面向智能電網(wǎng)的避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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)擴大，但同時電網(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)定運行提供了豐富、重要的數(shù)據(jù)。但同時這些監(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，當監(jiān)測設(shè)備發(fā)生異?；蚬收蠒r，電網(wǎng)工作人員需到現(xiàn)場檢測相關(guān)數(shù)據(jù)，進而判斷發(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)實現(xiàn)信號的遠傳，能夠做到在控制室（非現(xiàn)場）及時準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、可靠運行，能夠為變電站及整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮積極作用。

系統(tǒng)最大監(jiān)測泄漏電流可達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)管理員可隨時了解現(xiàn)場避雷器運行的情況。

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，整套系統(tǒng)包含：采樣單元、信號處理單元、主控單元、上位機等功能模塊。

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，為監(jiān)測系統(tǒng)提供信號源。

2.2 信號處理單元

信號處理單元接收光頻率信號，然后轉(zhuǎn)換為電信號放大后由單片機進行集中編碼（每個信號處理單元可接收三套采樣單元的信號），然后使用RS485通訊協(xié)議將編碼信息傳送給主控單元（每個主控單元可接收四套信號處理單元的信息）；采樣單元與信號處理單元采用光信號傳輸，使用光纖作為信號媒介（最遠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模塊、RS232轉(zhuǎn)TCP/IP模塊，解碼后多路輸出，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，同時上傳于上位機、手機模塊、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

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

整套系統(tǒng)設(shè)計合理，模塊功能清晰明了：室外部分（包括采樣單元、信號處理單元）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]，放電時間精確至秒。

系統(tǒng)中應(yīng)用了通信、計算機、自動化等技術(shù)，并與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)有機融合，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)定運行發(fā)揮積極作用。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 電流采樣電路設(shè)計

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，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又能使信號不失真。

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振蕩電路實現(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)計壓敏電阻、電壓脈沖抑制器等保護回路，確保系統(tǒng)可靠運行。

圖1 電流采樣電路原理圖

本系統(tǒng)設(shè)計、制作下位機電路時所使用的軟件是Proteus，在對圖1所示的電流采樣電路進行設(shè)計和仿真的基礎(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文件后進行三維仿真。

圖2 光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路原理圖

3.2 光電轉(zhuǎn)換及信號處理電路設(shè)計

如圖2所示，采樣電路將泄漏電流轉(zhuǎn)換為光脈沖信號，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轉(zhuǎn)換為電信號，放大電路處理后進入以AT89 C2051為核心的編譯、運算中心。以AT89C2051為核心的信號處理中心主要由紅外接口電路、信號放大電路、信號跟隨電路、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)換及信號處理電路進行PCB設(shè)計時，會遇到部分器件在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制作所需要的元器件封裝，制作時可先依據(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；二是使用游標卡尺對元器件進行實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)計其對應(yīng)的PCB圖時，不能使用Proteus軟件中的自動布局和自動布線功能，而是需要手動布局和布線。手動布局布線時必須嚴格遵循PCB設(shè)計規(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，同時使PCB圖上兩個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

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；但由于遠距離的數(shù)據(jù)無線傳輸過程會瞬時消耗較大能量，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

作為一個管理終端，需要對監(jiān)測參數(shù)信息進行存儲，針對不同芯片的存儲特點，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，且擦寫次數(shù)有限，因此只適合存儲操作不頻繁的數(shù)據(jù)，如避雷器地址，放電時間等的存儲；而AT24C02芯片則被選為存儲器用來存儲電參數(shù)的計量數(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行顯示的功能和實現(xiàn)485通信、無線遠程傳輸?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)測裝置與上位機通信協(xié)議

通訊協(xié)議實現(xiàn)將實時監(jiān)測的避雷器信息通過RS-485上傳到上位通訊管理機的功能，本系統(tǒng)采用MODBUS協(xié)議進行通訊，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 上位機軟件設(shè)計

如圖3所示是監(jiān)測系統(tǒng)與計算機連接方法。監(jiān)測系統(tǒng)通過串口線連接到計算機的指定串口（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)用程序的計算機串口連接。轉(zhuǎn)換單元之間的通信采用485BUS方式實現(xiàn)，傳輸距離可達1200m。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)與計算機連接示意圖

上位機管理軟件是整個系統(tǒng)的最終人機交互接口，要根據(jù)系統(tǒng)整體框架、上中下位機的不同功能、通信協(xié)議和客戶的不同需求有針對性地進行設(shè)計。在遠程服務(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)進行遠端登錄后，對系統(tǒng)信息進行查看或者管理。

上位機程序設(shè)計使用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、實時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)，同時也可對數(shù)據(jù)進行讀存、清空、導(dǎo)出和打印等操作。

5.1 歷史數(shù)據(jù)的操作界面

用鼠標左鍵單擊上位機管理軟件主界面中的“查看歷史數(shù)據(jù)”按鈕，即可實現(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，且對放電時間自動保存，可供用戶隨時調(diào)用查看。系統(tǒng)連接成功后，則可查看放電次數(shù)及時間，在上位機管理軟件主界面中用鼠標左鍵雙擊“北京線”/“A相”下面的放電次數(shù)空白框，系統(tǒng)自動提取該相放電次數(shù)及時間（只能查詢連接成功有電流顯示相的放電次數(shù)及時間，每次只能查看一相）。

系統(tǒng)對每相的放電時間能保存42次。客戶可根據(jù)需要對查詢到的時間進行另存（在查詢結(jié)果頁面單擊鼠標右鍵，點擊“導(dǎo)出”按鍵，放電時間導(dǎo)出到Excel工作欄中，然后可以使用Excel功能時間數(shù)據(jù)進行另存、編輯、打印等操作）。導(dǎo)出另存完成后，如需要清空放電時間，回到上位機管理軟件主界面，單擊“系統(tǒng)管理”“清空放電次數(shù)及時間”，5s后系統(tǒng)自動完成清空操作。

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、計算機、自動化等技術(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，經(jīng)濟效益顯著，實現(xiàn)遠程數(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)定地運行。