基于無(wú)線通信的氧化鋅避雷器動(dòng)作電流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法

張 瑛

（浙江大有實(shí)業(yè)有限公司 配電工程分公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

避雷器的作用是抑制電網(wǎng)過(guò)電壓。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，當(dāng)出現(xiàn)雷擊或過(guò)電壓等異常狀況時(shí)，為了防止有關(guān)電力設(shè)備的絕緣受到破壞，避雷器可將高壓引入到地面，從而快速降低加載在被保護(hù)設(shè)備上的大電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)電力設(shè)備的絕緣性保護(hù)，進(jìn)而確保電力設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[1]。由于其良好的非線性性能，氧化鋅避雷器是目前使用最多的一種避雷器[2]。在常規(guī)工頻工作時(shí)，工作在小電流區(qū)域，具有高阻抗、低通流的特性，與絕緣體相似[3]。而在電網(wǎng)中，如雷擊等引起高壓、大電流等非正常工況下，氧化鋅避雷器在限壓工作區(qū)內(nèi)工作，其伏安特性曲線的變化較為平穩(wěn)。基于氧化鋅避雷器的運(yùn)行特點(diǎn)，為促進(jìn)其運(yùn)行安全性的提升，結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，開(kāi)展對(duì)氧化鋅避雷器動(dòng)作電流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)研究。

1 氧化鋅避雷器動(dòng)作電流采集

以氧化鋅避雷器的動(dòng)作電流為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其工作特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)電流互感線圈的氧化鋅避雷器工作電流被送入取樣電路，再由R2轉(zhuǎn)換成電壓。同時(shí)，利用多個(gè)不同電阻值的轉(zhuǎn)換，來(lái)控制光耦的工作門限[4]。

在采集動(dòng)作電流時(shí)，利用時(shí)鐘芯片對(duì)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)時(shí)，并設(shè)定了氧化鋅避雷器動(dòng)作電流采集間隔為4 h，從而達(dá)到對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制的目的[5]。將采集到的信號(hào)輸入到光耦中，形成一個(gè)上拉電阻，在無(wú)信號(hào)輸入的情況下，INT 管腳是高電平[6]。在光耦導(dǎo)通之后，INT 引腳將從高電平切換到低電平，利用微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）的斷開(kāi)來(lái)觸發(fā)高、低電平切換，從而使得MCU 可以控制操作電流信號(hào)的發(fā)送和存儲(chǔ)。

在采集氧化鋅避雷器動(dòng)作電流的過(guò)程中還需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，分解規(guī)則可以表示為

式中：C(t)為待分解的信號(hào)；IMFi(t)為第i個(gè)模態(tài)的分量；r(t)為剩余信號(hào)。利用歸一化處理的方式，用自相關(guān)性函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲分量和有用分量的區(qū)分，歸一化處理的公式為

式中：ρx(τ)為經(jīng)過(guò)歸一化處理后得到的信號(hào)；Rx(τ)為時(shí)刻τ函數(shù)x(t)的相關(guān)性函數(shù)值；Rx(0)為開(kāi)始時(shí)函數(shù)x(t)的相關(guān)性函數(shù)值。

2 基于無(wú)線通信的監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸

為了確保后續(xù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，引入無(wú)線通信技術(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行傳輸[7]。對(duì)于監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線串口，選用SI460 型號(hào)的無(wú)線傳輸模塊，其工作頻段為425 ～450 MHz。使用串口進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送時(shí)，其最遠(yuǎn)的傳輸距離可以達(dá)到5 km，滿足遠(yuǎn)程傳輸需要[8]。針對(duì)氧化鋅避雷器的動(dòng)作電流，監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸可以分為2 種路徑。第一條途徑是利用氧化鋅避雷器的整個(gè)泄放電流變化周期較長(zhǎng)的特性，每日一次的定時(shí)收集避雷器的動(dòng)作電流，并以每日一次的周期通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications，GSM）模塊發(fā)送，這不僅降低了功耗，還能很好地觀測(cè)到氧化鋅避雷器全電流的變化[9]。第二條途徑為如果需要更多的電流變化資料，可以使用顯示器上的無(wú)線串行通信模組，從帶電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）中讀取每4 h 儲(chǔ)存一次的電流數(shù)據(jù)[10]。為幫助研究和開(kāi)發(fā)人員進(jìn)一步分析與研究避雷器的特性，開(kāi)發(fā)更加穩(wěn)定的避雷器，對(duì)監(jiān)測(cè)是否有效進(jìn)行判定，其公式為

式中：ET(k)為發(fā)送端到接收端檢測(cè)信號(hào)傳輸消耗的能量；Eelec為無(wú)線通信傳輸?shù)目偰芎模籯為無(wú)線通信信號(hào)傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)量；Eamp為無(wú)線通信傳輸發(fā)送節(jié)點(diǎn)的功率消耗能量。同時(shí)，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，為確保傳輸有效，其傳輸半徑必須滿足

式中：N為無(wú)線通信傳輸信號(hào)的傳輸節(jié)點(diǎn)；M為傳輸覆蓋范圍；R為傳輸半徑長(zhǎng)度；Nnei為進(jìn)行無(wú)線通信傳輸信號(hào)的相鄰信號(hào)數(shù)量。

