基于ZigBee技術的避雷器泄漏電流監測系統設計

宋鑫源

（云南電網有限責任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 引 言

避雷器是電力系統中十分重要的安全運行保障設備，其狀態會對整個電網的安全穩定運行產生影響。在變電站中，避雷器在線監測設備被廣泛應用，其最大的優勢是不需要為其提供電源，同時能夠實現對全電流和雷擊次數的準確讀數[1]。隨著科技的快速發展，變電站也進行了多次大規模的智能化建設和改造，因此傳統避雷器及其配套的監測設備在實際應用中存在的弊端也逐漸顯現[2]。例如，目前的檢測方法都是以全流法為基礎，這種檢測方法雖然簡潔明了，但是不能精確反映避雷器的運行情況；由于不具備網絡的傳送條件，因此不能進行遠距離傳送，也不能實時監控和數據共享；需要人工操作的方式完成變電站現場的抄表，且抄表間隔時間較長，無法及時發現故障問題。在當前大多數變電站中，避雷器通常已經使用了較長時間，在變電運行中，避雷器由于閥片老化和電氣性能降低等，極易發生爆炸事故，對其安全運行會造成極大威脅[3]。針對此問題，為實現避雷器的安全使用，充分發揮其安全作用，本文將結合ZigBee 技術，開展對避雷器泄漏電流監測系統的設計研究。

1 監測系統框架結構設計

本文設計的監測系統在避雷器運行過程中將接地電流作為取樣裝置的電源，將泄漏電流參數的數值大小轉變為光脈沖頻率，能夠對避雷器的泄漏電流事故問題進行及時監測[4]。避雷器泄漏電流監測系統的框架結構如圖1 所示。

圖1 避雷器泄漏電流監測系統的框架結構

在監測過程中，為實現對避雷器泄漏電量的測定、在傳輸中的無源采樣以及監測數據的遠程傳輸等，設計的監測系統如圖1 所示。從圖1 可以看出，避雷器的全部電流通過電流采樣裝置，能把小電流的變化量轉化為與電流幅值成比例的光學信號，然后通過一根纖維將其送到接收變換裝置，經過接收變換電路，由CPU 對光學信號進行處理，然后通過一個RS485 串行總線將其送到顯示報警和微型計算機[5]。該計算機系統可以顯示、打印所有避雷器的操作數據和歷史數據，還可以充當供電局內部局域網的工作站，各個功能部門可以通過局域網和調度終端，查詢操作過程中避雷器泄漏電流的實時數據和歷史狀況。

2 系統硬件選型設計

結合上述構建的監測系統基本框架，電流傳感器可以實現對電流的取樣。根據監測系統的運行條件，本文選擇將型號為GMC-ICP41 的電流傳感器作為系統的電流取樣裝置。該型號電流傳感器的監測精度為0.1%；電流范圍為4 ～40 A；帶寬為直流15 ～400 Hz；輸出信號為電流/電壓信號；工作溫度為-25 ～+85 ℃；響應時間小于1 μs；額定電流為500 A；安裝方式為螺釘固定安裝。將該型號電流傳感器與每個避雷器進行連接。在此基礎上，設計了一種用于測量避雷器漏電電流、電阻電流以及雷擊次數的傳感器。利用無線通信技術，收集各傳感器的信息，再將這些信息發送到避雷器監控的智能電子設備（Intelligent Electronic Device，IED）。避雷器在線監測傳感器能夠有效監控觀測數據，及時對避雷器的內部問題進行判定，從而防止避雷器出現爆炸現象[6]。除此之外，該型號傳感器中應用了低功耗的電子部件和智能節點技術，可以實現持續2 年的不間斷運行，并且不需要監測人員頻繁更換設備，為監測提供便利條件。

避雷器全電流信號的采集和處理需要結合ZigBee技術，因此在系統硬件的設計中，需要對ZigBee 芯片進行合理選擇。選用MC46540 型號ZigBee 芯片，電壓為2.0 ～3.6 V；微控制器為增強型C8040；隨機存取存儲器（Random-Access Memory，RAM）為8 KB 靜態隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM），4 KB Data； 支 持ZigBee04/06/SimpliciTI；接收靈敏度為-90 dBm；輸出功率為4.5 dBm；工作電流RX 為27 mA，TX 為25 mA。

3 基于ZigBee 技術的避雷器全電流信號采集與處理

一般采集電流信號會轉化為采集電壓的方式，也就是在MOA 計數器電路前端特定位置，加上一個高精度和大功率的電阻，在其兩端采集電壓，通過電流與電壓的正比關系，可以反映同一相的全電流。在計數器電路的前端穩壓電路中，假設存在一個高精度、高功率的電阻R1。通過采集R1兩端的電壓實現避雷器全電流的采集。已有電路的探測電流為弱信號，需要進行放大處理，但弱信號自身的起伏、背景及放大器的噪音等因素會使其在實際應用中存在一定的局限性。處理這種信號，需要放大、濾波后才能夠實現對信號的探測[7]。在濾波前需要對信號進行歸一化處理，其公式可表示為

