摘?要：以牽引變電所內(nèi)用氧化鋅避雷器計(jì)數(shù)器為應(yīng)用場(chǎng)景，基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一款氧化鋅避雷器放電次數(shù)智能監(jiān)測(cè)裝置，完成硬件電路設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)終端智能組網(wǎng)、放電次數(shù)監(jiān)測(cè)與顯示、超次數(shù)報(bào)警等功能。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸至后臺(tái)服務(wù)器，能夠融入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)電力保護(hù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：避雷器;ZigBee;CC2530;光電隔離

鐵道牽引供電系統(tǒng)中，氧化鋅避雷器已成為電氣設(shè)備設(shè)施、供電線路安全運(yùn)行的一個(gè)重要保護(hù)裝置。由于其特殊的結(jié)構(gòu)原理使其保護(hù)動(dòng)作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)被保護(hù)設(shè)備斷電、截波、殘壓高等現(xiàn)象，在電氣化牽引變電所中大量使用，用于保護(hù)牽引主變壓器、母線、變電所進(jìn)出導(dǎo)線等設(shè)備與線路，以免受到雷電、電力系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓等過(guò)電壓侵害，其運(yùn)行狀態(tài)和工作穩(wěn)定性將決定供電系統(tǒng)的安全。

氧化鋅避雷器配套使用放電計(jì)數(shù)器，維護(hù)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察可清晰掌握氧化鋅避雷器的放電次數(shù)，得出可靠的數(shù)據(jù)，以判斷其運(yùn)行質(zhì)量，防止過(guò)電壓事故的發(fā)生，提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。目前計(jì)數(shù)器都是采用機(jī)械式的計(jì)數(shù)和顯示方式，裝置本身沒(méi)有任何數(shù)據(jù)處理和通信能力，需要工作人員到現(xiàn)場(chǎng)觀察和記錄數(shù)據(jù)，在一定程度上造成工作量的增加。本文針對(duì)這種問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的氧化避雷器放電次數(shù)智能計(jì)數(shù)裝置，具有實(shí)時(shí)顯示、智能分析、遠(yuǎn)程通信和智能警示的作用，未來(lái)可以融入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)。

1?整體方案設(shè)計(jì)

由于放電次數(shù)計(jì)數(shù)器連接在避雷器放電接地線中，正常工作時(shí)，承受的電壓和流過(guò)的電流均比較小，不會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置造成危害。但是，當(dāng)電力設(shè)備或供電線路出現(xiàn)過(guò)電壓（如雷擊設(shè)備或線路造成雷電過(guò)電壓）時(shí)，氧化鋅避雷器將會(huì)動(dòng)作，其閥片電阻值將會(huì)很低，裝置不僅會(huì)承受較高的雷擊過(guò)電壓，也會(huì)流過(guò)比較大的雷擊泄漏電流，對(duì)監(jiān)測(cè)裝置可能會(huì)產(chǎn)生比較大的干擾或破壞。因此，為避免雷擊泄露電流對(duì)監(jiān)測(cè)裝置可能造成的損壞，裝置在設(shè)計(jì)上采用了電氣隔離，將大電流、高電壓與監(jiān)測(cè)裝置的核心電路隔離開(kāi)，以有效防止監(jiān)測(cè)電路絕緣被高電壓擊穿，采集信號(hào)被噪聲干擾等。本裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含雷擊次數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、CC2530最小單元電路、顯示電路、報(bào)警電路等四個(gè)部分。

2?硬件電路設(shè)計(jì)

2.1?ZigBee技術(shù)

由于監(jiān)測(cè)裝置需要監(jiān)測(cè)的雷擊泄漏電流是一個(gè)非周期的瞬態(tài)電流，其波形是脈沖波，瞬時(shí)值大，時(shí)間短，所以對(duì)于采集的精度、快速性和實(shí)時(shí)性要求較高，監(jiān)測(cè)裝置需要具備較高的響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理、分析能力，以及穩(wěn)定高效的通信能力。

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用公開(kāi)通用2.4GHz頻段，具有最高250kbps的傳輸速率，通信節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)100m，增加RF發(fā)射功率后，通信距離最大可增加到1～3km。ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，還可有效提高通信距離。ZigBee具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、功耗低、時(shí)延短、安全可靠、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸，是目前工業(yè)監(jiān)控和控制系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最多的無(wú)線技術(shù)。[1]

ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支持星型、網(wǎng)型和簇樹(shù)型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)型結(jié)構(gòu)有多條傳輸路徑，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式通信，具有較高的可靠性。ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備按功能可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)三種，協(xié)調(diào)器的作用是啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)初始化，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)各節(jié)點(diǎn)信息，路由器的作用是管理每對(duì)節(jié)點(diǎn)的路由信息，終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)，可以是任意類型的終端設(shè)備。[2]本方案采用網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具備路由或協(xié)調(diào)器的功能，以增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。

2.2?主控芯片

TI公司CC2530芯片是用于2.4GHz?IEEE?802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB?RAM32/64/128/256KB閃存以及其他強(qiáng)勁的支持功能與外設(shè);有豐富的外部資源，自帶ADC模塊，支持14位模數(shù)轉(zhuǎn)換，支持7到12位的分辨率;具有高達(dá)256KB的大容量閃存，允許片上空中下載以支持系統(tǒng)內(nèi)重新編程;還結(jié)合了1個(gè)完全集成的高性能射頻收發(fā)器，具有更強(qiáng)大無(wú)線通信能力。[34]最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.3?雷擊次數(shù)監(jiān)測(cè)電路

