避雷器在线监测同步控制通信机的嵌入式系统设计

徐斌++陈琳++付东丰

摘 要基于无线通信技术，提出了一种金属氧化物避雷器（MOA）在线监测系统结构，分别介绍了组成本系统的MOA检测终端、电压汇集采样装置和同步通信控制器。针对MOA电流电压同步采用的难题，提出了一种通过同步通信控制器集中控制采样的方法。同步通信控制器通过GPS或者SNTP授时，并且通过无线通信方式同步系统其它设备。研究结果表明，该系统可准确地监测MOA的状态。

【关键词】MOA 同步通信 在线监测

1 引言

作为一种广泛使用于电网中的过电压保护设备，无间隙金属氧化物避雷器（MOA）具有响应快、通流容量大、残压低、结构简单等优点。通常高压电力线路均通过MOA与大地相连，在长期的工频高压，以及风霜雨雪、高低温、污秽等不断变化的外部環境作用下，MOA会缓慢老化、绝缘劣化，甚至发生故障。一旦MOA发生故障，本身将损坏甚至是爆炸，同时其他电气设备将失去过电压保护，其性能好坏直接影响电网的安全运行。所以需要实时监测其运行状态，及早发现并处理潜在的安全隐患。

阻性泄漏电流是衡量MOA健康状态最重要的参数，它的测试需要同步采样MOA电压和漏电流。当前电网中金属氧化物避雷器监测系统仍然以传统的机电式MOA泄漏电流监测器为主。这种监测器的数据只能通过运维人员手工抄录，MOA的健康状态只能依靠人工用阻性电流检测仪带电检测来获取。这种检测仪主要采用有线集中同步采集的方式，通过专用测试电缆将电网电压和泄漏电流两路电气信号同步采集并接入同一台设备，然后进行分析比较计算。由于检测的频次较低，数据不能实时传输，难以及时、准确判断MOA运行状态变化，导致有的隐患未被及时发现而酿成事故。同时这种同步检测方式通常需要很长的测试电缆，电缆需要人工布线和收取，不仅耗费大量的人力，同时也极不方便，实时性不强。

针对上述同步采样的问题，本文基于传统的机电式MOA泄漏电流监测器，设计出一种新型的MOA漏电流检测系统。系统采用分布式的无线低功耗漏电流检测终端、集中式站内电压汇集装置、同步控制通讯主机的方式实现MOA漏电流、电压同步采集。

2 系统设计

2.1 系统结构

为了升级改造现有的传统机电式MOA泄漏电流监测器，本文基于无线通信技术，提出一种新型的MOA监测系统，如图1所示。系统由低功耗无源在线监测终端、参考电压汇集装置、通信同步控制主机、主控台四部分组成。系统采用433MHz的无线载波频率技术，根据变电站物理范围，设计通信距离为1km。

2.2 MOA检测终端

系统第一部分为安装于MOA根部的监测终端，原理如图2所示。图中绕线电阻、整流桥、动作储能电容、触发电路、电流表、机械式计数器为传统机电式避雷器电路组成单元。本系统设计的低功耗检测终端在不改变传统避雷器电路结构的基础上，新增了能源储能电容、能源管理模块，低功耗的CPU、LCD、无线通信模块。该终端和传统MOA监测装置的外观一样，不但可延续巡检人员以前的读数、记数习惯，还增加了泄漏电流采样、谐波分析、数据的无线远传等新功能。

2.3 电压检测

阻性电流大小反应了MOA的健康状况，它的计算需要同相电压作相位参考，因此需对每相MOA对应的电压进行同步采样。本系统第二部分即是安装于变电站继保室的电压汇集装置，其原理框图如图3所示。各参考电压通过隔离电压传感器传送至低通滤波器输入端，然后经过信号放大器处理后接入模数转换器，CPU接收各路参考电压对应的数字信号，处理后通过无线通信模块发送出去。该装置采用站用电供电，可同时采集若干路参考电压。