3 氧化鋅避雷器狀態(tài)判定與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

氧化鋅避雷器的狀態(tài)可以表示為

式中：Mr為氧化鋅避雷器狀態(tài)模糊綜合評(píng)估結(jié)果；ωr為動(dòng)作電流監(jiān)測(cè)信號(hào)量化數(shù)值；Rr為隸屬度。將通過(guò)計(jì)算得出的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果作為4 個(gè)證據(jù)的基本概率分配（Basic Probability Assignment，BPA）值。最終通過(guò)證據(jù)決策得到氧化鋅避雷器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，再將得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)無(wú)線通信傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)其遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方法實(shí)際應(yīng)用中是否具備更高的優(yōu)勢(shì)，選擇將本文提出的新方法作為實(shí)驗(yàn)組，將基于裝置電源同步的監(jiān)測(cè)方法作為對(duì)照I 組，將基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的監(jiān)測(cè)方法作為對(duì)照II 組。將3 種方法應(yīng)用到相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，探究其各自的監(jiān)測(cè)性能并進(jìn)行對(duì)比。選擇以某地區(qū)供電公司為依托，該供電公司目前管轄著規(guī)格為110 kV 和220 kV 的變電站共231 座，其中包含規(guī)格為110 kV 和220 kV 的避雷器共計(jì)7 256 支，總共有2 354 個(gè)間隔。

首先針對(duì)其各自的監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置5 種不同的輸入電流值，通過(guò)3 種監(jiān)測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并得到各自測(cè)量有效值，將其與輸入電流值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)比較其相對(duì)誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)精度的對(duì)比。相對(duì)誤差的計(jì)算公式為

式中：δ為監(jiān)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差；S為被測(cè)量真值，即輸入電流值；C為監(jiān)測(cè)方法得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果；|S-C|為監(jiān)測(cè)結(jié)果的絕對(duì)誤差。根據(jù)式（6）計(jì)算得出δ值，δ越大，說(shuō)明對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)方法的精度越低；δ越小，則說(shuō)明對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)方法的精度越高。在完成對(duì)不同輸入電流值條件下的監(jiān)測(cè)精度測(cè)試后，將計(jì)算得出的相對(duì)誤差記錄如表1 所示。

結(jié)合表1 中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果δ值始終控制在小于0.1%的范圍內(nèi)，而對(duì)照I 組監(jiān)測(cè)方法的δ值始終在0.2%～0.3%波動(dòng)，對(duì)照II 組監(jiān)測(cè)方法的δ值始終大于1.0%。將3 種監(jiān)測(cè)方法的相對(duì)誤差按照從小到大的順序排列，即實(shí)驗(yàn)組＜對(duì)照I 組＜對(duì)照II 組。進(jìn)一步分析得出，3 種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度按照從大到小的順序排列為實(shí)驗(yàn)組＞對(duì)照I 組＞對(duì)照II 組。上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明，本文提出的監(jiān)測(cè)方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化鋅避雷器動(dòng)作電流的高精度監(jiān)測(cè)。

為進(jìn)一步對(duì)3種監(jiān)測(cè)方法的抗干擾能力進(jìn)行測(cè)試，選擇在監(jiān)測(cè)的過(guò)程中向3 種監(jiān)測(cè)方法施加相同的電壓頻率，使電網(wǎng)產(chǎn)生頻率波動(dòng)，并在波動(dòng)條件下，對(duì)比3種監(jiān)測(cè)方法幅值與標(biāo)準(zhǔn)幅值之間的差異，得到如圖1、圖2、圖3 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)過(guò)程中的抗干擾能力對(duì)比

圖2 對(duì)照I 組監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)過(guò)程中的抗干擾能力對(duì)比

圖3 對(duì)照II 組監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)過(guò)程中的抗干擾能力對(duì)比

從上述得到的實(shí)驗(yàn)圖可以看出，只有實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)方法在受到頻率波動(dòng)的情況下仍然能夠保持監(jiān)測(cè)幅值與標(biāo)準(zhǔn)幅值變化基本一致，對(duì)照I 組和對(duì)照II 組監(jiān)測(cè)方法在受到頻率波動(dòng)的影響下，其幅值均出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，使得監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際相差較大，這也是造成其監(jiān)測(cè)精度較低的主要原因。因此，綜合上述2 方面實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果可以證明，本文引入無(wú)線通信技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中具備更高的監(jiān)測(cè)精度，并且在監(jiān)測(cè)過(guò)程中能夠有效抵御外界干擾因素的影響，具備極強(qiáng)的抗干擾能力，值得廣泛應(yīng)用和推廣。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述研究，結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)提出了一種全新的氧化鋅避雷器動(dòng)作電流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)新方法應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的驗(yàn)證。由于采用了低功耗設(shè)計(jì)方式，無(wú)線通信技術(shù)增強(qiáng)了監(jiān)測(cè)的抗干擾能力，能夠使氧化鋅避雷器動(dòng)作電流遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的精度更高，具備良好的傳輸實(shí)時(shí)性，有效保障了氧化鋅避雷器的正常運(yùn)行。