基于nRF903無線在線監測系統的研究

【摘要】 針對目前國內氧化鋅避雷器在線監測的研究發展，分析了在線監測的原理方法，進行了基于nRF903無線傳輸的氧化鋅避雷器在線監測系統的研究設計，采用MSP430系列的MSP430F169作為微控制器芯片。

【關鍵詞】 氧化鋅避雷器 泄漏電流 在線監測 無線傳輸

一、引言

避雷器是電力系統運行中應用普遍的系統過電壓保護裝置，它承擔著限制系統內因遭受雷擊、諧波和操作等等所產生的各種過電壓現象，起著至關重要的作用。但是實際中氧化鋅避雷器自身的運行安全往往被忽略，隨著氧化鋅避雷器在長期的運行過程中承受運行電壓的作用，其性能也將逐漸劣化，泄漏電流中的阻性成分將產生有功損耗，使閥片升溫，嚴重時可能形成熱崩潰導致避雷器損壞或爆炸。其過程相對比較緩慢，具有一定的隱蔽性，若不及時發現，一旦發生了爆炸事故，一般都造成系統停電，生產被迫中斷，造成的間接損失往往不可估量。

隨著自動化技術的發展及自動化水平的提高，電力系統高壓設備的檢修手段也在逐步改進，狀態監測、狀態評估及狀態檢修是未來電力系統的必然方向。在線監測MOA的運行狀態，可以在不停電的情況下隨時了解MOA運行的狀態，及時發現可能出現的異常情況和事故隱患。采取預防措施，防止事故擴大造成經濟損失，保證其在良好的狀況下運行，這對于系統的安全運行，合理安排設備檢修時間，節約費用等方面都具有很大的優越性。

為了確保MOA正常工作、防止故障的發生，傳統的做法具有非常大的局限性。因此將采取無線在線監測方式對MOA進行狀態跟蹤，可以大大提高監測系統的靈活性、實時性、準確性，減少有線數據傳輸的誤差及成本。

二、氧化鋅避雷器在線監測原理及方法

因為氧化鋅避雷器的無串聯間隙結構，在持續運行電壓作用下，由氧化鋅閥片組成的芯片柱就要長期通過工作電流，即總泄漏電流。嚴格說來，總泄漏電流是指流過MOA內部閥片柱的泄漏電流，但測得的MOA總泄漏電流包括瓷套泄漏電流、絕緣桿泄漏電流及閥片柱泄漏電流三部分。一般而言，閥片柱泄漏電流不會發生突變，而由污穢或內部受潮引起的瓷套泄漏電流或絕緣桿泄漏電流比流過MOA內部閥片柱的泄漏電流小得多。因此，在天氣好的條件下，測得的MOA總泄漏電流一般都視為流過MOA閥片柱的泄漏電流。

由于MOA芯片柱是由若干非線性的閥片串聯而成的，通過MOA的總泄漏電流是非正弦的，因此不能用線性電路原理來求總泄漏電流。為此，國內外常用阻容并聯電路來近似等效模擬MOA非線性閥片元件，常簡化為下圖1的等效電路。

流過MOA的總泄漏電流可分為阻性電流IR與容性電流Ic兩部分。導致閥片發熱的有功損耗是阻性電流分量。因R為非線性電阻，流過的阻性電流不但有基波，而且還含有三次、五次及更高次諧波，只有阻性電流的基波才產生功率損耗。雖然總泄漏電流以容性電流為主，阻性電流僅占其總泄漏電流的10%～20%左右，但容性電流的變化很小，相對阻性電流隨時間的變化量，容性電流的變化量可忽略不計。因此對MOA泄漏電流的監測應以阻性電流為主。

氧化鋅避雷器的在線監測主要有全電流法、補償法測量阻性電流、三次諧波法、基波電流法等等，這幾種方法在不同的在線監測裝置中均得到了應用，本設計采用國內目前已經應用比較成熟的阻性電流法，即從全電流中分離出阻性電流，以此來進行分析、判斷。

三、氧化鋅避雷器無線在線監測系統設計

3.1 設計理念

交流氧化鋅避雷器無線監測系統的設計理念是：（1）通過控制單元檢測避雷器泄露電流中阻性分量，對避雷器進行實時監控；（2）采用短距離無線通信模塊，由于無線發送時耗電量較大，控制電路適時地開關通信模塊；（3）設計電路做到抗干擾能力強、信號傳輸穩定、低功耗；（4）大大提高監測系統的靈活性、實時性，減少有線數據傳輸的誤差及成本。

該理念的特點是檢測準確、安全及時、可靠節能，其能夠進行真實有效的現場數據采集及無線傳輸。對于現場采集端必須能夠全天候的正常工作，同時穩定的數據傳輸方案將給監測系統提供強大的技術支持，因此硬件電路必須具有很高的監測靈敏度及良好的抗干擾能力。本系統對MOA進行狀態監測，需采集MOA總泄漏電流及雷擊次數。

