基于ZigBee技術的避雷器放電次數監測裝置的設計

摘?要：以牽引變電所內用氧化鋅避雷器計數器為應用場景，基于ZigBee技術設計了一款氧化鋅避雷器放電次數智能監測裝置，完成硬件電路設計和試驗，實現了監測終端智能組網、放電次數監測與顯示、超次數報警等功能。監測數據能夠實時傳輸至后臺服務器，能夠融入泛在電力物聯網中，實現電力保護設備運行狀態的智能監測。

關鍵詞：避雷器;ZigBee;CC2530;光電隔離

鐵道牽引供電系統中，氧化鋅避雷器已成為電氣設備設施、供電線路安全運行的一個重要保護裝置。由于其特殊的結構原理使其保護動作時不會出現被保護設備斷電、截波、殘壓高等現象，在電氣化牽引變電所中大量使用，用于保護牽引主變壓器、母線、變電所進出導線等設備與線路，以免受到雷電、電力系統內部過電壓等過電壓侵害，其運行狀態和工作穩定性將決定供電系統的安全。

氧化鋅避雷器配套使用放電計數器，維護人員通過現場觀察可清晰掌握氧化鋅避雷器的放電次數，得出可靠的數據，以判斷其運行質量，防止過電壓事故的發生，提高供電系統運行的可靠性。目前計數器都是采用機械式的計數和顯示方式，裝置本身沒有任何數據處理和通信能力，需要工作人員到現場觀察和記錄數據，在一定程度上造成工作量的增加。本文針對這種問題，設計了基于ZigBee技術的氧化避雷器放電次數智能計數裝置，具有實時顯示、智能分析、遠程通信和智能警示的作用，未來可以融入泛在電力物聯網中，實現萬物互聯。

1?整體方案設計

由于放電次數計數器連接在避雷器放電接地線中，正常工作時，承受的電壓和流過的電流均比較小，不會對監測裝置造成危害。但是，當電力設備或供電線路出現過電壓（如雷擊設備或線路造成雷電過電壓）時，氧化鋅避雷器將會動作，其閥片電阻值將會很低，裝置不僅會承受較高的雷擊過電壓，也會流過比較大的雷擊泄漏電流，對監測裝置可能會產生比較大的干擾或破壞。因此，為避免雷擊泄露電流對監測裝置可能造成的損壞，裝置在設計上采用了電氣隔離，將大電流、高電壓與監測裝置的核心電路隔離開，以有效防止監測電路絕緣被高電壓擊穿，采集信號被噪聲干擾等。本裝置整體結構如圖1所示，主要包含雷擊次數監測模塊、CC2530最小單元電路、顯示電路、報警電路等四個部分。

2?硬件電路設計

2.1?ZigBee技術

由于監測裝置需要監測的雷擊泄漏電流是一個非周期的瞬態電流，其波形是脈沖波，瞬時值大，時間短，所以對于采集的精度、快速性和實時性要求較高，監測裝置需要具備較高的響應速度和數據處理、分析能力，以及穩定高效的通信能力。

ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，使用公開通用2.4GHz頻段，具有最高250kbps的傳輸速率，通信節點之間的傳輸距離最遠可達100m，增加RF發射功率后，通信距離最大可增加到1～3km。ZigBee網絡最多可容納65000多個節點，如果通過路由和節點間通信的接力，還可有效提高通信距離。ZigBee具有組網簡單、功耗低、時延短、安全可靠、保密性好等優點，非常適合控制信號和數據傳輸，是目前工業監控和控制系統領域中使用最多的無線技術。[1]

ZigBee協議的網絡結構支持星型、網型和簇樹型三種拓撲結構。網型結構有多條傳輸路徑，網絡可以通過“多級跳”的方式通信，具有較高的可靠性。ZigBee節點設備按功能可分為協調器、路由器和終端節點三種，協調器的作用是啟動網絡初始化，規劃網絡節點和存儲各節點信息，路由器的作用是管理每對節點的路由信息，終端節點是網絡中的根節點，可以是任意類型的終端設備。[2]本方案采用網型網絡結構，同時設置多個監測節點具備路由或協調器的功能，以增加網絡數據傳輸的穩定性和效率。

