基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

馬東嶺 寇新民 毛志寬 徐 典

（1.河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001；2.平頂山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 平頂山 467001）

0 引言

金屬氧化物避雷器(MOA)是20 世紀(jì)70 年代初期出現(xiàn)的新型過(guò)電壓保護(hù)電器。MOA 以其優(yōu)異的非線性、大的通流能力以及更高的運(yùn)行可靠性逐漸成為電力系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)的主要裝置[1]。為減少因MOA老化、受潮等因素造成的電力事故，通常采用MOA 監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，來(lái)預(yù)防因MOA 故障而造成的電力事故。

但傳統(tǒng)的做法具有一定的局限性，如在對(duì)老站進(jìn)行智能化改造時(shí)，需要電纜布線，必然會(huì)破壞現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等，因此采用無(wú)線通信技術(shù)的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將可大大降低現(xiàn)場(chǎng)施工強(qiáng)度。

1 MOA 在線監(jiān)測(cè)原理

圖1 為MOA 閥片在單相小電流下的電路等效模型，它是由一個(gè)非線性電阻R 與線性電容C 并聯(lián)而成，設(shè)U 為設(shè)備運(yùn)行電壓，I 為避雷器總泄漏電流，其中IR 為阻性電流，IC 為容性電流。容性電流分量產(chǎn)生的無(wú)功損耗并不會(huì)使避雷器閥片發(fā)熱，導(dǎo)致避雷器閥片發(fā)熱的是阻性分量產(chǎn)生的有功損耗[2]。

圖1 MOA 等效電路

MOA 在正常運(yùn)行時(shí)，阻性電流分量很小，占泄漏全電流的5%～20%，此時(shí)的泄漏電流以容性電流分量為主導(dǎo)。但當(dāng)避雷器老化、受潮、過(guò)電壓時(shí)，其泄漏電流在幅值和波形上會(huì)有很大變化，研究表明該變化主要是由于阻性電流分量的非線性快速增長(zhǎng)造成的，因此監(jiān)測(cè)阻性電流變化才能真正反映出MOA 的運(yùn)行狀態(tài)。[3]

目前從全電流中分離出阻性電流的方法比較多，其中基波分析法可排除MOA 兩端電壓所含諧波對(duì)測(cè)量阻性電流基波分量的影響。[4-5]其基本原理是監(jiān)測(cè)裝置采集一定周期內(nèi)的MOA 泄漏電流，經(jīng)快速傅里葉變換（FFT）算法提取泄露電流中基波電流幅值和相角，同時(shí)采集避雷器母線電壓信號(hào)，經(jīng)FFT 得到電壓信號(hào)的相角，進(jìn)而得出全電流與電壓之間的相角差，從而得到避雷器的阻性電流。[6]

2 基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的MOA 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于無(wú)線通信的MOA 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由MOA 監(jiān)測(cè)裝置、協(xié)調(diào)器、MOA 監(jiān)測(cè)IED 及后臺(tái)系統(tǒng)組成，如圖2 所示。其中MOA 監(jiān)測(cè)裝置在協(xié)調(diào)器和IED 的統(tǒng)一調(diào)度下完成MOA 泄漏電流及PT 輸出電壓信號(hào)的采集。IED 完成阻性電流、容性電流、阻容比等參量的計(jì)算處理以及IEC61850 協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。

圖2 MOA 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 MOA 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2 MOA 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)的硬件主要包括MOA 監(jiān)視裝置、協(xié)調(diào)器、避雷器監(jiān)測(cè)IED 三部分。

3.1 MOA 監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行MOA 泄露電流采集時(shí)，要求無(wú)失真地將泄漏電流幅值信號(hào)及相位信號(hào)引入MOA 監(jiān)測(cè)裝置，同時(shí)為保證系統(tǒng)絕緣性能不受影響，要求采集裝置與被測(cè)系統(tǒng)之間保持有效的電氣隔離，因此系統(tǒng)選用高精度穿芯式零磁通電流互感器對(duì)總泄漏電流進(jìn)行采集。電壓互感器(PT)是將一次側(cè)的高電壓轉(zhuǎn)換為二次側(cè)的低電壓的電力設(shè)備，通過(guò)采集PT 輸出電壓信號(hào)即可獲知系統(tǒng)電壓的相位信息。由于PT 輸出為高電壓信號(hào)，無(wú)法直接輸入AD 采集，且需要高精度采集，因此首先選用無(wú)感電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓流轉(zhuǎn)換，得到電流信號(hào)后，通過(guò)零磁通電流互感器采集該電流信號(hào)，進(jìn)一步獲取系統(tǒng)電壓的相位信息。

