面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬磊娟

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009）

0 引言

近年來，我國電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，但同時(shí)電網(wǎng)規(guī)模的不斷提升以及線路復(fù)雜度的迅速增加，給電網(wǎng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，倒逼電網(wǎng)升級。提高電網(wǎng)的信息化、自動(dòng)化、智能化成為了重要任務(wù)。對此，國家高度重視智能電網(wǎng)建設(shè)，我國“十四五”規(guī)劃綱要提出，加快電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施智能化改造和智能微電網(wǎng)建設(shè)勢在必行。

智能變電站作為智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的中間環(huán)節(jié)，在產(chǎn)業(yè)鏈上游如可再生能源發(fā)電和不可再生能源發(fā)電與下游終端用戶用電環(huán)節(jié)之間起著舉足輕重的作用。目前，在各個(gè)地方的電網(wǎng)線路中，分布著很多不同類型的避雷器在線監(jiān)測設(shè)備，為智能變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了豐富、重要的數(shù)據(jù)。但同時(shí)這些監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量卻良莠不齊，很難判斷其性能的可靠性，當(dāng)監(jiān)測設(shè)備發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí)，電網(wǎng)工作人員需到現(xiàn)場檢測相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷發(fā)生異?；蚬收系脑?，這給工作人員帶來很大的困擾[1]。

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

1 面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)借用光纖技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)傳，能夠做到在控制室（非現(xiàn)場）及時(shí)準(zhǔn)確地接收到避雷器的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)；能夠科學(xué)分析避雷器已經(jīng)發(fā)生的故障，準(zhǔn)確判斷正在發(fā)生的故障，并對避雷器可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測，明確故障的性質(zhì)、類型、程度和原因，指出故障發(fā)生和發(fā)展的趨勢；能夠有效控制避雷器故障發(fā)展，采取對應(yīng)措施消除避雷器故障，避免電網(wǎng)事故發(fā)生，保障高壓設(shè)備安全、可靠運(yùn)行，能夠?yàn)樽冸娬炯罢麄€(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮積極作用。

系統(tǒng)最大監(jiān)測泄漏電流可達(dá)10 mA，滿足國內(nèi)超高電壓線路用1 000 kV避雷器的監(jiān)測需要。監(jiān)測精度運(yùn)行范圍內(nèi)0.01 mA，全量程范圍內(nèi)0.05 mA，精度優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)測器5倍。無線參數(shù)距離不受限制，系統(tǒng)管理員可隨時(shí)了解現(xiàn)場避雷器運(yùn)行的情況。

2 面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，整套系統(tǒng)包含：采樣單元、信號(hào)處理單元、主控單元、上位機(jī)等功能模塊。

2.1 采樣單元

采樣單元在借用傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，新增加電-光轉(zhuǎn)換電路，將系統(tǒng)監(jiān)測電流（避雷器泄漏電流）轉(zhuǎn)換為光頻率信號(hào)，為監(jiān)測系統(tǒng)提供信號(hào)源。

2.2 信號(hào)處理單元

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

2.3 主控單元

主控單元可嵌入手機(jī)模塊、RS232轉(zhuǎn)TCP/IP模塊，解碼后多路輸出，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)上傳于上位機(jī)、手機(jī)模塊、網(wǎng)絡(luò)等功能，豐富監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平。

2.4 上位機(jī)

上位機(jī)程序使用VB完成，界面內(nèi)容簡潔易操作，加入數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的大容量保存。

整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，模塊功能清晰明了：室外部分（包括采樣單元、信號(hào)處理單元）環(huán)境適應(yīng)性好，使用環(huán)境溫度-40～70℃，抗震性能達(dá)到八級，高低壓電氣絕緣距離最大10 m；室內(nèi)部分（包括主控單元、上位機(jī)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(shí)間精確至秒。

系統(tǒng)中應(yīng)用了通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等技術(shù)，并與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)有機(jī)融合，能夠提升監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平，使系統(tǒng)本身故障減少，并為避雷器狀態(tài)分析和輔助決策提供技術(shù)支持，為變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮積極作用。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電流采樣電路設(shè)計(jì)

