基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的絕緣子遙測系統設計

李雅茹

摘 要：介紹了基于MSP430F149單片機和G18數據通訊模塊的輸電線路絕緣子污穢遙測系統的設計與實現。該系統通過數據監測分機實時在線檢測輸電線絕緣子表面的泄漏電流和環境溫、濕度等數據,利用GSM網絡以短消息(SMS)方式將數據傳到遠程系統主機進行分析,得出絕緣子的污穢狀況,并在污穢過度時及時告警,為準確劃分污區和實現狀態檢修提供了科學依據。

關鍵詞：絕緣子污穢；泄漏電流；遙測系統；MSP430F149

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-151-04

Design of Insulator Telemetry System Based on MSP430F149

LI Yaru

(Yangling Vocational Technical College,Yangling,712100,China)

Abstract：The design and realization of a kind of insulator contamination telemetry system for transmission line are introduced in this paper.This system measures the data of leakage current on surface of insulator,temperature and humidity of environment online through the data acquisition unit based on the theory of adaptive noise cancellation.The data is transmitted to remote supervision system by Short Message Service(SMS) based on GSM network,and analyzed by system software.When the contamination degree of insulator is serious,the system gives alarm signal in time.It provides scientific basis for plotting contamination zone correctly and realizing state examinination and repairment.

Keywords：contaminated insulator;leakage current;telemetry system;MSP430F149

0 引 言

高壓輸電線路絕緣子串的污穢閃絡是影響電網運行的重要因素之一。隨著電力系統的發展和大氣中各類污染的加劇,沉積在絕緣子表面的污穢層受潮后使絕緣子的外絕緣能力下降,并常引起污閃事故,嚴重妨礙著電力系統的安全、穩定、經濟運行。

目前,檢測輸電線路外絕緣污穢程度的方法有等值附鹽密度法、測量污層電導率法和測量絕緣子表面泄漏電流法。前兩者要在停電的條件下進行,相對傳統、落后,難以反映現場絕緣子污穢實時信息。而污穢絕緣子表面的泄漏電流是在運行電壓作用下受污表面受潮后流過絕緣子表面的電流,是運行電壓、氣候(大氣壓力、溫度、濕度等)、污穢三要素綜合作用的結果,是一個動態參數。泄漏電流大小與絕緣子污穢程度密切相關,因此檢測高壓輸電線路絕緣子泄漏電流具有實際工程意義。

輸電線路桿塔分布廣,桿塔上的泄漏電流監測分機的數據信息需用無線方式傳輸；同時,分機工作于高壓輸電線路桿塔上,通常采用太陽能供電,因此要求系統功耗低、可靠性高。利用TI公司最新推出的低功耗芯片MSP430F149內部豐富的硬件資源和MORTOROLA公司生產的G18 GSM數據通訊模塊構建的輸電線路絕緣子污穢遙測系統是一種低成本、低功耗、高可靠性的技術方案。

1 監測原理

由于流過絕緣子的泄漏電流脈沖的最大幅值表征了該絕緣子接近閃絡的程度。因此系統把絕緣子上的泄漏電流波的最高峰值作為表征污穢絕緣子運行狀態的特征量。以光滑圓柱絕緣子為例,其在電壓U的作用下沿整個絕緣子表面的泄漏電流為：

IL=URn=ULπγnD=ELπγnD

(1)

式中：Rn為絕緣子在均勻污染和濕潤條件下的電阻；L為沿絕緣子表面的爬電距離；

D為絕緣子的直徑；γn為濕潤污穢層的表面電導率；EL為沿爬電路徑的平均電場強度。

而對任意形狀的絕緣子,取其沿爬電路徑的微分段dl,則沿爬電路徑微分段的濕潤污穢表面電阻為：

dRn=dlπγn(l)D(l)

(2)

式中：l為沿爬電路徑的線坐標；γn(l)和D(l)為任意坐標值處的絕緣子表面電導率和直徑。

因此,絕緣子整個表面的電阻為：

Rn=∫L0dRn=1π∫L0dlγn(l)D(l)