2.2?主控芯片

TI公司CC2530芯片是用于2.4GHz?IEEE?802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8KB?RAM32/64/128/256KB閃存以及其他強勁的支持功能與外設;有豐富的外部資源，自帶ADC模塊，支持14位模數轉換，支持7到12位的分辨率;具有高達256KB的大容量閃存，允許片上空中下載以支持系統內重新編程;還結合了1個完全集成的高性能射頻收發器，具有更強大無線通信能力。[34]最小系統如圖2所示。

2.3?雷擊次數監測電路

雷擊次數監測電路主要完成雷擊判斷和計數。由于采集的對象處于高壓電路中，尤其是發生雷擊時會產生非常大的沖擊波電壓和雷擊泄漏電流，較強的沖擊波電壓、電流會造成諧波干擾、燒壞電路等問題。為避免高壓雷擊電流對裝置造成的損壞，采用光電電氣隔離將大電流、高電壓與監測裝置的核心電路隔離開，以有效防止監測電路絕緣被高電壓擊穿，防止采集信號被噪聲干擾造成誤差。

雷擊次數監測電路有三部分組成：穩壓電路先由MOA接地端接線引出，經R1（高精度、大功率電阻）電阻限流和分壓后，由穩壓管D1、D2實現前端沖擊電壓信號的整形、穩壓，再由整流電路整流后輸出矩形脈沖信號，經過R3、C1濾波回路消除交流諧波噪聲。經由脈沖濾波電路將矩形脈沖波信號變換為尖頂脈沖CP，該信號驅動光電耦合器動作，光電耦合器輸出端信號的電位發生變化，觸發ZigBee模塊中的8051?CPU的中斷，CPU經由中斷程序實現對避雷器動作次數的計數（即雷擊次數）。

2.4?避雷器狀態顯示電路

避雷器狀態顯示電路主要功能是顯示避雷器已發生的動作次數，聲光報警。避雷器動作次數顯示在數碼管中，方便電力運行或檢修人員現場查看發現該臺避雷器的動作次數以判斷其運行狀態。監測狀態也會智能地根據計數次數判斷避雷器的動作次數是否超過設備運行相關規程要求的最大次數（可提前在程序中設置或有上位機發送指令設置），并能夠發出聲光報警，提醒運行檢修人員及時關注和查看避雷器運行狀態。

圖4?狀態顯示電路

3?軟件程序設計

主程序流程如圖5所示。開始程序運行后，首先對各模塊化中的參數進行相關的定義和賦值（包含從寄存器中讀取存儲的數值），然后進入一個主循環中：監測LJC端口有否電位變化，以判斷是否發生雷擊（高電位表示沒有發生雷擊;低電位表示發生雷擊，避雷器動作一次，雷電過電壓消失后，電位重新置為高電位）。如果檢測到避雷器由于雷擊動作一次，裝置會自動計數一次，同時改變數碼管顯示出來的累計動作次數，并判斷雷擊次數是否達到避雷器運行允許動作的預警或上限次數。如果達到或超過允許的警示次數，會觸發啟動聲光報警程序中斷。程序會將每次采集的數據通過ZigBee網絡傳送至監控中心的服務器端存儲，監控中心可將數據分享至Internet，為同類型避雷器運行狀態提供大數據支持。

結語

本監測裝置不僅能夠滿足避雷器動作次數的監測、次數顯示和次數超限報警，還能夠及時將次數上傳到遠程服務器中存儲，逐步形成運行大數據，后期根據大數據診斷同類型避雷器運行數據和保護性能，有利于監控和分析電網在運行中受雷擊的狀況，以指導該地區供電網絡的設計。

參考文獻：

[1]肖令祿，張瑩，姚康.基于ZigBee的實驗室安防報警系統設計[J].黑龍江科技信息，2016，30：170172.

[2]于樹科，祁宏宇.基于ZigBee的醫院實時定位系統的設計與實現[J].電腦知識與技術，2016，28：271272.

[3]鐘文，彭龑，等.基于ZigBee無線網絡技術的避雷器在線監測設計[J].電瓷避雷器，2014（1）：6873.

[4]李思南，劉黎，等.基于ZigBee無線網絡技術的避雷器在線監測傳感器設計[J].工業控制計算機，2011，24（4）：6970.

基金項目：2018年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目《基于物聯網技術的氧化鋅避雷器在線監測系統研究》，項目編號：2018KY1159

作者簡介：程洋（1988—?），男，漢族，河南汝南縣人，碩士，講師，研究方向：智能電網（鐵道供電方向）。