氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

程月平，肖 黎

（1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430074；2.武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074 ）

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及自動(dòng)化水平的提高，電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的檢修手段也在逐步改進(jìn)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估及狀態(tài)檢修是未來電力系統(tǒng)的必然方向。氧化鋅避雷器(MOA)作為電力系統(tǒng)重要的過電壓保護(hù)設(shè)備，其本身運(yùn)行狀況的好壞將直接影響到電力系統(tǒng)的安全，因此對(duì)氧化鋅避雷器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。通過研究與實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，MOA很容易發(fā)生以下兩種異常[1]：

1）在運(yùn)行電壓下長(zhǎng)期工作發(fā)生MOA閥片老化現(xiàn)象，引起閥片擊穿，最終導(dǎo)致線路短路；

2）當(dāng)溫度降低后引起MOA內(nèi)部受潮，導(dǎo)致閃絡(luò)現(xiàn)象。

為了確保MOA正常工作、防止故障的發(fā)生，傳統(tǒng)的做法具有非常大的局限性。因此將采取無線在線監(jiān)測(cè)方式對(duì)MOA進(jìn)行狀態(tài)跟蹤，可以大大提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，減少有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差及成本。

1 MOA在線監(jiān)測(cè)原理及方法

如今對(duì)MOA監(jiān)測(cè)的方法以其總泄漏電流為基礎(chǔ)，將總泄漏電流中的阻性分量以及電壓、電流的介質(zhì)損耗作為反映MOA運(yùn)行狀況的指標(biāo)[2]。泄漏電流由閥片柱泄漏電流、瓷（合成）套泄漏電流及絕緣桿泄漏電流三個(gè)部分組成。通常來講，流過閥片柱的泄漏電流又不會(huì)發(fā)生突變，所有的突變都來自于瓷（合成）套泄漏電流及絕緣桿因?yàn)槭艹被蛭鄯x引起的泄漏電流突變。由于瓷（合成）套泄漏電流及絕緣桿泄漏電流在總泄漏電流中所占比例非常微小，因此MOA阻性電流分量都能看作是流過MOA閥片柱的阻性電流。在實(shí)際的監(jiān)測(cè)中也是根據(jù)MOA的這個(gè)特性，通過在線監(jiān)測(cè)MOA總泄漏電流中阻性電流的分量，并將監(jiān)測(cè)值與以往的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以此來判斷MOA的在工作電壓下的狀況。MOA閥片的等效模型由非線性電阻及線性電容并聯(lián)組成。

2 MOA無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

MOA無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于真實(shí)有效的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。現(xiàn)場(chǎng)采集端必須能夠全天候的正常工作，同時(shí)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方案將給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，因此硬件電路必須具有很高的監(jiān)測(cè)靈敏度及良好的抗干擾能力。本系統(tǒng)采用數(shù)字波形分析法對(duì)MOA進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，需采集MOA總泄漏電流及雷擊次數(shù)。

MOA無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)模塊、中央結(jié)點(diǎn)及后臺(tái)3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)如圖1所示采用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中1，2，3，…，N，N+1為監(jiān)測(cè)模塊，負(fù)責(zé)采集MOA避雷器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至中央結(jié)點(diǎn)，中央結(jié)點(diǎn)通過USB與后臺(tái)處理系統(tǒng)進(jìn)行通信。該結(jié)構(gòu)可減小各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊的通信負(fù)擔(dān)，擴(kuò)展性極強(qiáng)，只需利用中央結(jié)點(diǎn)即可對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新配置，可以方便地增加或減少監(jiān)測(cè)模塊，單個(gè)模塊的故障不會(huì)對(duì)全網(wǎng)產(chǎn)生影響。

圖1 MOA無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測(cè)模塊部署在每個(gè)MOA旁，被測(cè)的電流及電壓信號(hào)分別通過電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）分別從MOA的底部和母線上獲取。

3 監(jiān)測(cè)模塊硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)視模塊的硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線接口電路三大部分，所設(shè)計(jì)的硬件電路必須能實(shí)現(xiàn)在高準(zhǔn)確度和高精度下的信號(hào)獲取、轉(zhuǎn)換、放大、濾波等功能。因此系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模塊選取STM32系列的STM32F103VB作為微控制器，STM32有三種低功耗模式，可在要求低功耗、多種喚醒事件及短啟動(dòng)時(shí)間之間達(dá)到最佳平衡[3]。

3.1 總泄漏電流的采集

在MOA無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集的時(shí)候，要求能無失真地將泄漏電流信號(hào)及參考電壓相位信號(hào)引入監(jiān)測(cè)模塊，而且要求監(jiān)測(cè)模塊能與被測(cè)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)有效的電氣隔離，保證系統(tǒng)不受影響。系統(tǒng)將采用電流互感器(CT)對(duì)總泄漏電流進(jìn)行采集。

為了使MOA計(jì)數(shù)器正常工作，避免有大電流通過CT，通常將感抗串入CT的一次回路中，這是利用電感來阻止瞬時(shí)大電流的通過。因此，必須謹(jǐn)慎選取電感的大小。通常可以根據(jù)雷擊計(jì)數(shù)器的阻值來確定電感值。一般的雷擊計(jì)數(shù)器，等效阻抗低于100歐，相對(duì)應(yīng)的合適電感控制在0.2H即可。圖2給出了串入電感對(duì)電路的保護(hù)原理。