(3)

當爬電路徑的表面電導率為常數時,式(3)改寫為:

Rn=1πγn∫L0dlD(l)=fγn=LπγnD eq

(4)

式中：f為絕緣子形狀系數,f=1π∫L0dlD(l)=LπD eq;D eq為絕緣子的等效直徑,D eq=11L∫L0dlD(l)。

當沿爬電路徑的表面電導率為變數時,可引入平均表面電導率的概念,即:

n=f/Rn=Gnf

(5)

故流過任意形狀絕緣子表面的泄漏電流為:

I=URn=Unf=ULπnD eq=ELπnD eq

(6)

式中：EL為沿爬電路徑的平均電場強度。

圖1所示曲線為自然污穢絕緣子交流閃絡過程的典型示波圖(升壓法),從運行中對污穢絕緣的監視和預報角度出發,可將其分成三部分。如果以閃絡電壓為基準的標么值表示,A點和B點的電壓標么值分別為0.5和0.9,A點之前稱為非預報區,A~B之間稱為預報區,B點之后至閃絡為危險區。

圖1 自然污穢絕緣子交流閃絡過程的典型示波圖

從示波圖可以看出,自然污穢絕緣子泄漏電流的特點是出現在預報區的泄漏電流呈不穩定狀態,常以脈沖群出現,并伴有局部的電弧形成和熄滅,預報區的泄漏電流脈沖群幅值多為幾十至幾百毫安,其寬度常為幾個至幾十個周波［1］。

正因為污閃的發生要經歷以上幾個階段,使得通過在線監測絕緣子的泄漏電流幅值和脈沖數及環境參數來估計絕緣子的污穢程度,并在污閃發生之前給出預警成為可能。

2 遙測系統總體方案設計

在輸電線路的被監測桿塔上安裝一臺數據監測分機,自動采集、處理該桿塔上絕緣子串的泄漏電流及其環境溫濕度等信息,并將其通過打包存儲并定期通過GSM網絡以點對點短消息(SMS)方式或通用分組無線業務(GPRS)方式傳送給遠方系統主機。在總站安裝一臺系統主機,接收分機發來的有關數據信息,并進行分析、判斷、處理。同時系統主機設置有網絡接口供有關部門進行遠程數據信息查詢。整個系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖

3 數據監測分機設計

3.1 數據監測分機工作原理

數據監測分機的工作原理：分機循環采集桿塔上各路絕緣子串泄漏電流。首先泄漏電流信號經過電壓、過電流保護后由屏蔽電纜引入泄漏電流傳感器,經傳感器放大后進入信號調理電路,在調理電路中信號先經抗干擾抑制處理,然后被變換成電壓信號,并經過濾波處理和PGA增益放大后送入高速A／D轉換器進行轉換,從而得到一系列各路信號的采樣值。這些采樣值經計算處理后即得到泄漏電流的幅值和不同幅值區段的脈沖數。同時分機還采集桿塔現場的環境溫濕度等數據信息,這些信息經打包處理后存入E2PROM中。

分機數據信息利用GSM數據通訊模塊通過GSM網絡以短消息方式傳送給系統主機。正常情況下分機定期主動發送信息,一旦污穢過度,分機立即發送告警和錄波信息。

分機采用太陽能電池板加蓄電池的供電方式。分機硬件原理框圖如圖3所示。

圖3 數據監測分機原理框圖

3.2 微處理器的選擇

系統中數據監測分機的MCU采用TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗微處理器MSP430F149,該芯片內部集成了豐富的資源,如高性能12 b A/D、模擬比較器、硬件乘法器、兩個串行口、兩個16 b脈寬調制定時器、60 KB的低功耗FLASH、2 KB的內部RAM,同時它具有多種低功耗模式,適合于設計片上系統和電池供電的場合。其中硬件乘法器是一個16 b的片內外設,它獨立于CPU之外運行,不占用CPU任何時間,適宜于大量運算。系統采用充分利用該芯片內部豐富的資源并運行于低功耗模式、在外圍信號調理電路采用低功耗芯片、降低充電管理模塊的功耗、GSM通訊?？於ㄆ诖蜷_等降功耗措施后,使整個分機平均功耗低于3 mA。