本文研究的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)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(diǎn)，所以對硬件電路的性能要求較高[3]。為了使測量結(jié)果的準(zhǔn)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(shí)又能使信號(hào)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(lì)振蕩電路實(shí)現(xiàn)避雷器泄露電流的模數(shù)轉(zhuǎn)換，保證了數(shù)據(jù)精度（誤差不大于0.05 mA），并在前端設(shè)計(jì)壓敏電阻、電壓脈沖抑制器等保護(hù)回路，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

圖1 電流采樣電路原理圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作下位機(jī)電路時(shí)所使用的軟件是Proteus，在對圖1所示的電流采樣電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真的基礎(chǔ)上，使用Proteus軟件中的ARES軟件功能導(dǎo)入原理圖，然后生成對應(yīng)的PCB文件后進(jìn)行三維仿真。

圖2 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理電路原理圖

3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，采樣電路將泄漏電流轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)，通過光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換單元，紅外接口電路將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大電路處理后進(jìn)入以AT89 C2051為核心的編譯、運(yùn)算中心。以AT89C2051為核心的信號(hào)處理中心主要由紅外接口電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)跟隨電路、SOC最小系統(tǒng)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(jīng)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(zhuǎn)換及信號(hào)處理電路進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)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(dòng)制作所需要的元器件封裝，制作時(shí)可先依據(jù)以下兩種途徑獲取封裝參數(shù)數(shù)據(jù)：一是根據(jù)元器件對應(yīng)大的技術(shù)手冊所推薦的尺寸；二是使用游標(biāo)卡尺對元器件進(jìn)行實(shí)際測量得到的具體參數(shù)；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(shù)量較多，所以在設(shè)計(jì)其對應(yīng)的PCB圖時(shí)，不能使用Proteus軟件中的自動(dòng)布局和自動(dòng)布線功能，而是需要手動(dòng)布局和布線。手動(dòng)布局布線時(shí)必須嚴(yán)格遵循PCB設(shè)計(jì)規(guī)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(shù)字部分和模擬部分分開放置，同時(shí)使PCB圖上兩個(gè)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(shè)計(jì)

由于普通智能控電器的結(jié)構(gòu)簡單，功耗較低，一般控制功率低于200 W，因此其系統(tǒng)電源由阻容降壓電路來提供；但由于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)無線傳輸過程會(huì)瞬時(shí)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(tǒng)選用磁保持型繼電器，12 V的開關(guān)電源模塊，同時(shí)滿足大功率電流通斷和節(jié)能的需要。

3.4 其他電路設(shè)計(jì)

作為一個(gè)管理終端，需要對監(jiān)測參數(shù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，針對不同芯片的存儲(chǔ)特點(diǎn)，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(diǎn)，且擦寫次數(shù)有限，因此只適合存儲(chǔ)操作不頻繁的數(shù)據(jù)，如避雷器地址，放電時(shí)間等的存儲(chǔ)；而AT24C02芯片則被選為存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)電參數(shù)的計(jì)量數(shù)值。

此外，管理終端還需具備對避雷器工作狀態(tài)信息、放電信息、警告信息等主要信息進(jìn)行顯示的功能和實(shí)現(xiàn)485通信、無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?。其中?85通信電路，支持簡單協(xié)議的485通信操作，如監(jiān)測參數(shù)的讀取，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)處理指令等，紅外收發(fā)電路提高數(shù)據(jù)讀取及控制的效率和安全性。

4 避雷器在線監(jiān)測裝置與上位機(jī)通信協(xié)議

通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)監(jiān)測的避雷器信息通過RS-485上傳到上位通訊管理機(jī)的功能，本系統(tǒng)采用MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊，通訊協(xié)議見表1，避雷器信息寄存器對應(yīng)詳見表2。

