基于ZigBee技術(shù)的避雷器放電次數(shù)監(jiān)測裝置的設(shè)計

摘?要：以牽引變電所內(nèi)用氧化鋅避雷器計數(shù)器為應(yīng)用場景，基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了一款氧化鋅避雷器放電次數(shù)智能監(jiān)測裝置，完成硬件電路設(shè)計和試驗，實現(xiàn)了監(jiān)測終端智能組網(wǎng)、放電次數(shù)監(jiān)測與顯示、超次數(shù)報警等功能。監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r傳輸至后臺服務(wù)器，能夠融入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)電力保護設(shè)備運行狀態(tài)的智能監(jiān)測。

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、供電線路安全運行的一個重要保護裝置。由于其特殊的結(jié)構(gòu)原理使其保護動作時不會出現(xiàn)被保護設(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，用于保護牽引主變壓器、母線、變電所進出導(dǎo)線等設(shè)備與線路，以免受到雷電、電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓等過電壓侵害，其運行狀態(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數(shù)器，維護人員通過現(xiàn)場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)，以判斷其運行質(zhì)量，防止過電壓事故的發(fā)生，提高供電系統(tǒng)運行的可靠性。目前計數(shù)器都是采用機械式的計數(shù)和顯示方式，裝置本身沒有任何數(shù)據(jù)處理和通信能力，需要工作人員到現(xiàn)場觀察和記錄數(shù)據(jù)，在一定程度上造成工作量的增加。本文針對這種問題，設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的氧化避雷器放電次數(shù)智能計數(shù)裝置，具有實時顯示、智能分析、遠程通信和智能警示的作用，未來可以融入泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中，實現(xiàn)萬物互聯(lián)。

1?整體方案設(shè)計

由于放電次數(shù)計數(shù)器連接在避雷器放電接地線中，正常工作時，承受的電壓和流過的電流均比較小，不會對監(jiān)測裝置造成危害。但是，當(dāng)電力設(shè)備或供電線路出現(xiàn)過電壓（如雷擊設(shè)備或線路造成雷電過電壓）時，氧化鋅避雷器將會動作，其閥片電阻值將會很低，裝置不僅會承受較高的雷擊過電壓，也會流過比較大的雷擊泄漏電流，對監(jiān)測裝置可能會產(chǎn)生比較大的干擾或破壞。因此，為避免雷擊泄露電流對監(jiān)測裝置可能造成的損壞，裝置在設(shè)計上采用了電氣隔離，將大電流、高電壓與監(jiān)測裝置的核心電路隔離開，以有效防止監(jiān)測電路絕緣被高電壓擊穿，采集信號被噪聲干擾等。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)測模塊、CC2530最小單元電路、顯示電路、報警電路等四個部分。

2?硬件電路設(shè)計

2.1?ZigBee技術(shù)

由于監(jiān)測裝置需要監(jiān)測的雷擊泄漏電流是一個非周期的瞬態(tài)電流，其波形是脈沖波，瞬時值大，時間短，所以對于采集的精度、快速性和實時性要求較高，監(jiān)測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、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用公開通用2.4GHz頻段，具有最高250kbps的傳輸速率，通信節(jié)點之間的傳輸距離最遠可達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多個節(jié)點，如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，還可有效提高通信距離。ZigBee具有組網(wǎng)簡單、功耗低、時延短、安全可靠、保密性好等優(yōu)點，非常適合控制信號和數(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)型和簇樹型三種拓撲結(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“多級跳”的方式通信，具有較高的可靠性。ZigBee節(jié)點設(shè)備按功能可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點三種，協(xié)調(diào)器的作用是啟動網(wǎng)絡(luò)初始化，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和存儲各節(jié)點信息，路由器的作用是管理每對節(jié)點的路由信息，終端節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點，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)，同時設(shè)置多個監(jiān)測節(jié)點具備路由或協(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大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB?RAM32/64/128/256KB閃存以及其他強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個完全集成的高性能射頻收發(fā)器，具有更強大無線通信能力。[34]最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.3?雷擊次數(shù)監(jiān)測電路

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

雷擊次數(shù)監(jiān)測電路有三部分組成：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實現(xiàn)前端沖擊電壓信號的整形、穩(wěn)壓，再由整流電路整流后輸出矩形脈沖信號，經(jīng)過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變換為尖頂脈沖CP，該信號驅(qū)動光電耦合器動作，光電耦合器輸出端信號的電位發(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)對避雷器動作次數(shù)的計數(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)生的動作次數(shù)，聲光報警。避雷器動作次數(shù)顯示在數(shù)碼管中，方便電力運行或檢修人員現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)該臺避雷器的動作次數(shù)以判斷其運行狀態(tài)。監(jiān)測狀態(tài)也會智能地根據(jù)計數(shù)次數(shù)判斷避雷器的動作次數(shù)是否超過設(shè)備運行相關(guān)規(guī)程要求的最大次數(shù)（可提前在程序中設(shè)置或有上位機發(fā)送指令設(shè)置），并能夠發(fā)出聲光報警，提醒運行檢修人員及時關(guān)注和查看避雷器運行狀態(tài)。

圖4?狀態(tài)顯示電路

3?軟件程序設(shè)計

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

結(jié)語

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

參考文獻：

[1]肖令祿，張瑩，姚康.基于ZigBee的實驗室安防報警系統(tǒng)設(shè)計[J].黑龍江科技信息，2016，30：170172.

[2]于樹科，祁宏宇.基于ZigBee的醫(yī)院實時定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2016，28：271272.

[3]鐘文，彭龑，等.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的避雷器在線監(jiān)測設(shè)計[J].電瓷避雷器，2014（1）：6873.

[4]李思南，劉黎，等.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的避雷器在線監(jiān)測傳感器設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2011，24（4）：6970.

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

作者簡介：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）。