10kV氧化鋅避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

吳孝彬 倪桂江 余招軍 葉延旭 羅懿芯

（1.福建奧通邁勝電力科技有限公司 福建省福州市 350000 2.國(guó)網(wǎng)福建檢修公司 福建省福州市 350011）

避雷器是配電網(wǎng)中保護(hù)線路或電力設(shè)備免受過電壓危害的重要電器設(shè)備。配電網(wǎng)中運(yùn)行過諸如管型避雷器、閥型避雷器、保護(hù)間隙避雷器及氧化鋅避雷器等，現(xiàn)在氧化鋅避雷器使用最為廣泛，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）保護(hù)特性好；

（2）耐重復(fù)，動(dòng)作能力強(qiáng)；

（3）通流能力大；

（4）體積小，重量輕[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)MOA 監(jiān)測(cè)方法大致分為以下幾種：

（1）全電流法；

（2）三次諧波阻性電流法；

（3）電流補(bǔ)償法；

（4）基波阻性電流法；

（5）基于溫度的測(cè)量法等。

但是在MOA 運(yùn)行過程中也存在一些干擾因素對(duì)監(jiān)測(cè)的特征量產(chǎn)生影響，從而使測(cè)量出來的數(shù)值存在一定偏差，從而影響了故障的判斷，主要的干擾為以下幾點(diǎn)：

（1）電網(wǎng)諧波對(duì)MOA 在線監(jiān)測(cè)的影響；

（2）三相運(yùn)行時(shí)，避雷器與相間雜散電容產(chǎn)生的相間干擾的影響；

（3）由避雷器或監(jiān)測(cè)裝置表面污穢所產(chǎn)生的泄漏電流的影響；

（4）由于避雷器及其監(jiān)測(cè)裝置所處環(huán)境較為復(fù)雜，因此不同環(huán)境的溫度也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響；

（5）相移對(duì)MOA 在線監(jiān)測(cè)的影響[3]。

本文針對(duì)10kV 氧化鋅避雷器設(shè)計(jì)出一種物聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包含監(jiān)測(cè)裝置、云監(jiān)控平臺(tái)和移動(dòng)APP。監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)以MSP430FR5969 為數(shù)據(jù)處理核心，采集全電流、雷擊次數(shù)及GPS定位，并將數(shù)據(jù)通過NB-IOT 通信模塊上傳云監(jiān)控平臺(tái)分析處理。云平臺(tái)監(jiān)控軟件及移動(dòng)APP 具備歷史數(shù)據(jù)查詢、波形分析等功能，檢修人員可通過WEB 或APP 實(shí)時(shí)獲取避雷器運(yùn)行狀態(tài)。檢修人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)MOA 的運(yùn)行狀態(tài)，而且能在MOA 發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)確定故障點(diǎn)，加快搶修速度，降低停電時(shí)長(zhǎng)，減少經(jīng)濟(jì)損失[4]。

1 監(jiān)測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)全電流采集、雷擊次數(shù)、GPS 定位功能。硬件上由太陽(yáng)能收集電路、充放電管理、取樣電路、GPS 定位電路、射頻維護(hù)電路以及NB-IOT 遠(yuǎn)程通信電路組成。

極低功耗是本設(shè)計(jì)要解決的核心問題，TI 的MSP430 系列芯片兼具極低功耗和優(yōu)良性能的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用MSP430FR5969 芯片作為監(jiān)測(cè)終端的微控制芯片。

在射頻維護(hù)電路上使用接收電流低于4mA 的射頻芯片搭建，用于對(duì)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。硬件電路如圖2所示。

太陽(yáng)能在不同照度下會(huì)有各自的最大功率點(diǎn)，在電源管理上采用最大功率點(diǎn)追蹤，將太陽(yáng)能最大效率地存入后備電池中。DW01A-G 芯片具有對(duì)鋰電池過充、過放及短路時(shí)進(jìn)行保護(hù)作，電壓過低時(shí)，可截?cái)噍敵?，電池電壓正常時(shí)自動(dòng)恢復(fù)供電。使用處理器及外部獨(dú)立看門狗電路對(duì)裝置運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，提升運(yùn)行可靠性。

