避雷器在線監測同步控制通信機的嵌入式系統設計

徐斌++陳琳++付東豐

摘 要基于無線通信技術，提出了一種金屬氧化物避雷器（MOA）在線監測系統結構，分別介紹了組成本系統的MOA檢測終端、電壓匯集采樣裝置和同步通信控制器。針對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，并且通過無線通信方式同步系統其它設備。研究結果表明，該系統可準確地監測MOA的狀態。

【關鍵詞】MOA 同步通信 在線監測

1 引言

作為一種廣泛使用于電網中的過電壓保護設備，無間隙金屬氧化物避雷器（MOA）具有響應快、通流容量大、殘壓低、結構簡單等優點。通常高壓電力線路均通過MOA與大地相連，在長期的工頻高壓，以及風霜雨雪、高低溫、污穢等不斷變化的外部環境作用下，MOA會緩慢老化、絕緣劣化，甚至發生故障。一旦MOA發生故障，本身將損壞甚至是爆炸，同時其他電氣設備將失去過電壓保護，其性能好壞直接影響電網的安全運行。所以需要實時監測其運行狀態，及早發現并處理潛在的安全隱患。

阻性泄漏電流是衡量MOA健康狀態最重要的參數，它的測試需要同步采樣MOA電壓和漏電流。當前電網中金屬氧化物避雷器監測系統仍然以傳統的機電式MOA泄漏電流監測器為主。這種監測器的數據只能通過運維人員手工抄錄，MOA的健康狀態只能依靠人工用阻性電流檢測儀帶電檢測來獲取。這種檢測儀主要采用有線集中同步采集的方式，通過專用測試電纜將電網電壓和泄漏電流兩路電氣信號同步采集并接入同一臺設備，然后進行分析比較計算。由于檢測的頻次較低，數據不能實時傳輸，難以及時、準確判斷MOA運行狀態變化，導致有的隱患未被及時發現而釀成事故。同時這種同步檢測方式通常需要很長的測試電纜，電纜需要人工布線和收取，不僅耗費大量的人力，同時也極不方便，實時性不強。

針對上述同步采樣的問題，本文基于傳統的機電式MOA泄漏電流監測器，設計出一種新型的MOA漏電流檢測系統。系統采用分布式的無線低功耗漏電流檢測終端、集中式站內電壓匯集裝置、同步控制通訊主機的方式實現MOA漏電流、電壓同步采集。

2 系統設計

2.1 系統結構

為了升級改造現有的傳統機電式MOA泄漏電流監測器，本文基于無線通信技術，提出一種新型的MOA監測系統，如圖1所示。系統由低功耗無源在線監測終端、參考電壓匯集裝置、通信同步控制主機、主控臺四部分組成。系統采用433MHz的無線載波頻率技術，根據變電站物理范圍，設計通信距離為1km。

2.2 MOA檢測終端

系統第一部分為安裝于MOA根部的監測終端，原理如圖2所示。圖中繞線電阻、整流橋、動作儲能電容、觸發電路、電流表、機械式計數器為傳統機電式避雷器電路組成單元。本系統設計的低功耗檢測終端在不改變傳統避雷器電路結構的基礎上，新增了能源儲能電容、能源管理模塊，低功耗的CPU、LCD、無線通信模塊。該終端和傳統MOA監測裝置的外觀一樣，不但可延續巡檢人員以前的讀數、記數習慣，還增加了泄漏電流采樣、諧波分析、數據的無線遠傳等新功能。

2.3 電壓檢測

阻性電流大小反應了MOA的健康狀況，它的計算需要同相電壓作相位參考，因此需對每相MOA對應的電壓進行同步采樣。本系統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，然后經過信號放大器處理后接入模數轉換器，CPU接收各路參考電壓對應的數字信號，處理后通過無線通信模塊發送出去。該裝置采用站用電供電，可同時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。本系統第三部分是安裝于繼保室屋頂的同步控制通信機，其原理如圖4所示，由CPU控制器、存儲器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間發出一條采樣通知信號，安裝于站內的電壓匯集裝置和終端塔上的監測終端收到此采樣信號后，便開始采集各路的電壓和電流信號，然后同步控制通信機接收監測終端和電壓匯集裝置采集的電流和電壓信號，并計算出每只MOA的阻性電流值，通過以太網接口傳送至控制后臺。

3 同步控制

時鐘同步單元可選擇站用SNTP時鐘同步、GPS時鐘同步。在系統中的監測終端、電壓匯集裝置、通信控制主機中均裝載有S級的實時時鐘和精度為±50ns的輔助校時時鐘，可記錄裝置的年、月、日、時、分、秒信息。由于無線射頻信號傳輸速度近乎光速，且變電站內通信距離在1km以內，因此信號傳輸延時在此系統中可忽略不計，整個系統的發送接收是同時的，從而可在具有S級記時的低功耗系統中實現±1uS的校時精度。當某監測終端請求校時時，它會主動發送本地RTC時鐘信息、輔助時鐘信息至同步控制通信主機。主機接收到校時信息后，計算和主站時鐘的差值，然后發送主站的RTC時鐘信息、輔助時鐘信息及差值至請求校時的監測終端裝置。終端裝置收到此信息后，同步記錄本地的RTC時鐘信息、輔助時鐘信息，同時根據時鐘信息差對本地時鐘進行校時。

同步通信控制器的流程如圖5所示，MOA在線監測終端上電后，進行系統的初始化，通過GPS或者SNTP本地授時，并等待其它設備的校時請求。MOA檢測終端和電壓匯集裝置上電后，主動發出時鐘同步請求至通信控制主機。

通信控制主機收到同步請求后，通過與本地時鐘對比，計算時鐘差，完畢后將時鐘信息同步至監測終端、電壓匯集裝置，并下發采樣間隔時間。監測終端按照通信控制主機下發的采樣間隔時間設置本設備的休眠時間，之后進入休眠模式。當休眠時間完成后，監測終端自動喚醒，然后發送同步請求至通信控制主機，通信控制主機需要按圖5的流程對監測終端、電壓匯集裝置進行同步，此后監測終端、電壓匯集裝置在整秒時同步觸發采樣。本地采樣完成后，監測終端、電壓匯集裝置通過無線數據傳輸的方式將采樣數據及計算結果傳輸至通信控制主機。若系統有對裝置做出修改，則通信控制主機將修改的配置參數下發至監測終端及電壓匯集裝置。監測終端在完成數據傳輸及接收通信控制主機設置參數后，按照最新的采樣間隔時間再一次進入下一輪的休眠模式并等待下一次被采樣喚醒。通信控制主機對采樣的結果進行計算后通過以太網傳輸至后臺。通信控制主機是在安裝時選擇使用站用SNTP時鐘同步或內部GPS時鐘，且實時對主機的本地時鐘進行同步。監測終端的雷電流泄放事件記錄作為一個特例，在每次事件發生時會自動觸發裝置并喚醒，且具有雷擊喚醒標記，裝置記錄雷擊發生的時間，并將此信息及時發送通信控制主機。

4 結論

本文設計了基于低功耗、無線通信的MOA在線監測系統，科學的將系統分為四部分，并針對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，研究結果表明該方案可以準確地解決同步采樣難題，為今后的工程應用打下了良好的基礎。

參考文獻

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作者簡介

徐斌（1975-），男，四川省樂山市人。大學本科學歷。高級工程師。研究方向為電力系統自動化。

作者單位

國網四川省電力公司資陽供電公司 四川省資陽市 641300