高壓GIS 局部放電報警系統設計*

許松枝，汪 沨，葉衍林，申 晨，皮建民，陳曉林

(湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410012)

0 引 言

GIS，SF6氣體絕緣組合電器［1］具有占地面積小、元件全部密封不受環境干擾、運行可靠性高、運行方便、檢修周期長、維護工作量小、安裝迅速、運行費用低、無電磁干擾等優點。GIS 雖然故障少，但是一旦發生故障，后果將非常嚴重［2］。局部放電是GIS 絕緣劣化的前兆，又會使絕緣進一步劣化，因此，檢測局部放電信號是對GIS 絕緣檢測和診斷最有效的方法［3］。市場上現有的GIS 局部放電檢測設備雖然能夠檢測到局部放電信號并判斷出局部放電的類型和位置［3～5］，但其有以下缺點:1)整套系統只有一只或者幾只傳感器，不能對整個GIS 站進行持續的監測;2)有線連接，使用操作不方便且有潛在危險;3)成本高昂，不適宜推廣。

近年來，無線傳感器網絡(WSNs)技術也得到了快速的發展，廣泛用于智能家居、醫療監控、工業控制等領域［6～10］。

本文針對GIS 局部放電監測，設計了一種基于WSNs和GSM 的GIS 局部放電報警系統，通過采集GIS 局部放電產生的UHF 信號進行處理和分析，實現了對GIS 局部放電的報警。和現有GIS 局部放電檢測設備比，本設計主要具有以下三個優點:1)能夠對整個GIS 站進行持續的監測，并可以根據GIS 站的大小，靈活設計傳感器節點的個數;2)采用了無線通信，使用起來既方便又安全;3)傳感器節點采用nRF24L01 無線模塊［9，10］跟信息中轉站通信，信息中轉站再通過GSM 模塊跟外界通信，整個系統只需要一個GSM模塊［5］，降低了整套系統的成本。

1 系統硬件設計

1.1 監測系統的總體結構

GIS 局部放電檢測系統由眾多傳感器節點和一個信息中轉站兩部分組成。傳感器節點負責收集GIS 工作狀態和該節點供電電池電壓，并通過nRF24L01 無線模塊將信息單向發送給信息中轉站。信息中轉站用來將各個傳感器節點發送來的信息通過GSM 方式無線傳輸給GIS 站管理員，另外，還能接收GIS 站管理發來的命令短信。信息中轉站和傳感器節點之間采用單向通信，而信息中轉站和GIS 站管理員之間采用雙向通信。系統的總體結構框圖如圖1 所示，1#～6#為傳感器節點。

圖1 報警系統總體結構框圖Fig 1 Overall structure block diagram of alarming system

1.2 傳感器節點硬件設計

傳感器節點由UHF 傳感器、檢波比較模塊、低功耗單片機MSP430G2553 單片機、nRF24L01 無線模塊以及電源管理模塊組成。當GIS 發生局部放電，將伴隨有UHF 信號產生，UHF 傳感器接收該信號，檢波比較模塊再將該信號降頻并數字化，然后輸入到單片機內進行處理和分析，最后單片機控制nRF24L01 無線模塊將給信息中轉站發去報警信息。另外，單片機還能對傳感器節點的供電模塊的電壓進行監測，當電壓不足時，單片機也將控制nRF24L01 無線模塊向信息中轉站發出報警信息。傳感器節點硬件框圖如圖2(a)所示，實物圖如圖2(b)所示。

傳感器節點要固定在GIS 盆式絕緣子，故只能采用質量輕的小容量鋰電池供電。由于功耗較大且整個系統中傳感器節點數量眾多，為了減少換電池的工作量，傳感器節點除單片機外的模塊采用每間隔6h 工作一次的模式。在傳感器節點的電源模塊做特殊設計，采用TPS7A4533 穩壓給單片機持續供電，采用TPS7A4501 穩壓給其他模塊供電，其中TPS7A4501 的使能端接單片機的IO 口，可以程序控制關閉和啟動。

1.3 信息中轉站硬件設計

圖2 報警系統傳感器節點Fig 2 Sensor node of alarming system

信息中轉站由GSM 模塊、低功耗單片機MSP430G2550單片機、nRF24L01 無線模塊和供電單元組成。它的功能是利用GSM 模塊將傳感器節點發來的信息通過手機短信的形式發送給GIS 站管理員，還可通過接收GIS 站管理員發來的信息更改系統的設置。另外，單片機還能監測中轉站的供電單元的電壓，當電壓過低時，也將通過手機短信的形式給GIS 站管理員發去報警信息。信息中轉站的硬件框圖如圖3 所示。

圖3 信息中轉站的硬件框圖Fig 3 Hardware block diagram of information transfer station

2 系統軟件設計

2.1 WSNs 構建

本套系統的WSNs 由成本低廉的nRF24L01 無線模塊組成，采用單向無應答模式，傳感器節點的nRF24L01 無線模塊均設為發送模式并指定不同的地址，信息中轉站的nRF24L01 無線模塊設為接收模式，通過循環改變接收地址接收各個傳感器節點發送的信息實現一對多的功能，而且傳感器節點的數量可以根據需求來設定。