監(jiān)測(cè)終端一般安裝在戶外，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB11302 交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器規(guī)定，避雷器的使用環(huán)境溫度不高于+40℃，不低于-40℃。監(jiān)測(cè)終端所采用的各種電子元器件和模塊均采用工業(yè)級(jí)器件。以保證在要求的使用環(huán)境中能正常、穩(wěn)定、可靠工作。

1.2 電流信號(hào)及雷擊次數(shù)提取

泄漏電流信號(hào)采集可選用電流互感器式和電阻取樣式。但由于取樣電阻串接在監(jiān)測(cè)器電流測(cè)量回路中， 電氣上和高壓系統(tǒng)相連接，抗干擾能力差，而電流互感器取樣電路與高壓沒有直接連接，抗干擾能力強(qiáng)，但是經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，電流互感器取樣線性度差、信號(hào)微弱。為此設(shè)計(jì)中采用了抗干擾能力強(qiáng)、線性度較好的零磁通微電流傳感器技術(shù)并結(jié)合16 位A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)泄露電流的測(cè)量。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定避雷器計(jì)數(shù)電流的最小值不能大于50 A(8 / 20μs)，采樣電流互感器取樣方法試驗(yàn)效果較差。這是因?yàn)殡娏骰ジ衅魅荧@得的信號(hào)不但和避雷器的放電電流幅值有關(guān)， 還與放電波形有關(guān)，很難和監(jiān)測(cè)器記錄的放電次數(shù)相吻合。本設(shè)計(jì)使用線性度及帶寬較好的柔性羅氏線圈作為雷擊計(jì)數(shù)等測(cè)量傳感器。其靈敏度(變比)：0.1～1V/kA，頻率：5MHz 以內(nèi)。

1.3 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方式

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳有無(wú)線方式和有線方式，由于配電線路避雷器安裝點(diǎn)多面廣，不宜采用有限方式傳輸數(shù)據(jù)。

無(wú)線方式可采用GPRS、4G、Lora、NB-IOT 等通信方式，GPRS、4G 通信功耗大，不適用于對(duì)功耗敏感的監(jiān)測(cè)終端，Lora 組網(wǎng)復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。

NB-IOT 即窄帶物聯(lián)網(wǎng)是萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NBIoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以理解為是LTE 技術(shù)的“簡(jiǎn)化版”，NBIoT 網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有LTE 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造得來的。LTE 網(wǎng)絡(luò)為“人”服務(wù)，為手機(jī)服務(wù)，為消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；而NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)為“物”服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng))服務(wù)。NB-IOT只消耗大約180kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，部署成本低，NB-IOT 是一項(xiàng)新興技術(shù)，具有低功耗、低成本、強(qiáng)連接、光覆蓋等特點(diǎn)。低功耗特性是物聯(lián)監(jiān)測(cè)終端的一項(xiàng)重要指標(biāo)。NB-IoT 聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT 設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過去的幾個(gè)月大幅提升到幾年?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在通信“管”這一環(huán)節(jié)采用NBIOT 通信技術(shù)構(gòu)建監(jiān)測(cè)裝置（端）和云平臺(tái)監(jiān)控（云）的橋梁，設(shè)計(jì)中采用的NB-IOT 模塊功耗在PSM 模式下低至3uA。

1.4 監(jiān)測(cè)終端的可靠性設(shè)計(jì)

由于氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，這也使得干擾源比較多，相應(yīng)的，應(yīng)采取多種抗干擾措施來提高系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性。

