基于羅氏線圈的雷電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙燕君，錢(qián) 江，武永國(guó)，魏 健，屈 路，魯海亮

(1．山西省電力公司平陸縣供電公司，山西平陸 044300；2．山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西運(yùn)城 044000；3．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

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基于羅氏線圈的雷電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙燕君1，錢(qián) 江2，武永國(guó)1，魏 健3，屈 路3，魯海亮3

(1．山西省電力公司平陸縣供電公司，山西平陸 044300；2．山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西運(yùn)城 044000；3．武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

基于雷電流測(cè)量需求，使用寬頻帶的羅氏線圈作為傳感器，搭建了以高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器、MSP430微控制器和FPGA為核心的低功耗、高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合GPRS無(wú)線收發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了架空輸電線雷電波形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)采用主從通信模式，各監(jiān)測(cè)終端能夠同時(shí)測(cè)量五通道的雷電流，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路的各相和避雷線的雷電流幅值、極性及雷擊時(shí)間，對(duì)于防雷技術(shù)的發(fā)展具有積極作用。

雷電波形；羅氏線圈；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線傳輸

0 引言

架空輸電線路地處曠野，綿延數(shù)百公里至上千公里，容易遭受雷擊，造成跳閘停電。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司近年來(lái)生產(chǎn)運(yùn)行情況分析，在架空輸電線路事故中，雷擊跳閘次數(shù)比例占輸配電設(shè)備跳閘總次數(shù)的第一位，造成輸配電設(shè)備非計(jì)劃停運(yùn)次數(shù)比例占第二位，已嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全和可靠運(yùn)行。要徹底解決雷害問(wèn)題，防治輸電線路雷擊跳閘，必須了解雷擊導(dǎo)線、避雷線后，明確雷電波對(duì)絕緣子串閃絡(luò)的機(jī)理和影響，其首要工作是確定雷擊故障點(diǎn)、準(zhǔn)確判斷雷擊形式。

目前在線路雷擊跳閘事故的查找和分析方面存在雷擊跳閘故障點(diǎn)尋找工作量大、雷擊跳閘故障原因難于辨別等問(wèn)題，導(dǎo)致防雷研究只能深入到區(qū)域或雷擊點(diǎn)大致位置，防雷措施有效性和針對(duì)性不強(qiáng)。因此開(kāi)展雷擊輸電導(dǎo)線時(shí)雷電流參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)研究是有必要的。在架空輸電線上裝設(shè)雷電測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控線路遭雷擊的地點(diǎn)、雷電流的波形與幅值，對(duì)于雷擊線路故障桿塔的查找、雷電流波形和幅值標(biāo)準(zhǔn)的制定能夠提供強(qiáng)有力的支撐，對(duì)我國(guó)防雷技術(shù)的發(fā)展起到積極的作用[1-3]。

1 系統(tǒng)概述

在該系統(tǒng)中，雷電波形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)終端兩部分組成。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)由5個(gè)雷電流傳感器、雷擊信號(hào)采集單元、無(wú)線通信模塊、電源模塊組成，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)各相絕緣子和避雷線的5路雷電波形信號(hào)，如圖1所示。當(dāng)雷擊塔頂避雷線或各相導(dǎo)線時(shí)，雷電流傳感器能夠獲取相應(yīng)的感應(yīng)電壓，電壓信號(hào)通過(guò)電纜傳送至監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將雷電流信號(hào)的波形記錄下來(lái)，同時(shí)記錄下雷擊時(shí)的時(shí)間，并將測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)。測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)測(cè)終端，實(shí)現(xiàn)了發(fā)生雷擊后數(shù)據(jù)的主動(dòng)上傳。

圖1 系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)硬件組成與功能實(shí)現(xiàn)

架空輸電線雷電波形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要包含監(jiān)控終端和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控終端包含工控機(jī)與GPRS模塊；監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包含以MSP430和FPGA組成的邏輯控制單元、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、無(wú)線通信模塊等，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

