線路避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的程序設(shè)計

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(1.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；2.隨州電力設(shè)計院，湖北 隨州 441300)

1 引言

線路避雷器是電力系統(tǒng)中輸電過程中的重要設(shè)備，它在線路中的主要作用是保護其他設(shè)備免遭雷電過電壓和系統(tǒng)浪涌過電壓的傷害。從上世紀(jì)80年代開始，金屬氧化物(ZnO)避雷器(MOA)逐步取代了SiC避雷器，由于金屬氧化物避雷器良好的伏安特性，使得電力生產(chǎn)中的主要設(shè)備的保護水平有了質(zhì)的飛躍。MOA避雷器由于受生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)材料、運行環(huán)境等多重因素的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)其受潮和ZnO閥片老化等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致其泄漏電流超標(biāo)，而泄漏全電流中阻性電流的增大是導(dǎo)致MOA熱崩潰(爆炸)的根本原因[1]。由于無線通訊、網(wǎng)絡(luò)、計算機技術(shù)的普及和發(fā)展，為我們實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測提供了可靠的保證。本文采用Visual Basic 編程語言，利用現(xiàn)有的GSM通信技術(shù)，設(shè)計了一種線路避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的上位機程序設(shè)計，完成對線路避雷器的在線監(jiān)測。

2 線路避雷器在線監(jiān)測參數(shù)及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

2.1 線路避雷器監(jiān)測參數(shù)的選擇

MOA的泄漏電流包括全電流、容性電流、阻性電流及阻性電流分量，各個電流量都能反映避雷器的電氣性能變化，究竟哪個參數(shù)更為準(zhǔn)確的反映避雷器的狀態(tài)，下面一一介紹。

(1)全電流峰值。全電流峰值由容性電流和阻性電流組成,阻性電流所占成分很小,因此全電流對阻性電流的變化反映不靈敏,它的價值主要體現(xiàn)在 MOA 有較大故障或老化較嚴(yán)重時,因此它只是一個不可缺少的參考量。

(2)阻性電流峰值。在MOA受潮或是閥片老化時，阻性電流峰值很容易增大，在對MOA的性能的初步判斷時可以以它為標(biāo)準(zhǔn)，但它是一個綜合量的反映，且易受電源諧波的影響。

(3)阻性電流基波。阻性電流基波是從功率損耗的角度綜合反映MOA的性能，與阻性電流峰值一樣，它也是一個綜合判斷量，但是阻性電流基波不受電源電壓諧波的影響。

(4)阻性電流三次諧波。阻性電流三次諧波是由 MOA 閥片的非線性產(chǎn)生的,當(dāng)MOA 閥片老化時,阻性電流中的三次諧波成分增大。三次諧波分量只反映 MOA 閥片的老化,是一個的局部判斷量[2]。

從以上分析可看出,MOA 的各個基本電流量在反映 MOA 缺陷方面都有一定的局限性,都不能單獨作為一個判斷量來確認(rèn) MOA 性能變化的原因。所以文章采用全面監(jiān)測全電流峰值、阻性電流峰值及分量，綜合判斷MOA的性能好壞及原因。

2.2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

上位機的程序設(shè)計主要是對接收的數(shù)據(jù)的一個處理和分析過程，數(shù)據(jù)庫的設(shè)計有利于數(shù)據(jù)的保存和調(diào)用。針對線路避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的整體需求，設(shè)計了保存所有數(shù)據(jù)的Data表，包括線路的編號，桿塔的編號，時間，相別及各參數(shù)量項目，方便查看不同時間段不同線路的避雷器的參數(shù)值。還分別設(shè)計了Faults表，Gantatb表，Renyuan表及權(quán)限表。Gantatb表的設(shè)計主要是記錄每個桿塔上避雷器監(jiān)測儀單獨的SIM卡號，這樣可以實現(xiàn)向每一個MOA單獨發(fā)送命令。Renyuan表的設(shè)計是為添加不同的報警號碼，當(dāng)電流值超過閾值時，可以向不同的號碼發(fā)送報警信息。Faults表中，保存避雷器的性能狀態(tài)，根據(jù)參數(shù)數(shù)值的趨勢來判斷避雷器是處于正常、受潮還是老化。

3 程序設(shè)計對硬件的要求

現(xiàn)有的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線傳輸方式可分為微波、GPRS/CDMA以及SMS等方式。由于數(shù)據(jù)流量不大，監(jiān)控點比較分散，本程序設(shè)計采用了與GSM 通信結(jié)合來實現(xiàn)遠距離多點輸電線路避雷器監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。即在傳統(tǒng)的單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中增加支持短消息的GSM模塊，并為其分配一個單獨的SIM卡，同樣，在上位機PC機串口處接入GSM模塊，就可以通過短信息的形式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。支持本程序設(shè)計的硬件使用的是西門子公司生產(chǎn)的第三代GSM雙頻模塊TC35，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1

它主要是由射頻天線、內(nèi)部Flash、GSM基帶處理器、匹配電源盒一個40腳的Zip插座組成。其中GSM基帶處理器是核心部件，它的作用相當(dāng)于一個協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)過來的AT指令。射頻天線部分主要是實現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換，匹配電源為處理器及射頻部分提供所需的電源，插座是提供給用戶的應(yīng)用接口。