雷擊次數(shù)監(jiān)測(cè)電路主要完成雷擊判斷和計(jì)數(shù)。由于采集的對(duì)象處于高壓電路中，尤其是發(fā)生雷擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生非常大的沖擊波電壓和雷擊泄漏電流，較強(qiáng)的沖擊波電壓、電流會(huì)造成諧波干擾、燒壞電路等問(wèn)題。為避免高壓雷擊電流對(duì)裝置造成的損壞，采用光電電氣隔離將大電流、高電壓與監(jiān)測(cè)裝置的核心電路隔離開(kāi)，以有效防止監(jiān)測(cè)電路絕緣被高電壓擊穿，防止采集信號(hào)被噪聲干擾造成誤差。

雷擊次數(shù)監(jiān)測(cè)電路有三部分組成：穩(wěn)壓電路先由MOA接地端接線引出，經(jīng)R1（高精度、大功率電阻）電阻限流和分壓后，由穩(wěn)壓管D1、D2實(shí)現(xiàn)前端沖擊電壓信號(hào)的整形、穩(wěn)壓，再由整流電路整流后輸出矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)R3、C1濾波回路消除交流諧波噪聲。經(jīng)由脈沖濾波電路將矩形脈沖波信號(hào)變換為尖頂脈沖CP，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)光電耦合器動(dòng)作，光電耦合器輸出端信號(hào)的電位發(fā)生變化，觸發(fā)ZigBee模塊中的8051?CPU的中斷，CPU經(jīng)由中斷程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)避雷器動(dòng)作次數(shù)的計(jì)數(shù)（即雷擊次數(shù)）。

2.4?避雷器狀態(tài)顯示電路

避雷器狀態(tài)顯示電路主要功能是顯示避雷器已發(fā)生的動(dòng)作次數(shù)，聲光報(bào)警。避雷器動(dòng)作次數(shù)顯示在數(shù)碼管中，方便電力運(yùn)行或檢修人員現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)該臺(tái)避雷器的動(dòng)作次數(shù)以判斷其運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)測(cè)狀態(tài)也會(huì)智能地根據(jù)計(jì)數(shù)次數(shù)判斷避雷器的動(dòng)作次數(shù)是否超過(guò)設(shè)備運(yùn)行相關(guān)規(guī)程要求的最大次數(shù)（可提前在程序中設(shè)置或有上位機(jī)發(fā)送指令設(shè)置），并能夠發(fā)出聲光報(bào)警，提醒運(yùn)行檢修人員及時(shí)關(guān)注和查看避雷器運(yùn)行狀態(tài)。

圖4?狀態(tài)顯示電路

3?軟件程序設(shè)計(jì)

主程序流程如圖5所示。開(kāi)始程序運(yùn)行后，首先對(duì)各模塊化中的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的定義和賦值（包含從寄存器中讀取存儲(chǔ)的數(shù)值），然后進(jìn)入一個(gè)主循環(huán)中：監(jiān)測(cè)LJC端口有否電位變化，以判斷是否發(fā)生雷擊（高電位表示沒(méi)有發(fā)生雷擊;低電位表示發(fā)生雷擊，避雷器動(dòng)作一次，雷電過(guò)電壓消失后，電位重新置為高電位）。如果檢測(cè)到避雷器由于雷擊動(dòng)作一次，裝置會(huì)自動(dòng)計(jì)數(shù)一次，同時(shí)改變數(shù)碼管顯示出來(lái)的累計(jì)動(dòng)作次數(shù)，并判斷雷擊次數(shù)是否達(dá)到避雷器運(yùn)行允許動(dòng)作的預(yù)警或上限次數(shù)。如果達(dá)到或超過(guò)允許的警示次數(shù)，會(huì)觸發(fā)啟動(dòng)聲光報(bào)警程序中斷。程序會(huì)將每次采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心的服務(wù)器端存儲(chǔ)，監(jiān)控中心可將數(shù)據(jù)分享至Internet，為同類型避雷器運(yùn)行狀態(tài)提供大數(shù)據(jù)支持。

結(jié)語(yǔ)

本監(jiān)測(cè)裝置不僅能夠滿足避雷器動(dòng)作次數(shù)的監(jiān)測(cè)、次數(shù)顯示和次數(shù)超限報(bào)警，還能夠及時(shí)將次數(shù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器中存儲(chǔ)，逐步形成運(yùn)行大數(shù)據(jù)，后期根據(jù)大數(shù)據(jù)診斷同類型避雷器運(yùn)行數(shù)據(jù)和保護(hù)性能，有利于監(jiān)控和分析電網(wǎng)在運(yùn)行中受雷擊的狀況，以指導(dǎo)該地區(qū)供電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：2018年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目《基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的氧化鋅避雷器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究》，項(xiàng)目編號(hào)：2018KY1159

作者簡(jiǎn)介：程洋（1988—?），男，漢族，河南汝南縣人，碩士，講師，研究方向：智能電網(wǎng)（鐵道供電方向）。