芯片U3的供电端还通过滤波电容C21接地。通信芯片U3的端口A和端口B之间连接有限流电阻R23。

具体的，当主控制器200为单片机时，主控制器200通过端口RXD1和端口TXD1连接通信芯片U3；当主控制器200为其他类型时，主控制器200通过端口CON_485连接通信芯片U3。通信芯片U3根据主控制器200输入的控制信号，通过接口485A和485B完成与上位机的数据交互。为便于接线，485通信电路的电路板上还设计有四位接线端子CON。

上述实施例中，配置通信装置700和显示装置800，实现二次地网电压监测设备与其他设备的数据交互，有利于提高使用的便利性，提升工作效率。

在一个实施例中，如图5所示，电压采集装置100包括依次连接的电压采集电路110、隔离电路120和放大电路140。该电压采集电路110用于连接二次地网和一次地网，放大电路140连接主控制器200。

其中，电压采集电路110基于分压或分流原理进行电压采集的电路单元。隔离电路120是可以实现信号隔离的电路单元。该隔离电路120可以为模数转换器，也可以为隔离光耦。放大电路140是可以实现信号放大的电路，该放大电路140，可以是单极型管类或双极型管类的放大电路。

具体的，电压采集电路110采集到二次地网对一次地网的电压后，由隔离电路120隔离，并通过放大电路140放大后向主控制器200输出采样信息。

上述实施例中，配置隔离电路120进行信号的隔离，可以避免二次地网电压异常对二次地网电压监测设备的影响；配置放大电路140对采样信号进行放大处理，可以便于后端主控制器200的分析和处理，提升工作效率。

在一个实施例中，请继续参考图5，电压采集装置100还包括输入滤波电路130和输出滤波电路150，该输入滤波电路130连接隔离电路120和放大电路130，输出滤波电路140连接放大电路130和主控制器200。

其中，输入滤波电路130和输出滤波电路150是由滤波电容构成的电路单元，该滤波电容的数量可以是一个也可以是多个，且多个滤波电容的连接方式可以是串联、并联或混联。进一步的，上述滤波电容可以为极性电容也可以为非极性电容。具体的，隔离电路120输出的信号，通过输入滤波电路130滤波处理后到达放大电路140，经过放大电路140和输出滤波电路150处理后，输出至主控制器200。

上述实施例中，配置输入滤波电路130和输出滤波电路150进行滤波处理，有利于提高采样信息的质量，提升电压监测效果。

在一个实施例中，如图6所示，电压采集电路110包括电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2。电阻R1的一端连接二次地网，另一端连接一次地网，电容C1与电阻R1并联；电阻R2与电容C2串联，形成的公共端连接隔离电路120和第一电源VCCE，电阻R2的另一端连接二次地网，电容C2的另一端连接一次地网。

具体的，端口COM1为二次地网接入端，端口COM为一次地网接入端。电压采集电路110采集得到二次地网对依次地网的电压信号后，将该电压信号输入隔离电路120。

在一个实施例中，请继续参考图6，隔离电路120为隔离光耦U1。

具体的，该隔离光耦U1的输入正极连接电阻R2和第一电源VCCE，该隔离光耦U1的输入负极连接一次地网，该隔离光耦U1的输出正极和输出负极连接输入滤波电路130和放大电路140。

在一个实施例中，如图6所示，隔离电路120选用型号为HCPL-7840的隔离光耦，可实现8倍放大，可同时实现隔离和放大功能。输入滤波电路130包括滤波电容C6和滤波电容C7，隔离光耦U1的输出正极通过滤波电容C6接地，隔离光耦U1的输出负极通过滤波电容C7接地，隔离光耦U1输出部的电源端还通过电容C5接地。

上述实施例中，配置同时具备隔离和放大功能的隔离光耦作为隔离电路120，可以进一步提高采样信号的放大效果。

在一个实施例中，请继续参考图6，放大电路140包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C3、电容C4和运算放大器A1。电阻R3的一端连接隔离光耦U1的输出正极，电阻R3的另一端连接运算放大器A1的同相输入端；电阻R4的一端连接隔离光耦U1的输出负极，电阻R4的另一端连接运算放大器A1的反相输入端。运算放大器A1的同相输入端通过电容C3接地，电阻R5与电容C3并联；运算放大器A1的同相输入端还通过电阻R6连接第二电源VREF；电容C4连接运算放大器A1的反相输入端和输出端。电阻R7和电阻R8均与电容C4并联。电阻R9连接运算放大器A1的输出端和主控制器200。