2．1 雷電流傳感器

雷電流傳感器作為架空輸電線路和避雷線雷電流全參數(shù)在線監(jiān)測(cè)裝置的重要組成部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的性能。對(duì)雷電流的測(cè)量可以考慮兩種方式：磁鋼棒和羅氏線圈。磁鋼棒可以測(cè)量雷電流的幅值和極性，但是測(cè)量的雷電流幅值誤差較大。羅氏線圈能夠準(zhǔn)確測(cè)量雷電流的波形、幅值和極性，并且具有低功率輸出、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度良好等優(yōu)良特性，對(duì)于需要安裝在輸電線路絕緣子串上的傳感器，羅氏線圈由于其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)而成為了首選[4]。

羅氏線圈是在一個(gè)由塑料棒(例如聚酰胺等非磁性材料)構(gòu)成截面均勻的環(huán)形骨架芯，如圖3(a)所示[5]。圖3(b)為羅氏線圈截面圖。在加工羅氏線圈時(shí)，要求必須“回繞”1周，即沿著任意閉曲面環(huán)繞線圈，當(dāng)繞到終點(diǎn)后再稀疏回繞到起點(diǎn)。均勻密繞n匝小線匝后，再在線圈兩端接上終端電阻，就可以測(cè)量交變大電流。羅氏線圈有自積分和外積分兩種積分方式，自積分型線圈測(cè)量系統(tǒng)頻帶窄，適合測(cè)量上升時(shí)間很短的陡脈沖電流；而外積分型線圈測(cè)量系統(tǒng)頻帶寬，適合測(cè)量上升時(shí)間平緩的寬脈沖電流。該裝置選用外積分結(jié)構(gòu)。

(a)俯視圖

(b)截面圖

外積分是在羅氏線圈的輸出端接一個(gè)RC積分器，構(gòu)成外積分電路。外積分狀態(tài)下其等效電路如圖4所示。積分環(huán)節(jié)中，以RC電路為例，它的傳遞函數(shù)可以寫(xiě)為：

圖4 羅氏線圈在外積分狀態(tài)下等效電路

可以寫(xiě)出線圈的傳遞函數(shù)：

W1(s)=Ms

測(cè)量回路的傳遞函數(shù)：

總傳遞函數(shù)為：

圖5 外積分狀態(tài)下羅氏線圈幅頻特性曲線

2．2 雷擊信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)

由于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于野外工作，因此雷擊信號(hào)采集單元的器件選擇要滿足低功耗的需求。高速A/D、FPGA和MSP430構(gòu)成了數(shù)字系統(tǒng)的核心部分，數(shù)據(jù)流框圖如圖6所示。系統(tǒng)選用EP1C12Q240作為邏輯的芯片，超低功耗單片機(jī)MSP430F5438作為控制芯片，高速A/D選用了10位并行芯片ADS822，該A/D的采樣率可達(dá)40 MS/s，功耗典型值為200 mW．由于雷電波形的頻帶范圍很寬，需要采集單元具有很高的采樣率，為滿足高速數(shù)據(jù)采集的需要，A/D與MSP430之間通過(guò)FIFO連接，F(xiàn)IFO內(nèi)嵌入FPGA中。MSP430的數(shù)據(jù)總線是16位，則10位數(shù)據(jù)只需一次即可寫(xiě)入MSP430的RAM中。FIFO為先入先出的堆棧式結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無(wú)需任何地址線的加入，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。

當(dāng)雷電流流經(jīng)羅氏線圈時(shí)，如果羅氏線圈感應(yīng)輸出的電壓幅值達(dá)到一定的閾值，會(huì)觸發(fā)高速采集系統(tǒng)工作。由于采用硬件比較器觸發(fā)，同時(shí)感應(yīng)電壓從零躍變到閾值均需要一定的延時(shí)，因此此時(shí)的進(jìn)行采集會(huì)丟掉觸發(fā)之前的數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，雷擊信號(hào)采集單元在FPGA中內(nèi)嵌了預(yù)采樣FIFO，以實(shí)現(xiàn)雷電波形的全波采集。數(shù)據(jù)流框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)流框圖

