LoRa技術在直流避雷器監測系統中的應用

李 杰，余亞東，雷宗昌，薛亞許

（1.平頂山學院電氣與機械工程學院，河南平頂山 467000；2.河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山 467001）

0 引言

近年隨著國家電網公司及南方電網公司對變電站內高壓開關設備的檢修制度逐步完善與檢修相關的狀態監測、狀態評估將是電力電網檢修的重點發展方向［1-2］。電力電網中的金屬氧化物避雷器（Metal Oxide

Arrester，MOA）是高壓換流站中必不可少的安全保護設備之一，在大電網安全運行過程中起著關鍵性的作用。而避雷器的實時狀態關乎整個用電安全，避雷器良好運行狀態不僅保證了用電的可靠性，也是智能電網發展的必然要求。

現階段變電站內避雷器的監測方式還在以人工檢測為主，這直接導致了不能高效率實時地對變電站內避雷器運行狀況的掌握。國內外學者紛紛對其監測方式、監測手段進行了研究，以提升整站MOA的安全、實時及可靠性。當前電力領域內的眾多學者對交流避雷器監測的科學研究已經相當成熟，涌現出許多切實可行的監測方法［3-4］。劉溟等［5］采用聲表面波法對交流避雷器進行在線監測，該方法較新穎，但是文中只是提出使用該方法進行就地顯示、就地測量，始終未提及通過什么樣的方式進行數據的傳輸。近幾年隨著直流輸配電工程的大量實施，高壓換流站內的直流側避雷器的監測也是亟待解決的問題。現階段，在實際應用中高壓換流站直流避雷器在線監測系統中大多是以有線的方式進行數據的傳輸［6-8］，文獻［9］中提出了一種在±500 kV高壓換流站直流側避雷器在線監測方案，文中闡述了直流避雷器的在線監測的實現手段，但是對數據只是進行就地的顯示，應用具有一定的局限性。張天運等［10］做了一種無源無線遠傳型避雷器在線監測傳感器的研制，以ZigBee無線傳感的方式進行變電站內數據的無線傳輸，討論的采集距離最大為1.5 km，實現這一距離的發射功率較大，此方式在需要長距離傳輸地帶存在很大的應用局限性。文獻［11］中提出了一種光電計數轉換的直流避雷器在線監測裝置，提出了將整個變電站內避雷器通過光纖進行數據的傳輸，文中對無線傳輸的具體方式少有提及。直流避雷器在具體工程使用過程中，其位置一般遍及整個變電站，較分散，通信布線較多占用了變電站大量空間且煩瑣，如若以有線的方式進行避雷器數據的傳輸不僅限制了數據的傳輸距離，還增加了布線等的投入成本，同時也浪費了變電站內寶貴的空間資源。

鑒于此，本文提出了一種基于長距離無線傳輸（Long Rang，LoRa）的直流避雷器在線監測系統，該系統實現了對±500 kV高壓換流站直流側避雷器的泄漏電流和動作次數等參數的實時監測，依托大數據物聯網通過感知層、網絡層和應用層實現整站直流避雷器的實時在線監測及診斷。通過監測數據的反饋，系統能夠直接快速的查找出避雷器發生故障的具體位置，為開關設備的檢修提供極其重要的判定依據，為電力事業提供了強有力的數據支撐。

1 直流避雷器等效模型分析

直流避雷器總泄漏電流由瓷外套泄漏電流、絕緣附件泄漏電流和電阻片泄漏電流組成［8，11］。正常情況下，避雷器內電阻片電流處于穩定狀態，當電阻片處于污穢或者潮濕的環境下會引起其內部電流的增大［12］。在不計避雷器內寄生電容的理想條件下直流避雷器可用一個阻值可變的非線性電阻元件來模擬，如圖1所示。

圖1 直流側金屬氧化物避雷器等效模型圖

2 在線監測系統分析

根據理論分析可知，當直流避雷器的泄漏電流增大到閾值時，金屬氧化物避雷器就會有爆炸的可能。為防患事故的發生，需要完善在線監測系統對泄漏電流等參數進行監測。圖2給出了無線傳輸監測系統圖。

圖2 無線數據傳輸監測總體系統圖

在圖2所示的無線傳輸在線監測系統方案中監測參數（泄漏電流／動作次數）使用相對應的傳感器件進行采集，主控制器選擇STM32系列STM32F407芯片；同時通過SX1278無線數傳模塊，將泄漏電流和動作次數等參數無線傳輸至高壓換流站內的總狀態監測系統。