4 上位機程序功能的設(shè)計

上位機主要負(fù)責(zé)接收所有前端發(fā)送的線路避雷器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，完成綜合計算、顯示存儲、趨勢分析、數(shù)據(jù)庫以及報警管理等任務(wù)。軟件開發(fā)工具使用的是Microsoft visual studio basic6.0，采用Access數(shù)據(jù)庫。程序的功能設(shè)計如下：

(1) 可以設(shè)置每個監(jiān)測參數(shù)項的閾值，若收到的參數(shù)值高于閾值，則自動報警，并將報警信息發(fā)送到特定的手機號；

(2) 可以設(shè)置每個桿塔的編號，并將每個監(jiān)測避雷器儀器的SIM卡號保存到Access數(shù)據(jù)庫，方便對避雷器監(jiān)測儀發(fā)送監(jiān)測指令；

(3) 能對各避雷器發(fā)送監(jiān)測指令，并且能實時接收返回的指令數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析存儲；

(4) 能夠從數(shù)據(jù)庫調(diào)看不同線路不同桿塔在特定時間內(nèi)避雷器的監(jiān)測數(shù)據(jù)；

(5) 對不同參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果，可以以曲線折線圖顯示，從而對避雷器的狀態(tài)做出判斷。

5 通信協(xié)議的設(shè)計

基于GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息服務(wù)(Short Message Service,SMS)作為線路避雷器監(jiān)測信號的傳輸方式，利用手機短信功能，上位機對下位機發(fā)送不同的命令，下位機把監(jiān)測結(jié)果發(fā)送到上位機上。上位機設(shè)數(shù)據(jù)庫，存儲歷史數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理、避雷器運行狀態(tài)的綜合判斷和報警判斷后，再把報警信息通過短信發(fā)送到值班員手機上。部分發(fā)送命令協(xié)議如圖2所示。

圖2

6 上位機程序主要函數(shù)的設(shè)計

下位機數(shù)據(jù)采集模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，上位機程序設(shè)計的軟件是整個系統(tǒng)的核心，是連接各個采集功能模塊使之正常工作的紐帶。軟件是否完善直接影響系統(tǒng)能否正常工作以及監(jiān)測效果的好壞。軟件程序設(shè)計應(yīng)該滿足：(1) 實時性：系統(tǒng)的程序設(shè)計應(yīng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性好等特點。(2) 針對性：要保證監(jiān)測系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，具有較好的控制效果。(3)靈活性和通用性：當(dāng)以后的具有結(jié)構(gòu)相同或相類似的監(jiān)測系統(tǒng)時，功能模塊可以移植。上位機程序主要是完成對現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的處理，包括接收現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)的存儲，及對歷史數(shù)據(jù)的查看。

6.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)接收函數(shù)

接收函數(shù)包括對數(shù)據(jù)串口的初始化，確定PC機通過串口與GSM模塊的連接。上位機利用GSM短信通信，選擇對某條線路的某個桿塔上得避雷器發(fā)送命令，根據(jù)上位機與下位機的通信協(xié)議，避雷器監(jiān)測儀回復(fù)相對應(yīng)的命令回復(fù)。由于下位機回復(fù)的短信命令里包括文字或英文字符，需要對數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理，提取我們所需要的各參數(shù)電流值、時間和雷擊次數(shù)，將各數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的Data數(shù)據(jù)庫中，完成對數(shù)據(jù)的保存過程。接收函數(shù)界面設(shè)計及運行結(jié)果如圖3所示。

圖3

如圖3所示，若收到的參數(shù)電流值超過設(shè)定的閾值，則界面中的圓形控件將紅綠閃爍顯示，并將報警內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)到下方設(shè)定的號碼。

6.2 查詢函數(shù)的設(shè)計

該函數(shù)使用SQL的查詢語句連接數(shù)據(jù)庫，方便管理人員管理和查看避雷器的歷史數(shù)據(jù)，可以按照線路編號查詢，也可以按照線路上桿塔編號查詢，能準(zhǔn)確到某一段時間內(nèi)各個避雷器的監(jiān)測值。歷史數(shù)據(jù)既可以以表格形式顯示，也可以做出某段時間內(nèi)的折線圖，可以清晰的看出各避雷器上每相監(jiān)測數(shù)據(jù)值的趨勢，從而可以判斷出避雷器的運行狀態(tài)，做出正確的檢修措施。

7 結(jié)論

(1) 通過發(fā)送不同桿塔的氧化鋅避雷器的位置和編號信息,實現(xiàn)多點的MOA監(jiān)測系統(tǒng),方便的查詢不同區(qū)域的MOA的現(xiàn)場情況。

(2) 該程序設(shè)計能完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)量化、數(shù)據(jù)存儲等動能，同時能對數(shù)據(jù)進行分析，做出報警的判斷，實時上報避雷器的運行狀態(tài)。

(3) 該程序設(shè)計某些功能模塊同樣能應(yīng)用到其他監(jiān)測系統(tǒng)中，所以，該程序設(shè)計也有較高的實用價值。

本線路避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的程序設(shè)計能夠?qū)崟r監(jiān)測避雷器的運行情況，解決了交通不便地區(qū)避雷器預(yù)試、運行維護困難的問題，減輕了巡視人員的勞動強度，同時能夠?qū)邮諗?shù)據(jù)進行處理，有效監(jiān)測線路避雷器的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)避雷器潛在故障，避免突發(fā)事故，提高輸電線路和電網(wǎng)的供電可靠率。

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