2.4 同步通信控制器

由于需要同步采集MOA漏电流和电压，因此需要同步通信。本系统第三部分是安装于继保室屋顶的同步控制通信机，其原理如图4所示，由CPU控制器、存储器EEPROM、GPS模块和无线通信模块组成。它的主要作用是每隔一段时间发出一条采样通知信号，安装于站内的电压汇集装置和终端塔上的监测终端收到此采样信号后，便开始采集各路的电压和电流信号，然后同步控制通信机接收监测终端和电压汇集装置采集的电流和电压信号，并计算出每只MOA的阻性电流值，通过以太网接口传送至控制后台。

3 同步控制

时钟同步单元可选择站用SNTP时钟同步、GPS时钟同步。在系统中的监测终端、电压汇集装置、通信控制主机中均装载有S级的实时时钟和精度为±50ns的辅助校时时钟，可记录装置的年、月、日、时、分、秒信息。由于无线射频信号传输速度近乎光速，且变电站内通信距离在1km以内，因此信号传输延时在此系统中可忽略不计，整个系统的发送接收是同时的，从而可在具有S级记时的低功耗系统中实现±1uS的校时精度。当某监测终端请求校时时，它会主动发送本地RTC时钟信息、辅助时钟信息至同步控制通信主机。主机接收到校时信息后，计算和主站时钟的差值，然后发送主站的RTC时钟信息、辅助时钟信息及差值至请求校时的监测终端装置。终端装置收到此信息后，同步记录本地的RTC时钟信息、辅助时钟信息，同时根据时钟信息差对本地时钟进行校时。

同步通信控制器的流程如图5所示，MOA在线监测终端上电后，进行系统的初始化，通过GPS或者SNTP本地授时，并等待其它设备的校时请求。MOA检测终端和电压汇集装置上电后，主动发出时钟同步请求至通信控制主机。

通信控制主机收到同步请求后，通过与本地时钟对比，计算时钟差，完毕后将时钟信息同步至监测终端、电压汇集装置，并下发采样间隔时间。监测终端按照通信控制主机下发的采样间隔时间设置本设备的休眠时间，之后进入休眠模式。当休眠时间完成后，监测终端自动唤醒，然后发送同步请求至通信控制主机，通信控制主机需要按图5的流程对监测终端、电压汇集装置进行同步，此后监测终端、电压汇集装置在整秒时同步触发采样。本地采样完成后，监测终端、电压汇集装置通过无线数据传输的方式将采样数据及计算结果传输至通信控制主机。若系统有对装置做出修改，则通信控制主机将修改的配置参数下发至监测终端及电压汇集装置。监测终端在完成数据传输及接收通信控制主机设置参数后，按照最新的采样间隔时间再一次进入下一轮的休眠模式并等待下一次被采样唤醒。通信控制主机对采样的结果进行计算后通过以太网传输至后台。通信控制主机是在安装时选择使用站用SNTP时钟同步或内部GPS时钟，且实时对主机的本地时钟进行同步。监测终端的雷电流泄放事件记录作为一个特例，在每次事件发生时会自动触发装置并唤醒，且具有雷击唤醒标记，装置记录雷击发生的时间，并将此信息及时发送通信控制主机。

4 结论

本文设计了基于低功耗、无线通信的MOA在线监测系统，科学的将系统分为四部分，并针对MOA阻性电流分析的难题，提出了通过同步通信控制器同步采样MOA电压和电流的方案，研究结果表明该方案可以准确地解决同步采样难题，为今后的工程应用打下了良好的基础。

参考文献

[1]彭倩，黄治华，曹永兴，等.基于无线同步技术的氧化锌避雷器带电检测系统[J].电瓷避雷器，2014（06）：99-103.

[2]弥潇.CT型避雷器智能在线监测装置的研究[J].电瓷避雷器，2013（02）：59-63.

[3]马建军.基于电压同步的金属氧化锌避雷器阻性电流检测系统[J].2013，11（06）：47-49.

作者简介

徐斌（1975-），男，四川省乐山市人。大学本科学历。高级工程师。研究方向为电力系统自动化。

作者单位

国网四川省电力公司资阳供电公司 四川省资阳市 641300