圖2 串入感抗的保護(hù)原理圖

3.2 電壓相位信號(hào)的采集

電壓互感器作為聯(lián)絡(luò)電力系統(tǒng)一次側(cè)與二次側(cè)的重要元件，其將一次側(cè)的高電壓轉(zhuǎn)換為二次側(cè)的低電壓，并將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與高壓部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離。在電壓互感器的副邊端，由于是直接與大地相接，因此具有極強(qiáng)的安全保證。由于通過數(shù)字波形分析法計(jì)算MOA的特征參數(shù)需要有MOA的運(yùn)行電壓波形，因此選擇電壓互感器作為母線電壓獲取的元件[4]。通常從變電站內(nèi)取出的PT的電壓幅值是60V，但用在信號(hào)處理中仍舊不合適。使用電流型電壓互感器TV，將60V的PT電壓再降低到0～3.3V的電壓范圍內(nèi)，這樣就可以直接送至STM32進(jìn)行處理。

3.3 無線射頻電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Si4432作為無線收發(fā)芯片，Si4432通過4線制的SPI接口與STM32F103VB進(jìn)行連接。主控制器通過片上SPI完成對(duì)Si4432的初始化、FIFO訪問及讀寫數(shù)據(jù)等操作，可以靈活配置各種參數(shù)。工作時(shí)STM32F103VB工作在主模式下，Si4432工作在從模式下。在實(shí)際的連接中，STM32F103VB的PA4（NSS）端口與Si4432的nSEL引腳連接，nSEL是片選信號(hào)，由STM32控制，只有當(dāng)該信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)Si4432的控制才有效；STM32F103VB的PA7（MOSI）腳與SDI引腳連接，用于從MCU到Si4432的串行數(shù)據(jù)傳輸；STM32F103VB的PA6（MISO）與SDO引腳相連，用于從Si4432到MCU的串行數(shù)據(jù)傳輸；用于同步STM32F103VB與Si4432之間在MISO及MOSI線上的串行數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)鐘信號(hào)由STM32的PA5（SCK）發(fā)出。硬件連接設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 射頻芯片接線圖

4 監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、I/O口初始化、嵌套向量中斷控制器初始化、外部中斷初始化、SPI初始化和Si4432無線收發(fā)模塊初始化。初始化完成后，Si4432模塊隨即進(jìn)入低功耗休眠模式，該模式每隔1s醒來偵聽是否有有效電波。STM32F103VB開放電磁波喚醒中斷及雷擊計(jì)數(shù)中斷，然后立即進(jìn)入停止模式，以期將電流消耗降到最小。停機(jī)模式可以使STM32在保持SRAM和寄存器內(nèi)容不丟失的狀況下，達(dá)到最低的電能消耗，在這種模式下，可以通過任何一個(gè)配置成EXTI的信號(hào)把芯片從該模式下喚醒[5]。

4.2 中斷程序設(shè)計(jì)

MOA無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中斷程序分為電磁波喚醒中斷和雷擊計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，雷擊計(jì)數(shù)中斷的優(yōu)先級(jí)高于電磁波喚醒中斷，這兩個(gè)中斷都可以將STM32F103VB從停機(jī)模式喚醒。

Si4432每隔1s將對(duì)電磁波進(jìn)行偵聽，當(dāng)偵聽到有效波時(shí)將觸發(fā)nIRQ中斷，從而喚醒STM32F103VB，監(jiān)測(cè)模塊將開啟20s定時(shí)器進(jìn)行工作，然后STM32F103VB將配置Si4432進(jìn)入接收狀態(tài)。否則進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒；當(dāng)20s內(nèi)接收到中心節(jié)點(diǎn)的命令時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊將在執(zhí)行完相應(yīng)命令程序后返回主程序，對(duì)Si4432無線模塊進(jìn)行重新配置，最后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒。

當(dāng)有雷擊過電壓或者操作過電壓發(fā)生時(shí)，光電耦合器將導(dǎo)通，從而觸發(fā)雷擊中斷。中斷發(fā)生后，STM32F103VB將被喚醒進(jìn)入中斷程序，中斷程序?qū)⒃谠却螖?shù)上加一后返回，然后STM32F103VB進(jìn)入休眠模式。雷擊次數(shù)將不會(huì)立即發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，只有當(dāng)后臺(tái)需要知道雷擊次數(shù)或者泄漏電流時(shí)才將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)通過USB傳送給后臺(tái)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的避雷器無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多個(gè)避雷器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。采用短距離無線通信技術(shù)和大容量電池供電，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與避雷器以及變電站電源沒有任何電的聯(lián)系，提高了變電站運(yùn)行的安全性。同時(shí)通過低功耗設(shè)計(jì)使系統(tǒng)工作年限大大延長(zhǎng)。

[1] 羅光偉,向守明,陳曉東.高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].黑龍江電力,2006,26(4):27-31.

[2] 鄭健.氧化鋅避雷器泄漏電流在線監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述[J].繼電器,2000,28(9):7-9.

[3] 秦娜.氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方法的研究[D]. 成都:西南交通大學(xué),2003.

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