其中，第一电源VCCE和第二电源VREF可以为不同电源，也可以为同一电源的不同输出端。运算放大器A1的型号并不唯一，例如可以为LM358型运算放大器。此外，运算放大器A1的电源端可以连接电源装置500，由电源装置500提供+5V的工作电压。第二电源VREF提供+2.5V的偏置电压。进一步的，如图6所示，输出滤波电路150为滤波电容C8，滤波电容C8的一端连接电阻R9，另一端接地。

上述实施例中，通过对放大电路140的电路结构进行设计，可以向主控制器200输出放大后的采样信号，便于主控制器200进行后续判断和处理。

在一个实施例中，如图7所示，提供了一种二次地网电压监测方法，基于上述的二次地网电压监测设备实现，该方法包括步骤S200至步骤S600。

步骤S200：电压采集装置实时采集二次地网对一次地网的电压，得到采样信息并发送至主控制器。

步骤S400：主控制器根据采样信息，判断电压是否大于或等于预设电压阈值。

步骤S600：当电压大于或等于预设电压阈值时，则主控制器控制存储装置存储采样信息，并通过告警装置输出告警信息。

其中，电压采集装置可以是包含互感器，基于感应原理进行电压采集的装置，也可以是包含分压或分流器件，基于分压或分流原理进行电压采集的装置。主控制器可以是控制芯片，也可以是包含逻辑器件的控制电路。存储装置是指可以用于存储信息的装置，该存储装置可以是各式存储器或存储芯片。告警装置可以是警示灯和/或蜂鸣器。

具体的，设备上电工作后，电压采集装置开始采集二次地网对一次地网的电压，得到采样信息并发送至主控制器。主控制器获取采样信息后，根据采样信息，判断电压是否大于或等于预设电压阈值。当电压大于或等于预设电压阈值时，说明存在二次地网异常，主控制器控制存储装置存储采样信息，通过告警装置输出告警信息。此外，主控制器还可以同时生成告警记录，并控制存储装置存储该告警记录。

上述二次地网电压监测方法，通过电压采集装置实时采集二次地网对一次地网的电压，主控制器在该电压大于或等于预设电压阈值时，控制存储装置存储采样信息，并通过告警装置输出告警信息，可以有效检测电厂或变电站的二次地网接地情况，为维护人员提供检修依据，解决了二次地网无监测的现状问题，有利于提高电力系统运行的安全性。

进一步的，如图8所示，当电压Vt小于预设电压阈值V时，主控制器检查上一次的告警信息是否清除，若已清除则直接获取下一次的采样信息；若未清除则将告警信息清除，并生成故障复归记录后再获取下一次的采样信息。另外，主控制器获取采样信息后，进行二次地网对一次地网的电压判断的同时，还可以控制存储装置缓存采样信息。若二次地网正常运行，则存储装置按照末位自动溢出的方式进行存储，存储装置中配置的缓存空间满足预设时长数据量的存储要求。若存在二次地网异常，则存储装置先将当前的缓存数据进行存储，再继续存储后续采样信息，直至完成预设录波时长的数据存储。可以理解，上述预设时长和预设录波时长并不唯一，可以根据采样需求进行灵活设置，例如预设时长可以为1秒，预设录波时长可以为1分钟。

此外，当二次地网对一次地网电压Vt大于或等于预设电压阈值V时，主控制器还需判断当前是否已经为告警状态，若否，则生成告警记录，控制存储装置存储采样信息，并控制告警装置输出告警信息。若是，则需判断当前告警的持续时间。在持续时间未达到预设录波时长T时，主控制器继续获取采样信息，并控制存储装置进行录波；在持续时间已达到预设录波时长T时，则继续进行电压采样和二次地网异常判断。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上该实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。