3.3 泄漏電流的采集

泄漏電流的變化范圍通常從幾十微安到幾百毫安,且有高頻放電脈沖。在干燥且污穢較輕的情況下,泄漏電流通常為幾十微安至幾毫安；當污穢較重而且天氣潮濕時,泄漏電流可達幾十毫安；一旦發生閃絡時,泄漏電流可達幾百微安。

為了對微小的泄漏電流信號進行精確測量,系統采用了TI公司的高精度運放OPA4277,該運放低噪聲,輸入偏移電壓漂移小于0.15 μV/℃,開環增益最高可達160 dB,轉換速率最高可達2.3 V/ns,滿足系統高速循環采樣要求。圖4為以OPA4277構建的泄漏電流信號調理電路。

同時,為了能檢測出高頻放電脈沖,系統根據信號變化的劇烈程度實時調整采樣頻率。一般由前一周波所得泄漏電流信號幅值和脈沖頻次來確定；當信號幅值和脈沖頻數較小時,按每周波24點采樣,以便降低功耗；而信號幅值和脈沖頻數較大時,按每周波96點采樣,以便捕捉高頻脈沖等瞬變信號。

圖4 泄漏電流信號調理電路

3.4 串行器件模塊電路

E2PROM 分機采集到的數據信息經打包后存入串行E2PROM 24C256中,總共8 KB的存儲空間用于暫存定期采集的歷史數據和錄波數據。受容量限制,大量錄波數據一般都要求立即發送,以便留出更多空間用于存儲歷史數據。

時鐘電路 選用了DALLAS半導體公司的時鐘芯片DS1302。它可以產生秒、分、小時、日、星期、月及年等七個時標,并可以通過編程來讀取和修改這些時標。同時該芯片采用雙電源供電,以鋰電池作為后備電源,保證了時鐘電源的可靠性。采用硬件時鐘可以不占用單片機的定時器資源,同時減輕了軟件設計量。

溫濕度模塊電路 選用了SENSIRION公司生產的溫濕度測量芯片SHT71,該芯片內部集成了一個溫度傳感器、一個濕度傳感器和一個14 b的A/D轉換器及一些修正校驗電路。通常情況下芯片處于省電模式,當接收到來自CPU的轉換命令時,將傳感器的輸出模擬量經A/D轉換成數字量,并由串行數據線輸出到CPU。該芯片測量精度高,測量范圍寬(濕度：0~100%；溫度：-40~+120 ℃),體積小,功耗低。

以上3種芯片都具有寬電源工作模式,能在3 V電壓下工作,降低了系統功耗。圖5為串行E2PROM和時鐘電路原理圖。

圖5 串行E2PROM和時鐘電路原理圖

3.5 分機的電磁兼容(EMC)設計

分機工作于高壓輸電線路旁,處于惡劣電磁環境中,常會受到強電磁輻射干擾、靜電放電干擾、高頻脈沖干擾、電快速瞬變干擾、雷電沖擊等。一方面高頻噪聲干擾疊加在泄漏電流這個微弱信號上給測量帶來誤差,影響檢測效果；另一方面這些干擾和沖擊作用在微電子設備上輕則使分機系統紊亂,數據測量錯誤,導致系統誤報警,重則使系統“死機”,甚至使系統硬件損壞。

