高压GIS 局部放电报警系统设计*

许松枝，汪 沨，叶衍林，申 晨，皮建民，陈晓林

(湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410012)

0 引 言

GIS，SF6气体绝缘组合电器［1］具有占地面积小、元件全部密封不受环境干扰、运行可靠性高、运行方便、检修周期长、维护工作量小、安装迅速、运行费用低、无电磁干扰等优点。GIS 虽然故障少，但是一旦发生故障，后果将非常严重［2］。局部放电是GIS 绝缘劣化的前兆，又会使绝缘进一步劣化，因此，检测局部放电信号是对GIS 绝缘检测和诊断最有效的方法［3］。市场上现有的GIS 局部放电检测设备虽然能够检测到局部放电信号并判断出局部放电的类型和位置［3～5］，但其有以下缺点:1)整套系统只有一只或者几只传感器，不能对整个GIS 站进行持续的监测;2)有线连接，使用操作不方便且有潜在危险;3)成本高昂，不适宜推广。

近年来，无线传感器网络(WSNs)技术也得到了快速的发展，广泛用于智能家居、医疗监控、工业控制等领域［6～10］。

本文针对GIS 局部放电监测，设计了一种基于WSNs和GSM 的GIS 局部放电报警系统，通过采集GIS 局部放电产生的UHF 信号进行处理和分析，实现了对GIS 局部放电的报警。和现有GIS 局部放电检测设备比，本设计主要具有以下三个优点:1)能够对整个GIS 站进行持续的监测，并可以根据GIS 站的大小，灵活设计传感器节点的个数;2)采用了无线通信，使用起来既方便又安全;3)传感器节点采用nRF24L01 无线模块［9，10］跟信息中转站通信，信息中转站再通过GSM 模块跟外界通信，整个系统只需要一个GSM模块［5］，降低了整套系统的成本。

1 系统硬件设计

1.1 监测系统的总体结构

GIS 局部放电检测系统由众多传感器节点和一个信息中转站两部分组成。传感器节点负责收集GIS 工作状态和该节点供电电池电压，并通过nRF24L01 无线模块将信息单向发送给信息中转站。信息中转站用来将各个传感器节点发送来的信息通过GSM 方式无线传输给GIS 站管理员，另外，还能接收GIS 站管理发来的命令短信。信息中转站和传感器节点之间采用单向通信，而信息中转站和GIS 站管理员之间采用双向通信。系统的总体结构框图如图1 所示，1#～6#为传感器节点。

图1 报警系统总体结构框图Fig 1 Overall structure block diagram of alarming system

1.2 传感器节点硬件设计

传感器节点由UHF 传感器、检波比较模块、低功耗单片机MSP430G2553 单片机、nRF24L01 无线模块以及电源管理模块组成。当GIS 发生局部放电，将伴随有UHF 信号产生，UHF 传感器接收该信号，检波比较模块再将该信号降频并数字化，然后输入到单片机内进行处理和分析，最后单片机控制nRF24L01 无线模块将给信息中转站发去报警信息。另外，单片机还能对传感器节点的供电模块的电压进行监测，当电压不足时，单片机也将控制nRF24L01 无线模块向信息中转站发出报警信息。传感器节点硬件框图如图2(a)所示，实物图如图2(b)所示。

传感器节点要固定在GIS 盆式绝缘子，故只能采用质量轻的小容量锂电池供电。由于功耗较大且整个系统中传感器节点数量众多，为了减少换电池的工作量，传感器节点除单片机外的模块采用每间隔6h 工作一次的模式。在传感器节点的电源模块做特殊设计，采用TPS7A4533 稳压给单片机持续供电，采用TPS7A4501 稳压给其他模块供电，其中TPS7A4501 的使能端接单片机的IO 口，可以程序控制关闭和启动。

1.3 信息中转站硬件设计

图2 报警系统传感器节点Fig 2 Sensor node of alarming system

信息中转站由GSM 模块、低功耗单片机MSP430G2550单片机、nRF24L01 无线模块和供电单元组成。它的功能是利用GSM 模块将传感器节点发来的信息通过手机短信的形式发送给GIS 站管理员，还可通过接收GIS 站管理员发来的信息更改系统的设置。另外，单片机还能监测中转站的供电单元的电压，当电压过低时，也将通过手机短信的形式给GIS 站管理员发去报警信息。信息中转站的硬件框图如图3 所示。

图3 信息中转站的硬件框图Fig 3 Hardware block diagram of information transfer station

2 系统软件设计

2.1 WSNs 构建

本套系统的WSNs 由成本低廉的nRF24L01 无线模块组成，采用单向无应答模式，传感器节点的nRF24L01 无线模块均设为发送模式并指定不同的地址，信息中转站的nRF24L01 无线模块设为接收模式，通过循环改变接收地址接收各个传感器节点发送的信息实现一对多的功能，而且传感器节点的数量可以根据需求来设定。

