基于nRF903無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

1、 基于nRF903無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)的研究發(fā)展，分析了在線監(jiān)測(cè)的原理方法，進(jìn)行了基于nRF903無線傳輸?shù)难趸\避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)，采用MSP430系列的MSP430F169作為微控制器芯片。關(guān)鍵詞：氧化鋅避雷器；泄漏電流；在線監(jiān)測(cè)；無線傳輸Abstract：In view of the present research and development of domestic zinc oxide lightning arrester on-line monitoring, the principle of on-line monitorin

2、g methods are analyzed, the reseach of the zinc oxide lightning arrester online monitoring system based on nRF903 wireless transmission are proceeded, Adopting MSP430 series MSP430F169 as the microcontroller chip.Keywords：zinc oxide arrester；leakage current；online monitoring；weirless transmission1 引

3、言避雷器是電力系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)用普遍的系統(tǒng)過電壓保護(hù)裝置，它承擔(dān)著限制系統(tǒng)內(nèi)因遭受雷擊、諧波和操作等等所產(chǎn)生的各種過電壓現(xiàn)象，起著至關(guān)重要的作用。但是實(shí)際中氧化鋅避雷器自身的運(yùn)行安全往往被忽略，隨著氧化鋅避雷器在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中承受運(yùn)行電壓的作用，其性能也將逐漸劣化，泄漏電流中的阻性成分將產(chǎn)生有功損耗，使閥片升溫，其過程相對(duì)比較緩慢，具有一定的隱蔽性，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生了爆炸事故，一般都造成系統(tǒng)停電，生產(chǎn)被迫中斷，造成的間接損失往往不可估量。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展及自動(dòng)化水平的提高，電力系統(tǒng)高壓設(shè)備的檢修手段也在逐步改進(jìn)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估及狀態(tài)檢修是未來電力系統(tǒng)的必然方向。在線監(jiān)測(cè)MOA的運(yùn)行

4、狀態(tài)，可以在不停電的情況下隨時(shí)了解MOA運(yùn)行的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的異常情況和事故隱患。采取預(yù)防措施，防止事故擴(kuò)大造成經(jīng)濟(jì)損失，保證其在良好的狀況下運(yùn)行，這對(duì)于系統(tǒng)的安全運(yùn)行，合理安排設(shè)備檢修時(shí)間，節(jié)約費(fèi)用等方面都具有很大的優(yōu)越性。為了確保MOA正常工作、防止故障的發(fā)生，傳統(tǒng)的做法具有非常大的局限性。因此將采取無線在線監(jiān)測(cè)方式對(duì)MOA進(jìn)行狀態(tài)跟蹤，可以大大提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，減少有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差及成本。2 氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)原理及方法因?yàn)檠趸\避雷器的無串聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)，在持續(xù)運(yùn)行電壓作用下，由氧化鋅閥片組成的芯片柱就要長(zhǎng)期通過工作電流，即總泄漏電流。嚴(yán)格說來，總泄漏電流是

5、指流過MOA內(nèi)部閥片柱的泄漏電流，但測(cè)得的MOA總泄漏電流包括瓷套泄漏電流、絕緣桿泄漏電流及閥片柱泄漏電流三部分。一般而言，閥片柱泄漏電流不會(huì)發(fā)生突變，而由污穢或內(nèi)部受潮引起的瓷套泄漏電流或絕緣桿泄漏電流比流過MOA內(nèi)部閥片柱的泄漏電流小得多。因此，在天氣好的條件下，測(cè)得的MOA總泄漏電流一般都視為流過MOA閥片柱的泄漏電流。由于MOA芯片柱是由若干非線性的閥片串聯(lián)而成的，通過MOA的總泄漏電流是非正弦的，因此不能用線性電路原理來求總泄漏電流。為此，國(guó)內(nèi)外常用阻容并聯(lián)電路來近似等效模擬MOA非線性閥片元件，常簡(jiǎn)化為下圖1的等效電路。圖1流過MOA的總泄漏電流可分為阻性電流IR與容性電流Ic兩部