針對不同干擾系統采取了相應措施。為了防止輻射干擾通過信號線進入裝置,從集流環到分機的外露信號線全采用雙層屏蔽電纜,并使屏蔽層可靠接地,整個分機也被置于一個金屬密閉箱中；為了防止雷電沖擊等高電壓和大電流信號進入裝置,在泄漏電流傳感器前端并聯有避雷器以防高壓、串聯有可恢復熔斷絲以防止大電流信號,并在每個模擬量輸入回路均設有瞬變二極管等高電壓抑制元件；為了減輕電快速瞬變干擾對裝置的影響,提高系統的抗共模、差模干擾能力,在泄漏電流輸入回路的前端設有共、差模扼流圈及吸收電容等,使裝置抗快速瞬變干擾能力達到了四級標準,共、差模扼流圈如圖6所示；采用硬件看門狗及非法指令中斷、對重要數據如定值等采用多重備份等措施,保證了分機常年免維護正常運行。

圖6 加在泄漏電流輸入回路的共、差模扼流圈

4 無線通訊設計

由于輸電線路桿塔分布廣,系統將分機監測到的數據用有線組網傳輸顯然是不現實的。采用RF發射/接收模塊,因通訊距離受到限制而必須采用接力方式,這使整個系統的通訊可靠性受到限制。采用基于GSM網絡的短消息業務,通過給每個分機分配惟一的地址(SIM卡號),將現場采集的數據信息打包,建立無線通訊網絡,為每個分機提供了網絡化通信接口。可以從根本上解決輸電線路絕緣子監測分機分布廣、距離遠而難于用有線方式組網的難題,實現監測分機與系統主機之間數據的遠程雙向傳輸。

數據監測分機中內置了MORTOROLA公司生產的G18 GSM數據通訊模塊。G18是集成的無線調制解調器,相當于DCE(數據通信設備),其內部集成了GSM的微處理器,支持語音、數據、短信等服務。它帶有標準的RS 232串行接口,單片機可以通過RS 232口向其發送和接收各種信息。而且其可在3 V電壓下工作,睡眠模式下的消耗電流為10 mA,關斷模式下的消耗電流為150 μA,功耗低。

短消息業務是GSM系統提供的一種有別于語音傳輸的通信業務,主要包括點對點短消息業務和小區廣播短消息業務。本系統利用的是點對點短消息業務,它是通過信令信道傳送簡短信息的業務,編碼后單條短信長度為140 B,可以承載160個英文字符或70個漢字。短消息通信有三種模式：塊模式、文本模式、PDU(協議數據單元)模式。其中在PDU模式下,每條短消息用戶數據最大長度為140 B。

根據分機與系統主機之間傳輸數據的類型自定義了通訊協議,將數據信息分為上行和下行兩種：上行信息是指數據監測分機將現場數據信息(包括歷史數據、報警數據、實時數據)及各種下行命令返回信息,這些信息通常主動上送系統主機；下行信息是指系統主機向數據監測分機發送數據信息,包括數據請求和各種定值的修改。每條短消息的用戶數據部分按如下格式構成：數據類型+有效數據信息+校驗碼。為了減少數據通訊誤碼,提高抗干擾能力,軟件上采取了校驗措施,保證了整個系統的可靠通訊。圖7為分機以短消息形式收/發數據信息的流程圖。

圖7 分機收發短消息流程圖

5 系統主機軟件設計

監測系統主機軟件基于Windows 2000／98平臺,采用Visual Basic面向對象語言編制而成。包括無線數據通訊、參數設置、數據查詢、自動巡測、人工點測、數據分析等功能。限于篇幅,不再詳述。

6 結 語

利用MSP430F149單片機設計的基于GSM網絡的輸電線路絕緣子遙測系統,在任何惡劣環境條件下都可以全天候自動監測各桿塔絕緣子的污穢狀態信息,并在污穢越限時告警。目前該系統已經有多套應用到西北地區和華中地區的輸電網絡,性能穩定,準確測量了流過絕緣子串表面的泄漏電流,較客觀地反映了被監測線路絕緣子的污穢狀況,為準確劃分污區和及時修訂污區分布圖提供了參考依據,提高了電力系統運行管理水平。

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