基于MSP430的避雷器實時監測系統的設計

朱亮，尹斌

（河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京210098）

避雷器是電網中保護電力設備免受過電壓危害的重要電氣設備，其運行的可靠性將直接影響電力系統的安全。對避雷器實施在線監測，一方面可及早發現和排除故障，健全變電站避雷器的安全運行預警系統；另一方面 ，可對避雷器泄漏電流及動作次數進行統計并實現數據遠傳，從而有效及時地檢測避雷器內部缺陷，使之運行更加穩定安全可靠[1]。文中采用基波阻性電流法進行硬件電路設計。這種監測方法具有實現容易和采集數據參數全面等優點。主要對避雷器的三相電壓、電流等參數進行采集。硬件電路中設計了通訊接口，通過RS485轉RS232實現遠距離的上位機多點監測，適應于對避雷器數量較多的供電網絡中。

1 避雷器系統設計

1.1 結構簡介

該在線監測系統用于變電站內避雷器的在線監測，如圖1所示。其中監測器安裝于避雷器的下方，用來監測避雷器流過的泄漏電流以及避雷器的動作次數，還可監測避雷器表面的污穢電流。每一相避雷器需安裝一個對應的監測器。每不超過30個的監測器為一組，通過一個485網絡接到監控室內的上位計算機或后臺監控；超過30個的監測器另分組，通過另外的485網絡接到監控室內的上位計算機或后臺監控。

圖1 避雷器現場安裝示意圖Fig.1 The schematic diagram of MOA installation

1.2 硬件原理圖

文中研究的監測系統采用以MSP430為核心的監測方法，由于避雷器泄露電流[2]數值很小，一般只有幾百毫安，所以對硬件電路設計要求比較高。因此為提高測量的準確性和精度，需要采用具有高靈敏度、低溫漂、高共模抑制比等特點的硬件電路，以達到既消除干擾又使信號不至于失真的效果。

硬件電路主要包括信號輸入模塊、信號調理模塊、MCU模塊、數碼顯示模塊及編程模塊等，實現信號的轉換、放大、濾波、采集處理及顯示等功能。信號調理模塊主要是把輸入的信號幅值調理到MCU可接受的范圍內。MCU模塊主要由單片機MSP430及其外圍電路組成，它對該裝置進行控制并對采集到的數字信號進行處理，從而判斷避雷器的運行狀態。485通信模塊將進行數字諧波處理后的數據通過串口發送到上位機。為此采用電阻取樣方式，經運算放大器放大后輸入MSP430的12位A/D轉換器，實現電流測量，如圖2所示。

圖2 全電流模塊硬件電路Fig.2 Hardware circuit of all current module

信號輸入模塊：全電流信號表現為泄漏電流在某個阻值電阻上的電壓降（電阻值大小可根據需要選擇）。正常時，電阻上的信號大小為（0.1～0.50）V，頻率為 50±0.5 Hz，異常時，最大不超過1.0 V。動作時，脈沖信號被調理后通過光耦送入單片機。污穢電流信號輸入范圍為0～3 mA，也需先轉換為電壓信號再送入單片機。采用羅斯夫線圈測量動作電流的大小，輸出為脈沖信號，此脈沖信號和動作電流大小基本成線性關系。PT電壓信號為電流型電壓互感器的輸出電流，它提供和全電流之間的相位差。電源為24 V，由外部的開關電源輸入，并且MCU系統、485通訊和外部24 V輸入之間兩兩光電隔離，如圖3所示。

圖3 通信模塊硬件電路Fig.3 Hardware circuit of communication module

數碼顯示模塊：當開機自檢時，如果設備無故障，數碼管則顯示當前日期和時間（本裝置用PCF8563芯片顯示實時時鐘），持續5秒后依次顯示持續電流即全電流的有效值，阻性諧波電流（當監測器有PT信號輸入時，顯示阻性電流；無PT信號輸入時，顯示全電流的3次諧波峰值），污穢電流的有效值和全電流上提取的動作信號的次數。當監測器和上位機相聯時還可以提供累積動作次數和每一次的動作電流的大小及動作時間。