2.2 传感器节点软件设计

为了保证GIS 局部放电报警系统的实时性和低功耗性，设计了传感器节点的两种工作模式:低功耗模式和正常模式。传感器节点大部分时间在低功耗模式下工作，每隔6 h进入一次正常模式。

低功耗模式下，将传感器节点中给检波比较模块和nRF24L01 无线模块的电源芯片失能，同时，MSP430G2253单片机是低功耗单片机，低功耗模式下，耗电量极少。

正常模式下，传感器节点的各个模块都正常工作，耗电量稍大。每次进入正常模式，检波比较模块大概工作5 min，当GIS 无局部放电产生时，传感器节点将关闭检波比较模块，再启动nRF24L01 无线模块，并工作10 min，以保证信息中转站能接收到该节点发出的信号。

在以上两种模式交替工作的配合下，同时保证了GIS局部放电报警系统的实时性和低功耗性。传感器节点的软件流程图如图4 所示。

图4 传感器节点的软件流程图Fig 4 Software flow chart of sensor node

2.3 信息中转站软件设计

为了保证信息中转站能够不遗漏地接收到各个传感器发来的信息，信息中转站一直处于工作模式，通过不断更改循环nRF24L01 无线模块的接收地址实现一对多的功能，当电池电压过低或者接收到传感器节点的报警信息后，通过GSM 模块给GIS 站管理员发送报警信息。同时，信息中转站还能处理GSM 模块接收的信息，GIS 站管理员可以通过发送特殊格式的短信来更改信息中转站向哪个手机号码发送短信。信息中转站软件流程图如图5 所示。

图5 信息中转站软件流程图Fig 5 Software flow chart of information transfer station

3 系统性能评价

研发GIS 局部放电报警系统时，设计了6 个传感器节点和1 个信息中转站，将传感器节点编号为1#～6#，并进行系统性能测试。

3.1 nRF24L01 有效通信距离测量

nRF24L01 无线模块的最大有效工作距离决定着本套系统能够监测得到的空间最大范围。在实验室分别对本系统中6 个传感器节点和信息中转站的nRF24L01 无线模块稳定通信的有效距离进行测量，测得的结果见表1。

表1 nRF24L01 有效通信距离Tab 1 Effective communication distance of nRF24L01

从表1 可以看出:nRF24L01 无线模块最小的有效通信距离为64 m，也就意味着该系统能够监测到以信息中转站为中心，以64 m 为半径的圆的空间范围。

3.2 系统预警准确度测试

为测试本系统预警的准确性，联系了许继(厦门)智能电气设备股份有限公司做现场测试，三相共筒式GIS 实验模型如图6(a)所示，实验装置如图6(b)所示。

实验分两种进行:1)让GIS 装置正常工作，测试系统是否会误报警;2)在GIS 的一相电极上加上3 cm 的金属突出物作为局部放电源，如图6(c)所示，当电压加到一定值时，将会发生局部放电，从而测试系统是否会漏报警。经过多次重复测试，测试结果见表2。

表2 系统预警测试结果Tab 2 Early-warning test results of system

从测试结果可以看出:该系统预警的准确度非常的高，几乎不会出现有误报或漏报警的情况，具有很高的可信度。

3.3 系统的功耗分析

表3为用U1252B分别对传感器节点3个工作状态的功耗进行测量的结果。状态1:低功耗模式，此模式下只有单片机工作;状态2:传感器节点处于正常工作模式，检波比较模块启动，nRF24L01 无线模块关闭;状态3:传感器节点处于正常工作模式，检波比较模块关闭，nRF24L01 无线模块启动。

表3 传感器节点功耗测量结果Tab 3 Power consumption measurement results of sensor node

图6 测试示意图Fig 6 Schematic diagram of test

正常情况下，传感器节点在6 h 状态1 和5 min 状态2下交替循环，如采用1 000 mAh 的锂电池供电，该系统能大约持续工作超过5 069 h，即211 天。当GIS 发生局部放电时，传感器节点在6 h 状态1，5 min 状态2 和10 min 状态3下交替循环，采用1 000 mAh 的锂电池供电，该系统能大约持续工作超过1 838 h，即76 天。

经测量信息中转站功耗为14.3 mA，功耗较大，然而它不需要固定在GIS 上，体积大小不受限制，故采用20 Ah 的铅酸电池供电，能持续工作超过1 398 h，即58 天。

4 结 论

本文设计的三个创新点:1)传感器节点的检波比较模块实现了对UHF 信号的降频，从而降低了检测电路的开发难度;2)传感器节点的电源管理模块在软件的配合下降低了系统的功耗，减少了换电池的工作量;3)传感器节点和信息中转站之间采用低成本的nRF24L01 模块通信，降低了系统的成本。实验结果表明:该系统监测范围广，准确度高，功耗小，且扩展性好，具有良好的应用前景。

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