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摘要：针对我国电力系统当前广泛使用的传统机电式金属氧化物避雷器，在不改变其电路结构的基础上，设计出一种新型低功耗避雷器在线监测器系统。对比描述了新系统结构的特点，提出并分析了基于低功耗技术的无线通信模块、中央控制单元、软件控制流程以及电源管理模块。以避雷器漏电流作为能量来源，详细计算了各模块的电量消耗，实现了系统的低功耗要求。
关键词：金属氧化物避雷器低功耗在线监测系统电源管理
1引言
智能电网建设是当前电力系统发展的主要方向，它不仅需要发电，配电过程的智能管理，同时也要求对输变电设备的运行状态实现在线监测、在线评价。无间隙金属氧化物避雷器(MOA)，作为一种过电压保护设备，以响应快、通流容量大、残压低、结构简单等优点而被广泛使用[1]。通常高压电力线路均通过MOA与大地相连，在长期的工频高压作用下，MOA会发生缓慢老化、绝缘劣化，成为电网的安全隐患，因此需要实时监测其运行状态，及早发现处理安全隐患[2]。
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。这种传统的监测器只能监测以容性分量为主的全泄漏电流和MOA动作次数，这些数据只能通过运维人员手工抄录，不能实时传输，而且它无法提取泄漏电流阻性分量，MOA的健康状态只能依靠运维人员用阻性电流检测仪带电检测来获取。这种定期的检测和抄录，不仅耗费大量的人力成本，而且由于检测的频次较低，难以及时、准确判断MOA运行状态变化，致使有的隐患未被及时发现而酿成事故[3]。
因此，研究开发安全、准确、易于安装和维护并具有健康状态在线分析、故障主动提醒功能的MOA在线监测系统，是当前MOA状态评价和检修工作的迫切需求[4.5]。本文基于传统的机电式MOA泄漏电流监测器，在不改变它的电路结构基础上，通过新增一个储能电容、电源管理模块，控制器模块、无线发射器，以MOA漏电流为能量来源，采用低功耗技术，实现MOA动作次数、泄漏电流的分析、存储与无线发送。
2系统结构
2.1传统结构
我国电力系统对变电站和输电线路的金属氧化物避雷器最常见的监测手段是安装于MOA根部的传统机电式泄漏电流监测器，系统结构如图1所示，包括绕线电阻、整流桥、动作储能电容、触发电路、电流表、机械式计数器。在正常工作状态下，MOA电阻片成高阻态，漏电流在200µA～1000µA，指针式电流表显示当前全漏电流。当发生雷击时，电阻片呈低阻态，雷电流通过它对地释放。图1中的线绕电阻在常态时阻抗很小，在瞬态电流脉冲下具有较大的感抗，通过调整其感抗即可调整整流桥在雷击泄放时输出电压。整流输出电流对动作储能电容进行充电，当雷击泄放发生时，动作储能电容被瞬间充电，当其电压高于24V的阈值，触发电路工作，继而推动电磁继电器动作，雷击计数器进行一次计数。
图1传统机电式避雷器检测系统结构
2.2新型结构
本文提出一种新型低功耗避雷器在线监测器，其系统结构如图2所示，对比图1所示的传统机电式避雷器检测系统，本新型系统保持了原系统的电路结构，在此之上新增了能源储能电容、能源管理模块、穿心式电流互感器、漏电流采样、CPU、LCD显示、无线通信等模块。
图中MOA泄漏电流经整流后对能源储能电容充电。由于动作储能电容的电容值很小，其阻值较大，使得直流电流经电流表、电磁继电器后对能源储能电容进行充电。此过程将MOA固有的泄漏电流转换为设备工作所需电能量。穿心式电流互感器串入MOA主回路中，用来采集的全漏电流，经电流采样模块处理后输入值CPU，CPU通过傅里叶变换算法分析出漏电流基波及谐波分量大小，通过无线通信模块发送至控制中心，同时为了延续传统的监测器使用习惯，机械式计数器动作触发信号被传送至CPU，通过低功耗小尺寸LCD屏，显示漏电流值以及雷击事件发生次数。
图2新型低功耗避雷器监测系统结构
本新型在线监测系统具有如下特点：1、未改变传统MOA监测器的结构，根据传统机电式MOA监测器多年的运行经验，新系统不会带来任何不安全的隐患，在MOA主回路中串入采样互感器、在互感器二次侧接入CPU的数字电路符合Q/GDW540.3规范。2、采用无线通信技术，避免了有线通信安装成本高，检修工作量大、不方便的困难。3、采用特有的低功耗技术，使得监测电路仅仅以漏电流作为能量来源，就可以正常工作，因此系统不需要从电网中取电，避免了电网对监测器的干扰。
3低功耗技术硬件实现
3.1无线通信
采用物联网常用的无线低功耗通讯技术实现的数据传输与同步控制，如图2中无线通信模块。为降低无线通信模块的整体功耗，设计出一种无线通信电路，原理如图3所示。主要由T/R收发切换器，接收LNA、下变频MIX、PGA、ADC，发送上变频MIX、PA，数字处理电路，PTPIEEE1588构成的基带处理电路，基带采用GFSK进行编解码处理，其载波传输速率为256Kbps。
图3低功耗无线通信原理图
无线通信发送功率与发送距离计算如式1：
(1)
式中Pt为发送功率(dBm)，Pr为接收端灵敏度(dBm)，Ct为发送端接头和电缆损耗(dB)，Gt为发送端天线增益(dB)，Gr为接收天线增益(dB)，Cr为接收端接头和电缆损耗(dB)，FL为自由空间损耗(dB)。FL的计算公式如式2：(2)
