LoRa技術(shù)在直流避雷器監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 杰，余亞東，雷宗昌，薛亞許

（1.平頂山學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)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(wǎng)公司及南方電網(wǎng)公司對變電站內(nèi)高壓開關(guān)設(shè)備的檢修制度逐步完善與檢修相關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估將是電力電網(wǎng)檢修的重點(diǎn)發(fā)展方向［1-2］。電力電網(wǎng)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(hù)設(shè)備之一，在大電網(wǎng)安全運(yùn)行過程中起著關(guān)鍵性的作用。而避雷器的實(shí)時(shí)狀態(tài)關(guān)乎整個(gè)用電安全，避雷器良好運(yùn)行狀態(tài)不僅保證了用電的可靠性，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求。

現(xiàn)階段變電站內(nèi)避雷器的監(jiān)測方式還在以人工檢測為主，這直接導(dǎo)致了不能高效率實(shí)時(shí)地對變電站內(nèi)避雷器運(yùn)行狀況的掌握。國內(nèi)外學(xué)者紛紛對其監(jiān)測方式、監(jiān)測手段進(jìn)行了研究，以提升整站MOA的安全、實(shí)時(shí)及可靠性。當(dāng)前電力領(lǐng)域內(nèi)的眾多學(xué)者對交流避雷器監(jiān)測的科學(xué)研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，涌現(xiàn)出許多切實(shí)可行的監(jiān)測方法［3-4］。劉溟等［5］采用聲表面波法對交流避雷器進(jìn)行在線監(jiān)測，該方法較新穎，但是文中只是提出使用該方法進(jìn)行就地顯示、就地測量，始終未提及通過什么樣的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。近幾年隨著直流輸配電工程的大量實(shí)施，高壓換流站內(nèi)的直流側(cè)避雷器的監(jiān)測也是亟待解決的問題?，F(xiàn)階段，在實(shí)際應(yīng)用中高壓換流站直流避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)中大多是以有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸［6-8］，文獻(xiàn)［9］中提出了一種在±500 kV高壓換流站直流側(cè)避雷器在線監(jiān)測方案，文中闡述了直流避雷器的在線監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)手段，但是對數(shù)據(jù)只是進(jìn)行就地的顯示，應(yīng)用具有一定的局限性。張?zhí)爝\(yùn)等［10］做了一種無源無線遠(yuǎn)傳型避雷器在線監(jiān)測傳感器的研制，以ZigBee無線傳感的方式進(jìn)行變電站內(nèi)數(shù)據(jù)的無線傳輸，討論的采集距離最大為1.5 km，實(shí)現(xiàn)這一距離的發(fā)射功率較大，此方式在需要長距離傳輸?shù)貛Т嬖诤艽蟮膽?yīng)用局限性。文獻(xiàn)［11］中提出了一種光電計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換的直流避雷器在線監(jiān)測裝置，提出了將整個(gè)變電站內(nèi)避雷器通過光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，文中對無線傳輸?shù)木唧w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(gè)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(jìn)行避雷器數(shù)據(jù)的傳輸不僅限制了數(shù)據(jù)的傳輸距離，還增加了布線等的投入成本，同時(shí)也浪費(fèi)了變電站內(nèi)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(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對±500 kV高壓換流站直流側(cè)避雷器的泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，依托大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通過感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)整站直流避雷器的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及診斷。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋，系統(tǒng)能夠直接快速的查找出避雷器發(fā)生故障的具體位置，為開關(guān)設(shè)備的檢修提供極其重要的判定依據(jù)，為電力事業(yè)提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)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(nèi)電阻片電流處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)電阻片處于污穢或者潮濕的環(huán)境下會引起其內(nèi)部電流的增大［12］。在不計(jì)避雷器內(nèi)寄生電容的理想條件下直流避雷器可用一個(gè)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(cè)金屬氧化物避雷器等效模型圖

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)分析

根據(jù)理論分析可知，當(dāng)直流避雷器的泄漏電流增大到閾值時(shí)，金屬氧化物避雷器就會有爆炸的可能。為防患事故的發(fā)生，需要完善在線監(jiān)測系統(tǒng)對泄漏電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。圖2給出了無線傳輸監(jiān)測系統(tǒng)圖。

圖2 無線數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測總體系統(tǒng)圖

在圖2所示的無線傳輸在線監(jiān)測系統(tǒng)方案中監(jiān)測參數(shù)（泄漏電流／動(dòng)作次數(shù)）使用相對應(yīng)的傳感器件進(jìn)行采集，主控制器選擇STM32系列STM32F407芯片；同時(shí)通過SX1278無線數(shù)傳模塊，將泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)等參數(shù)無線傳輸至高壓換流站內(nèi)的總狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)與分析