1.3 避雷器特征參數檢測及計算原理

本設計采用FFT算法[3-4]，在MOA特征參數監測中，把電壓序列U（t）分解為基波和各次諧波分量的形式：

式中 k 代表諧波的次數（k=1，2，3，···），積分離散化后

由此可以計算得到第k次諧波電流的幅值、相角和有效值：

本裝置將通過處理的PT電壓信號和泄露電流信號 （已經轉換為電壓信號）利用數據采集裝置經過A/D同步地轉換為數字化離散信號，然后利用計算機將兩個離散數字波形信號經快速傅里葉變換（FFT），得到兩個信號的基波分量和3次諧波分量傅立葉系數，進一步求出各分量的有效值和相位差，這時泄漏電流基波分量在電壓基波分量上的投影就是基波阻性電流分量，泄漏電流3次諧波分量在電壓3次諧波分量上的投影就是3次諧波阻性電流分量。將離散的采樣值經過離散傅里葉變換（DFT）轉換到頻域，求出基波和3次阻性諧波分量，再求出有效值及功率。該算法不需要增加硬件濾波裝置就具有很強的濾波能力，這樣就減少了前向通道誤差，降低系統成本。計算公式表示為：

其中I1x和I3x分別為泄露電流基波分量和3次諧波分量有效值，I1r和I3r分別為基波阻性電流和3次諧波阻性電流有效值，θ1為電流基波分量和電壓基波分量的相位差，θ3為電流3次諧波分量和電壓3次諧波分量的相位差。

本裝置基于采樣定理、MSP430的計算速度、諧波分析及FFT要求（采樣點數是2的冪次方）等因素，選用每周期每路采樣64點。

表1是某變電站的現場測試的數據。通過分析，可知造成該現象的主要原因是相間雜散電容的耦合。現場避雷器水平一字排列，一般認為A、C相對B相的作用是對稱的，并且A、C相受到B相電壓的影響，這樣造成A相數值較大，B相數值不變，C相數值偏小。監測運行電流時，若發現數值突然增長，應充分分析變化的起因。如果三相參數同時增長，可能與環境變化有關，應加強巡視，看是否在環境改善后數值有所回落。如果三相數值增加不平衡，一相增長較快則要考慮避雷器的本身原因。

表1 某變電站實測數據Tab.1 Test result of the substation

2 系統軟件設計

2.1 下位機數據采集及中斷

根據整個裝置所要完成的不同功能，將軟件劃分為主程序和中斷服務程序。主程序包括系統初始化模塊、數據采集處理模塊和通訊模塊等，中斷服務程序主要包括避雷器動作次數捕獲中斷、A/D中斷、與上位機通訊中斷[3]等，最終由這些模塊以及中斷服務程序來完成避雷器運行狀況的監測任務。主程序首先對裝置初始化，包括MCU初始化、日歷時鐘芯片初始化、存儲器初始化、A/D初始化、異步串行通信初始化等。軟件流程如圖4所示。

圖4 下位機軟件流程圖Fig.4 MSP430 system flow

2.2 上位機監控中心服務器端軟件的設計

本裝置在Windows XP平臺上利用VB6.0開發監控程序。監控中心的軟件設計主要包括遠程的網絡接入模塊[5]、曲線顯示模塊、數據庫安全性管理模塊[6]。數據庫操作可查詢歷史數據信息。由于ADO有很強的靈活性，所以最后只需執行部分模塊就能滿足功能要求。在使用時，也不用從對象模型的頂層開始一步步的創建子對象。服務器支持多個客戶端訪問，利用ADO數據庫訪問技術實現對數據庫中記錄的查詢。查詢的信息主要是阻性泄露電流值、雷擊次數值等數據。遠程監測系統的查詢功能是基本功能之一。其主要功能是對各類數據進行查詢與相關的統計分析。查詢與顯示歷史記錄程序流程圖如圖5所示。

圖5 歷史記錄流程圖Fig.5 Data record flow

3 結束語

文章結合實際需要，利用數字諧波分析技術設計電路，完全滿足避雷器實時監測所提出的要求，不僅能準確的測量出MOA的全電流、阻性電流、基波阻性電流等反應MOA運行狀況的特征量，還能同時進行多個避雷器的實測數據監測、歷史數據記錄和報警。對避雷器運行狀況進行實時網絡化、遠程化在線監測系統，可以為工作人員對發生故障及設備運行狀況進行綜合分析提供必要和可靠的數據，保證了快速正確判斷事故并進行有效的恢復處理。

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[3]皇甫堪，陳建文，樓生強.現代數字信號處理[M].北京:電子工業出版社，2003.

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[5]李長林.Visual Basci串口通信技術與典型案例[M].北京:清華大學出版社，2006.

[6]占維，劉偉.VB6.0數據庫實用編程100例[M].北京:中國鐵道出版社，2004.