一種基于無線高壓直流智能微安表的硬件設(shè)計(jì)

尹柏睿，張曉慧

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

電力預(yù)防性試驗(yàn)是檢查、鑒定設(shè)備運(yùn)行狀況、防止設(shè)備發(fā)生損壞、保證安全生產(chǎn)的重要措施，其中高壓直流試驗(yàn)就是一項(xiàng)常規(guī)例行試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)絕緣設(shè)備劣化情況，以便及時更換受損，預(yù)防事故發(fā)生與擴(kuò)大。目前高壓直流試驗(yàn)在對試品進(jìn)行測試時，使用微安表測量被試品的泄漏電流，出于安全考慮要求試驗(yàn)人員距離微安表有一定安全距離，這并不利于測量人員的讀數(shù)。為了解決上述問題，本文介紹一種基于ZigBee無線技術(shù)的高壓直流微安表。

1 直流高壓試驗(yàn)

直流高壓試驗(yàn)是電力設(shè)備(同步發(fā)電機(jī)、電力電纜、避雷器)交接和預(yù)防性試驗(yàn)的重要試驗(yàn)項(xiàng)目，和交流耐壓試驗(yàn)一樣，是為了檢驗(yàn)絕緣的電氣強(qiáng)度，屬于破壞性試驗(yàn)的范疇。當(dāng)目標(biāo)器件為較大電容器時，如果繼續(xù)使用工頻高壓進(jìn)行絕緣測試會出現(xiàn)過高的電容電流，此時需試驗(yàn)裝置具有較大容量。故經(jīng)常使用直流高壓試驗(yàn)進(jìn)行替代。試驗(yàn)接線[1]如圖1所示。GD為直流高壓發(fā)生器，是試驗(yàn)的電源部分，TO為被試品，μA為測量微安表。泄漏電流可同時由直流高壓試驗(yàn)所測得，并可根據(jù)“電壓—電流”曲線來正確表明絕緣體的缺陷或受潮情況，并可為相關(guān)狀態(tài)作進(jìn)一步補(bǔ)充。由于現(xiàn)場條件所限，測試品一般為一端固定接地，且地線難以解開，此時測量表需接于高壓側(cè)，這種接法不利于數(shù)據(jù)讀取及量程的切換。另外根據(jù)GB/T 6927.1—1997《高電壓試驗(yàn)技術(shù)》要求：試品與接地體或鄰近物體的距離，一般應(yīng)不小于試品高壓部分與接地部分間最小距離的1.5倍。這為試驗(yàn)的測量工作帶來了不便。另外由于現(xiàn)場直流高壓試驗(yàn)每次結(jié)束或短暫結(jié)束后，應(yīng)將被測設(shè)備多次對地放電且有效對地短接。故試驗(yàn)現(xiàn)場有幾率發(fā)生放電不完全而使微安表造成損壞的事例。因此針對微安表現(xiàn)場故障頻發(fā)的現(xiàn)象，本文給出一種基于無線讀數(shù)方式的直流高壓試驗(yàn)智能微安表的解決辦法。

圖1 直流高壓試驗(yàn)接線示意圖

2 短程通信技術(shù)簡介

2.1 RFID通信技術(shù)

射頻識別技術(shù)(RFID)，又被稱為無線射頻識別、電子標(biāo)簽等。其通過非接觸式識別特定目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，無需與建立特定的機(jī)械或光學(xué)關(guān)系，并且識別距離短。RFID是一種構(gòu)造極為簡單的無線系統(tǒng)，其基本組成器件只有應(yīng)答器和閱讀器兩部分。一般使用標(biāo)簽作為應(yīng)答器，每個標(biāo)簽附著在物體上并含有一個唯一的電子編碼。閱讀器一般為手持式或固定式，用于讀取標(biāo)簽上的信息。RFID當(dāng)前主要用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。RFID包含低頻與高頻兩種不同的工作頻率。如表1所示。

表1 RFID的工作頻率 kHz

2.2 NFC通信技術(shù)

近場通信(NFC)是由RFID及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，與RFID同樣為相近的兩個物體之間傳輸信號。NFC是一種高頻近距離傳輸技術(shù)，在13.56 MHz頻率運(yùn)行于20 cm以內(nèi)。其包含3種傳輸速度：106 kbit/s，212 kbit/s,424 kbit/s。NFC的通信包括主動與被動2種數(shù)據(jù)交換模式。被動模式下通過主設(shè)備發(fā)送106 kbit/s，212 kbit/s，424 kbit/s 3種不同速度的數(shù)據(jù)至從設(shè)備，并以同等速度通過load modulation技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，且不必產(chǎn)生射頻場。而主動模式需要自己產(chǎn)生射頻場用于通信。當(dāng)前NFC技術(shù)主要應(yīng)用于移動支付、門禁、身份識別等場景。其主要技術(shù)標(biāo)注包括ISO/IEC 18092(NFCIP-1)、ECMA-340、ECMA-352、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 21481(NFCIP-2)等。

