基于無線通信網絡的金屬氧化物避雷器在線監測系統的研制

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.平頂山市質量技術監督檢驗測試中心，河南 平頂山 467001）

0 引言

金屬氧化物避雷器(MOA)是20 世紀70 年代初期出現的新型過電壓保護電器。MOA 以其優異的非線性、大的通流能力以及更高的運行可靠性逐漸成為電力系統過電壓保護的主要裝置[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 監測裝置進行在線監測，來預防因MOA 故障而造成的電力事故。

但傳統的做法具有一定的局限性，如在對老站進行智能化改造時，需要電纜布線，必然會破壞現場環境等，因此采用無線通信技術的避雷器在線監測系統將可大大降低現場施工強度。

1 MOA 在線監測原理

圖1 為MOA 閥片在單相小電流下的電路等效模型，它是由一個非線性電阻R 與線性電容C 并聯而成，設U 為設備運行電壓，I 為避雷器總泄漏電流，其中IR 為阻性電流，IC 為容性電流。容性電流分量產生的無功損耗并不會使避雷器閥片發熱，導致避雷器閥片發熱的是阻性分量產生的有功損耗[2]。

圖1 MOA 等效電路

MOA 在正常運行時，阻性電流分量很小，占泄漏全電流的5%～20%，此時的泄漏電流以容性電流分量為主導。但當避雷器老化、受潮、過電壓時，其泄漏電流在幅值和波形上會有很大變化，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造成的，因此監測阻性電流變化才能真正反映出MOA 的運行狀態。[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測量阻性電流基波分量的影響。[4-5]其基本原理是監測裝置采集一定周期內的MOA 泄漏電流，經快速傅里葉變換（FFT）算法提取泄露電流中基波電流幅值和相角，同時采集避雷器母線電壓信號，經FFT 得到電壓信號的相角，進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 基于無線通信網絡的MOA 在線監測系統結構

基于無線通信的MOA 在線監測系統由MOA 監測裝置、協調器、MOA 監測IED 及后臺系統組成，如圖2 所示。其中MOA 監測裝置在協調器和IED 的統一調度下完成MOA 泄漏電流及PT 輸出電壓信號的采集。IED 完成阻性電流、容性電流、阻容比等參量的計算處理以及IEC61850 協議轉換等功能。

圖2 MOA 在線監測系統結構示意圖

3 MOA 在線監測系統硬件設計

根據圖2 MOA 在線監測系統結構示意圖，該系統的硬件主要包括MOA 監視裝置、協調器、避雷器監測IED 三部分。

3.1 MOA 監測裝置硬件設計

在進行MOA 泄露電流采集時，要求無失真地將泄漏電流幅值信號及相位信號引入MOA 監測裝置，同時為保證系統絕緣性能不受影響，要求采集裝置與被測系統之間保持有效的電氣隔離，因此系統選用高精度穿芯式零磁通電流互感器對總泄漏電流進行采集。電壓互感器(PT)是將一次側的高電壓轉換為二次側的低電壓的電力設備，通過采集PT 輸出電壓信號即可獲知系統電壓的相位信息。由于PT 輸出為高電壓信號，無法直接輸入AD 采集，且需要高精度采集，因此首先選用無感電阻網絡進行壓流轉換，得到電流信號后，通過零磁通電流互感器采集該電流信號，進一步獲取系統電壓的相位信息。

為保證得到MOA 泄露電流精準的幅值和相位信息，采用ADI 公司出品的250kSPS、6 通道、雙極性16bit 同步采樣模數轉換芯片AD7656 對傳感器的輸出信號進行高速高精度采集。由于需要對采集到的信號進行FFT 變換等數字信號處理計算得到泄漏電流和系統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2.4GHz ISM 頻帶的第二代ZigBee RF 收發器，該器件可實現最佳的連接性、共存性與優異的鏈路預算,可滿足各種應用對于ZigBee 與專有無線系統的要求。因此本監測裝置選用TI 的CC2520 作為ZigBee 無線通信收發芯片，其與TMS28335 之間采用SPI 通信方式。

