變電站地電位自動監測裝置（以下簡稱為裝置）應用于變電站地電位的無人值守自動監測與記錄，尤其是當輸電系統發生故障、雷擊時地電位變化過程的記錄，以便為電力系統運行、故障診斷、變電設施的設計改進等系列工作提供分析依據。根據某電力部門所擬定的設計任務和要求，本課題所研制的裝置主要功能分為兩大部分：在線監測站內地電位，當監測值達到預先設定的閾值時，自動啟動采集記錄電路，并將所記錄的數據通過串行總線發送到附近中心控制室的PC上，PC接收數據以文件形式存盤并在屏幕上繪制出由該數據形成的變化過程曲線；通過一個光電式高壓隔離接口與外界固定網絡進行信息交流（包括平常的使用和Internet網絡應用），隔離接口主要為了防止變電站內電位異常升高時會將異常高壓引到電信線路上。為求簡捷方便且節省投資，通信線路與監檢系統本身上、下位機間的數據通信線路共用，且僅用兩線制普通線（采用原來敷設好的線，不再另外增加工程），的使用與平常使用方法、操作習慣相同，在啟動監測電路時能自動轉換為傳輸監測數據。
　　
　　1、裝置的組成框圖及基本工作過程
　　
　　組成框圖如圖1所示，主要由外側接口、內側接口、通信接口、數據采集電路、光纖、傳感器、PC等部分組成，總體工作的基本過程簡述如下：　　
　　（1）數據傳送狀態。設計一個監測電路，用以監測傳感器提供的“當量地電位”，只有在監測到“當量地電位”達到某一的閾值時，才自動啟動A／D采集電路，這時單片機采集地電位數據并存入數據存儲器，隨后將數據包通過數據通信接口和變電站內部的通信線路（普通線）上傳送入PC，PC在接收數據串時在屏幕上畫出時域波形，同時將數據以文件形式存盤以便事后重新觀察分析數據和繪制波形曲線。在數據上傳的過程中，由單片機控制自動切斷內側接口，使得站內線路與外線斷開，以達到傳送數據時內線與外線無任何的目的，即數據通信具有別權限。
　　
　　上位單片機設置了兩個按鈕，用于輸入兩個命令：“上傳”和“調試”。“上傳”命令能使數據采集系統所采集到的數據重新上傳一遍，“調試”命令能使數據采集系統自動產生一組三角波數據并上傳，其目的在于平時可以檢驗上下位單片機、通信接口、上傳線路、接收系統的工作是否正常。
　　
　　（2）常態。通常狀態下，數據采集電路（下位單片機系統）沒有投入工作，而上位單片機系統處于工作狀態，它隨時監測內部機的提機／掛機狀態，一旦檢測到有效的提機信號，即刻向下位單片機發出信息，這時下位單片機控制接通內側接口，內側接口開始工作并通過光纖向外側接口送“呼出”信號，于是外側接口自動實現模擬提機，這樣就接通了外部線與內部機的音頻信號通路，內部機就可以象普通一樣與外界通信，包括DTMF撥號和語音通話。
　　
　　2、裝置的組成原理
　　
　　2．1光電隔離接口
　　
　　圖1中“外側接口”和“內側接口”分別裝在同一個圓柱形的陶瓷殼體內的兩端，中間通過兩根30cm光纖進行通信，實現電氣高壓隔離。內外側接口框圖分別如圖2和圖3所示。　　
　　2．2數據采集與傳輸
　　
　　2．2．1基本工作原理與過程
　　
　　數據采集、存儲、傳輸及接口由下位單片機系統組成，如圖4所示。　　
　　傳感器把感應到的高壓轉換為合適數值的低壓，經傳感器插座送入放大器MAX473，放大器輸出的電壓（0～5VP-P）送入A／D采集轉換器MAX191，該A／D轉換器的分辨率為12位，其輸出由單片機AT89C51讀取并存入RAM（通過CZ3，CZ4，CZ5連接），采集容量滿時，把整組數據通過串行數據通信接口經插座CZ2、站內的通信線路（即原線）上傳到PC機。
　　
　　比較器LM358又稱監測器，當放大器MAX473輸出電壓幅值達到約0．1V（該閾值可調節）時，比較器輸出低電平信號，即啟動單片機數采系統進行數采和數據上傳。