2.3 Bluetooth 通信技術(shù)

藍(lán)牙(Bluetooth)是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其可實(shí)現(xiàn)眾多移動或固定終端之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙的波段為2 400～2 483.5 MHz，該波段全球范圍內(nèi)無需取得執(zhí)照，保證了其通用性。藍(lán)牙是一種基于數(shù)據(jù)包且有主從架構(gòu)的協(xié)議。其主設(shè)備在一個微網(wǎng)中最多可與7個從設(shè)備通信。其具有無線傳輸、兼容性、開放性、移動性、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps，可實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。其傳輸距離分為3個層級：100 m，10 m，2～3 m。通常情況下藍(lán)牙的工作范圍在10 m以內(nèi)。藍(lán)牙技術(shù)的原理為：2個藍(lán)牙設(shè)備通過無線電信號在短距離建立連接，交換信息[2]。藍(lán)牙技術(shù)最初由Ericsson公司創(chuàng)立于1994年，當(dāng)前藍(lán)牙由藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)管理。SIG在全球范圍內(nèi)擁有超過25 000家會員，在眾多領(lǐng)域，如計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、電信等眾多領(lǐng)域具有話語權(quán)。SIG負(fù)責(zé)藍(lán)牙規(guī)范開發(fā)，項(xiàng)目認(rèn)證，商標(biāo)維權(quán)。所有制造商均需符合SIG標(biāo)準(zhǔn)才可以準(zhǔn)入市場。SIG通過一套專利網(wǎng)絡(luò)向符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備進(jìn)行發(fā)放。

2.4 ZigBee 通信技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。該技術(shù)具有傳輸距離短、復(fù)雜度低、功耗低、傳輸速率低、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee協(xié)議從下到上分為應(yīng)用層(APL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、傳輸層(TL)、媒體訪問控制層(MAC)、物理層(PHY)等。其中MAC和PHY遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee技術(shù)是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)的方案，依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)通信于數(shù)千個微小傳感器之間。這種傳輸只需很小的能量，即可將無線電波數(shù)據(jù)從一個節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點(diǎn)，通信效率高。ZigBee作為一種短距離無線通信技術(shù)，相較于藍(lán)牙技術(shù)其具有大規(guī)模組網(wǎng)能力(每個網(wǎng)絡(luò)有65 000個節(jié)點(diǎn)，藍(lán)牙僅為8個)，網(wǎng)絡(luò)加入及重載速度快(1 s以內(nèi)，藍(lán)牙需3 s)。故其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有較好應(yīng)用前景。ZigBee技術(shù)的缺點(diǎn)在于傳輸速率低，在2.4 GHz頻段僅為250 kB/s；ZigBee通過PHY及MAC層進(jìn)行保證其可靠性；由于ZigBee不支持時分復(fù)用的信道接入方式且隨機(jī)接入MAC層，故不支持實(shí)時業(yè)務(wù)；由于ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸速率低，在無通信需求時節(jié)點(diǎn)可進(jìn)入休眠狀態(tài)。其功耗僅為正常狀況的千分之一[4]。而其休眠時間占據(jù)大部分時間，故ZigBee的功耗極低；另外ZigBee擁有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，其每個網(wǎng)絡(luò)包含65 000個節(jié)點(diǎn)，可布置大范圍網(wǎng)絡(luò)傳輸及多播、廣播等。當(dāng)前ZigBee共同標(biāo)準(zhǔn)為國際ZigBee與2012年4月推出的ZigBeeLightLink(ZLL)。該標(biāo)注由全球主要設(shè)備制造商共同開發(fā)，該標(biāo)準(zhǔn)不僅僅是對一種新進(jìn)燈控應(yīng)用傳遞協(xié)議做出定義，更是將一種簡便的配置方式納入其中。真正使消費(fèi)者可以做到開箱即用。另外，ZLL還具有ZigBee所具有的固有優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)基于802.15.4的低功率、低成本、大規(guī)模、安全的無線傳輸網(wǎng)[5]。

3 智能微安表電路組成及基本原理

3.1 高壓直流智能微安表系統(tǒng)原理

高壓直流無線微安表主要包括手持機(jī)與測量終端。在對試品進(jìn)行高壓直流試驗(yàn)時，由串接在高壓直流發(fā)生器與試品之間的測量終端將試驗(yàn)所測得電流值，通過終端的無線ZigBee透傳模塊將其傳送至在安全范圍內(nèi)的手持機(jī)設(shè)備上。無線高壓直流測量系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 無線高壓直流測量系統(tǒng)

目前高壓直流試驗(yàn)對避雷器的測量中，由于試品的高度限制，經(jīng)常需要分節(jié)測量，在最頂端的測量中，因試品傾倒容易對微安表造成損壞。因此無線微安表的設(shè)計(jì)可以有效避免上述情況的發(fā)生。