為捕捉到避雷器的放電信號，采用電流互感器采集避雷器放電時泄放的電流信號，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。由于需要精確記錄避雷器放電時間，因此需要選擇高精度的RTC 時鐘芯片，美信公司出品的DS3231 時鐘芯片內部集成溫補晶體振蕩器（TCXO）和晶體，其時鐘精度達到±3.5ppm，快速（400kHz）I2C 接口，完全滿足記錄避雷器放電時間的要求。

圖3 MOA 監測裝置結構框圖

3.2 協調器硬件設計

ZigBee 中的協調器是整個網絡的開始，具有網絡的最高權限，是整個網絡的維護者，還可以保持間接尋址用的表格綁定，同時還可以設計安全中心和執行其他動作，保持網絡其他設備的通信。本系統選用TI 的CC2538 作為協調器的硬件芯片，CC2538 是一款針對高性能Zigbee 應用的理想片上系統(SoC)。它包含一個強大的基于ARM Cortex M3 的微控制器（MCU）系統，此系統具有高達32K 片載RAM和512K 片載Flash，這使得它能夠處理具有安全性、包含要求嚴格的應用以及無線下載的復雜網絡堆棧。與德州儀器(TI)提供的免費使用Z-Stack PRO 或Zigbee IP 堆棧組合在一起，CC2538 提供市面上功能最強大且可靠耐用的Zigbee 解決方案。

3.3 避雷器監測IED

為簡化設計，提高系統可靠性，避雷器監測IED 選用成熟的工控機產品，如研華科技推出的UNO-4671 無風扇電力專用嵌入式工控機。

4 MOA 無線監測系統軟件設計

4.1 MOA 監測裝置軟件設計

主程序首先對系統進行初始化，包括系統時鐘、I/O 口、嵌套向量中斷控制器、外部中斷、CC2520 無線收發模塊等。初始化完畢后，CC2520 和TMS28335 即進入低功耗休眠模式。

TMS28335 的中斷處理主要包括AD 采集中斷、CC2520 喚醒中斷和雷擊計數中斷等。其中雷擊計數中斷和CC2520 喚醒中斷都可以將TMS28335 從停機模式喚醒。當CC2520 偵聽到有效電磁波時將觸發喚醒中斷，喚醒TMS28335。TMS28335 根據協調器發送的指令完成相應操作，如數據采集、數據發送、對時、參數修改等，并通過CC2520 向協調器返回監測數據或執行狀態。

4.2 協調器軟件設計

協調器的軟件設計主要是結合TI 提供的Zigbee SDK 協議棧，完成與各MOA 監測裝置（節點）的通信鏈路建立、指令及數據收發，并將各節點上傳的監測數據以RS-485 Modbus 通信協議的方式發送給MOA 監測IED。

5 結束語

基于無線通信網絡的MOA 在線監測系統采用ZigBee 無線通信技術和大容量電池或太陽能板供電，使系統結構簡單、施工方便、抗干擾能力強。同時MOA 監測裝置與MOA 以及變電站電源間沒有任何直接電氣聯系，提高了整個監測系統的安全性和電氣可靠性。

［1］萬帥，陳家宏，譚進，等.±500kV 直流輸電線路用復合外套帶串聯間隙金屬氧化物避雷器的研制[J].高電壓技術，2012,38(10).

［2］葛猛，韓學坤，陶安培，等.金屬氧化物避雷器閥片老化缺陷的診斷及原因分析[J].高壓電器，2009,45(3).

［3］高峰，郭潔，徐欣，等.交流金屬氧化物避雷器受潮與阻性電流的關系[J].高電壓技術，2009,35(11).

［4］殷雄開，邵濤，高翔，等.金屬氧化物避雷器檢測方法的現狀與發展[J].高電壓技術，2002,28(6).

［5］蔡曉波，石佳，陳小毓，等.基于數學形態學的金屬氧化物避雷器泄漏電流在線檢測方法[J].高壓電器，2010,46(1).

［6］陳孔陽.變電站電氣設備絕緣性能在線監測數據處理算法的研究[D].中南大學,2011.

［7］劉君，吳廣寧，周利軍，等.零磁通傳感器的研究[J].電力自動化設備，2009,29(8).

［8］王東，張金榮，魏延，等.利用ZigBee 技術構建無線傳感器網絡[J].重慶大學學報：自然科學版，2006,29(8).