基于nRF903无线在线监测系统的研究

【摘要】 针对目前国内氧化锌避雷器在线监测的研究发展，分析了在线监测的原理方法，进行了基于nRF903无线传输的氧化锌避雷器在线监测系统的研究设计，采用MSP430系列的MSP430F169作为微控制器芯片。

【关键词】 氧化锌避雷器 泄漏电流 在线监测 无线传输

一、引言

避雷器是电力系统运行中应用普遍的系统过电压保护装置，它承担着限制系统内因遭受雷击、谐波和操作等等所产生的各种过电压现象，起着至关重要的作用。但是实际中氧化锌避雷器自身的运行安全往往被忽略，随着氧化锌避雷器在长期的运行过程中承受运行电压的作用，其性能也将逐渐劣化，泄漏电流中的阻性成分将产生有功损耗，使阀片升温，严重时可能形成热崩溃导致避雷器损坏或爆炸。其过程相对比较缓慢，具有一定的隐蔽性，若不及时发现，一旦发生了爆炸事故，一般都造成系统停电，生产被迫中断，造成的间接损失往往不可估量。

随着自动化技术的发展及自动化水平的提高，电力系统高压设备的检修手段也在逐步改进，状态监测、状态评估及状态检修是未来电力系统的必然方向。在线监测MOA的运行状态，可以在不停电的情况下随时了解MOA运行的状态，及时发现可能出现的异常情况和事故隐患。采取预防措施，防止事故扩大造成经济损失，保证其在良好的状况下运行，这对于系统的安全运行，合理安排设备检修时间，节约费用等方面都具有很大的优越性。

为了确保MOA正常工作、防止故障的发生，传统的做法具有非常大的局限性。因此将采取无线在线监测方式对MOA进行状态跟踪，可以大大提高监测系统的灵活性、实时性、准确性，减少有线数据传输的误差及成本。

二、氧化锌避雷器在线监测原理及方法

因为氧化锌避雷器的无串联间隙结构，在持续运行电压作用下，由氧化锌阀片组成的芯片柱就要长期通过工作电流，即总泄漏电流。严格说来，总泄漏电流是指流过MOA内部阀片柱的泄漏电流，但测得的MOA总泄漏电流包括瓷套泄漏电流、绝缘杆泄漏电流及阀片柱泄漏电流三部分。一般而言，阀片柱泄漏电流不会发生突变，而由污秽或内部受潮引起的瓷套泄漏电流或绝缘杆泄漏电流比流过MOA内部阀片柱的泄漏电流小得多。因此，在天气好的条件下，测得的MOA总泄漏电流一般都视为流过MOA阀片柱的泄漏电流。

由于MOA芯片柱是由若干非线性的阀片串联而成的，通过MOA的总泄漏电流是非正弦的，因此不能用线性电路原理来求总泄漏电流。为此，国内外常用阻容并联电路来近似等效模拟MOA非线性阀片元件，常简化为下图1的等效电路。

流过MOA的总泄漏电流可分为阻性电流IR与容性电流Ic两部分。导致阀片发热的有功损耗是阻性电流分量。因R为非线性电阻，流过的阻性电流不但有基波，而且还含有三次、五次及更高次谐波，只有阻性电流的基波才产生功率损耗。虽然总泄漏电流以容性电流为主，阻性电流仅占其总泄漏电流的10%～20%左右，但容性电流的变化很小，相对阻性电流随时间的变化量，容性电流的变化量可忽略不计。因此对MOA泄漏电流的监测应以阻性电流为主。

氧化锌避雷器的在线监测主要有全电流法、补偿法测量阻性电流、三次谐波法、基波电流法等等，这几种方法在不同的在线监测装置中均得到了应用，本设计采用国内目前已经应用比较成熟的阻性电流法，即从全电流中分离出阻性电流，以此来进行分析、判断。

三、氧化锌避雷器无线在线监测系统设计

3.1 设计理念

交流氧化锌避雷器无线监测系统的设计理念是：（1）通过控制单元检测避雷器泄露电流中阻性分量，对避雷器进行实时监控；（2）采用短距离无线通信模块，由于无线发送时耗电量较大，控制电路适时地开关通信模块；（3）设计电路做到抗干扰能力强、信号传输稳定、低功耗；（4）大大提高监测系统的灵活性、实时性，减少有线数据传输的误差及成本。

该理念的特点是检测准确、安全及时、可靠节能，其能够进行真实有效的现场数据采集及无线传输。对于现场采集端必须能够全天候的正常工作，同时稳定的数据传输方案将给监测系统提供强大的技术支持，因此硬件电路必须具有很高的监测灵敏度及良好的抗干扰能力。本系统对MOA进行状态监测，需采集MOA总泄漏电流及雷击次数。

