基于MSP430F149的絕緣子遙測系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言
    高壓輸電線路絕緣子串的污穢閃絡(luò)是影響電網(wǎng)運行的重要因素之一。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和大氣中各類污染的加劇，沉積在絕緣子表面的污穢層受潮后使絕緣子的外絕緣能力下降，并常引起污閃事故，嚴(yán)重妨礙著電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。
    目前，檢測輸電線路外絕緣污穢程度的方法有等值附鹽密度法、測量污層電導(dǎo)率法和測量絕緣子表面泄漏電流法。前兩者要在停電的條件下進行，相對傳統(tǒng)、落后，難以反映現(xiàn)場絕緣子污穢實時信息。而污穢絕緣子表面的泄漏電流是在運行電壓作用下受污表面受潮后流過絕緣子表面的電流，是運行電壓、氣候(大氣壓力、溫度、濕度等)、污穢三要素綜合作用的結(jié)果，是一個動態(tài)參數(shù)。泄漏電流大小與絕緣子污穢程度密切相關(guān)，因此檢測高壓輸電線路絕緣子泄漏電流具有實際工程意義。
    輸電線路桿塔分布廣，桿塔上的泄漏電流監(jiān)測分機的數(shù)據(jù)信息需用無線方式傳輸；同時，分機工作于高壓輸電線路桿塔上，通常采用太陽能供電，因此要求系統(tǒng)功耗低、可靠性高。利用TI公司最新推出的低功耗芯片MSP430F149內(nèi)部豐富的硬件資源和MORTORo—LA公司生產(chǎn)的G18 GSM數(shù)據(jù)通訊模塊構(gòu)建的輸電線路絕緣子污穢遙測系統(tǒng)是一種低成本、低功耗、高可靠性的技術(shù)方案。

l 監(jiān)測原理
    由于流過絕緣子的泄漏電流脈沖的最大幅值表征了該絕緣子接近閃絡(luò)的程度。因此系統(tǒng)把絕緣子上的泄漏電流波的最高峰值作為表征污穢絕緣子運行狀態(tài)的特征量。以光滑圓柱絕緣子為例，其在電壓U的作用下沿整個絕緣子表面的泄漏電流為：

式中：Rn為絕緣子在均勻污染和濕潤條件下的電阻；L為沿絕緣子表面的爬電距離；D為絕緣子的直徑；γn為濕潤污穢層的表面電導(dǎo)率；EL為沿爬電路徑的平均電場強度。
    而對任意形狀的絕緣子，取其沿爬電路徑的微分段dl，則沿爬電路徑微分段的濕潤污穢表面電阻為：

式中：l為沿爬電路徑的線坐標(biāo)；γn(l)和D(l)為任意坐標(biāo)值處的絕緣子表面電導(dǎo)率和直徑。
    因此，絕緣子整個表面的電阻為：

當(dāng)爬電路徑的表面電導(dǎo)率為常數(shù)時，式(3)改寫為：

當(dāng)沿爬電路徑的表面電導(dǎo)率為變數(shù)時，可引入平均表面電導(dǎo)率的概念，即：

故流過任意形狀絕緣子表面的泄漏電流為：

式中：EL為沿爬電路徑的平均電場強度。
    圖1所示曲線為自然污穢絕緣子交流閃絡(luò)過程的典型示波圖(升壓法)，從運行中對污穢絕緣的監(jiān)視和預(yù)報角度出發(fā)，可將其分成三部分。如果以閃絡(luò)電壓為基準(zhǔn)的標(biāo)么值表示，A點和B點的電壓標(biāo)么值分別為O．5和O．9，A點之前稱為非預(yù)報區(qū)，A～B之間稱為預(yù)報區(qū)，B點之后至閃絡(luò)為危險區(qū)。

從示波圖可以看出，自然污穢絕緣子泄漏電流的特點是出現(xiàn)在預(yù)報區(qū)的泄漏電流呈不穩(wěn)定狀態(tài)，常以脈沖群出現(xiàn)，并伴有局部的電弧形成和熄滅，預(yù)報區(qū)的泄漏電流脈沖群幅值多為幾十至幾百毫安，其寬度常為幾個至幾十個周波。
    正因為污閃的發(fā)生要經(jīng)歷以上幾個階段，使得通過在線監(jiān)測絕緣子的泄漏電流幅值和脈沖數(shù)及環(huán)境參數(shù)來估計絕緣子的污穢程度，并在污閃發(fā)生之前給出預(yù)警成為可能。