圖1：監(jiān)測(cè)裝置硬件電路組成

圖2：射頻芯片接線圖

圖3：主程序流程圖

在元器件選型上滿足經(jīng)濟(jì)型和高性能的情況下選用集成度高、抗干擾能力強(qiáng)的元器件；在電源入口使用了壓敏電阻、放電管、共模電感等抑制電源入口產(chǎn)生的干擾；對(duì)信號(hào)地和模擬地進(jìn)行分割隔離。這種方式有效的抑制了諧波與電源噪聲對(duì)電路所造成的干擾；將電源與地線分走各自的電源平面。監(jiān)測(cè)裝置殼體采用金屬殼體，加強(qiáng)屏蔽，減弱電場(chǎng)干擾[5]。

2 監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

基于MSP430FR5969 芯片進(jìn)行模塊化軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)3 個(gè)中斷及7 個(gè)任務(wù)：

（1）中斷：1 個(gè)1.25mS 定時(shí)器、串口中斷及射頻中斷；

（2）顯示任務(wù)：避雷器動(dòng)作時(shí)及故障時(shí)閃爍紅燈（閃爍時(shí)間可設(shè)）；

（3）計(jì)數(shù)任務(wù)：當(dāng)MOA 監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)到雷擊或操作過電壓動(dòng)作后啟動(dòng)計(jì)數(shù)任務(wù)；

（4）電流采集：根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)，使用DFT 計(jì)算全電流平均值；

（5）低功耗切換：當(dāng)有故障產(chǎn)生、射頻數(shù)據(jù)或設(shè)定的低功耗時(shí)間耗盡時(shí)，MCU 全速運(yùn)行；

（6）射頻維護(hù)任務(wù)：處理射頻通信，主要在生產(chǎn)及安裝時(shí)用于配置、調(diào)試裝置；

（7）遠(yuǎn)程通信規(guī)約任務(wù)：將本地電流數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)整理成報(bào)文通過NB-IOT 模塊發(fā)送至云平臺(tái)并接收遠(yuǎn)方對(duì)時(shí)指令（默認(rèn)24H 上傳一次數(shù)據(jù)，故障時(shí)立即上傳數(shù)據(jù)）；

（8）BootLoader：用于無(wú)線升級(jí)程序[6]。

如圖3，主要流程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)接通電源后，上電復(fù)位并進(jìn)行定時(shí)器和中斷程序初始化，裝置硬件電路各模塊的指示燈被點(diǎn)亮，顯示各模塊電路正常運(yùn)行。實(shí)時(shí)進(jìn)行采樣計(jì)算，當(dāng)采集的電流數(shù)據(jù)越限（根據(jù)不同程度設(shè)置3 級(jí)限值）后，立即上傳數(shù)據(jù)至云監(jiān)測(cè)主站，并存儲(chǔ)故障電流數(shù)據(jù)。當(dāng)MOA 監(jiān)測(cè)裝置接收到雷擊中斷后，啟動(dòng)中斷計(jì)數(shù)任務(wù)進(jìn)行雷擊計(jì)數(shù)。當(dāng)MCU 判定所需數(shù)據(jù)采集完成后，將會(huì)得到一個(gè)上傳數(shù)據(jù)的指令，通過集成的無(wú)線通訊模塊將采集好的數(shù)據(jù)上傳到終端，若采集未完成，則退回，連續(xù)發(fā)送三次，如均未成功，則重新進(jìn)入采樣計(jì)算流程。

表1：標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)試值與軟件監(jiān)測(cè)值

圖4：65kA 大電流沖擊測(cè)試圖

3 避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

以下為整個(gè)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：

適用電壓等級(jí)：10kV；殘壓：≤1500V；標(biāo)稱放電電流（峰值）：20kA；（1）適用避雷器帶間隙和無(wú)間隙避雷器（需選擇對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置）；（2）雷擊計(jì)數(shù)(輔助功能)：0 ～99；（3）全電流監(jiān)測(cè)范圍：30uA ～6mA；精度：±5%；（4）數(shù)據(jù)發(fā)送周期：遙測(cè)數(shù)據(jù)：24 小時(shí)；故障遙信：≤10S；（5）通信：采用NB-IOT；（6）電源：0.6W。

