基于MSP430的避雷器实时监测系统的设计

朱亮，尹斌

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京210098）

避雷器是电网中保护电力设备免受过电压危害的重要电气设备，其运行的可靠性将直接影响电力系统的安全。对避雷器实施在线监测，一方面可及早发现和排除故障，健全变电站避雷器的安全运行预警系统；另一方面 ，可对避雷器泄漏电流及动作次数进行统计并实现数据远传，从而有效及时地检测避雷器内部缺陷，使之运行更加稳定安全可靠[1]。文中采用基波阻性电流法进行硬件电路设计。这种监测方法具有实现容易和采集数据参数全面等优点。主要对避雷器的三相电压、电流等参数进行采集。硬件电路中设计了通讯接口，通过RS485转RS232实现远距离的上位机多点监测，适应于对避雷器数量较多的供电网络中。

1 避雷器系统设计

1.1 结构简介

该在线监测系统用于变电站内避雷器的在线监测，如图1所示。其中监测器安装于避雷器的下方，用来监测避雷器流过的泄漏电流以及避雷器的动作次数，还可监测避雷器表面的污秽电流。每一相避雷器需安装一个对应的监测器。每不超过30个的监测器为一组，通过一个485网络接到监控室内的上位计算机或后台监控；超过30个的监测器另分组，通过另外的485网络接到监控室内的上位计算机或后台监控。

图1 避雷器现场安装示意图Fig.1 The schematic diagram of MOA installation

1.2 硬件原理图

文中研究的监测系统采用以MSP430为核心的监测方法，由于避雷器泄露电流[2]数值很小，一般只有几百毫安，所以对硬件电路设计要求比较高。因此为提高测量的准确性和精度，需要采用具有高灵敏度、低温漂、高共模抑制比等特点的硬件电路，以达到既消除干扰又使信号不至于失真的效果。

硬件电路主要包括信号输入模块、信号调理模块、MCU模块、数码显示模块及编程模块等，实现信号的转换、放大、滤波、采集处理及显示等功能。信号调理模块主要是把输入的信号幅值调理到MCU可接受的范围内。MCU模块主要由单片机MSP430及其外围电路组成，它对该装置进行控制并对采集到的数字信号进行处理，从而判断避雷器的运行状态。485通信模块将进行数字谐波处理后的数据通过串口发送到上位机。为此采用电阻取样方式，经运算放大器放大后输入MSP430的12位A/D转换器，实现电流测量，如图2所示。

图2 全电流模块硬件电路Fig.2 Hardware circuit of all current module

信号输入模块：全电流信号表现为泄漏电流在某个阻值电阻上的电压降（电阻值大小可根据需要选择）。正常时，电阻上的信号大小为（0.1～0.50）V，频率为 50±0.5 Hz，异常时，最大不超过1.0 V。动作时，脉冲信号被调理后通过光耦送入单片机。污秽电流信号输入范围为0～3 mA，也需先转换为电压信号再送入单片机。采用罗斯夫线圈测量动作电流的大小，输出为脉冲信号，此脉冲信号和动作电流大小基本成线性关系。PT电压信号为电流型电压互感器的输出电流，它提供和全电流之间的相位差。电源为24 V，由外部的开关电源输入，并且MCU系统、485通讯和外部24 V输入之间两两光电隔离，如图3所示。

图3 通信模块硬件电路Fig.3 Hardware circuit of communication module

数码显示模块：当开机自检时，如果设备无故障，数码管则显示当前日期和时间（本装置用PCF8563芯片显示实时时钟），持续5秒后依次显示持续电流即全电流的有效值，阻性谐波电流（当监测器有PT信号输入时，显示阻性电流；无PT信号输入时，显示全电流的3次谐波峰值），污秽电流的有效值和全电流上提取的动作信号的次数。当监测器和上位机相联时还可以提供累积动作次数和每一次的动作电流的大小及动作时间。

1.3 避雷器特征参数检测及计算原理

本设计采用FFT算法[3-4]，在MOA特征参数监测中，把电压序列U（t）分解为基波和各次谐波分量的形式：

式中 k 代表谐波的次数（k=1，2，3，···），积分离散化后

由此可以计算得到第k次谐波电流的幅值、相角和有效值：

本装置将通过处理的PT电压信号和泄露电流信号 （已经转换为电压信号）利用数据采集装置经过A/D同步地转换为数字化离散信号，然后利用计算机将两个离散数字波形信号经快速傅里叶变换（FFT），得到两个信号的基波分量和3次谐波分量傅立叶系数，进一步求出各分量的有效值和相位差，这时泄漏电流基波分量在电压基波分量上的投影就是基波阻性电流分量，泄漏电流3次谐波分量在电压3次谐波分量上的投影就是3次谐波阻性电流分量。将离散的采样值经过离散傅里叶变换（DFT）转换到频域，求出基波和3次阻性谐波分量，再求出有效值及功率。该算法不需要增加硬件滤波装置就具有很强的滤波能力，这样就减少了前向通道误差，降低系统成本。计算公式表示为：

