LoRa技术在直流避雷器监测系统中的应用

李 杰，余亚东，雷宗昌，薛亚许

（1.平顶山学院电气与机械工程学院，河南平顶山 467000；2.河南平高电气股份有限公司，河南平顶山 467001）

0 引言

近年随着国家电网公司及南方电网公司对变电站内高压开关设备的检修制度逐步完善与检修相关的状态监测、状态评估将是电力电网检修的重点发展方向［1-2］。电力电网中的金属氧化物避雷器（Metal Oxide

Arrester，MOA）是高压换流站中必不可少的安全保护设备之一，在大电网安全运行过程中起着关键性的作用。而避雷器的实时状态关乎整个用电安全，避雷器良好运行状态不仅保证了用电的可靠性，也是智能电网发展的必然要求。

现阶段变电站内避雷器的监测方式还在以人工检测为主，这直接导致了不能高效率实时地对变电站内避雷器运行状况的掌握。国内外学者纷纷对其监测方式、监测手段进行了研究，以提升整站MOA的安全、实时及可靠性。当前电力领域内的众多学者对交流避雷器监测的科学研究已经相当成熟，涌现出许多切实可行的监测方法［3-4］。刘溟等［5］采用声表面波法对交流避雷器进行在线监测，该方法较新颖，但是文中只是提出使用该方法进行就地显示、就地测量，始终未提及通过什么样的方式进行数据的传输。近几年随着直流输配电工程的大量实施，高压换流站内的直流侧避雷器的监测也是亟待解决的问题。现阶段，在实际应用中高压换流站直流避雷器在线监测系统中大多是以有线的方式进行数据的传输［6-8］，文献［9］中提出了一种在±500 kV高压换流站直流侧避雷器在线监测方案，文中阐述了直流避雷器的在线监测的实现手段，但是对数据只是进行就地的显示，应用具有一定的局限性。张天运等［10］做了一种无源无线远传型避雷器在线监测传感器的研制，以ZigBee无线传感的方式进行变电站内数据的无线传输，讨论的采集距离最大为1.5 km，实现这一距离的发射功率较大，此方式在需要长距离传输地带存在很大的应用局限性。文献［11］中提出了一种光电计数转换的直流避雷器在线监测装置，提出了将整个变电站内避雷器通过光纤进行数据的传输，文中对无线传输的具体方式少有提及。直流避雷器在具体工程使用过程中，其位置一般遍及整个变电站，较分散，通信布线较多占用了变电站大量空间且烦琐，如若以有线的方式进行避雷器数据的传输不仅限制了数据的传输距离，还增加了布线等的投入成本，同时也浪费了变电站内宝贵的空间资源。

鉴于此，本文提出了一种基于长距离无线传输（Long Rang，LoRa）的直流避雷器在线监测系统，该系统实现了对±500 kV高压换流站直流侧避雷器的泄漏电流和动作次数等参数的实时监测，依托大数据物联网通过感知层、网络层和应用层实现整站直流避雷器的实时在线监测及诊断。通过监测数据的反馈，系统能够直接快速的查找出避雷器发生故障的具体位置，为开关设备的检修提供极其重要的判定依据，为电力事业提供了强有力的数据支撑。

1 直流避雷器等效模型分析

直流避雷器总泄漏电流由瓷外套泄漏电流、绝缘附件泄漏电流和电阻片泄漏电流组成［8，11］。正常情况下，避雷器内电阻片电流处于稳定状态，当电阻片处于污秽或者潮湿的环境下会引起其内部电流的增大［12］。在不计避雷器内寄生电容的理想条件下直流避雷器可用一个阻值可变的非线性电阻元件来模拟，如图1所示。

图1 直流侧金属氧化物避雷器等效模型图

2 在线监测系统分析

根据理论分析可知，当直流避雷器的泄漏电流增大到阈值时，金属氧化物避雷器就会有爆炸的可能。为防患事故的发生，需要完善在线监测系统对泄漏电流等参数进行监测。图2给出了无线传输监测系统图。

图2 无线数据传输监测总体系统图

在图2所示的无线传输在线监测系统方案中监测参数（泄漏电流／动作次数）使用相对应的传感器件进行采集，主控制器选择STM32系列STM32F407芯片；同时通过SX1278无线数传模块，将泄漏电流和动作次数等参数无线传输至高压换流站内的总状态监测系统。