6、分。導(dǎo)致閥片發(fā)熱的有功損耗是阻性電流分量。因R為非線性電阻，流過的阻性電流不但有基波，而且還含有三次、五次及更高次諧波，只有阻性電流的基波才產(chǎn)生功率損耗。雖然總泄漏電流以容性電流為主，阻性電流僅占其總泄漏電流的10%20左右，但容性電流的變化很小，相對(duì)阻性電流隨時(shí)間的變化量，其變化量可忽略不計(jì)。因此對(duì)MOA泄漏電流的監(jiān)測(cè)應(yīng)以阻性電流為主。氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測(cè)主要有全電流法、補(bǔ)償法測(cè)量阻性電流、三次諧波法、基波電流法等等，這幾種方法在不同的在線監(jiān)測(cè)裝置中均得到了應(yīng)用，本設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)應(yīng)用比較成熟的阻性電流法，即從全電流中分離出阻性電流，以此來進(jìn)行分析、判斷。3 氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測(cè)系

7、統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)理念交流氧化鋅避雷器無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是：1）通過控制單元檢測(cè)避雷器泄露電流中阻性分量，對(duì)避雷器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；2）采用短距離無線通信模塊，由于無線發(fā)送時(shí)耗電量較大，控制電路適時(shí)地開關(guān)通信模塊；3）設(shè)計(jì)電路做到抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸穩(wěn)定、低功耗；4）大大提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性、實(shí)時(shí)性，減少有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差及成本。該理念的特點(diǎn)是檢測(cè)準(zhǔn)確、安全及時(shí)、可靠節(jié)能，其能夠進(jìn)行真實(shí)有效的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)采集端必須能夠全天候的正常工作，同時(shí)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸方案將給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持，因此硬件電路必須具有很高的監(jiān)測(cè)靈敏度及良好的抗干擾能力。本系統(tǒng)對(duì)MOA進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，

8、需采集MOA總泄漏電流及雷擊次數(shù)。 3.2 監(jiān)測(cè)模塊硬件電路設(shè)計(jì)3.2.1 微控制器部分電路設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)模塊的硬件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線接口電路三大部分，所設(shè)計(jì)的硬件電路必須能實(shí)現(xiàn)在高準(zhǔn)確度和高精度下的信號(hào)獲取、處理及長(zhǎng)時(shí)間工作等功能。因此系統(tǒng)的 監(jiān)測(cè)模塊選取MSP430系列的MSP430F169作為微控制器，其工作電壓范圍在1.8至3.6V，待機(jī)模式下電流消耗僅為1.1uA，關(guān)閉模式下（RAM保持）電流消耗僅為0.2uA，MSP430F169有五種省電模式，從等待方式喚醒時(shí)間僅為6us，16位RISC結(jié)構(gòu)，125ns指令周期，內(nèi)置3通道DMA，可滿足系統(tǒng)快速喚醒、低功耗及準(zhǔn)確獲取信號(hào)進(jìn)

9、行處理的工作需求。MSP430F169控制電路圖如圖2所示。圖2由于氧化鋅避雷器總泄漏電流只有微安級(jí)，而現(xiàn)場(chǎng)干擾較嚴(yán)重。因此，必須采用靈敏度高的微電流傳感器，串入避雷器的接地回路，在放電計(jì)數(shù)器下方取電流信號(hào)，電流傳感器電路圖如圖3所示。補(bǔ)償電壓信號(hào)則由母線電壓互感器(PT)二次側(cè)獲取。圖33.2.2 無線射頻電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用nRF903作為無線收發(fā)芯片，其電路圖如圖4所示，其工作電壓范圍可以從2.73.3V，接收待機(jī)狀電流消耗為600pA，低功耗模式電流消耗僅為1uA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。nRF903具有多個(gè)頻道(最多170個(gè)以上)，特別滿足需要多通道工作的特殊場(chǎng)合，適合采用跳頻協(xié)議。nR