2.2 傳感器節點軟件設計

為了保證GIS 局部放電報警系統的實時性和低功耗性，設計了傳感器節點的兩種工作模式:低功耗模式和正常模式。傳感器節點大部分時間在低功耗模式下工作，每隔6 h進入一次正常模式。

低功耗模式下，將傳感器節點中給檢波比較模塊和nRF24L01 無線模塊的電源芯片失能，同時，MSP430G2253單片機是低功耗單片機，低功耗模式下，耗電量極少。

正常模式下，傳感器節點的各個模塊都正常工作，耗電量稍大。每次進入正常模式，檢波比較模塊大概工作5 min，當GIS 無局部放電產生時，傳感器節點將關閉檢波比較模塊，再啟動nRF24L01 無線模塊，并工作10 min，以保證信息中轉站能接收到該節點發出的信號。

在以上兩種模式交替工作的配合下，同時保證了GIS局部放電報警系統的實時性和低功耗性。傳感器節點的軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節點的軟件流程圖Fig 4 Software flow chart of sensor node

2.3 信息中轉站軟件設計

為了保證信息中轉站能夠不遺漏地接收到各個傳感器發來的信息，信息中轉站一直處于工作模式，通過不斷更改循環nRF24L01 無線模塊的接收地址實現一對多的功能，當電池電壓過低或者接收到傳感器節點的報警信息后，通過GSM 模塊給GIS 站管理員發送報警信息。同時，信息中轉站還能處理GSM 模塊接收的信息，GIS 站管理員可以通過發送特殊格式的短信來更改信息中轉站向哪個手機號碼發送短信。信息中轉站軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 信息中轉站軟件流程圖Fig 5 Software flow chart of information transfer station

3 系統性能評價

研發GIS 局部放電報警系統時，設計了6 個傳感器節點和1 個信息中轉站，將傳感器節點編號為1#～6#，并進行系統性能測試。

3.1 nRF24L01 有效通信距離測量

nRF24L01 無線模塊的最大有效工作距離決定著本套系統能夠監測得到的空間最大范圍。在實驗室分別對本系統中6 個傳感器節點和信息中轉站的nRF24L01 無線模塊穩定通信的有效距離進行測量，測得的結果見表1。

表1 nRF24L01 有效通信距離Tab 1 Effective communication distance of nRF24L01

從表1 可以看出:nRF24L01 無線模塊最小的有效通信距離為64 m，也就意味著該系統能夠監測到以信息中轉站為中心，以64 m 為半徑的圓的空間范圍。

3.2 系統預警準確度測試

為測試本系統預警的準確性，聯系了許繼(廈門)智能電氣設備股份有限公司做現場測試，三相共筒式GIS 實驗模型如圖6(a)所示，實驗裝置如圖6(b)所示。

實驗分兩種進行:1)讓GIS 裝置正常工作，測試系統是否會誤報警;2)在GIS 的一相電極上加上3 cm 的金屬突出物作為局部放電源，如圖6(c)所示，當電壓加到一定值時，將會發生局部放電，從而測試系統是否會漏報警。經過多次重復測試，測試結果見表2。

表2 系統預警測試結果Tab 2 Early-warning test results of system

從測試結果可以看出:該系統預警的準確度非常的高，幾乎不會出現有誤報或漏報警的情況，具有很高的可信度。

3.3 系統的功耗分析

表3為用U1252B分別對傳感器節點3個工作狀態的功耗進行測量的結果。狀態1:低功耗模式，此模式下只有單片機工作;狀態2:傳感器節點處于正常工作模式，檢波比較模塊啟動，nRF24L01 無線模塊關閉;狀態3:傳感器節點處于正常工作模式，檢波比較模塊關閉，nRF24L01 無線模塊啟動。

表3 傳感器節點功耗測量結果Tab 3 Power consumption measurement results of sensor node

圖6 測試示意圖Fig 6 Schematic diagram of test

正常情況下，傳感器節點在6 h 狀態1 和5 min 狀態2下交替循環，如采用1 000 mAh 的鋰電池供電，該系統能大約持續工作超過5 069 h，即211 天。當GIS 發生局部放電時，傳感器節點在6 h 狀態1，5 min 狀態2 和10 min 狀態3下交替循環，采用1 000 mAh 的鋰電池供電，該系統能大約持續工作超過1 838 h，即76 天。

經測量信息中轉站功耗為14.3 mA，功耗較大，然而它不需要固定在GIS 上，體積大小不受限制，故采用20 Ah 的鉛酸電池供電，能持續工作超過1 398 h，即58 天。

4 結 論

本文設計的三個創新點:1)傳感器節點的檢波比較模塊實現了對UHF 信號的降頻，從而降低了檢測電路的開發難度;2)傳感器節點的電源管理模塊在軟件的配合下降低了系統的功耗，減少了換電池的工作量;3)傳感器節點和信息中轉站之間采用低成本的nRF24L01 模塊通信，降低了系統的成本。實驗結果表明:該系統監測范圍廣，準確度高，功耗小，且擴展性好，具有良好的應用前景。

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