基于ZigBee技術(shù)的避雷器泄漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋鑫源

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南 文山 663000）

0 引 言

避雷器是電力系統(tǒng)中十分重要的安全運(yùn)行保障設(shè)備，其狀態(tài)會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。在變電站中，避雷器在線監(jiān)測(cè)設(shè)備被廣泛應(yīng)用，其最大的優(yōu)勢(shì)是不需要為其提供電源，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)全電流和雷擊次數(shù)的準(zhǔn)確讀數(shù)[1]。隨著科技的快速發(fā)展，變電站也進(jìn)行了多次大規(guī)模的智能化建設(shè)和改造，因此傳統(tǒng)避雷器及其配套的監(jiān)測(cè)設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中存在的弊端也逐漸顯現(xiàn)[2]。例如，目前的檢測(cè)方法都是以全流法為基礎(chǔ)，這種檢測(cè)方法雖然簡(jiǎn)潔明了，但是不能精確反映避雷器的運(yùn)行情況；由于不具備網(wǎng)絡(luò)的傳送條件，因此不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，也不能實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享；需要人工操作的方式完成變電站現(xiàn)場(chǎng)的抄表，且抄表間隔時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題。在當(dāng)前大多數(shù)變電站中，避雷器通常已經(jīng)使用了較長(zhǎng)時(shí)間，在變電運(yùn)行中，避雷器由于閥片老化和電氣性能降低等，極易發(fā)生爆炸事故，對(duì)其安全運(yùn)行會(huì)造成極大威脅[3]。針對(duì)此問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)避雷器的安全使用，充分發(fā)揮其安全作用，本文將結(jié)合ZigBee 技術(shù)，開展對(duì)避雷器泄漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在避雷器運(yùn)行過(guò)程中將接地電流作為取樣裝置的電源，將泄漏電流參數(shù)的數(shù)值大小轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖頻率，能夠?qū)Ρ芾灼鞯男孤╇娏魇鹿蕟?wèn)題進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。避雷器泄漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 避雷器泄漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器泄漏電量的測(cè)定、在傳輸中的無(wú)源采樣以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?shù)?，設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1 所示。從圖1 可以看出，避雷器的全部電流通過(guò)電流采樣裝置，能把小電流的變化量轉(zhuǎn)化為與電流幅值成比例的光學(xué)信號(hào)，然后通過(guò)一根纖維將其送到接收變換裝置，經(jīng)過(guò)接收變換電路，由CPU 對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行處理，然后通過(guò)一個(gè)RS485 串行總線將其送到顯示報(bào)警和微型計(jì)算機(jī)[5]。該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以顯示、打印所有避雷器的操作數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，還可以充當(dāng)供電局內(nèi)部局域網(wǎng)的工作站，各個(gè)功能部門可以通過(guò)局域網(wǎng)和調(diào)度終端，查詢操作過(guò)程中避雷器泄漏電流的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史狀況。

2 系統(tǒng)硬件選型設(shè)計(jì)

結(jié)合上述構(gòu)建的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本框架，電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的取樣。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行條件，本文選擇將型號(hào)為GMC-ICP41 的電流傳感器作為系統(tǒng)的電流取樣裝置。該型號(hào)電流傳感器的監(jiān)測(cè)精度為0.1%；電流范圍為4 ～40 A；帶寬為直流15 ～400 Hz；輸出信號(hào)為電流/電壓信號(hào)；工作溫度為-25 ～+85 ℃；響應(yīng)時(shí)間小于1 μs；額定電流為500 A；安裝方式為螺釘固定安裝。將該型號(hào)電流傳感器與每個(gè)避雷器進(jìn)行連接。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量避雷器漏電電流、電阻電流以及雷擊次數(shù)的傳感器。利用無(wú)線通信技術(shù)，收集各傳感器的信息，再將這些信息發(fā)送到避雷器監(jiān)控的智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device，IED）。避雷器在線監(jiān)測(cè)傳感器能夠有效監(jiān)控觀測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)避雷器的內(nèi)部問(wèn)題進(jìn)行判定，從而防止避雷器出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象[6]。除此之外，該型號(hào)傳感器中應(yīng)用了低功耗的電子部件和智能節(jié)點(diǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)2 年的不間斷運(yùn)行，并且不需要監(jiān)測(cè)人員頻繁更換設(shè)備，為監(jiān)測(cè)提供便利條件。

避雷器全電流信號(hào)的采集和處理需要結(jié)合ZigBee技術(shù)，因此在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)ZigBee 芯片進(jìn)行合理選擇。選用MC46540 型號(hào)ZigBee 芯片，電壓為2.0 ～3.6 V；微控制器為增強(qiáng)型C8040；隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random-Access Memory，RAM）為8 KB 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Static Random-Access Memory，SRAM），4 KB Data； 支 持ZigBee04/06/SimpliciTI；接收靈敏度為-90 dBm；輸出功率為4.5 dBm；工作電流RX 為27 mA，TX 為25 mA。

3 基于ZigBee 技術(shù)的避雷器全電流信號(hào)采集與處理

一般采集電流信號(hào)會(huì)轉(zhuǎn)化為采集電壓的方式，也就是在MOA 計(jì)數(shù)器電路前端特定位置，加上一個(gè)高精度和大功率的電阻，在其兩端采集電壓，通過(guò)電流與電壓的正比關(guān)系，可以反映同一相的全電流。在計(jì)數(shù)器電路的前端穩(wěn)壓電路中，假設(shè)存在一個(gè)高精度、高功率的電阻R1。通過(guò)采集R1兩端的電壓實(shí)現(xiàn)避雷器全電流的采集。已有電路的探測(cè)電流為弱信號(hào)，需要進(jìn)行放大處理，但弱信號(hào)自身的起伏、背景及放大器的噪音等因素會(huì)使其在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。處理這種信號(hào)，需要放大、濾波后才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的探測(cè)[7]。在濾波前需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，其公式可表示為