2．3 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸單元設(shè)計(jì)

目前常用的無(wú)線通信技術(shù)主要有WiFi、Zigbee、GPRS和藍(lán)牙。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端與各節(jié)點(diǎn)之間的距離通常在十幾公里以上，受此條件制約，只能采用GPRS通信技術(shù)。該系統(tǒng)采用G200通信模塊。相對(duì)于傳統(tǒng)的GPRS無(wú)線通信模塊，G200通信模塊在使用過(guò)程中不必關(guān)心設(shè)備底層的開(kāi)發(fā)部分，極大的簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)應(yīng)用。G200模塊支持TTL、RS232、RS485接口電平，可以利用SIM卡里的GPRS功能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)內(nèi)的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)65536個(gè)。G200模塊使系統(tǒng)不需要固定的IP地址，也不需要ADSL、撥號(hào)等連接Internet的設(shè)備，使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉。

雷電波形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有一個(gè)監(jiān)測(cè)終端和若干監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，為一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，如圖7所示。其中，監(jiān)控終端的G200模塊設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為路由節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端均通過(guò)串口與G200模塊相連接。中心節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)被配置為不同的物理地址，各路由節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)地址設(shè)置為中心節(jié)點(diǎn)的物理地址。通信采用主動(dòng)上傳和查詢兩種模式，當(dāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生雷擊時(shí)，雷擊信號(hào)采集單元能夠?qū)⑿盘?hào)完整的記錄下來(lái)并通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳至監(jiān)控終端；當(dāng)未發(fā)生雷擊時(shí)，監(jiān)控終端可以隨時(shí)查詢監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)通信方式

2．4 設(shè)備供電電源

架空輸電線雷電流監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要裝設(shè)在戶外的桿塔上，在全天候24 h開(kāi)機(jī)運(yùn)行的同時(shí)還長(zhǎng)期處于惡劣的野外自然環(huán)境中。因此，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的供電方式采用光電池、蓄電池、DC-DC模塊的組合，供電方式框圖如圖8所示。為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在無(wú)光照這種極端條件下可連續(xù)工作7天，光電池選用功率為50 W的高效太陽(yáng)能電池板，蓄電池選用12 V/38 Ah的閥控鉛酸蓄電池。由于系統(tǒng)的弱電部分包含12 V、3．3 V、-5 V和5 V 4個(gè)電壓等級(jí)，因此需要DC-DC電壓變換模塊。

圖8 系統(tǒng)供電框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與通信由FPGA和MSP430的邏輯控制核心組成，分別在QuartusII和IAR Embedded Workbench EW開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用VHDL和C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)[7]。監(jiān)測(cè)終端使用工控機(jī)，使用Labview進(jìn)行上位機(jī)程序編寫(xiě)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的控制主要由MSP430實(shí)現(xiàn)，其軟件流程圖如圖9所示。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上電后，首先完成A/D采樣率、采樣點(diǎn)數(shù)的初始化和中斷的配置與開(kāi)啟。當(dāng)羅氏線圈有雷電流通過(guò)時(shí)，感應(yīng)出的電壓信號(hào)達(dá)到一定的幅值，則單片機(jī)響應(yīng)外部中斷，進(jìn)入雷電波形采集狀態(tài)。采集完成后MSP430讀取FPGA內(nèi)嵌FIFO的數(shù)據(jù)并添加通信協(xié)議進(jìn)行打包，按順序通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控終端。監(jiān)測(cè)終端處于讀取串口數(shù)據(jù)狀態(tài)，當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換并計(jì)算出相應(yīng)的波形參數(shù)，最終將數(shù)據(jù)以Excel格式將波形數(shù)據(jù)保存在工控機(jī)硬盤(pán)中并顯示在屏幕上。

