面向智能電網的避雷器在線監測系統的設計與實現

馬磊娟

（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473009）

0 引言

近年來，我國電網規模持續擴大，但同時電網規模的不斷提升以及線路復雜度的迅速增加，給電網帶來了巨大的挑戰，倒逼電網升級。提高電網的信息化、自動化、智能化成為了重要任務。對此，國家高度重視智能電網建設，我國“十四五”規劃綱要提出，加快電網基礎設施智能化改造和智能微電網建設勢在必行。

智能變電站作為智能電網產業鏈中的中間環節，在產業鏈上游如可再生能源發電和不可再生能源發電與下游終端用戶用電環節之間起著舉足輕重的作用。目前，在各個地方的電網線路中，分布著很多不同類型的避雷器在線監測設備，為智能變電站的安全穩定運行提供了豐富、重要的數據。但同時這些監測設備的質量卻良莠不齊，很難判斷其性能的可靠性，當監測設備發生異?；蚬收蠒r，電網工作人員需到現場檢測相關數據，進而判斷發生異?；蚬收系脑颍@給工作人員帶來很大的困擾[1]。

本文研究的面向智能電網的避雷器在線監測系統作為智能化無人值守變電站的子系統，旨在采用智能化手段提高電網的安全防御能力和自愈能力，使系統全面信息化，確保電力系統更加穩定地運行。

1 面向智能電網的避雷器在線監測系統優勢

面向智能電網的避雷器在線監測系統借用光纖技術實現信號的遠傳，能夠做到在控制室（非現場）及時準確地接收到避雷器的工作狀態數據；能夠科學分析避雷器已經發生的故障，準確判斷正在發生的故障，并對避雷器可能發生的故障進行預測，明確故障的性質、類型、程度和原因，指出故障發生和發展的趨勢；能夠有效控制避雷器故障發展，采取對應措施消除避雷器故障，避免電網事故發生，保障高壓設備安全、可靠運行，能夠為變電站及整個電網的安全穩定運行發揮積極作用。

系統最大監測泄漏電流可達10 mA，滿足國內超高電壓線路用1 000 kV避雷器的監測需要。監測精度運行范圍內0.01 mA，全量程范圍內0.05 mA，精度優于傳統監測器5倍。無線參數距離不受限制，系統管理員可隨時了解現場避雷器運行的情況。

2 面向智能電網的避雷器在線監測系統總體設計思路

面向智能電網的避雷器在線監測系統采用模塊化設計，整套系統包含：采樣單元、信號處理單元、主控單元、上位機等功能模塊。

2.1 采樣單元

采樣單元在借用傳統監測技術的基礎上，新增加電-光轉換電路，將系統監測電流（避雷器泄漏電流）轉換為光頻率信號，為監測系統提供信號源。

2.2 信號處理單元

信號處理單元接收光頻率信號，然后轉換為電信號放大后由單片機進行集中編碼（每個信號處理單元可接收三套采樣單元的信號），然后使用RS485通訊協議將編碼信息傳送給主控單元（每個主控單元可接收四套信號處理單元的信息）；采樣單元與信號處理單元采用光信號傳輸，使用光纖作為信號媒介（最遠10 m），徹底解決了系統的電氣隔離問題，確保了系統、設備及人員的安全。

2.3 主控單元

主控單元可嵌入手機模塊、RS232轉TCP/IP模塊，解碼后多路輸出，可實現監測數據顯示，同時上傳于上位機、手機模塊、網絡等功能，豐富監測系統的智能化水平。

2.4 上位機

上位機程序使用VB完成，界面內容簡潔易操作，加入數據庫實現監測數據的大容量保存。

整套系統設計合理，模塊功能清晰明了：室外部分（包括采樣單元、信號處理單元）環境適應性好，使用環境溫度-40～70℃，抗震性能達到八級，高低壓電氣絕緣距離最大10 m；室內部分（包括主控單元、上位機等）處理信息量大，顯示精度高，0.25～3 mA誤差不大于0.01 mA；3～6 mA誤差不大于0.05 mA[2]，放電時間精確至秒。

