10kV氧化鋅避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測系統(tǒng)

吳孝彬 倪桂江 余招軍 葉延旭 羅懿芯

（1.福建奧通邁勝電力科技有限公司 福建省福州市 350000 2.國網(wǎng)福建檢修公司 福建省福州市 350011）

避雷器是配電網(wǎng)中保護線路或電力設(shè)備免受過電壓危害的重要電器設(shè)備。配電網(wǎng)中運行過諸如管型避雷器、閥型避雷器、保護間隙避雷器及氧化鋅避雷器等，現(xiàn)在氧化鋅避雷器使用最為廣泛，它具有如下優(yōu)點：

（1）保護特性好；

（2）耐重復(fù)，動作能力強；

（3）通流能力大；

（4）體積小，重量輕[1]。

國內(nèi)外對MOA 監(jiān)測方法大致分為以下幾種：

（1）全電流法；

（2）三次諧波阻性電流法；

（3）電流補償法；

（4）基波阻性電流法；

（5）基于溫度的測量法等。

但是在MOA 運行過程中也存在一些干擾因素對監(jiān)測的特征量產(chǎn)生影響，從而使測量出來的數(shù)值存在一定偏差，從而影響了故障的判斷，主要的干擾為以下幾點：

（1）電網(wǎng)諧波對MOA 在線監(jiān)測的影響；

（2）三相運行時，避雷器與相間雜散電容產(chǎn)生的相間干擾的影響；

（3）由避雷器或監(jiān)測裝置表面污穢所產(chǎn)生的泄漏電流的影響；

（4）由于避雷器及其監(jiān)測裝置所處環(huán)境較為復(fù)雜，因此不同環(huán)境的溫度也會對其產(chǎn)生影響；

（5）相移對MOA 在線監(jiān)測的影響[3]。

本文針對10kV 氧化鋅避雷器設(shè)計出一種物聯(lián)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含監(jiān)測裝置、云監(jiān)控平臺和移動APP。監(jiān)測裝置實現(xiàn)以MSP430FR5969 為數(shù)據(jù)處理核心，采集全電流、雷擊次數(shù)及GPS定位，并將數(shù)據(jù)通過NB-IOT 通信模塊上傳云監(jiān)控平臺分析處理。云平臺監(jiān)控軟件及移動APP 具備歷史數(shù)據(jù)查詢、波形分析等功能，檢修人員可通過WEB 或APP 實時獲取避雷器運行狀態(tài)。檢修人員能夠?qū)崟r監(jiān)測MOA 的運行狀態(tài)，而且能在MOA 發(fā)生故障時，及時確定故障點，加快搶修速度，降低停電時長，減少經(jīng)濟損失[4]。

1 監(jiān)測裝置硬件設(shè)計

1.1 整體電路設(shè)計

監(jiān)測裝置實現(xiàn)全電流采集、雷擊次數(shù)、GPS 定位功能。硬件上由太陽能收集電路、充放電管理、取樣電路、GPS 定位電路、射頻維護電路以及NB-IOT 遠(yuǎn)程通信電路組成。

極低功耗是本設(shè)計要解決的核心問題，TI 的MSP430 系列芯片兼具極低功耗和優(yōu)良性能的優(yōu)點，本設(shè)計采用MSP430FR5969 芯片作為監(jiān)測終端的微控制芯片。

在射頻維護電路上使用接收電流低于4mA 的射頻芯片搭建，用于對監(jiān)測終端進行參數(shù)設(shè)置。硬件電路如圖2所示。

太陽能在不同照度下會有各自的最大功率點，在電源管理上采用最大功率點追蹤，將太陽能最大效率地存入后備電池中。DW01A-G 芯片具有對鋰電池過充、過放及短路時進行保護作，電壓過低時，可截斷輸出，電池電壓正常時自動恢復(fù)供電。使用處理器及外部獨立看門狗電路對裝置運行進行監(jiān)控，提升運行可靠性。

監(jiān)測終端一般安裝在戶外，根據(jù)國標(biāo)GB11302 交流無間隙金屬氧化物避雷器規(guī)定，避雷器的使用環(huán)境溫度不高于+40℃，不低于-40℃。監(jiān)測終端所采用的各種電子元器件和模塊均采用工業(yè)級器件。以保證在要求的使用環(huán)境中能正常、穩(wěn)定、可靠工作。

1.2 電流信號及雷擊次數(shù)提取

泄漏電流信號采集可選用電流互感器式和電阻取樣式。但由于取樣電阻串接在監(jiān)測器電流測量回路中， 電氣上和高壓系統(tǒng)相連接，抗干擾能力差，而電流互感器取樣電路與高壓沒有直接連接，抗干擾能力強，但是經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)，電流互感器取樣線性度差、信號微弱。為此設(shè)計中采用了抗干擾能力強、線性度較好的零磁通微電流傳感器技術(shù)并結(jié)合16 位A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)泄露電流的測量。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定避雷器計數(shù)電流的最小值不能大于50 A(8 / 20μs)，采樣電流互感器取樣方法試驗效果較差。這是因為電流互感器取樣獲得的信號不但和避雷器的放電電流幅值有關(guān)， 還與放電波形有關(guān)，很難和監(jiān)測器記錄的放電次數(shù)相吻合。本設(shè)計使用線性度及帶寬較好的柔性羅氏線圈作為雷擊計數(shù)等測量傳感器。其靈敏度(變比)：0.1～1V/kA，頻率：5MHz 以內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方式