　　
　　2．2．2上位機構成
　　
　　圖5所示是上位機的組成原理圖，主要由PC、串行通信接口、單片機AT89C2051等組成。下位機上傳的數據經線路送至插座CZ3的A、B兩線，其中A線為系統公共線，B線經三極管T3、非門U3F、電平變換電路MAX232送入PC機的標準串行口，PC機畫出即時曲線，亦可事后重繪曲線。　　
　　上位機包含了一個小單片機系統，它的主要工作任務有：向下位機發送命令（呼叫上傳數據、呼叫調式數據、本機提機信號等）；接收下位機的外線呼入信息，上傳或下傳的命令、信息均以串行數據方式傳送；當收到呼入信息時，控制一個振鈴音響電路工作（由音樂IC及喇叭等組成），以便發出鈴聲或其他類型的振鈴音響；檢測兩個用于人工輸入命令（上傳呼叫和調試呼叫）的按鈕；檢測本機的提機／掛機。
　　
　　2．2．3串行數據通信接口
　　
　　串行數據通信接口采用了一種特別構造的斬波式串行數據通信接口，半雙工工作方式，其數據格式符合RS232規范（停止、起始位各一位，有效數據8位，無奇偶校驗），但其電平既不符合RS232電平也不符合TTL電平。該結構的顯著特點在于能在傳輸串行數據的同時又能通過同樣的傳輸線路為下位機的數據采集系統電路提供電源，同時具有電路簡單、抗干擾強，傳輸距離遠等優點。
　　
　　圖6為斬波式串行數據通信接口的電路原理圖。串行數據的傳輸與下位機的饋電線路同用A、B兩根線路。當上位機向下位機輸出數據時，TTL電平的串行數據信號經過非門U3E倒相、三極管T1放大，在其集電極得到如圖7所示的波形，其高電平約為20～24V，低電平為9V，然后經穩壓管送上線路的信號波形如圖8所示。當上位機從下位機獲取數據時，線路上的信號（波形如圖8所示）經過二極管D1加到電解電容E1，在波形的高電平期間，對電容E1充電，在波形的低電平期間電容E1放電，由于二極管D1的作用，使充電快而放電慢。　　
　　因此電容E1上的電壓（即三極管T2發射極電壓）能維持在約20～24V，同時線路上的信號經10kΩ電阻加到三極管T2的基極，在信號波形高電平期間三極管截止，在信號波形的低電平期間三極管T2飽和導通，于是在三極管T2的集電極輸出倒相的波形，再經過非門U3F的輸出端得到了TTL電平的串行數據信號。下位機向上位機輸出數據和下位機從上位機獲取數據的工作原理同上所述。
　　
　　2．3電源
　　
　　系統電源有+12V和+48V兩組，12V電源是220V市電經變壓器變壓、整流濾波、穩壓取得，供上位單片機等電路使用；+48V電源是+12V電源經DC—DC變換后得到，作為通信環路（包括機）所需的電源，同時也作為下位單片機系統以及內側接口的供電電源，饋電原理見圖4、圖5和圖6。圖6中的+12V電源由電源插座引入，經三端穩壓器7805穩壓后供給上位單片機等電路。圖5中，+48V電源由電源插座引入后，一路經R2，CZ4供給站內機使用；另一路經R1，CZ3送入站內的線路，經過站內的線路，又送至圖4中下位機的CZ2，經穩壓器U7：78L05供給單片機AT89C51及數據采集等電路、經三極管Q3供給內側接口。
　　
　　外側接口的供電由電信局的線路提供（僅在模擬提機時）。
　　
　　3、結語
　　
　　該裝置能有效實時監測、記錄高壓變電站異常地電位變化情況和變化過程，為變電站運行故障診斷提供分析依據；光纖耦合高壓隔離接口能有效防止站內的異常高壓被引到饋線上；本裝置中所設計的斬波式串行數據通信接口簡單可靠，具有特色，可實現數據傳輸與遠端電子裝置的饋電共線，且抗*力很強。在后繼的研究中，將繼續引入無線監測方式把數據傳送至更遠的控制中心。