其中I1x和I3x分别为泄露电流基波分量和3次谐波分量有效值，I1r和I3r分别为基波阻性电流和3次谐波阻性电流有效值，θ1为电流基波分量和电压基波分量的相位差，θ3为电流3次谐波分量和电压3次谐波分量的相位差。

本装置基于采样定理、MSP430的计算速度、谐波分析及FFT要求（采样点数是2的幂次方）等因素，选用每周期每路采样64点。

表1是某变电站的现场测试的数据。通过分析，可知造成该现象的主要原因是相间杂散电容的耦合。现场避雷器水平一字排列，一般认为A、C相对B相的作用是对称的，并且A、C相受到B相电压的影响，这样造成A相数值较大，B相数值不变，C相数值偏小。监测运行电流时，若发现数值突然增长，应充分分析变化的起因。如果三相参数同时增长，可能与环境变化有关，应加强巡视，看是否在环境改善后数值有所回落。如果三相数值增加不平衡，一相增长较快则要考虑避雷器的本身原因。

表1 某变电站实测数据Tab.1 Test result of the substation

2 系统软件设计

2.1 下位机数据采集及中断

根据整个装置所要完成的不同功能，将软件划分为主程序和中断服务程序。主程序包括系统初始化模块、数据采集处理模块和通讯模块等，中断服务程序主要包括避雷器动作次数捕获中断、A/D中断、与上位机通讯中断[3]等，最终由这些模块以及中断服务程序来完成避雷器运行状况的监测任务。主程序首先对装置初始化，包括MCU初始化、日历时钟芯片初始化、存储器初始化、A/D初始化、异步串行通信初始化等。软件流程如图4所示。

图4 下位机软件流程图Fig.4 MSP430 system flow

2.2 上位机监控中心服务器端软件的设计

本装置在Windows XP平台上利用VB6.0开发监控程序。监控中心的软件设计主要包括远程的网络接入模块[5]、曲线显示模块、数据库安全性管理模块[6]。数据库操作可查询历史数据信息。由于ADO有很强的灵活性，所以最后只需执行部分模块就能满足功能要求。在使用时，也不用从对象模型的顶层开始一步步的创建子对象。服务器支持多个客户端访问，利用ADO数据库访问技术实现对数据库中记录的查询。查询的信息主要是阻性泄露电流值、雷击次数值等数据。远程监测系统的查询功能是基本功能之一。其主要功能是对各类数据进行查询与相关的统计分析。查询与显示历史记录程序流程图如图5所示。

图5 历史记录流程图Fig.5 Data record flow

3 结束语

文章结合实际需要，利用数字谐波分析技术设计电路，完全满足避雷器实时监测所提出的要求，不仅能准确的测量出MOA的全电流、阻性电流、基波阻性电流等反应MOA运行状况的特征量，还能同时进行多个避雷器的实测数据监测、历史数据记录和报警。对避雷器运行状况进行实时网络化、远程化在线监测系统，可以为工作人员对发生故障及设备运行状况进行综合分析提供必要和可靠的数据，保证了快速正确判断事故并进行有效的恢复处理。

[1]宋继军，菅雅弘，潘仰光.金属氧化物避雷器现状及发展趋势[J].电力设备，2005，6（8）:1-3.SONG Ji-jun，JIAN Ya-hong，PAN Yang-guang.Present situation and development tendency of metal oxide lighting arrester[J].Electrical Equipment，2005，6（8）:1-3.

[2]何计谋，朱斌，张宏涛，等.750 kV系统用无间隙金属氧化物避雷器的研究与开发[J].电力设备，2005，6（12）:17-20.HE Ji-mou，ZHU Bin，ZHANG Hong-tao，et al.Research and development of 750 kV MOA without gap [J].Electrical Equipment，2005，6（12）:17-20.

[3]皇甫堪，陈建文，楼生强.现代数字信号处理[M].北京:电子工业出版社，2003.

[4]Ma Y，Wanhammar L.A hardware efficient control of memory addressing for high performance FFT processors[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2000，48（3）:917-921.

[5]李长林.Visual Basci串口通信技术与典型案例[M].北京:清华大学出版社，2006.

[6]占维，刘伟.VB6.0数据库实用编程100例[M].北京:中国铁道出版社，2004.