2.1 系统主电路的设计与分析

基于LoRa的在线监测系统主电路涵盖了电源供电、泄漏电流采集和动作次数采集等模块。图3给出了本系统的主电路。主电路除了能够实现其功能外，还从电磁兼容、电磁抗干扰等方面对电路进行了优化处理，提高了整个系统的可靠性及稳定性。

图3 系统主电路图

图3（a）为电源电路原理图，电源电路使用了半导体放电管（SPA800F）、压敏电阻、共模扼流圈、稳压器等强抗干扰性器件，实现了低功耗、安全隔离和抗干扰能力强的目的。图3（b）为泄漏电流采集模块，主要采集直流避雷器的泄漏电流，该款电路将采集到的实时电流数据传输至控制器，进行数据的计算，主控制器自带的模数转换功能。图3（c）为动作次数采集模块，该款电路使用了光电隔离技术把外电路与主控电路进行了电气隔离，有效解决了电磁干扰，提高了动作计数的可靠性［11-12］。

2.2 在线监测系统LoRa分析

监测系统所监测到的数据是通过SX1278发射芯片无线传输至变电站的状态监测室内，图4给出了方框图。SX1278是一款低功耗、多频段的RF收发器，具有超长距离传输，抗干扰能力强的特点［13］。系统中以第1和第2阻抗匹配回路构成收、发电路，多次阻抗匹配回路的使用提高了无线数据收发的可靠性。

图4 无线通信电路的工作原理图

2.2.1 无线滤波电路设计与分析

在整个无线监测系统中，无线滤波电路也是系统中的至关重要的一部分，它起着数据可靠传输的作用。图5（a）为无线发射的低通滤波电路，能够将泄漏电流及避雷器的动作次数等数据进行滤波处理，可屏蔽外界高频信号，降低提高传输的信噪比［13］。图5（b）为无线接收带通滤波电路，该滤波器工作时将前端输入的无线信号在介质层进行声传播，输出通过逆压电（压力和电信号的转换）的方式再次将声信号转化为无线信号。L12、L13、C36、C37组成滤波电路，SAW Filter是一种声表面波型滤波器，可以较好地滤除掉本文所需要频段以外的频率信号［13］。

图5 无线滤波电路原理图

2.2.2 LoRa无线传输的延迟控制策略研究

该监测系统可以实时监测避雷器的状态信息，变电站管理人员通过应用层网页终端查询避雷器的工作状态，如若出现避雷器异常，必须在尽可能短的时间内得到妥善处理，以免造成变电站内电力网不必要的损失。在无线传输的LoRa技术中，LoRa服务器接收终端数据并将数据存入数据库中，同时应用层发送指令通过Web服务器读取数据库来获得最新的终端数据，这种通信方式本质上会为整个监测系统带来不同程度的延时，且采集终端数量越多，数据量越大，系统对数据的读取时间越长。在整个系统的网络层中包含了LoRa服务器，Web服务器和数据库3部分。图6给出了减小数据延迟的架构图。

图6 减小数据延迟的架构图

通过引入MQTT通信协议，在LoRa服务器通过无线方式接收到避雷器状态监测数据后，立即将数据发布至Web服务器中，Web服务器在接收、处理完状态监测数据后可立即响应应用层的需要。至此，两种服务器（LoRa与Web）可进行实时的双向通信，在缩短无线数据的传输延迟方面得到了很大的提升。

2.3 软件系统的设计与实现

2.3.1 数据采集终端软件系统设计

数据采集终端软件是整个系统的底层设计，主要负责泄漏电流、动作次数等数据的获取和处理及指示。图7给出了数据终端软件设计流程图。

2.3.2 LoRa传输层的软件设计

正常运行中的SX1278一般情况下有4种工作模式，诸如正常、唤醒、省电和休眠形式，相应工作模式的改变是通过在主函数的控制寄存器中写入指令来完成的［14］。同时可对SX1278的系统时钟，定时器等进行初始化，也可对载波频率、CRC校验方式、信号带宽等进行合理的设置［15-16］。图8给出了无线收发模块的软件设计流程图。