系統中應用了通信、計算機、自動化等技術，并與傳統監測技術有機融合，能夠提升監測系統的智能化水平，使系統本身故障減少，并為避雷器狀態分析和輔助決策提供技術支持，為變電站的安全穩定運行發揮積極作用。

3 系統硬件電路設計

3.1 電流采樣電路設計

本文研究的避雷器在線監測系統的監測方法以軟件分析為主，所以硬件電路較為簡單，但由于氧化鋅避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA） 存在阻性泄漏電流值較小的特點，所以對硬件電路的性能要求較高[3]。為了使測量結果的準確度和精度更高，需要采用的硬件電路必須具備靈敏度高、溫漂低、共模抑制比高的特性，保證在消除干擾的同時又能使信號不失真。

圖1為電流采樣電路原理圖，使用大容量低殘壓氧化鋅電阻片作為過電壓泄流回路，使用寬頻低溫漂自激勵振蕩電路實現避雷器泄露電流的模數轉換，保證了數據精度（誤差不大于0.05 mA），并在前端設計壓敏電阻、電壓脈沖抑制器等保護回路，確保系統可靠運行。

圖1 電流采樣電路原理圖

本系統設計、制作下位機電路時所使用的軟件是Proteus，在對圖1所示的電流采樣電路進行設計和仿真的基礎上，使用Proteus軟件中的ARES軟件功能導入原理圖，然后生成對應的PCB文件后進行三維仿真。

圖2 光電轉換及信號處理電路原理圖

3.2 光電轉換及信號處理電路設計

如圖2所示，采樣電路將泄漏電流轉換為光脈沖信號，通過光纖傳輸至光電轉換單元，紅外接口電路將光脈沖信號轉換為電信號，放大電路處理后進入以AT89 C2051為核心的編譯、運算中心。以AT89C2051為核心的信號處理中心主要由紅外接口電路、信號放大電路、信號跟隨電路、SOC最小系統電路、485通信接口電路和電源電路等組成。

Proteus軟件安裝完成后，其元器件封裝庫中就已經包含了大部分常用器件的封裝，如電阻、二極管和常用的芯片等，在對圖2所示的光電轉換及信號處理電路進行PCB設計時，會遇到部分器件在Proteus的PCB封裝庫中找不到所需尺寸封裝的問題，這種情況下就需要手動制作所需要的元器件封裝，制作時可先依據以下兩種途徑獲取封裝參數數據：一是根據元器件對應大的技術手冊所推薦的尺寸；二是使用游標卡尺對元器件進行實際測量得到的具體參數；然后在Proteus軟件中ISIS封裝庫中制作并保存。

由于圖2所示電路原理圖中所涉及到的元器件和芯片種類、數量較多，所以在設計其對應的PCB圖時，不能使用Proteus軟件中的自動布局和自動布線功能，而是需要手動布局和布線。手動布局布線時必須嚴格遵循PCB設計規則，先確定PCB板的尺寸，然后確定MCU放置的位置，再一一布置外圍電路[2]。且要把數字部分和模擬部分分開放置，同時使PCB圖上兩個相連接的管腳盡量靠近，保證PCB走線的通暢。

3.3 電源電路設計

由于普通智能控電器的結構簡單，功耗較低，一般控制功率低于200 W，因此其系統電源由阻容降壓電路來提供；但由于遠距離的數據無線傳輸過程會瞬時消耗較大能量，另外大功率的繼電器阻容降壓電源提供的功率不夠[4]。

所以本系統選用磁保持型繼電器，12 V的開關電源模塊，同時滿足大功率電流通斷和節能的需要。

3.4 其他電路設計

作為一個管理終端，需要對監測參數信息進行存儲，針對不同芯片的存儲特點，這里選擇使用AT89C2051和AT24C02兩款芯片。其中AT89C2051芯片由于其“先擦除，再寫入”的操作特點，且擦寫次數有限，因此只適合存儲操作不頻繁的數據，如避雷器地址，放電時間等的存儲；而AT24C02芯片則被選為存儲器用來存儲電參數的計量數值。