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳有無線方式和有線方式，由于配電線路避雷器安裝點多面廣，不宜采用有限方式傳輸數(shù)據(jù)。

無線方式可采用GPRS、4G、Lora、NB-IOT 等通信方式，GPRS、4G 通信功耗大，不適用于對功耗敏感的監(jiān)測終端，Lora 組網(wǎng)復(fù)雜，不利于現(xiàn)場維護。

NB-IOT 即窄帶物聯(lián)網(wǎng)是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。NBIoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以理解為是LTE 技術(shù)的“簡化版”，NBIoT 網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)進行改造得來的。LTE 網(wǎng)絡(luò)為“人”服務(wù)，為手機服務(wù)，為消費互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；而NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)為“物”服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng))服務(wù)。NB-IOT只消耗大約180kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，部署成本低，NB-IOT 是一項新興技術(shù)，具有低功耗、低成本、強連接、光覆蓋等特點。低功耗特性是物聯(lián)監(jiān)測終端的一項重要指標(biāo)。NB-IoT 聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT 設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。基于這些優(yōu)點，本設(shè)計在通信“管”這一環(huán)節(jié)采用NBIOT 通信技術(shù)構(gòu)建監(jiān)測裝置（端）和云平臺監(jiān)控（云）的橋梁，設(shè)計中采用的NB-IOT 模塊功耗在PSM 模式下低至3uA。

1.4 監(jiān)測終端的可靠性設(shè)計

由于氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置的運行環(huán)境較為復(fù)雜，這也使得干擾源比較多，相應(yīng)的，應(yīng)采取多種抗干擾措施來提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性。

圖1：監(jiān)測裝置硬件電路組成

圖2：射頻芯片接線圖

圖3：主程序流程圖

在元器件選型上滿足經(jīng)濟型和高性能的情況下選用集成度高、抗干擾能力強的元器件；在電源入口使用了壓敏電阻、放電管、共模電感等抑制電源入口產(chǎn)生的干擾；對信號地和模擬地進行分割隔離。這種方式有效的抑制了諧波與電源噪聲對電路所造成的干擾；將電源與地線分走各自的電源平面。監(jiān)測裝置殼體采用金屬殼體，加強屏蔽，減弱電場干擾[5]。

2 監(jiān)測裝置軟件設(shè)計

基于MSP430FR5969 芯片進行模塊化軟件設(shè)計，系統(tǒng)3 個中斷及7 個任務(wù)：

（1）中斷：1 個1.25mS 定時器、串口中斷及射頻中斷；

（2）顯示任務(wù)：避雷器動作時及故障時閃爍紅燈（閃爍時間可設(shè)）；

（3）計數(shù)任務(wù)：當(dāng)MOA 監(jiān)測裝置檢測到雷擊或操作過電壓動作后啟動計數(shù)任務(wù)；

（4）電流采集：根據(jù)采樣點數(shù)，使用DFT 計算全電流平均值；

（5）低功耗切換：當(dāng)有故障產(chǎn)生、射頻數(shù)據(jù)或設(shè)定的低功耗時間耗盡時，MCU 全速運行；

（6）射頻維護任務(wù)：處理射頻通信，主要在生產(chǎn)及安裝時用于配置、調(diào)試裝置；

（7）遠(yuǎn)程通信規(guī)約任務(wù)：將本地電流數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)整理成報文通過NB-IOT 模塊發(fā)送至云平臺并接收遠(yuǎn)方對時指令（默認(rèn)24H 上傳一次數(shù)據(jù)，故障時立即上傳數(shù)據(jù)）；

（8）BootLoader：用于無線升級程序[6]。

如圖3，主要流程如下：單片機接通電源后，上電復(fù)位并進行定時器和中斷程序初始化，裝置硬件電路各模塊的指示燈被點亮，顯示各模塊電路正常運行。實時進行采樣計算，當(dāng)采集的電流數(shù)據(jù)越限（根據(jù)不同程度設(shè)置3 級限值）后，立即上傳數(shù)據(jù)至云監(jiān)測主站，并存儲故障電流數(shù)據(jù)。當(dāng)MOA 監(jiān)測裝置接收到雷擊中斷后，啟動中斷計數(shù)任務(wù)進行雷擊計數(shù)。當(dāng)MCU 判定所需數(shù)據(jù)采集完成后，將會得到一個上傳數(shù)據(jù)的指令，通過集成的無線通訊模塊將采集好的數(shù)據(jù)上傳到終端，若采集未完成，則退回，連續(xù)發(fā)送三次，如均未成功，則重新進入采樣計算流程。

