基于无线通信网络的金属氧化物避雷器在线监测系统的研制

【摘 要】笔者在分析金属氧化物避雷器（MOA）在线监测系统原理和方法的基础上，设计了基于ZigBee无线通信网络的避雷器监测系统。该系统采用TMS28335作为避雷器监测装置的主控芯片，监测装置与协调器之间采用ZigBee无线通信网络，避雷器监测IED与后台系统之间采用IEC61850通信规约，整套系统满足智能变电站应用要求。

【关键词】MOA；在线监测装置；ZigBee

Development of the On-line Monitoring system of MOA based on wireless communicating network

MA Dong-ling1 KOU Xin-min1 MAO Zhi-kuan1 XU Dian2

（1.Henan Pinggao Eletric Co.，Ltd，Pingdingshan Henan 467001，China；2.Pingdingshan Quality Supervision and Testing Center，Pingdingshan Henan 467001，China）

【Abstract】Based on analyzing the principle and the method of On-line Monitoring of Metal Oxide Surge Arrester（MOA）， the author designed a MOA monitoring system using ZigBee wireless communicating network. The system uses TMS28335 as the main chip，and ZigBee Communication Network is adopted between the Monitor and the Coordinator. IEC61850 protocol is used between the MOA monitor IED and the background system. The whole system meet the requirements of the Intelligent substation.

【Key words】MOA；On-line Monitoring device；ZigBee

0 引言

金属氧化物避雷器（MOA）是20世纪70年代初期出现的新型过电压保护电器。MOA以其优异的非线性、大的通流能力以及更高的运行可靠性逐渐成为电力系统过电压保护的主要装置[1]。为减少因MOA老化、受潮等因素造成的电力事故，通常采用MOA监测装置进行在线监测，来预防因MOA故障而造成的电力事故。

但传统的做法具有一定的局限性，如在对老站进行智能化改造时，需要电缆布线，必然会破坏现场环境等，因此采用无线通信技术的避雷器在线监测系统将可大大降低现场施工强度。

1 MOA在线监测原理

图1为MOA阀片在单相小电流下的电路等效模型，它是由一个非线性电阻R与线性电容C并联而成，设U为设备运行电压，I为避雷器总泄漏电流，其中IR为阻性电流，IC为容性电流。容性电流分量产生的无功损耗并不会使避雷器阀片发热，导致避雷器阀片发热的是阻性分量产生的有功损耗[2]。

图1 MOA等效电路

MOA在正常运行时，阻性电流分量很小，占泄漏全电流的5%～20%，此时的泄漏电流以容性电流分量为主导。但当避雷器老化、受潮、过电压时，其泄漏电流在幅值和波形上会有很大变化，研究表明该变化主要是由于阻性电流分量的非线性快速增长造成的，因此监测阻性电流变化才能真正反映出MOA的运行状态。[3]

目前从全电流中分离出阻性电流的方法比较多，其中基波分析法可排除MOA两端电压所含谐波对测量阻性电流基波分量的影响。[4-5]其基本原理是监测装置采集一定周期内的MOA泄漏电流，经快速傅里叶变换（FFT）算法提取泄露电流中基波电流幅值和相角，同时采集避雷器母线电压信号，经FFT得到电压信号的相角，进而得出全电流与电压之间的相角差，从而得到避雷器的阻性电流。[6]

2 基于无线通信网络的MOA在线监测系统结构

基于无线通信的MOA在线监测系统由MOA监测装置、协调器、MOA监测IED及后台系统组成，如图2所示。其中MOA监测装置在协调器和IED的统一调度下完成MOA泄漏电流及PT输出电压信号的采集。IED完成阻性电流、容性电流、阻容比等参量的计算处理以及IEC61850协议转换等功能。

图2 MOA在线监测系统结构示意图

3 MOA在线监测系统硬件设计

根据图2 MOA在线监测系统结构示意图，该系统的硬件主要包括MOA监视装置、协调器、避雷器监测IED三部分。

3.1 MOA监测装置硬件设计

在进行MOA泄露电流采集时，要求无失真地将泄漏电流幅值信号及相位信号引入MOA监测装置，同时为保证系统绝缘性能不受影响，要求采集装置与被测系统之间保持有效的电气隔离，因此系统选用高精度穿芯式零磁通电流互感器对总泄漏电流进行采集。电压互感器（PT）是将一次侧的高电压转换为二次侧的低电压的电力设备，通过采集PT输出电压信号即可获知系统电压的相位信息。由于PT输出为高电压信号，无法直接输入AD采集，且需要高精度采集，因此首先选用无感电阻网络进行压流转换，得到电流信号后，通过零磁通电流互感器采集该电流信号，进一步获取系统电压的相位信息。

