面向智能电网的避雷器在线监测系统的设计与实现

马磊娟

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473009）

0 引言

近年来，我国电网规模持续扩大，但同时电网规模的不断提升以及线路复杂度的迅速增加，给电网带来了巨大的挑战，倒逼电网升级。提高电网的信息化、自动化、智能化成为了重要任务。对此，国家高度重视智能电网建设，我国“十四五”规划纲要提出，加快电网基础设施智能化改造和智能微电网建设势在必行。

智能变电站作为智能电网产业链中的中间环节，在产业链上游如可再生能源发电和不可再生能源发电与下游终端用户用电环节之间起着举足轻重的作用。目前，在各个地方的电网线路中，分布着很多不同类型的避雷器在线监测设备，为智能变电站的安全稳定运行提供了丰富、重要的数据。但同时这些监测设备的质量却良莠不齐，很难判断其性能的可靠性，当监测设备发生异常或故障时，电网工作人员需到现场检测相关数据，进而判断发生异常或故障的原因，这给工作人员带来很大的困扰[1]。

本文研究的面向智能电网的避雷器在线监测系统作为智能化无人值守变电站的子系统，旨在采用智能化手段提高电网的安全防御能力和自愈能力，使系统全面信息化，确保电力系统更加稳定地运行。

1 面向智能电网的避雷器在线监测系统优势

面向智能电网的避雷器在线监测系统借用光纤技术实现信号的远传，能够做到在控制室（非现场）及时准确地接收到避雷器的工作状态数据；能够科学分析避雷器已经发生的故障，准确判断正在发生的故障，并对避雷器可能发生的故障进行预测，明确故障的性质、类型、程度和原因，指出故障发生和发展的趋势；能够有效控制避雷器故障发展，采取对应措施消除避雷器故障，避免电网事故发生，保障高压设备安全、可靠运行，能够为变电站及整个电网的安全稳定运行发挥积极作用。

系统最大监测泄漏电流可达10 mA，满足国内超高电压线路用1 000 kV避雷器的监测需要。监测精度运行范围内0.01 mA，全量程范围内0.05 mA，精度优于传统监测器5倍。无线参数距离不受限制，系统管理员可随时了解现场避雷器运行的情况。

2 面向智能电网的避雷器在线监测系统总体设计思路

面向智能电网的避雷器在线监测系统采用模块化设计，整套系统包含：采样单元、信号处理单元、主控单元、上位机等功能模块。

2.1 采样单元

采样单元在借用传统监测技术的基础上，新增加电-光转换电路，将系统监测电流（避雷器泄漏电流）转换为光频率信号，为监测系统提供信号源。

2.2 信号处理单元

信号处理单元接收光频率信号，然后转换为电信号放大后由单片机进行集中编码（每个信号处理单元可接收三套采样单元的信号），然后使用RS485通讯协议将编码信息传送给主控单元（每个主控单元可接收四套信号处理单元的信息）；采样单元与信号处理单元采用光信号传输，使用光纤作为信号媒介（最远10 m），彻底解决了系统的电气隔离问题，确保了系统、设备及人员的安全。

2.3 主控单元

主控单元可嵌入手机模块、RS232转TCP/IP模块，解码后多路输出，可实现监测数据显示，同时上传于上位机、手机模块、网络等功能，丰富监测系统的智能化水平。

2.4 上位机

上位机程序使用VB完成，界面内容简洁易操作，加入数据库实现监测数据的大容量保存。

整套系统设计合理，模块功能清晰明了：室外部分（包括采样单元、信号处理单元）环境适应性好，使用环境温度-40～70℃，抗震性能达到八级，高低压电气绝缘距离最大10 m；室内部分（包括主控单元、上位机等）处理信息量大，显示精度高，0.25～3 mA误差不大于0.01 mA；3～6 mA误差不大于0.05 mA[2]，放电时间精确至秒。

系统中应用了通信、计算机、自动化等技术，并与传统监测技术有机融合，能够提升监测系统的智能化水平，使系统本身故障减少，并为避雷器状态分析和辅助决策提供技术支持，为变电站的安全稳定运行发挥积极作用。

3 系统硬件电路设计

3.1 电流采样电路设计

本文研究的避雷器在线监测系统的监测方法以软件分析为主，所以硬件电路较为简单，但由于氧化锌避雷器（Metal Oxide Arrester，MOA） 存在阻性泄漏电流值较小的特点，所以对硬件电路的性能要求较高[3]。为了使测量结果的准确度和精度更高，需要采用的硬件电路必须具备灵敏度高、温漂低、共模抑制比高的特性，保证在消除干扰的同时又能使信号不失真。

图1为电流采样电路原理图，使用大容量低残压氧化锌电阻片作为过电压泄流回路，使用宽频低温漂自激励振荡电路实现避雷器泄露电流的模数转换，保证了数据精度（误差不大于0.05 mA），并在前端设计压敏电阻、电压脉冲抑制器等保护回路，确保系统可靠运行。

图1 电流采样电路原理图

本系统设计、制作下位机电路时所使用的软件是Proteus，在对图1所示的电流采样电路进行设计和仿真的基础上，使用Proteus软件中的ARES软件功能导入原理图，然后生成对应的PCB文件后进行三维仿真。

图2 光电转换及信号处理电路原理图

3.2 光电转换及信号处理电路设计

如图2所示，采样电路将泄漏电流转换为光脉冲信号，通过光纤传输至光电转换单元，红外接口电路将光脉冲信号转换为电信号，放大电路处理后进入以AT89 C2051为核心的编译、运算中心。以AT89C2051为核心的信号处理中心主要由红外接口电路、信号放大电路、信号跟随电路、SOC最小系统电路、485通信接口电路和电源电路等组成。