式中：ρx(t)為歸一化處理后的信號(hào)；Rx(t)為相關(guān)性函數(shù)；Rx(0)為歸一化處理前信號(hào)。用自相關(guān)性函數(shù)區(qū)分開噪聲分量和有用分量后，噪聲中可能會(huì)存在部分有用信號(hào)，以此對(duì)部分噪聲信號(hào)進(jìn)行平滑濾波處理。SG 濾波器對(duì)信號(hào)的平滑去噪具有良好的效果，引入SG 平滑濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理。針對(duì)所探測(cè)到的弱電流信號(hào)，利用一種高精度的電阻器對(duì)其進(jìn)行電流和電壓的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸?shù)揭粋€(gè)低二階有源低通濾波器中。濾波后的信號(hào)送至MC46540 型號(hào)ZigBee 芯片的A/D 轉(zhuǎn)換端口。系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)ZigBee 發(fā)布監(jiān)測(cè)中心的控制命令后，開始對(duì)避雷器泄漏電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

4 避雷器泄漏電流在線監(jiān)測(cè)

結(jié)合量子粒子群算法，對(duì)避雷器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，先確定避雷器泄漏電流在線監(jiān)測(cè)目標(biāo)函數(shù)，將避雷器的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為一種非線性并聯(lián)電容器，其漏電流可用公式表達(dá)為

式中：ix為避雷器泄漏電流；ir為流過(guò)非線性電阻阻性泄漏電流；ic為晶粒邊緣電容中的電容電流。隨著避雷器的不斷老化，阻性電流分量會(huì)逐漸增加。阻性泄漏電流的計(jì)算公式可表示為

式中：k、α為非線性系數(shù)；u為電壓。隨著避雷器的不斷老化，k值會(huì)逐漸增加，而α值會(huì)逐漸減小，因此可用2 個(gè)非線性系數(shù)表示阻性電流的變化情況。監(jiān)測(cè)過(guò)程需要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)值與避雷器正常運(yùn)行時(shí)的參數(shù)作對(duì)比，并計(jì)算求解其差值平方和χ。χ 的計(jì)算公式可表示為

式中：?t為采樣間隔時(shí)間；N為采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)；im為實(shí)際測(cè)量得到的避雷器泄漏電流。將上述公式作為目標(biāo)函數(shù)，利用量子粒子群算法對(duì)非線性參數(shù)進(jìn)行求解，根據(jù)求解的參數(shù)結(jié)果判斷避雷器是否存在泄漏電流。

5 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

通過(guò)上述論述，完成了對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在硬件方面和軟件方面的設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否具備實(shí)際應(yīng)用可行性，以及監(jiān)測(cè)結(jié)果是否優(yōu)于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

將基于改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）算法的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和基于時(shí)頻分析法的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別作為對(duì)照I 組和對(duì)照II 組，將基于ZigBee 技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組。利用3 種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某變電站中的避雷器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判定變電站是否存在泄漏電流問(wèn)題。該變電站中使用的避雷器型號(hào)為HY5WS-17，溫度范圍為-40 ～+40℃；電壓為10 ～35 kV；沖擊耐受為40 kA；海報(bào)高度不超過(guò)2 000 m；最大風(fēng)速不超過(guò)35 m/s。該型號(hào)避雷器具備發(fā)電距離大、不懼水以及耐污等優(yōu)勢(shì)。為對(duì)比3 種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度，選擇將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值之間的相對(duì)誤差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，相對(duì)誤差值越大，則監(jiān)測(cè)精度越?。幌鄬?duì)誤差值越小，則監(jiān)測(cè)精度越大。相對(duì)誤差的計(jì)算公式可表示為

式中：ε為相對(duì)誤差；σ為絕對(duì)誤差，可通過(guò)實(shí)際值與監(jiān)測(cè)數(shù)值相減取絕對(duì)值得出；m表示實(shí)際值。3 種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同一時(shí)刻對(duì)上述HY5WS-17 型號(hào)避雷器的泄漏電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，人為設(shè)置在20 s 時(shí)刻出現(xiàn)泄漏電流，且泄漏電流逐漸增加。基于該條件下完成實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，如表1 所示。

表1 3 種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果記錄表

從表1 數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組監(jiān)測(cè)結(jié)果的ε值均控制在0.001 1 ～0.001 3，說(shuō)明監(jiān)測(cè)結(jié)果和實(shí)際值之間相差極小，而對(duì)照I 組和對(duì)照II 組監(jiān)測(cè)結(jié)果的ε值控制在0.012 ～0.016，說(shuō)明監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值之間相差較大。因此，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于ZigBee 技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)避雷器泄漏電流的監(jiān)測(cè)精度極高，可以為避雷器運(yùn)行安全提供保障，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)避雷器的泄漏問(wèn)題，從而降低損失。

6 結(jié) 論

基于ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，分別從理論和實(shí)踐2 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器泄漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。避雷器作為電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，在確保電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的同時(shí)，其自身的運(yùn)動(dòng)狀況也在不斷劣化和老化。因此，本文研究對(duì)提升避雷器的安全性以及變電站整體運(yùn)行的安全具有十分重要的意義。由于避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，因此監(jiān)測(cè)得到的結(jié)果具有一定局限性，在后續(xù)的研究中可以對(duì)避雷器的等效模型進(jìn)行深入研究，為避雷器泄漏電流的監(jiān)測(cè)奠定基礎(chǔ)。