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作者：董京勝李干單位：北京市電力公司昌平供電公司

在線監測系統的設計

高壓輸電線路絕緣子閃絡在線監測系統由閃絡電流傳感器、信號處理單元、太陽能供電單元、無線通信網絡單元組成，如圖1所示。太陽能充電儲能系統保證了監測設備能夠長時間運行，無線網絡實現了故障發生時能夠及時通知工作人員故障的原因及地點。

絕緣子發生閃絡故障時，發生絕緣子擊穿，引起電力系統對地的工頻續流，造成短時間的工頻接地故障。輸電線路接地桿塔流過較大的工頻續流，能產生一個工頻交流電磁場。本文提出的監測系統利用電感線圈直接測量工頻電磁場來識別絕緣子是否發生閃絡。這種故障定位方法簡單、可靠，而且不依賴于任何測距算法，原理上沒有故障定位誤差。一旦發生故障，監測裝置會主動喚醒周邊的其他監測裝置，并發送故障數據信息，然后數據信息以“手牽手”接力的方式傳送到數據匯集單元，最后匯聚節點通過GPRS網關傳輸到監控中心。如果中間某一個監測單元因故障不能實現“手牽手”通信鏈路，則監測單元會自動搜索周圍其他良好的監測單元，通信單元的冗余度提高了監測系統通信網絡的可靠性和穩定性。監控中心分析上傳的數據以直觀的方式反饋給用戶，同時將數據保存或者打出報表。

輸電線路上獲取能源成本較高且安裝復雜，本文提出的系統采用Atmel公司的低功耗atmega8單片機、TI公司低功耗傳輸網絡芯片CC1101以及無源閃絡電流傳感器，降低了系統整體的能耗，監測設備在無光照或光照強度不夠時不能對監測設備的電池進行充電，電池自身電量可以使監測設備工作4個月，當陽光充足的時候，太陽能對蓄電池充電，連續8個小時可以充滿電，保障了系統供電的可靠性。

信號調理處理設計

輸電線路存在大量的諧波和電暈現象，監測裝置在這種強磁場高電壓干擾下，易造成傳感器信號的失真。濾除高次諧波、提取工頻50Hz的工頻信號為絕緣子在線監測系統提供了一定的科學數據，為識別和判斷絕緣子閃絡提供了可靠的保證。為了盡可能多的獲取信號中真實的數據和減少CPU處理數據的負擔，本文采用Butterworth有源低通模擬濾波器濾除信號中的300Hz以上的信號成分，如圖2所示。濾波器是通過RC濾波電路和相同比例放大電路的壓控電壓源二階低通濾波電路來實現的，該電路的小信號分析結果如圖3所示，具有良好的濾波效果，達到了現場環境的要求。為了提高監測系統的靈敏度，將濾波后的低頻信號進行10倍放大，再利用運放開環電路實現了電壓比較器功能，通過調節可調電阻提供的參考電位可以改變故障電流的整定值。當發生故障時，傳感器耦合的信號經過濾波、放大后與故障電流整定值比較輸出高電平，觸發MCU外部中斷0喚醒單片機，比較器輸出波形如圖4所示，圖4中正弦信號是閃絡電流傳感器測量的信號，直流為故障電流整定值，通過調節可調電阻比例值改變故障電流整定值，方波信號是傳感器測量信號和整定值比較的結果，可將輸出信號傳給MCU。單片機經過計算分析故障電流，通過無線傳輸模塊傳送到終端服務器，以便工作人員能夠準確確定閃絡電流發生的位置，盡快檢修絕緣子恢復供電。

無線通信網絡設計

隨著無線傳感網絡技術和Zigbee技術的發展，大量傳感器網絡通過自組網方式構成星型、網狀、環形等多種網絡拓撲結構，各種網絡結構均包括路由節點、協調節點、設備終端節點，其中路由節點、協調節點要求一直或者間歇處于接收狀態并要求實時供電，終端節點可以處于休眠或者待機狀態。而電力系統輸電線路屬于鏈狀結構，要求各個節點都要完成路由節點、終端節點、協調節點的功能，且節點要求低功耗、低成本，因此，Zigbee技術不能完全移植到輸電線路絕緣子的在線監測系統。本文針對輸電線路在線監測自身特點提出了一種新型的無線傳感網絡，能夠實現實時監測輸電線路絕緣子閃絡，如圖5所示。

無線收發芯片CC1101是一種低成本、低功耗、無需申請頻點、傳輸可靠、支持無線傳感網絡技術的單片可編程UHF收發芯片。其工作頻段靈活，可以設定在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz的ISM工業科學、醫療和SRD頻段。CC1101收發器集成了一個可配置的調制調解器，其可編程數據的傳輸速率可達500kBaud。無線收發空曠的傳輸距離達300～500m，且該模塊具有無線遠程喚醒功能，支持低功率電磁波激活功能，利用該模塊的無線喚醒特性可以方便的實現自組網、低功耗的功能。

在輸電線路無故障狀態下，各個閃絡電流監測設備處于休眠狀態，功耗小于50uA?，F假設7號桿塔發生絕緣子閃絡，有工頻續流流過桿塔，此時監測設備檢測到電流產生的工頻磁場，觸發和喚醒MCU，單片機通過數字信號分析處理，判斷是否是由于絕緣子閃絡造成的故障，如果判斷為絕緣子閃絡，喚醒該監測設備的無線通信模塊，該模塊發射低功率的電磁波喚醒周邊的3、5、6、8節點，按照預先設定的模式將故障信息發送到3號節點，CC1101帶有硬件地址檢測功能，5、6、8節點由于地址不匹配忽略收到的數據。

如果3節點出現故障不能自組網，7號節點依次將數據發送到5、6、8節點，直到收到對方的應答，表示信道良好。這樣在某種程度上大大降低了網絡的盲點，當數據傳輸到匯聚節點時，通過GPRS模塊將數據傳輸到終端服務器，實際運行中可以每間隔10～30公里加裝一個GPRS模塊，降低了設備維護和運行的成本。絕緣子在線監測設備具有硬件自檢功能，當發現監測設備電池電量低時，相鄰的監測設備通知服務器及時更換該節點，以保證監測設備無線自組網的健壯性和可靠性。

結論

第一，絕緣子閃絡的在線監測系統可以及時掌握絕緣子的運行狀況，實現了狀態檢修，節約了成本也提高了工作人員的工作效率。

第二，絕緣子在線監測設備采用了低功耗的MCU和無線射頻模塊，同時利用無線喚醒特性和太陽能充電儲能系統，降低了監測設備的功耗和保證了工作電源的可靠性，實現了絕緣子實時在線監測，提高了電力系統供電的可靠性。

第三，監測設備具有數據遠傳功能，解決了長距離信號采集傳輸的問題，同時也降低了設備和后期維護的成本，實現了全范圍、低成本的絕緣子在線監測系統。