2.1 系統主電路的設計與分析

基于LoRa的在線監測系統主電路涵蓋了電源供電、泄漏電流采集和動作次數采集等模塊。圖3給出了本系統的主電路。主電路除了能夠實現其功能外，還從電磁兼容、電磁抗干擾等方面對電路進行了優化處理，提高了整個系統的可靠性及穩定性。

圖3 系統主電路圖

圖3（a）為電源電路原理圖，電源電路使用了半導體放電管（SPA800F）、壓敏電阻、共模扼流圈、穩壓器等強抗干擾性器件，實現了低功耗、安全隔離和抗干擾能力強的目的。圖3（b）為泄漏電流采集模塊，主要采集直流避雷器的泄漏電流，該款電路將采集到的實時電流數據傳輸至控制器，進行數據的計算，主控制器自帶的模數轉換功能。圖3（c）為動作次數采集模塊，該款電路使用了光電隔離技術把外電路與主控電路進行了電氣隔離，有效解決了電磁干擾，提高了動作計數的可靠性［11-12］。

2.2 在線監測系統LoRa分析

監測系統所監測到的數據是通過SX1278發射芯片無線傳輸至變電站的狀態監測室內，圖4給出了方框圖。SX1278是一款低功耗、多頻段的RF收發器，具有超長距離傳輸，抗干擾能力強的特點［13］。系統中以第1和第2阻抗匹配回路構成收、發電路，多次阻抗匹配回路的使用提高了無線數據收發的可靠性。

圖4 無線通信電路的工作原理圖

2.2.1 無線濾波電路設計與分析

在整個無線監測系統中，無線濾波電路也是系統中的至關重要的一部分，它起著數據可靠傳輸的作用。圖5（a）為無線發射的低通濾波電路，能夠將泄漏電流及避雷器的動作次數等數據進行濾波處理，可屏蔽外界高頻信號，降低提高傳輸的信噪比［13］。圖5（b）為無線接收帶通濾波電路，該濾波器工作時將前端輸入的無線信號在介質層進行聲傳播，輸出通過逆壓電（壓力和電信號的轉換）的方式再次將聲信號轉化為無線信號。L12、L13、C36、C37組成濾波電路，SAW Filter是一種聲表面波型濾波器，可以較好地濾除掉本文所需要頻段以外的頻率信號［13］。

圖5 無線濾波電路原理圖

2.2.2 LoRa無線傳輸的延遲控制策略研究

該監測系統可以實時監測避雷器的狀態信息，變電站管理人員通過應用層網頁終端查詢避雷器的工作狀態，如若出現避雷器異常，必須在盡可能短的時間內得到妥善處理，以免造成變電站內電力網不必要的損失。在無線傳輸的LoRa技術中，LoRa服務器接收終端數據并將數據存入數據庫中，同時應用層發送指令通過Web服務器讀取數據庫來獲得最新的終端數據，這種通信方式本質上會為整個監測系統帶來不同程度的延時，且采集終端數量越多，數據量越大，系統對數據的讀取時間越長。在整個系統的網絡層中包含了LoRa服務器，Web服務器和數據庫3部分。圖6給出了減小數據延遲的架構圖。

圖6 減小數據延遲的架構圖

通過引入MQTT通信協議，在LoRa服務器通過無線方式接收到避雷器狀態監測數據后，立即將數據發布至Web服務器中，Web服務器在接收、處理完狀態監測數據后可立即響應應用層的需要。至此，兩種服務器（LoRa與Web）可進行實時的雙向通信，在縮短無線數據的傳輸延遲方面得到了很大的提升。

2.3 軟件系統的設計與實現

2.3.1 數據采集終端軟件系統設計

數據采集終端軟件是整個系統的底層設計，主要負責泄漏電流、動作次數等數據的獲取和處理及指示。圖7給出了數據終端軟件設計流程圖。

2.3.2 LoRa傳輸層的軟件設計

正常運行中的SX1278一般情況下有4種工作模式，諸如正常、喚醒、省電和休眠形式，相應工作模式的改變是通過在主函數的控制寄存器中寫入指令來完成的［14］。同時可對SX1278的系統時鐘，定時器等進行初始化，也可對載波頻率、CRC校驗方式、信號帶寬等進行合理的設置［15-16］。圖8給出了無線收發模塊的軟件設計流程圖。