基于LoRa的在線監(jiān)測系統(tǒng)主電路涵蓋了電源供電、泄漏電流采集和動(dòng)作次數(shù)采集等模塊。圖3給出了本系統(tǒng)的主電路。主電路除了能夠?qū)崿F(xiàn)其功能外，還從電磁兼容、電磁抗干擾等方面對電路進(jìn)行了優(yōu)化處理，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。

圖3 系統(tǒng)主電路圖

圖3（a）為電源電路原理圖，電源電路使用了半導(dǎo)體放電管（SPA800F）、壓敏電阻、共模扼流圈、穩(wěn)壓器等強(qiáng)抗干擾性器件，實(shí)現(xiàn)了低功耗、安全隔離和抗干擾能力強(qiáng)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(shí)時(shí)電流數(shù)據(jù)傳輸至控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算，主控制器自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。圖3（c）為動(dòng)作次數(shù)采集模塊，該款電路使用了光電隔離技術(shù)把外電路與主控電路進(jìn)行了電氣隔離，有效解決了電磁干擾，提高了動(dòng)作計(jì)數(shù)的可靠性［11-12］。

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)LoRa分析

監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)是通過SX1278發(fā)射芯片無線傳輸至變電站的狀態(tài)監(jiān)測室內(nèi)，圖4給出了方框圖。SX1278是一款低功耗、多頻段的RF收發(fā)器，具有超長距離傳輸，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)［13］。系統(tǒng)中以第1和第2阻抗匹配回路構(gòu)成收、發(fā)電路，多次阻抗匹配回路的使用提高了無線數(shù)據(jù)收發(fā)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(shè)計(jì)與分析

在整個(gè)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，無線濾波電路也是系統(tǒng)中的至關(guān)重要的一部分，它起著數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)淖饔?。圖5（a）為無線發(fā)射的低通濾波電路，能夠?qū)⑿孤╇娏骷氨芾灼鞯膭?dòng)作次數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，可屏蔽外界高頻信號，降低提高傳輸?shù)男旁氡龋?3］。圖5（b）為無線接收帶通濾波電路，該濾波器工作時(shí)將前端輸入的無線信號在介質(zhì)層進(jìn)行聲傳播，輸出通過逆壓電（壓力和電信號的轉(zhuǎn)換）的方式再次將聲信號轉(zhuǎn)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?shù)难舆t控制策略研究

該監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測避雷器的狀態(tài)信息，變電站管理人員通過應(yīng)用層網(wǎng)頁終端查詢避雷器的工作狀態(tài)，如若出現(xiàn)避雷器異常，必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)得到妥善處理，以免造成變電站內(nèi)電力網(wǎng)不必要的損失。在無線傳輸?shù)腖oRa技術(shù)中，LoRa服務(wù)器接收終端數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)應(yīng)用層發(fā)送指令通過Web服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)庫來獲得最新的終端數(shù)據(jù)，這種通信方式本質(zhì)上會為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)帶來不同程度的延時(shí)，且采集終端數(shù)量越多，數(shù)據(jù)量越大，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的讀取時(shí)間越長。在整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層中包含了LoRa服務(wù)器，Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫3部分。圖6給出了減小數(shù)據(jù)延遲的架構(gòu)圖。

圖6 減小數(shù)據(jù)延遲的架構(gòu)圖

通過引入MQTT通信協(xié)議，在LoRa服務(wù)器通過無線方式接收到避雷器狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)后，立即將數(shù)據(jù)發(fā)布至Web服務(wù)器中，Web服務(wù)器在接收、處理完?duì)顟B(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)后可立即響應(yīng)應(yīng)用層的需要。至此，兩種服務(wù)器（LoRa與Web）可進(jìn)行實(shí)時(shí)的雙向通信，在縮短無線數(shù)據(jù)的傳輸延遲方面得到了很大的提升。

2.3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.3.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端軟件是整個(gè)系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)泄漏電流、動(dòng)作次數(shù)等數(shù)據(jù)的獲取和處理及指示。圖7給出了數(shù)據(jù)終端軟件設(shè)計(jì)流程圖。

2.3.2 LoRa傳輸層的軟件設(shè)計(jì)

正常運(yùn)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(yīng)工作模式的改變是通過在主函數(shù)的控制寄存器中寫入指令來完成的［14］。同時(shí)可對SX1278的系統(tǒng)時(shí)鐘，定時(shí)器等進(jìn)行初始化，也可對載波頻率、CRC校驗(yàn)方式、信號帶寬等進(jìn)行合理的設(shè)置［15-16］。圖8給出了無線收發(fā)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖。

圖7 在線監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖

圖8 無線收發(fā)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.3.3 LoRa網(wǎng)絡(luò)層的軟件設(shè)計(jì)