為保證得到MOA 泄露電流精準(zhǔn)的幅值和相位信息，采用ADI 公司出品的250kSPS、6 通道、雙極性16bit 同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7656 對(duì)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行高速高精度采集。由于需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行FFT 變換等數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算得到泄漏電流和系統(tǒng)電壓的幅值和相位信息，因此選用TI 的DSP 芯片TMS28335 作為主控制器。

CC2520 是針對(duì)2.4GHz ISM 頻帶的第二代ZigBee RF 收發(fā)器，該器件可實(shí)現(xiàn)最佳的連接性、共存性與優(yōu)異的鏈路預(yù)算,可滿(mǎn)足各種應(yīng)用對(duì)于ZigBee 與專(zhuān)有無(wú)線系統(tǒng)的要求。因此本監(jiān)測(cè)裝置選用TI 的CC2520 作為ZigBee 無(wú)線通信收發(fā)芯片，其與TMS28335 之間采用SPI 通信方式。

為捕捉到避雷器的放電信號(hào)，采用電流互感器采集避雷器放電時(shí)泄放的電流信號(hào)，電流互感器與TMS28335 之間采用光耦隔離，并在電流互感器輸出端加壓敏電阻和TVS 管保護(hù)。由于需要精確記錄避雷器放電時(shí)間，因此需要選擇高精度的RTC 時(shí)鐘芯片，美信公司出品的DS3231 時(shí)鐘芯片內(nèi)部集成溫補(bǔ)晶體振蕩器（TCXO）和晶體，其時(shí)鐘精度達(dá)到±3.5ppm，快速（400kHz）I2C 接口，完全滿(mǎn)足記錄避雷器放電時(shí)間的要求。

圖3 MOA 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖

3.2 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

ZigBee 中的協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)始，具有網(wǎng)絡(luò)的最高權(quán)限，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)者，還可以保持間接尋址用的表格綁定，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)安全中心和執(zhí)行其他動(dòng)作，保持網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信。本系統(tǒng)選用TI 的CC2538 作為協(xié)調(diào)器的硬件芯片，CC2538 是一款針對(duì)高性能Zigbee 應(yīng)用的理想片上系統(tǒng)(SoC)。它包含一個(gè)強(qiáng)大的基于ARM Cortex M3 的微控制器（MCU）系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有高達(dá)32K 片載RAM和512K 片載Flash，這使得它能夠處理具有安全性、包含要求嚴(yán)格的應(yīng)用以及無(wú)線下載的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)堆棧。與德州儀器(TI)提供的免費(fèi)使用Z-Stack PRO 或Zigbee IP 堆棧組合在一起，CC2538 提供市面上功能最強(qiáng)大且可靠耐用的Zigbee 解決方案。

3.3 避雷器監(jiān)測(cè)IED

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性，避雷器監(jiān)測(cè)IED 選用成熟的工控機(jī)產(chǎn)品，如研華科技推出的UNO-4671 無(wú)風(fēng)扇電力專(zhuān)用嵌入式工控機(jī)。

4 MOA 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 MOA 監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、I/O 口、嵌套向量中斷控制器、外部中斷、CC2520 無(wú)線收發(fā)模塊等。初始化完畢后，CC2520 和TMS28335 即進(jìn)入低功耗休眠模式。

TMS28335 的中斷處理主要包括AD 采集中斷、CC2520 喚醒中斷和雷擊計(jì)數(shù)中斷等。其中雷擊計(jì)數(shù)中斷和CC2520 喚醒中斷都可以將TMS28335 從停機(jī)模式喚醒。當(dāng)CC2520 偵聽(tīng)到有效電磁波時(shí)將觸發(fā)喚醒中斷，喚醒TMS28335。TMS28335 根據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的指令完成相應(yīng)操作，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送、對(duì)時(shí)、參數(shù)修改等，并通過(guò)CC2520 向協(xié)調(diào)器返回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或執(zhí)行狀態(tài)。

4.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)主要是結(jié)合TI 提供的Zigbee SDK 協(xié)議棧，完成與各MOA 監(jiān)測(cè)裝置（節(jié)點(diǎn)）的通信鏈路建立、指令及數(shù)據(jù)收發(fā)，并將各節(jié)點(diǎn)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以RS-485 Modbus 通信協(xié)議的方式發(fā)送給MOA 監(jiān)測(cè)IED。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的MOA 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)和大容量電池或太陽(yáng)能板供電，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)MOA 監(jiān)測(cè)裝置與MOA 以及變電站電源間沒(méi)有任何直接電氣聯(lián)系，提高了整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性和電氣可靠性。

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