3.2 监测模块硬件电路设计

3.2.1 微控制器部分电路设计

监测模块的硬件系统包括数据采集、数据处理和无线接口电路三大部分，所设计的硬件电路必须能实现在高准确度和高精度下的信号获取、处理及长时间工作等功能。因此系统的 监测模块选取MSP430系列的MSP430F169作为微控制器，其工作电压范围在1.8至3.6V，待机模式下电流消耗仅为1.1uA，关闭模式下（RAM保持）电流消耗仅为0.2uA，MSP430F169有五种省电模式，从等待方式唤醒时间仅为6us，16位RISC结构，125ns指令周期，内置3通道DMA，可满足系统快速唤醒、低功耗及准确获取信号进行处理的工作需求。MSP430F169控制电路图如图2所示。

由于氧化锌避雷器总泄漏电流只有微安级，而现场干扰较严重。因此，必须采用灵敏度高的微电流传感器，串入避雷器的接地回路，在放电计数器下方取电流信号，电流传感器电路图如图3所示。补偿电压信号则由母线电压互感器（PT）二次侧获取。

3.2.2 无线射频电路设计

系统采用nRF903作为无线收发芯片，其电路图如图4所示，其工作电压范围可以从2.7～3.3V，接收待机状电流消耗为600pA，低功耗模式电流消耗仅为1uA，可满足低功耗设备的要求。nRF903具有多个频道（最多170个以上），特别满足需要多通道工作的特殊场合，适合采用跳频协议。

nRF903的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线，所有的参数包括工作频率和发射功率都可以通过一个l4位的配置寄存器用串行线（CS、CFG―CLK和CFG ―DATA）进行设置。

nRF903内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几个部分。发射电路含有：射频功率放大器、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的基准频率。振荡电路采用锁相环（PLL）方式，由在DDS基础上的频率合成器、外接的无源回路滤波器和压控振荡器组成。压 控振荡器由片内的振荡电路和外接的LC谐振回路组成。要发射的数据通过DATA端输入。

接收电路包含有：低噪声放大器、混频器、中频放大器、GFSK解调器、滤波器等电路。低噪声放大器放大输入的射频信号；混频器采用2级混频结构，第一级中频10.7136MHz， 第二级中频345.6kHz。中频放大器用来放大从混频器来的输出信号；中频放大器的输出信号经中频滤波器滤波后送入GFSK解调器解调，解调后的数字信号在DATA端出。

3.3 软件设计

3.3.1 主程序设计

主程序首先对系统进行初始化，其中包括系统时钟初始化、I/O口初始化、嵌套向量中断控制器初始化、外部中断初始化、SPI初始化和NRF903无线收发模块初始化。初始化完成后，NRF903模块随即进入低功耗休眠模式，该模式每隔1s醒来侦听是否有有效电平。MSP430F169开放电磁波唤醒中断及雷击计数中断，然后立即进入停止模式，以期将电流消耗降到最小。停机模式可以使MSP430F169达到最低的电能消耗，在这种模式下，可以通过任何一个配置成EXTI的信号把芯片从该模式下唤醒。

3.3.2 中断程序设计

MOA无线在线监测系统的中断程序分为电磁波唤醒中断和雷击计数中断两个，雷击计数中断的优先级高于电磁波唤醒中断，这两个中断都可以将MSP430从停机模式唤醒。NRF903每隔1s将对电磁波进行侦听，当侦听到有效波时唤醒MSP430F169，监测模块将开启10s定时器进行工作，然后MSP430F169将配置NRF903进入接收状态。否则进入休眠状态，等待下次被唤醒；当10s内接收到中心节点的命令时，监测模块将在执行完相应命令程序后返回主程序，对NRF903无线模块进行重新配置，最后进入休眠状态，等待下次被唤醒。

当有雷击过电压或者操作过电压发生时，光电耦合器将导通，从而触发雷击中断。中断发生后，MSP430F169将被唤醒进入中断程序，中断程序将在原先次数上加一后返回，然后MSP430F169进入休眠模式。雷击次数将不会立即发送给接收单元，只有当后台需要知道雷击次数或者泄漏电流时才将数据发送给接收单元，也可由接收单元通过USB传送给后台显示。

四、结束语

本文设计的氧化锌避雷器无线在线监测系统可对避雷器进行实时监控。系统结构简单，功耗低，抗干扰能力强，数据传输稳定，通过低功耗电路设计使系统工作时限大大延长，提高了变电站运行的安全性。采用短距离无线通信技术，大大提高监测系统的灵活性、实时性、准确性，减少有线数据传输的误差及成本。