10、F903的天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線，所有的參數(shù)包括工作頻率和發(fā)射功率都可以通過一個(gè)l4位的配置寄存器用串行線(CS、CFGCLK和CFG DATA)進(jìn)行設(shè)置。nRF903內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾個(gè)部分。發(fā)射電路含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、頻率合成器等電路?；鶞?zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。振蕩電路采用鎖相環(huán)(PLL)方式，由在DDS基礎(chǔ)上的頻率合成器、外接的無源回路濾波器和壓控振蕩器組成。壓 控振蕩器由片內(nèi)的振蕩電路和外接的LC諧振回路組成。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過DATA端輸

11、入。接收電路包含有：低噪聲放大器、混頻器、中頻放大器、GFSK解調(diào)器、濾波器等電路。 低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)；混頻器采用2級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，第一級(jí)中頻10.7136M H z， 第二級(jí)中頻345.6kHz。中頻放大器用來放大從混頻器來的輸出信號(hào)；中頻放大器的輸出信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后送入GFSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DATA端出。圖43.3 軟件設(shè)計(jì)3.3.1 主程序設(shè)計(jì)主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、IO口初始化、嵌套向量中斷控制器初始化、外部中斷初始化、SPI初始化和NRF903無線收發(fā)模塊初始化。初始化完成后，NRF903模塊隨即進(jìn)入低功耗休眠模式，該模式每

12、隔1s醒來偵聽是否有有效電平。MSP430F169開放電磁波喚醒中斷及雷擊計(jì)數(shù)中斷，然后立即進(jìn)入停止模式，以期將電流消耗降到最小。停機(jī)模式可以使MSP430F169達(dá)到最低的電能消耗，在這種模式下，可以通過任何一個(gè)配置成EXTI的信號(hào)把芯片從該模式下喚醒。3.3.2 中斷程序設(shè)計(jì)MOA無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中斷程序分為電磁波喚醒中斷和雷擊計(jì)數(shù)中斷兩個(gè)，雷擊計(jì)數(shù)中斷的優(yōu)先級(jí)高于電磁波喚醒中斷，這兩個(gè)中斷都可以將MSP430從停機(jī)模式喚醒。NRF903每隔1s將對(duì)電磁波進(jìn)行偵聽，當(dāng)偵聽到有效波時(shí)喚醒MSP430F169，監(jiān)測(cè)模塊將開啟10s定時(shí)器進(jìn)行工作，然后MSP430F169將配置NRF903進(jìn)入

13、接收狀態(tài)。否則進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒；當(dāng)10s內(nèi)接收到中心節(jié)點(diǎn)的命令時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊將在執(zhí)行完相應(yīng)命令程序后返回主程序，對(duì)NRF903無線模塊進(jìn)行重新配置，最后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次被喚醒。當(dāng)有雷擊過電壓或者操作過電壓發(fā)生時(shí)，光電耦合器將導(dǎo)通，從而觸發(fā)雷擊中斷。中斷發(fā)生后，MSP430F169將被喚醒進(jìn)入中斷程序，中斷程序?qū)⒃谠却螖?shù)上加一后返回，然后MSP430F169進(jìn)入休眠模式。雷擊次數(shù)將不會(huì)立即發(fā)送給接收單元，只有當(dāng)后臺(tái)需要知道雷擊次數(shù)或者泄漏電流時(shí)才將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收單元，也可由接收單元通過USB傳送給后臺(tái)顯示。4 結(jié)束語本文設(shè)計(jì)的氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)避雷器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

14、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，通過低功耗電路設(shè)計(jì)使系統(tǒng)工作時(shí)限大大延長(zhǎng)，提高了變電站運(yùn)行的安全性。采用短距離無線通信技術(shù)，大大提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，減少有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`差及成本。參考文獻(xiàn)1 QGDW537-2010，電容型設(shè)備及金屬氧化物避雷器絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)規(guī)范S2 JBT10492-2011，金屬氧化物避雷器用監(jiān)測(cè)裝置S3 周念成，鄧選明，趙淵，鄭昭陽. 采用無線通信技術(shù)的避雷器檢測(cè)器J.電力自動(dòng)化設(shè)備，20054 程月平，肖黎. 氧化鋅避雷器無線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究J.制造業(yè)自動(dòng)化，20125 牛祖蘅. 基于DSP的氧化鋅避雷器泄漏電流的在線檢測(cè)J.