3.2 主要芯片選型

無線測量系統(tǒng)的終端與手持機(jī)的微處理器都采用Microchip公司開發(fā)的PIC18F系列單片機(jī)，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上采用面向工程、面向應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念，品種豐富，功能齊全。其中手持機(jī)選用的PIC18F4520芯片是一款8位哈弗結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線，帶有32 k閃存，36個I/O接口，10位A/D轉(zhuǎn)換。28引腳器件的模數(shù)(Analog-to-Digital，A/D)轉(zhuǎn)換器具有10路輸入，44引腳的A/D有13路輸入。

無線通信內(nèi)置的I2C/SPI主同步串口、USART異步串口可以滿足無線測量系統(tǒng)終端與手持機(jī)部分的各類通信方式。器件共有7種功耗選擇，幫助在電池供電的設(shè)備中節(jié)省功耗。終端與手持機(jī)非工作狀態(tài)下選用修眠模式可以大大延長待機(jī)時間[6]。

本文的終端與手持機(jī)間的通信模塊的芯片選擇方案，經(jīng)過對高壓直流試驗(yàn)的需求分析，使用REX3U模塊，該模塊同時兼容ZigBeePRO和IEEE802.15.4協(xié)議，射頻芯片為EM357頻率2.4 G。具有外型小巧，靈敏度高功耗低的特點(diǎn)。輸出功率8 dBm，可在300 m內(nèi)可靠通信。功耗極低：休眠模式<2.0 μA；接收模式29 mA；發(fā)射模式36 mA，3 dBm。模擬接口和數(shù)字接口等多種接口，主要特點(diǎn)包括：4個外部中斷源，24個GPIO；1個USART帶硬件流控制；6路12口ADC采樣通道；1個SPI/I2C接口；支持MAC地址寫入Flash功能。

3.3 無線高壓直流微安表終端工作機(jī)理

高壓直流微安表終端的原理如圖3所示，取樣電阻將試驗(yàn)電流轉(zhuǎn)化為電壓信號。放電管用于抑制電路里浪涌過電壓，當(dāng)輸入端口的電壓達(dá)到或超過其擊穿電壓時，放電管內(nèi)之間的氣體間隙將被放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電狀態(tài)，導(dǎo)通后將短路與放電管并聯(lián)的器件，使其免受過電壓損害。扼流線圈可以衰減共模干擾信號，穩(wěn)壓二極管與濾波電容對后續(xù)程控增益放大器起穩(wěn)壓保護(hù)作用。放大器將電壓信號放大后進(jìn)入單片機(jī)輸入輸出端口，經(jīng)過單片機(jī)處理后由無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到手持機(jī)上。硬件的設(shè)計(jì)需要在不影響使用功能的情況下降低能耗，因此微安表只有在工作人員啟動測量功能時才進(jìn)入工作狀態(tài)，在大多數(shù)非測量時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)功耗[7]。

圖3 微安表終端工作機(jī)理

為了避免試驗(yàn)結(jié)束后工作人員對設(shè)備的放電不凈造成殘余電流對電路的反向充電，特別設(shè)計(jì)一個開關(guān)繼電器，可以由手持機(jī)進(jìn)行無線操作。如圖4所示開關(guān)閉合時，采樣電阻被短路，使終端與外電路隔離，處于非工作狀態(tài)可以有效屏蔽高壓試驗(yàn)前外界的各類沖擊信號。開關(guān)處于斷開位置時采樣電阻將流過的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，可以進(jìn)行直流試驗(yàn)。

圖4 開關(guān)繼電器

3.4 無線高壓直流微安表終手持機(jī)設(shè)計(jì)

無線高壓直流微安表的手持機(jī)設(shè)計(jì)原理如圖5所示，手持機(jī)電源由聚合物電池組成，帶有電量指示燈，綠燈亮起代表電池電量充足可以正常工作，否則綠燈熄滅則需要更換電池。實(shí)時時鐘可以對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時，每一次測量試驗(yàn)都有時間標(biāo)注，為日后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析提供標(biāo)記[7]。ZigBee無線通信模塊將接收來自微安表終端的電流數(shù)據(jù)，按時間順序存儲在存儲器中，通過單片機(jī)處理將試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。通過操控鍵盤上的測量與保護(hù)按鍵可以控制測量終端的繼電器的分合狀態(tài)從而控制微安表的工作狀態(tài)。

圖5 無線高壓直流微安表終手持機(jī)原理框圖

4 結(jié)束語

將ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用到高壓直流試驗(yàn)電流的數(shù)據(jù)測量，是2種已經(jīng)非常成熟的技術(shù)有效融合后的再創(chuàng)新。因ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本、延時短、可靠性高的特點(diǎn)，剛好滿足了高壓直流試驗(yàn)抄表的短距離、數(shù)據(jù)傳輸量小、點(diǎn)對點(diǎn)通信的需求。兩者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了高壓直流試驗(yàn)隔離高壓隱患的抄表功能，不僅為試驗(yàn)的測試帶來了方便，使工作人員遠(yuǎn)離高壓環(huán)境，還可以降低微安表損壞率，延長微安表的使用壽命。