表1：標(biāo)準(zhǔn)表測試值與軟件監(jiān)測值

圖4：65kA 大電流沖擊測試圖

3 避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測系統(tǒng)框架

以下為整個系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：

適用電壓等級：10kV；殘壓：≤1500V；標(biāo)稱放電電流（峰值）：20kA；（1）適用避雷器帶間隙和無間隙避雷器（需選擇對應(yīng)監(jiān)測裝置）；（2）雷擊計數(shù)(輔助功能)：0 ～99；（3）全電流監(jiān)測范圍：30uA ～6mA；精度：±5%；（4）數(shù)據(jù)發(fā)送周期：遙測數(shù)據(jù)：24 小時；故障遙信：≤10S；（5）通信：采用NB-IOT；（6）電源：0.6W。

監(jiān)測裝置實時監(jiān)測避雷器健康狀態(tài)，避雷器無故障時，每24小時將避雷器全電流、雷擊次數(shù)等數(shù)據(jù)通過NB-IOT 傳往云平臺，避雷器有劣化加劇時，數(shù)據(jù)傳輸周期智能減小，根據(jù)閾值給出預(yù)警，當(dāng)避雷器損壞時，立即上送避雷器故障信息至運維人員手機。

以下為系統(tǒng)各項主要功能：

（1）避雷器動作次數(shù)檢測：MOA 監(jiān)測裝置可以對MOA 的動作次數(shù)進行記錄，記錄范圍0-99 次；

（2）動作次數(shù)記錄：監(jiān)測裝置會將避雷器的動作次數(shù)存儲在存儲器芯片的FLASH中，每1小時存儲一組數(shù)據(jù)，可保存10年以上；

（3）泄漏電流采集和環(huán)境溫度檢測功能：監(jiān)測裝置通過微電流零磁通電流傳感器和溫濕度模塊對MOA 的泄漏電流及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進行采集。當(dāng)監(jiān)測裝置監(jiān)測到異常時，立即上傳故障數(shù)據(jù)；

（4）GPS 定位：上傳數(shù)據(jù)包括避雷器安裝地點的經(jīng)緯度信息。

4 實驗及安裝使用分析

4.1 測量精度

為了驗證監(jiān)測裝置的可行性，對裝置進行試驗驗證，并對數(shù)據(jù)進行分析，是否達(dá)到設(shè)計需求是必須的，表1 為試驗時標(biāo)準(zhǔn)表測量到的泄漏電流及監(jiān)測平臺讀取到的數(shù)據(jù)對比。

可以看出精度滿足要求。

4.2 大電流沖擊及殘壓測試

如圖4所示，對監(jiān)測裝置進行8/20uS 峰值電流10kA 以及4/10us 峰值電流65kA 大電流沖擊實驗，分別做正負(fù)極沖擊兩次，實驗中裝置未出現(xiàn)閃絡(luò)、擊穿等現(xiàn)象，試驗后對裝置進行測試，裝置運行正常。大電流沖擊實驗驗證了裝置設(shè)計的合理性以及可靠性。

4.3 安裝使用分析

對于三相避雷器全電流采集來說，電源三相對稱，全電流為零，一相避雷器擊斷后，全電流為另兩相避雷器全電流矢量和，額定電壓下，值約為80uA 左右，兩相避雷器擊斷后，全電流即為單線避雷器全電流，也約為80uA 左右，通過以上特征可判斷一組三相避雷有斷路故障發(fā)生。

一相避雷器絕緣降低后，全電流為另三相相避雷器全電流矢量和，大于30uA 裝置即可檢測出；兩相避雷絕緣降低后，全電流即為三相避雷器全電流矢量和，大于30uA 即可檢測出；同樣三相避雷絕緣降低后，全電流即為三相避雷器全電流矢量和，其值大于30uA 檢測出。

可見，一臺金屬氧化鋅避雷器可對應(yīng)配置一臺監(jiān)測裝置，也可以一組三相避雷器配置一臺監(jiān)測裝置。

5 結(jié)論

本文針對10kV 氧化鋅避雷器設(shè)計出了一種監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集氧化鋅避雷器的泄漏電流、動作次數(shù)，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析來判斷或預(yù)判氧化鋅避雷器故障情況。本文所研究的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計上融合了低功耗通信、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)，實現(xiàn)了以“云管邊端”為系統(tǒng)架構(gòu)的避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測系統(tǒng)。通過嚴(yán)酷的實驗驗證，該系統(tǒng)能夠耐受各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的破壞性試驗以及非破壞性試驗。

避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計切合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的時代要求，可對MOA 運行狀態(tài)進行實時在線監(jiān)測，當(dāng)避雷器發(fā)生故障時，系統(tǒng)可對故障點進行精確定位，客觀上降低了維修人員排查故障的時間，減少了系統(tǒng)停電風(fēng)險，可廣泛應(yīng)用于10kV 配電線路金屬氧化鋅避雷器的在線運行監(jiān)測。