其中d为传输距离(km)，f为无线载波频率(MHz)。根据变电站实际情况，将通信距离设计为1千米，载波频率为433MHz。根据式2计算得到FL为145dB。本文设计的天线增益为3dB，系统接头和电缆损耗为0.2dB，接收灵敏度为-120dBm，根据式1得到所需发射功率19.4dBm。由于无线电在强电场中有不确定的干涉型衰减，需额外7dB增益以弥补在最大电场下额外的衰减，故发射功率设计为27dBm。经测试，整个无线通信模块工作电流为：静态电流2µA，接收电流4500µA，发射电流95000µA。
3.2低功耗控制器模块
图2中的中央处理器(CPU)模块负责整个数字电路的逻辑控制、数据运算处理、LCD显示、无线收发控制等，是本监测终端设备的主要功率消耗单元。为了使CPU模块功耗最低，本文采用意法半导体STM32L152控制器芯片。该控制器提供了动态电压调节、超低功耗时钟振荡器、LCD接口、比较器、DAC、32~512KBFlash存储器，具有功耗超低和性能高的特点。整个控制器在低功耗休眠模式下消耗电流仅为5.1uA，唤醒后的功耗电流仅为1.5mA。
图4中央控制器单元结构
中央控制器单元结构如图4所示，穿心互感器将MOA泄漏电流经隔离变换后送至低通滤波器，放大器对该微弱信号进行放大，CPU根据其片上ADC的采样值，动态地调整PGA放大器增益，以此得到一个稳定、测量精度较高的结果。采样完成后，CPU对其进行FFT变换，分离出基波电流、三次、五次谐波电流，然后LCD显示并编码发送至无线通信单元。
3.3软件控制流程设计
低功耗的硬件设计需要辅助以精简高效的软件控制才能达到最佳的效果，图5为本设计的软件控制流程图，包括主程序和两个中断子程序。
主程序在系统初始化完成后开启20分钟定时器，此后系统进入超低功耗的休眠状态，20分钟定时完成后，定时中断唤醒系统，然后系统在几毫米内完成一次MOA漏电流采集、数据的FFT计算及存储和低功耗LCD的显示更新，最后再次进入休眠状态并重新开启定时器，以此循环。除了定时器中断可以唤醒系统外，还有通信请求和雷击事件中断。当发生雷击时，将产生中断信号，系统从休眠状态进入工作状态并记录雷击事件信息，包括时间、地点、雷击次数等信息，同时更新LCD显示的累计次数，然后重新进入休眠状态。同样当控制台发起通信请求时，系统从休眠中唤醒，按照解析控制台的命令，如若要求发送数据，则将存储数据整理后发送出去，最后重新进入休眠状态，这两个中断处理过程中，主程序的20分钟定时器并没有停止。
3.4能源管理
整个系统的能源管理如图6所示，C2、C3为储能能源储能电容，U1、U2为电压检测芯片，与Q1、Q2组成充电管理电路，当电压充电到5V时，将泄放多余的充电电流，当电压低于4.8V即停止泄放，保证了电压最高值不超过5V。供电管理电路主要由NCP603SN330T1G线性稳压器组成，当能源储能电容电压值达到3.3V时，供电输出被使能。
现场MOA泄漏电流一般为200µA～1000µA，按照200µA的最低电流进行系统功率设计，系统20分钟获取的安时电量为
(3)
90%的转换效率及80%冬季低温消耗，则系统实际获得的电量为：
(4)
20分钟通信模块消耗的电量计算如式(5)，
(5)
其中，t为20min，IQ为静态电流(2µA)，N唤醒次数(1/3次每秒),tR为唤醒接收时间(10ms)，IR为接收电流(4500µA)，发射电流95000µA，ts为时钟同步时间(11.72ms),ttr为数据传输时间(15.63ms),IT为发送电流(95000µA)。计算得WC=23.754mA•s。
20分钟漏电流采样消耗电量为：(6)
式中tS为采样时间(0.2s)，IS¬为采样电流(1.2mA)，tC为计数时间(1.5s)，ID¬为数字计数电路工作电流(8500µA)，计算得到WS为12.99mA•s。
20分钟微处理器消耗的电量为：(7)
式中，tsp为休眠时间(20min)，Isp¬为休眠电流(5µA)，N为唤醒次数(2/3次每秒)，twk为唤醒时间(10ms)，Iwk¬为微处理器工作电流(8500µA)，计算得到WCPU为74mA•s。
监测终端20分钟内总计电量消耗为：(8)
计算得到Wtotal为110.744(mA•s)，为20分钟内获取总电量W1的64%，还有36%的电源积累，可提供给如雷击事件、主机修改配置参数等突发事件的处理。经实际测试，监测终端在能够在上述设计参数下稳定持续地工作。
4结束语
本文采用低功耗的技术设计，在不改变传统机电式金属氧化物避雷器电路结构的基础上，设计了一种避雷器在线监测系统。通过设计低功耗的无线通信电路、基于STM32L152的中央处理单元、适用于低功耗管理的软件控制和精确的电源管理系统，可以在以MOA漏电流作为能量来源的基础上，让系统稳定持续的工作，真正实现低功耗，具有很强的工程使用价值。
参考文献
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