式中：ρx(t)為歸一化處理后的信號；Rx(t)為相關性函數；Rx(0)為歸一化處理前信號。用自相關性函數區分開噪聲分量和有用分量后，噪聲中可能會存在部分有用信號，以此對部分噪聲信號進行平滑濾波處理。SG 濾波器對信號的平滑去噪具有良好的效果，引入SG 平滑濾波實現對信號的處理。針對所探測到的弱電流信號，利用一種高精度的電阻器對其進行電流和電壓的轉換，并將轉換后的信號傳輸到一個低二階有源低通濾波器中。濾波后的信號送至MC46540 型號ZigBee 芯片的A/D 轉換端口。系統自動識別網關節點ZigBee 發布監測中心的控制命令后，開始對避雷器泄漏電流進行在線監測。

4 避雷器泄漏電流在線監測

結合量子粒子群算法，對避雷器進行在線監測，先確定避雷器泄漏電流在線監測目標函數，將避雷器的數學模型簡化為一種非線性并聯電容器，其漏電流可用公式表達為

式中：ix為避雷器泄漏電流；ir為流過非線性電阻阻性泄漏電流；ic為晶粒邊緣電容中的電容電流。隨著避雷器的不斷老化，阻性電流分量會逐漸增加。阻性泄漏電流的計算公式可表示為

式中：k、α為非線性系數；u為電壓。隨著避雷器的不斷老化，k值會逐漸增加，而α值會逐漸減小，因此可用2 個非線性系數表示阻性電流的變化情況。監測過程需要對監測數值與避雷器正常運行時的參數作對比，并計算求解其差值平方和χ。χ 的計算公式可表示為

式中：?t為采樣間隔時間；N為采樣數據點個數；im為實際測量得到的避雷器泄漏電流。將上述公式作為目標函數，利用量子粒子群算法對非線性參數進行求解，根據求解的參數結果判斷避雷器是否存在泄漏電流。

5 對比實驗

通過上述論述，完成了對監測系統在硬件方面和軟件方面的設計，為驗證新的監測系統是否具備實際應用可行性，以及監測結果是否優于現有監測系統，設計如下對比實驗。

將基于改進經驗模態分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法的監測系統和基于時頻分析法的監測系統分別作為對照I 組和對照II 組，將基于ZigBee 技術的監測系統作為實驗組。利用3 種監測系統對某變電站中的避雷器進行監測，以判定變電站是否存在泄漏電流問題。該變電站中使用的避雷器型號為HY5WS-17，溫度范圍為-40 ～+40℃；電壓為10 ～35 kV；沖擊耐受為40 kA；海報高度不超過2 000 m；最大風速不超過35 m/s。該型號避雷器具備發電距離大、不懼水以及耐污等優勢。為對比3 種監測系統監測精度，選擇將系統監測結果與實際值之間的相對誤差作為評價指標，相對誤差值越大，則監測精度越??；相對誤差值越小，則監測精度越大。相對誤差的計算公式可表示為

式中：ε為相對誤差；σ為絕對誤差，可通過實際值與監測數值相減取絕對值得出；m表示實際值。3 種監測系統同一時刻對上述HY5WS-17 型號避雷器的泄漏電流進行監測，人為設置在20 s 時刻出現泄漏電流，且泄漏電流逐漸增加。基于該條件下完成實驗，并將實驗結果記錄，如表1 所示。

表1 3 種監測系統監測結果記錄表

從表1 數據可知，實驗組監測結果的ε值均控制在0.001 1 ～0.001 3，說明監測結果和實際值之間相差極小，而對照I 組和對照II 組監測結果的ε值控制在0.012 ～0.016，說明監測結果與實際值之間相差較大。因此，通過上述實驗證明，本文提出的基于ZigBee 技術的監測系統對避雷器泄漏電流的監測精度極高，可以為避雷器運行安全提供保障，確保第一時間發現避雷器的泄漏問題，從而降低損失。

6 結 論

基于ZigBee 技術的應用優勢，分別從理論和實踐2 個方面實現對避雷器泄漏電流監測系統的設計。避雷器作為電力系統的重要設備，在確保電力系統運行安全性和穩定性的同時，其自身的運動狀況也在不斷劣化和老化。因此，本文研究對提升避雷器的安全性以及變電站整體運行的安全具有十分重要的意義。由于避雷器內部結構十分復雜，因此監測得到的結果具有一定局限性，在后續的研究中可以對避雷器的等效模型進行深入研究，為避雷器泄漏電流的監測奠定基礎。