此外，管理終端還需具備對避雷器工作狀態信息、放電信息、警告信息等主要信息進行顯示的功能和實現485通信、無線遠程傳輸的功能。其中，485通信電路，支持簡單協議的485通信操作，如監測參數的讀取，系統參數的設置，數據處理指令等，紅外收發電路提高數據讀取及控制的效率和安全性。

4 避雷器在線監測裝置與上位機通信協議

通訊協議實現將實時監測的避雷器信息通過RS-485上傳到上位通訊管理機的功能，本系統采用MODBUS協議進行通訊，通訊協議見表1，避雷器信息寄存器對應詳見表2。

表1 避雷器在線監測裝置與上位機通訊協議詳表

表2 避雷器信息寄存器對應詳表

5 上位機軟件設計

如圖3所示是監測系統與計算機連接方法。監測系統通過串口線連接到計算機的指定串口（COM 2），即用串口線把監測系統中顯示終端（或轉換單元）的RS232口和裝有應用程序的計算機串口連接。轉換單元之間的通信采用485BUS方式實現，傳輸距離可達1200m。

圖3 監測系統與計算機連接示意圖

上位機管理軟件是整個系統的最終人機交互接口，要根據系統整體框架、上中下位機的不同功能、通信協議和客戶的不同需求有針對性地進行設計。在遠程服務器上安裝該管理軟件后，可以通過網頁的形式在局域網或者互聯網進行遠端登錄后，對系統信息進行查看或者管理。

上位機程序設計使用VB高級語言完成，監測信息顯示直觀，方便查詢、保存等。程序集成了監測數據顯示和參數管理功能。其中監測數據顯示功能包括歷史數據查看、實時電流顯示和放電次數顯示功能；參數管理功能使得用戶通過軟件界面可以立即修改系統的所有參數，同時也可對數據進行讀存、清空、導出和打印等操作。

5.1 歷史數據的操作界面

用鼠標左鍵單擊上位機管理軟件主界面中的“查看歷史數據”按鈕，即可實現歷史數據的查看。在歷史數據界面上單擊鼠標右鍵，出現如圖4所示菜單，單擊“清空數據”按鍵，即可完成所有歷史數據的清空。單擊“導出數據”按鍵，所有歷史數據導出到Excel工作欄中。可以使用Excel功能對所有歷史數據進行另存、編輯、打印等操作。

圖4 歷史數據的操作界面

5.2 放電次數及時間查詢

本系統新增了避雷器放電次數顯示，且對放電時間自動保存，可供用戶隨時調用查看。系統連接成功后，則可查看放電次數及時間，在上位機管理軟件主界面中用鼠標左鍵雙擊“北京線”/“A相”下面的放電次數空白框，系統自動提取該相放電次數及時間（只能查詢連接成功有電流顯示相的放電次數及時間，每次只能查看一相）。

系統對每相的放電時間能保存42次?？蛻艨筛鶕枰獙Σ樵兊降臅r間進行另存（在查詢結果頁面單擊鼠標右鍵，點擊“導出”按鍵，放電時間導出到Excel工作欄中，然后可以使用Excel功能時間數據進行另存、編輯、打印等操作）。導出另存完成后，如需要清空放電時間，回到上位機管理軟件主界面，單擊“系統管理”“清空放電次數及時間”，5s后系統自動完成清空操作。

6 結語

面向智能電網的避雷器在線監測系統作為智能化無人值守變電站的子系統，可使其安全水平、科技水平和智能化水平得到全面提升，順應了智能電網發展的必然趨勢。通信、計算機、自動化等技術在系統中得到廣泛深入的應用，并與傳統監測技術有機融合，極大地提升了監測系統的智能化水平。信息技術在系統中的應用，對避雷器可能出現的問題提出充分的警告，并為避雷器狀態分析和輔助決策提供了技術支持，在線路受到斷電影響之前就能采取有效的措施，使電站無人值守成為可能。無需網絡投資和維護，經濟效益顯著，實現遠程數據采集，使系統全面信息化，降低了事故發生的可能性，確保電力系統更加穩定地運行。