基于nRF903無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

【摘要】 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)的研究發(fā)展，分析了在線監(jiān)測(cè)的原理方法，進(jìn)行了基于nRF903無線傳輸?shù)难趸\避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，采用MSP430系列的MSP430F169作為微控制器芯片。

【關(guān)鍵詞】 氧化鋅避雷器 泄漏電流 在線監(jiān)測(cè) 無線傳輸

一、引言

避雷器是電力系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)用普遍的系統(tǒng)過電壓保護(hù)裝置，它承擔(dān)著限制系統(tǒng)內(nèi)因遭受雷擊、諧波和操作等等所產(chǎn)生的各種過電壓現(xiàn)象，起著至關(guān)重要的作用。但是實(shí)際中氧化鋅避雷器自身的運(yùn)行安全往往被忽略，隨著氧化鋅避雷器在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中承受運(yùn)行電壓的作用，其性能也將逐漸劣化，泄漏電流中的阻性成分將產(chǎn)生有功損耗，使閥片升溫，嚴(yán)重時(shí)可能形成熱崩潰導(dǎo)致避雷器損壞或爆炸。其過程相對(duì)比較緩慢，具有一定的隱蔽性，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生了爆炸事故，一般都造成系統(tǒng)停電，生產(chǎn)被迫中斷，造成的間接損失往往不可估量。

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。在線監(jiān)測(cè)MOA的運(yùn)行狀態(tài)，可以在不停電的情況下隨時(shí)了解MOA運(yùn)行的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的異常情況和事故隱患。采取預(yù)防措施，防止事故擴(kuò)大造成經(jīng)濟(jì)損失，保證其在良好的狀況下運(yùn)行，這對(duì)于系統(tǒng)的安全運(yùn)行，合理安排設(shè)備檢修時(shí)間，節(jié)約費(fèi)用等方面都具有很大的優(yōu)越性。

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。

二、氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)原理及方法

因?yàn)檠趸\避雷器的無串聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)，在持續(xù)運(yùn)行電壓作用下，由氧化鋅閥片組成的芯片柱就要長(zhǎng)期通過工作電流，即總泄漏電流。嚴(yán)格說來，總泄漏電流是指流過MOA內(nèi)部閥片柱的泄漏電流，但測(cè)得的MOA總泄漏電流包括瓷套泄漏電流、絕緣桿泄漏電流及閥片柱泄漏電流三部分。一般而言，閥片柱泄漏電流不會(huì)發(fā)生突變，而由污穢或內(nèi)部受潮引起的瓷套泄漏電流或絕緣桿泄漏電流比流過MOA內(nèi)部閥片柱的泄漏電流小得多。因此，在天氣好的條件下，測(cè)得的MOA總泄漏電流一般都視為流過MOA閥片柱的泄漏電流。

由于MOA芯片柱是由若干非線性的閥片串聯(lián)而成的，通過MOA的總泄漏電流是非正弦的，因此不能用線性電路原理來求總泄漏電流。為此，國(guó)內(nèi)外常用阻容并聯(lián)電路來近似等效模擬MOA非線性閥片元件，常簡(jiǎn)化為下圖1的等效電路。

流過MOA的總泄漏電流可分為阻性電流IR與容性電流Ic兩部分。導(dǎo)致閥片發(fā)熱的有功損耗是阻性電流分量。因R為非線性電阻，流過的阻性電流不但有基波，而且還含有三次、五次及更高次諧波，只有阻性電流的基波才產(chǎn)生功率損耗。雖然總泄漏電流以容性電流為主，阻性電流僅占其總泄漏電流的10%～20%左右，但容性電流的變化很小，相對(duì)阻性電流隨時(shí)間的變化量，容性電流的變化量可忽略不計(jì)。因此對(duì)MOA泄漏電流的監(jiān)測(cè)應(yīng)以阻性電流為主。

氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測(cè)主要有全電流法、補(bǔ)償法測(cè)量阻性電流、三次諧波法、基波電流法等等，這幾種方法在不同的在線監(jiān)測(cè)裝置中均得到了應(yīng)用，本設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)應(yīng)用比較成熟的阻性電流法，即從全電流中分離出阻性電流，以此來進(jìn)行分析、判斷。

