避雷器在線監(jiān)測(cè)同步控制通信機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐斌++陳琳++付東豐

摘 要基于無線通信技術(shù)，提出了一種金屬氧化物避雷器（MOA）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別介紹了組成本系統(tǒng)的MOA檢測(cè)終端、電壓匯集采樣裝置和同步通信控制器。針對(duì)MOA電流電壓同步采用的難題，提出了一種通過同步通信控制器集中控制采樣的方法。同步通信控制器通過GPS或者SNTP授時(shí)，并且通過無線通信方式同步系統(tǒng)其它設(shè)備。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)MOA的狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】MOA 同步通信 在線監(jiān)測(cè)

1 引言

作為一種廣泛使用于電網(wǎng)中的過電壓保護(hù)設(shè)備，無間隙金屬氧化物避雷器（MOA）具有響應(yīng)快、通流容量大、殘壓低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通常高壓電力線路均通過MOA與大地相連，在長(zhǎng)期的工頻高壓，以及風(fēng)霜雨雪、高低溫、污穢等不斷變化的外部環(huán)境作用下，MOA會(huì)緩慢老化、絕緣劣化，甚至發(fā)生故障。一旦MOA發(fā)生故障，本身將損壞甚至是爆炸，同時(shí)其他電氣設(shè)備將失去過電壓保護(hù)，其性能好壞直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。所以需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，及早發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全隱患。

阻性泄漏電流是衡量MOA健康狀態(tài)最重要的參數(shù)，它的測(cè)試需要同步采樣MOA電壓和漏電流。當(dāng)前電網(wǎng)中金屬氧化物避雷器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍然以傳統(tǒng)的機(jī)電式MOA泄漏電流監(jiān)測(cè)器為主。這種監(jiān)測(cè)器的數(shù)據(jù)只能通過運(yùn)維人員手工抄錄，MOA的健康狀態(tài)只能依靠人工用阻性電流檢測(cè)儀帶電檢測(cè)來獲取。這種檢測(cè)儀主要采用有線集中同步采集的方式，通過專用測(cè)試電纜將電網(wǎng)電壓和泄漏電流兩路電氣信號(hào)同步采集并接入同一臺(tái)設(shè)備，然后進(jìn)行分析比較計(jì)算。由于檢測(cè)的頻次較低，數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)傳輸，難以及時(shí)、準(zhǔn)確判斷MOA運(yùn)行狀態(tài)變化，導(dǎo)致有的隱患未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)而釀成事故。同時(shí)這種同步檢測(cè)方式通常需要很長(zhǎng)的測(cè)試電纜，電纜需要人工布線和收取，不僅耗費(fèi)大量的人力，同時(shí)也極不方便，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)。

針對(duì)上述同步采樣的問題，本文基于傳統(tǒng)的機(jī)電式MOA泄漏電流監(jiān)測(cè)器，設(shè)計(jì)出一種新型的MOA漏電流檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式的無線低功耗漏電流檢測(cè)終端、集中式站內(nèi)電壓匯集裝置、同步控制通訊主機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)MOA漏電流、電壓同步采集。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了升級(jí)改造現(xiàn)有的傳統(tǒng)機(jī)電式MOA泄漏電流監(jiān)測(cè)器，本文基于無線通信技術(shù)，提出一種新型的MOA監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)由低功耗無源在線監(jiān)測(cè)終端、參考電壓匯集裝置、通信同步控制主機(jī)、主控臺(tái)四部分組成。系統(tǒng)采用433MHz的無線載波頻率技術(shù)，根據(jù)變電站物理范圍，設(shè)計(jì)通信距離為1km。

2.2 MOA檢測(cè)終端

系統(tǒng)第一部分為安裝于MOA根部的監(jiān)測(cè)終端，原理如圖2所示。圖中繞線電阻、整流橋、動(dòng)作儲(chǔ)能電容、觸發(fā)電路、電流表、機(jī)械式計(jì)數(shù)器為傳統(tǒng)機(jī)電式避雷器電路組成單元。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低功耗檢測(cè)終端在不改變傳統(tǒng)避雷器電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，新增了能源儲(chǔ)能電容、能源管理模塊，低功耗的CPU、LCD、無線通信模塊。該終端和傳統(tǒng)MOA監(jiān)測(cè)裝置的外觀一樣，不但可延續(xù)巡檢人員以前的讀數(shù)、記數(shù)習(xí)慣，還增加了泄漏電流采樣、諧波分析、數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)傳等新功能。

2.3 電壓檢測(cè)

阻性電流大小反應(yīng)了MOA的健康狀況，它的計(jì)算需要同相電壓作相位參考，因此需對(duì)每相MOA對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行同步采樣。本系統(tǒng)第二部分即是安裝于變電站繼保室的電壓匯集裝置，其原理框圖如圖3所示。各參考電壓通過隔離電壓傳感器傳送至低通濾波器輸入端，然后經(jīng)過信號(hào)放大器處理后接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，CPU接收各路參考電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，處理后通過無線通信模塊發(fā)送出去。該裝置采用站用電供電，可同時(shí)采集若干路參考電壓。