圖9 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4 羅氏線圈的標(biāo)定與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

影響監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能最重要的部件為羅氏線圈，為了測(cè)試線圈的靈敏度，將設(shè)計(jì)的線圈與標(biāo)準(zhǔn)羅氏線圈進(jìn)行比較。選用8/20μs雷電流發(fā)生器對(duì)線圈進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試波形如圖10所示。由設(shè)計(jì)的羅氏線圈與標(biāo)準(zhǔn)的羅氏線圈的波形相比，線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠較好的滿足被測(cè)電流信號(hào)的頻帶寬度要求，信號(hào)沒(méi)有明顯的失真。

圖10 設(shè)計(jì)線圈測(cè)試波形圖

圖11 雷電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面

該架空輸電線路雷電波形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)安裝在山西省平陸縣3512線路的7號(hào)桿塔和59號(hào)桿塔上，其上位機(jī)操作界面如圖11所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與上位機(jī)通信測(cè)試；當(dāng)該架空線路遭受雷擊時(shí)，可記錄雷電流波形、極性和雷擊時(shí)間，并提示工作人員線路發(fā)生雷擊事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)雷電流波形信號(hào)的特點(diǎn)，以羅氏線圈作為傳感器，采用10位高速ADC、微控制器 MSP430和FPGA搭建了低功耗、高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，獲取數(shù)據(jù)方便，維護(hù)成本低。留有足夠裕量的光電池與蓄電池的組合使監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)可以在野外惡劣環(huán)境中持續(xù)運(yùn)行。

[1] 周文俊，易輝，胡軍，等．架空輸電線路雷電流波形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．高電壓技術(shù)，2008，34(5)：961-965．

[2] 趙斌，石立華，李炎新，等．遠(yuǎn)程雷電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)．高電壓技術(shù)，2007，33(11)：195-197．

[3] 周文俊，周世平．電力系統(tǒng)雷擊遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)．電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(8)：125-127．

[4] 楊勇．架空輸電線路雷電監(jiān)測(cè)及雷擊桿塔暫態(tài)特性分析：[學(xué)位論文]．重慶：重慶大學(xué)，2012．

[5] 王煜，常超，石莉敏，等．8/20μs雷電流測(cè)量用羅氏線圈骨架截面研究．電瓷避雷器，2013(2)：73-78．

[6] 張達(dá)天．多通道雷電流測(cè)量裝置的研制：[學(xué)位論文]．北京：華北電力大學(xué)，2009．

[7] 屈路，于生寶，高明亮．分布式瞬變電磁接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(8)：83-85．

Design of Lightning Current Monitoring System Based on Rogowski Coil

ZHAO Yan-jun1，QIAN Jiang2，WU Yong-guo1，WEI Jian3，QU Lu3，LU Hai-liang3

(1．Pinglu Power Supply Company of Shanxi Power Supply Company，Pinglu 044300，China;2．Yuncheng Power Supply Company of Shanxi Power Supply Company，Yuncheng 044000，China;3．School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

Based on requirements of lightning current measuring and using Rogowski coil with broadband as sensor, a data collection system with low power consumption and high performance based on high-speed analog-to-digital converter, MSP430 signal processing chip and FPGA was put up. Combined with wireless transceiver technology of GPRS, the design of lightning current monitoring system on transmission line was realized. The system used master-slave communication mode. Each monitoring terminal can measure five channels’ lightning current at the same time, and it can monitor each phase of the electric transmission line and lightning current amplitude, polarity and lightning time of the overhead ground wire in real time. It has positive effects on the development of the lightning protection technology.

lightning current waveform;Rogowski coil;data collection;wireless transmission

國(guó)家電網(wǎng)公司科技資助項(xiàng)目(KJ(2013)157)

2013-12-10 收修改稿日期：2014-11-07

TM835

A

1002-1841(2015)01-0068-03