三、氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理念

交流氧化鋅避雷器無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是：（1）通過控制單元檢測(cè)避雷器泄露電流中阻性分量，對(duì)避雷器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；（2）采用短距離無線通信模塊，由于無線發(fā)送時(shí)耗電量較大，控制電路適時(shí)地開關(guān)通信模塊；（3）設(shè)計(jì)電路做到抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸穩(wěn)定、低功耗；（4）大大提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性、實(shí)時(shí)性，減少有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差及成本。

該理念的特點(diǎn)是檢測(cè)準(zhǔn)確、安全及時(shí)、可靠節(jié)能，其能夠進(jìn)行真實(shí)有效的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。對(duì)于現(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)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)。

3.2 監(jiān)測(cè)模塊硬件電路設(shè)計(jì)

3.2.1 微控制器部分電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)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、處理及長(zhǎng)時(shí)間工作等功能。因此系統(tǒng)的 監(jiān)測(cè)模塊選取MSP430系列的MSP430F169作為微控制器，其工作電壓范圍在1.8至3.6V，待機(jī)模式下電流消耗僅為1.1uA，關(guān)閉模式下（RAM保持）電流消耗僅為0.2uA，MSP430F169有五種省電模式，從等待方式喚醒時(shí)間僅為6us，16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期，內(nèi)置3通道DMA，可滿足系統(tǒng)快速喚醒、低功耗及準(zhǔn)確獲取信號(hào)進(jìn)行處理的工作需求。MSP430F169控制電路圖如圖2所示。

由于氧化鋅避雷器總泄漏電流只有微安級(jí)，而現(xiàn)場(chǎng)干擾較嚴(yán)重。因此，必須采用靈敏度高的微電流傳感器，串入避雷器的接地回路，在放電計(jì)數(shù)器下方取電流信號(hào)，電流傳感器電路圖如圖3所示。補(bǔ)償電壓信號(hào)則由母線電壓互感器（PT）二次側(cè)獲取。

3.2.2 無線射頻電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用nRF903作為無線收發(fā)芯片，其電路圖如圖4所示，其工作電壓范圍可以從2.7～3.3V，接收待機(jī)狀電流消耗為600pA，低功耗模式電流消耗僅為1uA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。nRF903具有多個(gè)頻道（最多170個(gè)以上），特別滿足需要多通道工作的特殊場(chǎng)合，適合采用跳頻協(xié)議。

nRF903的天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線，所有的參數(shù)包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過一個(gè)l4位的配置寄存器用串行線（CS、CFG—CLK和CFG —DATA）進(jìn)行設(shè)置。

nRF903內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾個(gè)部分。發(fā)射電路含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、頻率合成器等電路。基準(zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。振蕩電路采用鎖相環(huán)（PLL）方式，由在DDS基礎(chǔ)上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓 控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過DATA端輸入。

接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、GFSK解調(diào)器、濾波器等電路。低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)；混頻器采用2級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，第一級(jí)中頻10.7136MHz， 第二級(jí)中頻345.6kHz。中頻放大器用來放大從混頻器來的輸出信號(hào)；中頻放大器的輸出信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后送入GFSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DATA端出。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 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NRF903無線收發(fā)模塊初始化。初始化完成后，NRF903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平。MSP430F169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MSP430F169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。

3.3.2 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MSP430從停機(jī)模式喚醒。NRF903每隔1s將對(duì)電磁波進(jìn)行偵聽，當(dāng)偵聽到有效波時(shí)喚醒MSP430F169，監(jiān)測(cè)模塊將開啟10s定時(shí)器進(jìn)行工作，然后MSP430F169將配置NRF903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)10s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)NRF903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，MSP430F169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MSP430F169進(jìn)入休眠模式。雷擊次數(shù)將不會(huì)立即發(fā)送給接收單元，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)送給接收單元，也可由接收單元通過USB傳送給后臺(tái)顯示。

四、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)避雷器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，通過低功耗電路設(shè)計(jì)使系統(tǒng)工作時(shí)限大大延長(zhǎng)，提高了變電站運(yùn)行的安全性。采用短距離無線通信技術(shù)，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。