圖7 在線監測系統的系統流程圖

圖8 無線收發模塊的軟件設計流程圖

2.3.3 LoRa網絡層的軟件設計

基于LoRa的在線監測系統中的網絡層主要進行網絡的實時處理，包含LoRa服務器和Web服務器。Web服務器在點檢LoRa服務器的數據時，如若不進行一些數據篩查的處理，Web服務器就會將所有點檢到的數據發至在線Web頁面，這給不僅給系統帶來了數據的安全問題也帶來了系統數據處理的延時。

Web服務器在起動后立即與LoRa服務器建立會話，并建立以數據傳輸為主題的關系，監偵LoRa服務器的數據發布情況，Web服務器的工作流程如圖9（a）所示。網絡層的數據推送流程如圖9（b）所示，LoRa服務器發布數據后，Web服務器監偵到系統想要的數據時，先對數據進行有效的解析，以獲取數據的基本屬性，進行數據的全局性記錄，WebClient中存在監聽該區域的在線會話，就可按照該流程將數據推送到網絡層的Web頁面。

圖9 LoRa系統網絡層數據轉換就推送流程圖

3 實驗驗證及結果分析

為驗證本文提出的基于LoRa的在線監測系統的可行性，在河南省某工程實驗中心的直流避雷器上安裝了該在線監測系統。下面就實驗數據的準確性和可靠性進行詳細的分析。

3.1 實驗數據的準確性分析

為了驗證本文所提出的直流側金屬氧化物避雷器在線監測系統對數據傳輸的準確性，搭建了圖2所示的實驗測試平臺，實驗條件滿足如下：實驗室外部天氣晴朗無風，后臺監控主機放置于距離實驗大廳中心距離分別為0.5、1（加1層障礙物）和2 km（加2層障礙物）。

表1為泄漏電流的實驗數據穩定度的分析值，表2為動作次數在規定時間內的實驗數據穩定度的分析值。

由表1可見，在實驗條件下隨著傳輸距離的增加和障礙物的增加，本在線監測系統通過無線的方式能夠高精度的采集到直流避雷器的泄漏電流，即實際電流值與采集電流值基一致，誤差在12%以內，且該無線傳輸方式基本不存在丟失數據的情況，可靠性較高。

表1 泄漏電流采樣數據對比表

表2 動作次數的采樣數據對比表

由表2可見，在實驗條件下隨著傳輸距離的增加和障礙物的增加，本在線監測系統通過無線的方式能夠準確地采集到雷擊的動作次數和動作時間，以10min為一個實驗間隔，在該實驗間隔內模擬的雷擊次數以1、5、10、15、20、25 的方式遞增，不同的雷擊次數該系統均能準確地采集顯示，在規定時間間隔內實際模擬的雷擊次數和采集到的雷擊次數具有高度的一致性，一致性達到100%，且在該無線傳輸方式下基本不存在丟失數據的情況，可靠性較高。

3.2 實驗數據的可靠性分析

為進一步驗證本文所提出的直流避雷器在線監測系統數據傳輸的可行性，本文就無線傳輸的可靠性方面與傳統的ZigBee等無線傳輸模式進行了對比分析。

為進行有效的對比，設定了在相同的發射功率條件下，給出了就LoRa無線數據傳輸和ZigBee無線數據傳輸的效果對比表。表3為不同傳輸模式下的數據可靠性對比。

由表3可見，在相同的實驗條件下隨著傳輸距離的增加和障礙物的增加，本在線監測系統能夠通過LoRa的方式將采集到直流避雷器的泄漏電流和雷擊次數準確無誤的傳輸至上機位軟件上，以此種方式傳輸的數據可靠性非常高。通過對比分析可知，將LoRa應用于直流避雷器的在線監測系統中，克服了以ZigBee等傳統的短距離傳輸在智能變電站應用中的不足，為高壓開關設備智能化的提升提供了重要的現實依據。

表3 不同傳輸模式下的數據可靠性對比

4 結語

本文研究了直流側避雷器基于無線傳輸技術的在線監測系統。以LoRa為核心技術實現了避雷器泄漏電流等參數的實時監測，在減小數據的傳輸延時性問題上，首次在高壓開關設備領域引入MQTT通信技術，使得數據傳輸的延時性得到很大改觀，同時使得數據傳輸成功率較高且傳輸廣度范圍較廣，通過實驗的方式對實驗數據的穩定性和可靠性進行綜合性比較，以LoRa的方式進行避雷器數據的傳輸穩定度和可靠性更高，這一在線監測系統的使用可為電力部門減輕變電站內的2次配線，節約成本，提高工作效率。