图7 在线监测系统的系统流程图

图8 无线收发模块的软件设计流程图

2.3.3 LoRa网络层的软件设计

基于LoRa的在线监测系统中的网络层主要进行网络的实时处理，包含LoRa服务器和Web服务器。Web服务器在点检LoRa服务器的数据时，如若不进行一些数据筛查的处理，Web服务器就会将所有点检到的数据发至在线Web页面，这给不仅给系统带来了数据的安全问题也带来了系统数据处理的延时。

Web服务器在起动后立即与LoRa服务器建立会话，并建立以数据传输为主题的关系，监侦LoRa服务器的数据发布情况，Web服务器的工作流程如图9（a）所示。网络层的数据推送流程如图9（b）所示，LoRa服务器发布数据后，Web服务器监侦到系统想要的数据时，先对数据进行有效的解析，以获取数据的基本属性，进行数据的全局性记录，WebClient中存在监听该区域的在线会话，就可按照该流程将数据推送到网络层的Web页面。

图9 LoRa系统网络层数据转换就推送流程图

3 实验验证及结果分析

为验证本文提出的基于LoRa的在线监测系统的可行性，在河南省某工程实验中心的直流避雷器上安装了该在线监测系统。下面就实验数据的准确性和可靠性进行详细的分析。

3.1 实验数据的准确性分析

为了验证本文所提出的直流侧金属氧化物避雷器在线监测系统对数据传输的准确性，搭建了图2所示的实验测试平台，实验条件满足如下：实验室外部天气晴朗无风，后台监控主机放置于距离实验大厅中心距离分别为0.5、1（加1层障碍物）和2 km（加2层障碍物）。

表1为泄漏电流的实验数据稳定度的分析值，表2为动作次数在规定时间内的实验数据稳定度的分析值。

由表1可见，在实验条件下随着传输距离的增加和障碍物的增加，本在线监测系统通过无线的方式能够高精度的采集到直流避雷器的泄漏电流，即实际电流值与采集电流值基一致，误差在12%以内，且该无线传输方式基本不存在丢失数据的情况，可靠性较高。

表1 泄漏电流采样数据对比表

表2 动作次数的采样数据对比表

由表2可见，在实验条件下随着传输距离的增加和障碍物的增加，本在线监测系统通过无线的方式能够准确地采集到雷击的动作次数和动作时间，以10min为一个实验间隔，在该实验间隔内模拟的雷击次数以1、5、10、15、20、25 的方式递增，不同的雷击次数该系统均能准确地采集显示，在规定时间间隔内实际模拟的雷击次数和采集到的雷击次数具有高度的一致性，一致性达到100%，且在该无线传输方式下基本不存在丢失数据的情况，可靠性较高。

3.2 实验数据的可靠性分析

为进一步验证本文所提出的直流避雷器在线监测系统数据传输的可行性，本文就无线传输的可靠性方面与传统的ZigBee等无线传输模式进行了对比分析。

为进行有效的对比，设定了在相同的发射功率条件下，给出了就LoRa无线数据传输和ZigBee无线数据传输的效果对比表。表3为不同传输模式下的数据可靠性对比。

由表3可见，在相同的实验条件下随着传输距离的增加和障碍物的增加，本在线监测系统能够通过LoRa的方式将采集到直流避雷器的泄漏电流和雷击次数准确无误的传输至上机位软件上，以此种方式传输的数据可靠性非常高。通过对比分析可知，将LoRa应用于直流避雷器的在线监测系统中，克服了以ZigBee等传统的短距离传输在智能变电站应用中的不足，为高压开关设备智能化的提升提供了重要的现实依据。

表3 不同传输模式下的数据可靠性对比

4 结语

本文研究了直流侧避雷器基于无线传输技术的在线监测系统。以LoRa为核心技术实现了避雷器泄漏电流等参数的实时监测，在减小数据的传输延时性问题上，首次在高压开关设备领域引入MQTT通信技术，使得数据传输的延时性得到很大改观，同时使得数据传输成功率较高且传输广度范围较广，通过实验的方式对实验数据的稳定性和可靠性进行综合性比较，以LoRa的方式进行避雷器数据的传输稳定度和可靠性更高，这一在线监测系统的使用可为电力部门减轻变电站内的2次配线，节约成本，提高工作效率。