監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避雷器健康狀態(tài)，避雷器無(wú)故障時(shí)，每24小時(shí)將避雷器全電流、雷擊次數(shù)等數(shù)據(jù)通過NB-IOT 傳往云平臺(tái)，避雷器有劣化加劇時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸周期智能減小，根據(jù)閾值給出預(yù)警，當(dāng)避雷器損壞時(shí)，立即上送避雷器故障信息至運(yùn)維人員手機(jī)。

以下為系統(tǒng)各項(xiàng)主要功能：

（1）避雷器動(dòng)作次數(shù)檢測(cè)：MOA 監(jiān)測(cè)裝置可以對(duì)MOA 的動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行記錄，記錄范圍0-99 次；

（2）動(dòng)作次數(shù)記錄：監(jiān)測(cè)裝置會(huì)將避雷器的動(dòng)作次數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器芯片的FLASH中，每1小時(shí)存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)，可保存10年以上；

（3）泄漏電流采集和環(huán)境溫度檢測(cè)功能：監(jiān)測(cè)裝置通過微電流零磁通電流傳感器和溫濕度模塊對(duì)MOA 的泄漏電流及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到異常時(shí)，立即上傳故障數(shù)據(jù)；

（4）GPS 定位：上傳數(shù)據(jù)包括避雷器安裝地點(diǎn)的經(jīng)緯度信息。

4 實(shí)驗(yàn)及安裝使用分析

4.1 測(cè)量精度

為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)裝置的可行性，對(duì)裝置進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否達(dá)到設(shè)計(jì)需求是必須的，表1 為試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量到的泄漏電流及監(jiān)測(cè)平臺(tái)讀取到的數(shù)據(jù)對(duì)比。

可以看出精度滿足要求。

4.2 大電流沖擊及殘壓測(cè)試

如圖4所示，對(duì)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行8/20uS 峰值電流10kA 以及4/10us 峰值電流65kA 大電流沖擊實(shí)驗(yàn)，分別做正負(fù)極沖擊兩次，實(shí)驗(yàn)中裝置未出現(xiàn)閃絡(luò)、擊穿等現(xiàn)象，試驗(yàn)后對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試，裝置運(yùn)行正常。大電流沖擊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置設(shè)計(jì)的合理性以及可靠性。

4.3 安裝使用分析

對(duì)于三相避雷器全電流采集來說，電源三相對(duì)稱，全電流為零，一相避雷器擊斷后，全電流為另兩相避雷器全電流矢量和，額定電壓下，值約為80uA 左右，兩相避雷器擊斷后，全電流即為單線避雷器全電流，也約為80uA 左右，通過以上特征可判斷一組三相避雷有斷路故障發(fā)生。

一相避雷器絕緣降低后，全電流為另三相相避雷器全電流矢量和，大于30uA 裝置即可檢測(cè)出；兩相避雷絕緣降低后，全電流即為三相避雷器全電流矢量和，大于30uA 即可檢測(cè)出；同樣三相避雷絕緣降低后，全電流即為三相避雷器全電流矢量和，其值大于30uA 檢測(cè)出。

可見，一臺(tái)金屬氧化鋅避雷器可對(duì)應(yīng)配置一臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置，也可以一組三相避雷器配置一臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置。

5 結(jié)論

本文針對(duì)10kV 氧化鋅避雷器設(shè)計(jì)出了一種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過采集氧化鋅避雷器的泄漏電流、動(dòng)作次數(shù)，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析來判斷或預(yù)判氧化鋅避雷器故障情況。本文所研究的避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上融合了低功耗通信、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了以“云管邊端”為系統(tǒng)架構(gòu)的避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過嚴(yán)酷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠耐受各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的破壞性試驗(yàn)以及非破壞性試驗(yàn)。

避雷器物聯(lián)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)切合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代要求，可對(duì)MOA 運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，當(dāng)避雷器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位，客觀上降低了維修人員排查故障的時(shí)間，減少了系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)，可廣泛應(yīng)用于10kV 配電線路金屬氧化鋅避雷器的在線運(yùn)行監(jiān)測(cè)。