为保证得到MOA泄露电流精准的幅值和相位信息，采用ADI公司出品的250kSPS、6通道、双极性16bit同步采样模数转换芯片AD7656对传感器的输出信号进行高速高精度采集。由于需要对采集到的信号进行FFT变换等数字信号处理计算得到泄漏电流和系统电压的幅值和相位信息，因此选用TI的DSP芯片TMS28335作为主控制器。

CC2520是针对2.4GHz ISM频带的第二代ZigBee RF收发器，该器件可实现最佳的连接性、共存性与优异的链路预算，可满足各种应用对于ZigBee与专有无线系统的要求。因此本监测装置选用TI的CC2520作为ZigBee无线通信收发芯片，其与TMS28335之间采用SPI通信方式。

为捕捉到避雷器的放电信号，采用电流互感器采集避雷器放电时泄放的电流信号，电流互感器与TMS28335之间采用光耦隔离，并在电流互感器输出端加压敏电阻和TVS管保护。由于需要精确记录避雷器放电时间，因此需要选择高精度的RTC时钟芯片，美信公司出品的DS3231时钟芯片内部集成温补晶体振荡器（TCXO）和晶体，其时钟精度达到±3.5ppm，快速（400kHz）I2C接口，完全满足记录避雷器放电时间的要求。

图3 MOA监测装置结构框图

3.2 协调器硬件设计

ZigBee中的协调器是整个网络的开始，具有网络的最高权限，是整个网络的维护者，还可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。本系统选用TI的CC2538作为协调器的硬件芯片，CC2538是一款针对高性能Zigbee 应用的理想片上系统（SoC）。它包含一个强大的基于ARM Cortex M3的微控制器（MCU）系统，此系统具有高达32K片载RAM和512K片载Flash，这使得它能够处理具有安全性、包含要求严格的应用以及无线下载的复杂网络堆栈。与德州仪器（TI） 提供的免费使用Z-Stack PRO或Zigbee IP堆栈组合在一起，CC2538提供市面上功能最强大且可靠耐用的Zigbee 解决方案。

3.3 避雷器监测IED

为简化设计，提高系统可靠性，避雷器监测IED选用成熟的工控机产品，如研华科技推出的UNO-4671无风扇电力专用嵌入式工控机。

4 MOA无线监测系统软件设计

4.1 MOA监测装置软件设计

主程序首先对系统进行初始化，包括系统时钟、I/O口、嵌套向量中断控制器、外部中断、CC2520无线收发模块等。初始化完毕后，CC2520和TMS28335即进入低功耗休眠模式。

TMS28335的中断处理主要包括AD采集中断、CC2520唤醒中断和雷击计数中断等。其中雷击计数中断和CC2520唤醒中断都可以将TMS28335从停机模式唤醒。当CC2520侦听到有效电磁波时将触发唤醒中断，唤醒TMS28335。TMS28335根据协调器发送的指令完成相应操作，如数据采集、数据发送、对时、参数修改等，并通过CC2520向协调器返回监测数据或执行状态。

4.2 协调器软件设计

协调器的软件设计主要是结合TI提供的Zigbee SDK协议栈，完成与各MOA监测装置（节点）的通信链路建立、指令及数据收发，并将各节点上传的监测数据以RS-485 Modbus通信协议的方式发送给MOA监测IED。

5 结束语

基于无线通信网络的MOA在线监测系统采用ZigBee无线通信技术和大容量电池或太阳能板供电，使系统结构简单、施工方便、抗干扰能力强。同时MOA监测装置与MOA以及变电站电源间没有任何直接电气联系，提高了整个监测系统的安全性和电气可靠性。

【参考文献】

[1]万帅，陈家宏，谭进，等.±500kV直流输电线路用复合外套带串联间隙金属氧化物避雷器的研制[J].高电压技术，2012，38（10）.

[2]葛猛，韩学坤，陶安培，等.金属氧化物避雷器阀片老化缺陷的诊断及原因分析[J].高压电器，2009，45（3）.

[3]高峰，郭洁，徐欣，等.交流金属氧化物避雷器受潮与阻性电流的关系[J].高电压技术，2009，35（11）.

[4]殷雄开，邵涛，高翔，等.金属氧化物避雷器检测方法的现状与发展[J].高电压技术，2002，28（6）.

[5]蔡晓波，石佳，陈小毓，等.基于数学形态学的金属氧化物避雷器泄漏电流在线检测方法[J].高压电器，2010，46（1）.

[6]陈孔阳.变电站电气设备绝缘性能在线监测数据处理算法的研究[D].中南大学，2011.

[7]刘君，吴广宁，周利军，等.零磁通传感器的研究[J].电力自动化设备，2009，29（8）.

[8]王东，张金荣，魏延，等.利用ZigBee技术构建无线传感器网络[J].重庆大学学报：自然科学版，2006，29（8）.