Proteus软件安装完成后，其元器件封装库中就已经包含了大部分常用器件的封装，如电阻、二极管和常用的芯片等，在对图2所示的光电转换及信号处理电路进行PCB设计时，会遇到部分器件在Proteus的PCB封装库中找不到所需尺寸封装的问题，这种情况下就需要手动制作所需要的元器件封装，制作时可先依据以下两种途径获取封装参数数据：一是根据元器件对应大的技术手册所推荐的尺寸；二是使用游标卡尺对元器件进行实际测量得到的具体参数；然后在Proteus软件中ISIS封装库中制作并保存。

由于图2所示电路原理图中所涉及到的元器件和芯片种类、数量较多，所以在设计其对应的PCB图时，不能使用Proteus软件中的自动布局和自动布线功能，而是需要手动布局和布线。手动布局布线时必须严格遵循PCB设计规则，先确定PCB板的尺寸，然后确定MCU放置的位置，再一一布置外围电路[2]。且要把数字部分和模拟部分分开放置，同时使PCB图上两个相连接的管脚尽量靠近，保证PCB走线的通畅。

3.3 电源电路设计

由于普通智能控电器的结构简单，功耗较低，一般控制功率低于200 W，因此其系统电源由阻容降压电路来提供；但由于远距离的数据无线传输过程会瞬时消耗较大能量，另外大功率的继电器阻容降压电源提供的功率不够[4]。

所以本系统选用磁保持型继电器，12 V的开关电源模块，同时满足大功率电流通断和节能的需要。

3.4 其他电路设计

作为一个管理终端，需要对监测参数信息进行存储，针对不同芯片的存储特点，这里选择使用AT89C2051和AT24C02两款芯片。其中AT89C2051芯片由于其“先擦除，再写入”的操作特点，且擦写次数有限，因此只适合存储操作不频繁的数据，如避雷器地址，放电时间等的存储；而AT24C02芯片则被选为存储器用来存储电参数的计量数值。

此外，管理终端还需具备对避雷器工作状态信息、放电信息、警告信息等主要信息进行显示的功能和实现485通信、无线远程传输的功能。其中，485通信电路，支持简单协议的485通信操作，如监测参数的读取，系统参数的设置，数据处理指令等，红外收发电路提高数据读取及控制的效率和安全性。

4 避雷器在线监测装置与上位机通信协议

通讯协议实现将实时监测的避雷器信息通过RS-485上传到上位通讯管理机的功能，本系统采用MODBUS协议进行通讯，通讯协议见表1，避雷器信息寄存器对应详见表2。

表1 避雷器在线监测装置与上位机通讯协议详表

表2 避雷器信息寄存器对应详表

5 上位机软件设计

如图3所示是监测系统与计算机连接方法。监测系统通过串口线连接到计算机的指定串口（COM 2），即用串口线把监测系统中显示终端（或转换单元）的RS232口和装有应用程序的计算机串口连接。转换单元之间的通信采用485BUS方式实现，传输距离可达1200m。

图3 监测系统与计算机连接示意图

上位机管理软件是整个系统的最终人机交互接口，要根据系统整体框架、上中下位机的不同功能、通信协议和客户的不同需求有针对性地进行设计。在远程服务器上安装该管理软件后，可以通过网页的形式在局域网或者互联网进行远端登录后，对系统信息进行查看或者管理。

上位机程序设计使用VB高级语言完成，监测信息显示直观，方便查询、保存等。程序集成了监测数据显示和参数管理功能。其中监测数据显示功能包括历史数据查看、实时电流显示和放电次数显示功能；参数管理功能使得用户通过软件界面可以立即修改系统的所有参数，同时也可对数据进行读存、清空、导出和打印等操作。

5.1 历史数据的操作界面

用鼠标左键单击上位机管理软件主界面中的“查看历史数据”按钮，即可实现历史数据的查看。在历史数据界面上单击鼠标右键，出现如图4所示菜单，单击“清空数据”按键，即可完成所有历史数据的清空。单击“导出数据”按键，所有历史数据导出到Excel工作栏中。可以使用Excel功能对所有历史数据进行另存、编辑、打印等操作。

图4 历史数据的操作界面

5.2 放电次数及时间查询

本系统新增了避雷器放电次数显示，且对放电时间自动保存，可供用户随时调用查看。系统连接成功后，则可查看放电次数及时间，在上位机管理软件主界面中用鼠标左键双击“北京线”/“A相”下面的放电次数空白框，系统自动提取该相放电次数及时间（只能查询连接成功有电流显示相的放电次数及时间，每次只能查看一相）。

系统对每相的放电时间能保存42次。客户可根据需要对查询到的时间进行另存（在查询结果页面单击鼠标右键，点击“导出”按键，放电时间导出到Excel工作栏中，然后可以使用Excel功能时间数据进行另存、编辑、打印等操作）。导出另存完成后，如需要清空放电时间，回到上位机管理软件主界面，单击“系统管理”“清空放电次数及时间”，5s后系统自动完成清空操作。

6 结语

面向智能电网的避雷器在线监测系统作为智能化无人值守变电站的子系统，可使其安全水平、科技水平和智能化水平得到全面提升，顺应了智能电网发展的必然趋势。通信、计算机、自动化等技术在系统中得到广泛深入的应用，并与传统监测技术有机融合，极大地提升了监测系统的智能化水平。信息技术在系统中的应用，对避雷器可能出现的问题提出充分的警告，并为避雷器状态分析和辅助决策提供了技术支持，在线路受到断电影响之前就能采取有效的措施，使电站无人值守成为可能。无需网络投资和维护，经济效益显著，实现远程数据采集，使系统全面信息化，降低了事故发生的可能性，确保电力系统更加稳定地运行。