3.2 監測模塊硬件電路設計

3.2.1 微控制器部分電路設計

監測模塊的硬件系統包括數據采集、數據處理和無線接口電路三大部分，所設計的硬件電路必須能實現在高準確度和高精度下的信號獲取、處理及長時間工作等功能。因此系統的 監測模塊選取MSP430系列的MSP430F169作為微控制器，其工作電壓范圍在1.8至3.6V，待機模式下電流消耗僅為1.1uA，關閉模式下（RAM保持）電流消耗僅為0.2uA，MSP430F169有五種省電模式，從等待方式喚醒時間僅為6us，16位RISC結構，125ns指令周期，內置3通道DMA，可滿足系統快速喚醒、低功耗及準確獲取信號進行處理的工作需求。MSP430F169控制電路圖如圖2所示。

由于氧化鋅避雷器總泄漏電流只有微安級，而現場干擾較嚴重。因此，必須采用靈敏度高的微電流傳感器，串入避雷器的接地回路，在放電計數器下方取電流信號，電流傳感器電路圖如圖3所示。補償電壓信號則由母線電壓互感器（PT）二次側獲取。

3.2.2 無線射頻電路設計

系統采用nRF903作為無線收發芯片，其電路圖如圖4所示，其工作電壓范圍可以從2.7～3.3V，接收待機狀電流消耗為600pA，低功耗模式電流消耗僅為1uA，可滿足低功耗設備的要求。nRF903具有多個頻道（最多170個以上），特別滿足需要多通道工作的特殊場合，適合采用跳頻協議。

nRF903的天線接口設計為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線，所有的參數包括工作頻率和發射功率都可以通過一個l4位的配置寄存器用串行線（CS、CFG—CLK和CFG —DATA）進行設置。

nRF903內部結構可分為發射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾個部分。發射電路含有：射頻功率放大器、鎖相環（PLL）、壓控振蕩器（VCO）、頻率合成器等電路。基準振蕩器采用外接晶體振蕩器產生電路所需的基準頻率。振蕩電路采用鎖相環（PLL）方式，由在DDS基礎上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓 控振蕩器由片內的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成。要發射的數據通過DATA端輸入。

接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、GFSK解調器、濾波器等電路。低噪聲放大器放大輸入的射頻信號；混頻器采用2級混頻結構，第一級中頻10.7136MHz， 第二級中頻345.6kHz。中頻放大器用來放大從混頻器來的輸出信號；中頻放大器的輸出信號經中頻濾波器濾波后送入GFSK解調器解調，解調后的數字信號在DATA端出。

3.3 軟件設計

3.3.1 主程序設計

主程序首先對系統進行初始化，其中包括系統時鐘初始化、I/O口初始化、嵌套向量中斷控制器初始化、外部中斷初始化、SPI初始化和NRF903無線收發模塊初始化。初始化完成后，NRF903模塊隨即進入低功耗休眠模式，該模式每隔1s醒來偵聽是否有有效電平。MSP430F169開放電磁波喚醒中斷及雷擊計數中斷，然后立即進入停止模式，以期將電流消耗降到最小。停機模式可以使MSP430F169達到最低的電能消耗，在這種模式下，可以通過任何一個配置成EXTI的信號把芯片從該模式下喚醒。

3.3.2 中斷程序設計

MOA無線在線監測系統的中斷程序分為電磁波喚醒中斷和雷擊計數中斷兩個，雷擊計數中斷的優先級高于電磁波喚醒中斷，這兩個中斷都可以將MSP430從停機模式喚醒。NRF903每隔1s將對電磁波進行偵聽，當偵聽到有效波時喚醒MSP430F169，監測模塊將開啟10s定時器進行工作，然后MSP430F169將配置NRF903進入接收狀態。否則進入休眠狀態，等待下次被喚醒；當10s內接收到中心節點的命令時，監測模塊將在執行完相應命令程序后返回主程序，對NRF903無線模塊進行重新配置，最后進入休眠狀態，等待下次被喚醒。

當有雷擊過電壓或者操作過電壓發生時，光電耦合器將導通，從而觸發雷擊中斷。中斷發生后，MSP430F169將被喚醒進入中斷程序，中斷程序將在原先次數上加一后返回，然后MSP430F169進入休眠模式。雷擊次數將不會立即發送給接收單元，只有當后臺需要知道雷擊次數或者泄漏電流時才將數據發送給接收單元，也可由接收單元通過USB傳送給后臺顯示。

四、結束語

本文設計的氧化鋅避雷器無線在線監測系統可對避雷器進行實時監控。系統結構簡單，功耗低，抗干擾能力強，數據傳輸穩定，通過低功耗電路設計使系統工作時限大大延長，提高了變電站運行的安全性。采用短距離無線通信技術，大大提高監測系統的靈活性、實時性、準確性，減少有線數據傳輸的誤差及成本。