表1 避雷器在線監(jiān)測裝置與上位機(jī)通訊協(xié)議詳表

表2 避雷器信息寄存器對應(yīng)詳表

5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示是監(jiān)測系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接方法。監(jiān)測系統(tǒng)通過串口線連接到計(jì)算機(jī)的指定串口（COM 2），即用串口線把監(jiān)測系統(tǒng)中顯示終端（或轉(zhuǎn)換單元）的RS232口和裝有應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)串口連接。轉(zhuǎn)換單元之間的通信采用485BUS方式實(shí)現(xiàn)，傳輸距離可達(dá)1200m。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接示意圖

上位機(jī)管理軟件是整個(gè)系統(tǒng)的最終人機(jī)交互接口，要根據(jù)系統(tǒng)整體框架、上中下位機(jī)的不同功能、通信協(xié)議和客戶的不同需求有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。在遠(yuǎn)程服務(wù)器上安裝該管理軟件后，可以通過網(wǎng)頁的形式在局域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)端登錄后，對系統(tǒng)信息進(jìn)行查看或者管理。

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)使用VB高級語言完成，監(jiān)測信息顯示直觀，方便查詢、保存等。程序集成了監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示和參數(shù)管理功能。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示功能包括歷史數(shù)據(jù)查看、實(shí)時(shí)電流顯示和放電次數(shù)顯示功能；參數(shù)管理功能使得用戶通過軟件界面可以立即修改系統(tǒng)的所有參數(shù)，同時(shí)也可對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀存、清空、導(dǎo)出和打印等操作。

5.1 歷史數(shù)據(jù)的操作界面

用鼠標(biāo)左鍵單擊上位機(jī)管理軟件主界面中的“查看歷史數(shù)據(jù)”按鈕，即可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的查看。在歷史數(shù)據(jù)界面上單擊鼠標(biāo)右鍵，出現(xiàn)如圖4所示菜單，單擊“清空數(shù)據(jù)”按鍵，即可完成所有歷史數(shù)據(jù)的清空。單擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鍵，所有歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel工作欄中?？梢允褂肊xcel功能對所有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行另存、編輯、打印等操作。

圖4 歷史數(shù)據(jù)的操作界面

5.2 放電次數(shù)及時(shí)間查詢

本系統(tǒng)新增了避雷器放電次數(shù)顯示，且對放電時(shí)間自動(dòng)保存，可供用戶隨時(shí)調(diào)用查看。系統(tǒng)連接成功后，則可查看放電次數(shù)及時(shí)間，在上位機(jī)管理軟件主界面中用鼠標(biāo)左鍵雙擊“北京線”/“A相”下面的放電次數(shù)空白框，系統(tǒng)自動(dòng)提取該相放電次數(shù)及時(shí)間（只能查詢連接成功有電流顯示相的放電次數(shù)及時(shí)間，每次只能查看一相）。

系統(tǒng)對每相的放電時(shí)間能保存42次?？蛻艨筛鶕?jù)需要對查詢到的時(shí)間進(jìn)行另存（在查詢結(jié)果頁面單擊鼠標(biāo)右鍵，點(diǎn)擊“導(dǎo)出”按鍵，放電時(shí)間導(dǎo)出到Excel工作欄中，然后可以使用Excel功能時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行另存、編輯、打印等操作）。導(dǎo)出另存完成后，如需要清空放電時(shí)間，回到上位機(jī)管理軟件主界面，單擊“系統(tǒng)管理”“清空放電次數(shù)及時(shí)間”，5s后系統(tǒng)自動(dòng)完成清空操作。

6 結(jié)語

面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)作為智能化無人值守變電站的子系統(tǒng)，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(yīng)了智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。通信、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等技術(shù)在系統(tǒng)中得到廣泛深入的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)有機(jī)融合，極大地提升了監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平。信息技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用，對避雷器可能出現(xiàn)的問題提出充分的警告，并為避雷器狀態(tài)分析和輔助決策提供了技術(shù)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(wǎng)絡(luò)投資和維護(hù)，經(jīng)濟(jì)效益顯著，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，使系統(tǒng)全面信息化，降低了事故發(fā)生的可能性，確保電力系統(tǒng)更加穩(wěn)定地運(yùn)行。