2.4 同步通信控制器

由于需要同步采集MOA漏電流和電壓，因此需要同步通信。本系統(tǒng)第三部分是安裝于繼保室屋頂?shù)耐娇刂仆ㄐ艡C(jī)，其原理如圖4所示，由CPU控制器、存儲(chǔ)器EEPROM、GPS模塊和無線通信模塊組成。它的主要作用是每隔一段時(shí)間發(fā)出一條采樣通知信號(hào)，安裝于站內(nèi)的電壓匯集裝置和終端塔上的監(jiān)測(cè)終端收到此采樣信號(hào)后，便開始采集各路的電壓和電流信號(hào)，然后同步控制通信機(jī)接收監(jiān)測(cè)終端和電壓匯集裝置采集的電流和電壓信號(hào)，并計(jì)算出每只MOA的阻性電流值，通過以太網(wǎng)接口傳送至控制后臺(tái)。

3 同步控制

時(shí)鐘同步單元可選擇站用SNTP時(shí)鐘同步、GPS時(shí)鐘同步。在系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)終端、電壓匯集裝置、通信控制主機(jī)中均裝載有S級(jí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和精度為±50ns的輔助校時(shí)時(shí)鐘，可記錄裝置的年、月、日、時(shí)、分、秒信息。由于無線射頻信號(hào)傳輸速度近乎光速，且變電站內(nèi)通信距離在1km以內(nèi)，因此信號(hào)傳輸延時(shí)在此系統(tǒng)中可忽略不計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)送接收是同時(shí)的，從而可在具有S級(jí)記時(shí)的低功耗系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)±1uS的校時(shí)精度。當(dāng)某監(jiān)測(cè)終端請(qǐng)求校時(shí)時(shí)，它會(huì)主動(dòng)發(fā)送本地RTC時(shí)鐘信息、輔助時(shí)鐘信息至同步控制通信主機(jī)。主機(jī)接收到校時(shí)信息后，計(jì)算和主站時(shí)鐘的差值，然后發(fā)送主站的RTC時(shí)鐘信息、輔助時(shí)鐘信息及差值至請(qǐng)求校時(shí)的監(jiān)測(cè)終端裝置。終端裝置收到此信息后，同步記錄本地的RTC時(shí)鐘信息、輔助時(shí)鐘信息，同時(shí)根據(jù)時(shí)鐘信息差對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行校時(shí)。

同步通信控制器的流程如圖5所示，MOA在線監(jiān)測(cè)終端上電后，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，通過GPS或者SNTP本地授時(shí)，并等待其它設(shè)備的校時(shí)請(qǐng)求。MOA檢測(cè)終端和電壓匯集裝置上電后，主動(dòng)發(fā)出時(shí)鐘同步請(qǐng)求至通信控制主機(jī)。

通信控制主機(jī)收到同步請(qǐng)求后，通過與本地時(shí)鐘對(duì)比，計(jì)算時(shí)鐘差，完畢后將時(shí)鐘信息同步至監(jiān)測(cè)終端、電壓匯集裝置，并下發(fā)采樣間隔時(shí)間。監(jiān)測(cè)終端按照通信控制主機(jī)下發(fā)的采樣間隔時(shí)間設(shè)置本設(shè)備的休眠時(shí)間，之后進(jìn)入休眠模式。當(dāng)休眠時(shí)間完成后，監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)喚醒，然后發(fā)送同步請(qǐng)求至通信控制主機(jī)，通信控制主機(jī)需要按圖5的流程對(duì)監(jiān)測(cè)終端、電壓匯集裝置進(jìn)行同步，此后監(jiān)測(cè)終端、電壓匯集裝置在整秒時(shí)同步觸發(fā)采樣。本地采樣完成后，監(jiān)測(cè)終端、電壓匯集裝置通過無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄⒉蓸訑?shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果傳輸至通信控制主機(jī)。若系統(tǒng)有對(duì)裝置做出修改，則通信控制主機(jī)將修改的配置參數(shù)下發(fā)至監(jiān)測(cè)終端及電壓匯集裝置。監(jiān)測(cè)終端在完成數(shù)據(jù)傳輸及接收通信控制主機(jī)設(shè)置參數(shù)后，按照最新的采樣間隔時(shí)間再一次進(jìn)入下一輪的休眠模式并等待下一次被采樣喚醒。通信控制主機(jī)對(duì)采樣的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算后通過以太網(wǎng)傳輸至后臺(tái)。通信控制主機(jī)是在安裝時(shí)選擇使用站用SNTP時(shí)鐘同步或內(nèi)部GPS時(shí)鐘，且實(shí)時(shí)對(duì)主機(jī)的本地時(shí)鐘進(jìn)行同步。監(jiān)測(cè)終端的雷電流泄放事件記錄作為一個(gè)特例，在每次事件發(fā)生時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)裝置并喚醒，且具有雷擊喚醒標(biāo)記，裝置記錄雷擊發(fā)生的時(shí)間，并將此信息及時(shí)發(fā)送通信控制主機(jī)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于低功耗、無線通信的MOA在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，科學(xué)的將系統(tǒng)分為四部分，并針對(duì)MOA阻性電流分析的難題，提出了通過同步通信控制器同步采樣MOA電壓和電流的方案，研究結(jié)果表明該方案可以準(zhǔn)確地解決同步采樣難題，為今后的工程應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介

徐斌（1975-），男，四川省樂山市人。大學(xué)本科學(xué)歷。高級(jí)工程師。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

作者單位

國(guó)網(wǎng)四川省電力公司資陽供電公司 四川省資陽市 641300