基于LoRa的在線監(jiān)測系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)層主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)處理，包含LoRa服務(wù)器和Web服務(wù)器。Web服務(wù)器在點(diǎn)檢LoRa服務(wù)器的數(shù)據(jù)時(shí)，如若不進(jìn)行一些數(shù)據(jù)篩查的處理，Web服務(wù)器就會將所有點(diǎn)檢到的數(shù)據(jù)發(fā)至在線Web頁面，這給不僅給系統(tǒng)帶來了數(shù)據(jù)的安全問題也帶來了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的延時(shí)。

Web服務(wù)器在起動(dòng)后立即與LoRa服務(wù)器建立會話，并建立以數(shù)據(jù)傳輸為主題的關(guān)系，監(jiān)偵LoRa服務(wù)器的數(shù)據(jù)發(fā)布情況，Web服務(wù)器的工作流程如圖9（a）所示。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)推送流程如圖9（b）所示，LoRa服務(wù)器發(fā)布數(shù)據(jù)后，Web服務(wù)器監(jiān)偵到系統(tǒng)想要的數(shù)據(jù)時(shí)，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的解析，以獲取數(shù)據(jù)的基本屬性，進(jìn)行數(shù)據(jù)的全局性記錄，WebClient中存在監(jiān)聽該區(qū)域的在線會話，就可按照該流程將數(shù)據(jù)推送到網(wǎng)絡(luò)層的Web頁面。

圖9 LoRa系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就推送流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出的基于LoRa的在線監(jiān)測系統(tǒng)的可行性，在河南省某工程實(shí)驗(yàn)中心的直流避雷器上安裝了該在線監(jiān)測系統(tǒng)。下面就實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行詳細(xì)的分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性分析

為了驗(yàn)證本文所提出的直流側(cè)金屬氧化物避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，搭建了圖2所示的實(shí)驗(yàn)測試平臺，實(shí)驗(yàn)條件滿足如下：實(shí)驗(yàn)室外部天氣晴朗無風(fēng)，后臺監(jiān)控主機(jī)放置于距離實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定度的分析值，表2為動(dòng)作次數(shù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定度的分析值。

由表1可見，在實(shí)驗(yàn)條件下隨著傳輸距離的增加和障礙物的增加，本在線監(jiān)測系統(tǒng)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(shí)際電流值與采集電流值基一致，誤差在12%以內(nèi)，且該無線傳輸方式基本不存在丟失數(shù)據(jù)的情況，可靠性較高。

表1 泄漏電流采樣數(shù)據(jù)對比表

表2 動(dòng)作次數(shù)的采樣數(shù)據(jù)對比表

由表2可見，在實(shí)驗(yàn)條件下隨著傳輸距離的增加和障礙物的增加，本在線監(jiān)測系統(tǒng)通過無線的方式能夠準(zhǔn)確地采集到雷擊的動(dòng)作次數(shù)和動(dòng)作時(shí)間，以10min為一個(gè)實(shí)驗(yàn)間隔，在該實(shí)驗(yàn)間隔內(nèi)模擬的雷擊次數(shù)以1、5、10、15、20、25 的方式遞增，不同的雷擊次數(shù)該系統(tǒng)均能準(zhǔn)確地采集顯示，在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)實(shí)際模擬的雷擊次數(shù)和采集到的雷擊次數(shù)具有高度的一致性，一致性達(dá)到100%，且在該無線傳輸方式下基本不存在丟失數(shù)據(jù)的情況，可靠性較高。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的直流避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，本文就無線傳輸?shù)目煽啃苑矫媾c傳統(tǒng)的ZigBee等無線傳輸模式進(jìn)行了對比分析。

為進(jìn)行有效的對比，設(shè)定了在相同的發(fā)射功率條件下，給出了就LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸和ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч麑Ρ缺?。?為不同傳輸模式下的數(shù)據(jù)可靠性對比。

由表3可見，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下隨著傳輸距離的增加和障礙物的增加，本在線監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)準(zhǔn)確無誤的傳輸至上機(jī)位軟件上，以此種方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可靠性非常高。通過對比分析可知，將LoRa應(yīng)用于直流避雷器的在線監(jiān)測系統(tǒng)中，克服了以ZigBee等傳統(tǒng)的短距離傳輸在智能變電站應(yīng)用中的不足，為高壓開關(guān)設(shè)備智能化的提升提供了重要的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

表3 不同傳輸模式下的數(shù)據(jù)可靠性對比

4 結(jié)語

本文研究了直流側(cè)避雷器基于無線傳輸技術(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)。以LoRa為核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了避雷器泄漏電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在減小數(shù)據(jù)的傳輸延時(shí)性問題上，首次在高壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域引入MQTT通信技術(shù)，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r(shí)性得到很大改觀，同時(shí)使得數(shù)據(jù)傳輸成功率較高且傳輸廣度范圍較廣，通過實(shí)驗(yàn)的方式對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行綜合性比較，以LoRa的方式進(jìn)行避雷器數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定度和可靠性更高，這一在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用可為電力部門減輕變電站內(nèi)的2次配線，節(jié)約成本，提高工作效率。