2 遙測系統(tǒng)總體方案設(shè)計
    在輸電線路的被監(jiān)測桿塔上安裝一臺數(shù)據(jù)監(jiān)測分機，自動采集、處理該桿塔上絕緣子串的泄漏電流及其環(huán)境溫濕度等信息，并將其通過打包存儲并定期通過GSM網(wǎng)絡(luò)以點對點短消息(SMS)方式或通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)方式傳送給遠(yuǎn)方系統(tǒng)主機。在總站安裝一臺系統(tǒng)主機，接收分機發(fā)來的有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并進行分析、判斷、處理。同時系統(tǒng)主機設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)接口供有關(guān)部門進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息查詢。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測分機設(shè)計
3．1 數(shù)據(jù)監(jiān)測分機工作原理
    數(shù)據(jù)監(jiān)測分機的工作原理：分機循環(huán)采集桿塔上各路絕緣子串泄漏電流。首先泄漏電流信號經(jīng)過電壓、過電流保護后由屏蔽電纜引入泄漏電流傳感器，經(jīng)傳感器放大后進入信號調(diào)理電路，在調(diào)理電路中信號先經(jīng)抗干擾抑制處理，然后被變換成電壓信號，并經(jīng)過濾波處理和PGA增益放大后送入高速A／D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，從而得到一系列各路信號的采樣值。這些采樣值經(jīng)計算處理后即得到泄漏電流的幅值和不同幅值區(qū)段的脈沖數(shù)。同時分機還采集桿塔現(xiàn)場的環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)信息，這些信息經(jīng)打包處理后存入E2PROM中。
    分機數(shù)據(jù)信息利用GSM數(shù)據(jù)通訊模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息方式傳送給系統(tǒng)主機。正常情況下分機定期主動發(fā)送信息，一旦污穢過度，分機立即發(fā)送告警和錄波信息。
    分機采用太陽能電池板加蓄電池的供電方式。分機硬件原理框圖如圖3所示。

3．2 微處理器的選擇
    系統(tǒng)中數(shù)據(jù)監(jiān)測分機的MCU采用TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗微處理器MSP430F149，該芯片內(nèi)部集成了豐富的資源，如高性能12 b A／D、模擬比較器、硬件乘法器、兩個串行口、兩個16 b脈寬調(diào)制定時器、60 KB的低功耗FLASH、2 KB的內(nèi)部RAM，同時它具有多種低功耗模式，適合于設(shè)計片上系統(tǒng)和電池供電的場合。其中硬件乘法器是一個16 b的片內(nèi)外設(shè)，它獨立于CPU之外運行，不占用CPU任何時間，適宜于大量運算。系統(tǒng)采用充分利用該芯片內(nèi)部豐富的資源并運行于低功耗模式、在外圍信號調(diào)理電路采用低功耗芯片、降低充電管理模塊的功耗、GSM通訊模快定期打開等降功耗措施后，使整個分機平均功耗低于3 mA。
3．3 泄漏電流的采集
    泄漏電流的變化范圍通常從幾十微安到幾百毫安，且有高頻放電脈沖。在干燥且污穢較輕的情況下，泄漏電流通常為幾十微安至幾毫安；當(dāng)污穢較重而且天氣潮濕時，泄漏電流可達(dá)幾十毫安；一旦發(fā)生閃絡(luò)時，泄漏電流可達(dá)幾百微安。
    為了對微小的泄漏電流信號進行精確測量，系統(tǒng)采用了TI公司的高精度運放OPA4277，該運放低噪聲，輸入偏移電壓漂移小于0．15μV／℃，開環(huán)增益最高可達(dá)160 dB，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)2．3 V／ns，滿足系統(tǒng)高速循環(huán)采樣要求。圖4為以O(shè)PA4277構(gòu)建的泄漏電流信號調(diào)理電路。

同時，為了能檢測出高頻放電脈沖，系統(tǒng)根據(jù)信號變化的劇烈程度實時調(diào)整采樣頻率。一般由前一周波所得泄漏電流信號幅值和脈沖頻次來確定；當(dāng)信號幅值和脈沖頻數(shù)較小時，按每周波24點采樣，以便降低功耗；而信號幅值和脈沖頻數(shù)較大時，按每周波96點采樣，以便捕捉高頻脈沖等瞬變信號。
3．4 串行器件模塊電路
    E2PROM 分機采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)打包后存入串行E2PROM 24C256中，總共8KB的存儲空間用于暫存定期采集的歷史數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)。受容量限制，大量錄波數(shù)據(jù)一般都要求立即發(fā)送，以便留出更多空間用于存儲歷史數(shù)據(jù)。
    時鐘電路 選用了DALLAS半導(dǎo)體公司的時鐘芯片DSl302。它可以產(chǎn)生秒、分、小時、日、星期、月及年等七個時標(biāo)，并可以通過編程來讀取和修改這些時標(biāo)。同時該芯片采用雙電源供電，以鋰電池作為后備電源，保證了時鐘電源的可靠性。采用硬件時鐘可以不占用單片機的定時器資源，同時減輕了軟件設(shè)計量。
    溫濕度模塊電路 選用了SENSIRION公司生產(chǎn)的溫濕度測量芯片SHT71，該芯片內(nèi)部集成了一個溫度傳感器、一個濕度傳感器和一個14 b的A／D轉(zhuǎn)換器及一些修正校驗電路。通常情況下芯片處于省電模式，當(dāng)接收到來自CPU的轉(zhuǎn)換命令時，將傳感器的輸出模擬量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由串行數(shù)據(jù)線輸出到CPU。該芯片測量精度高，測量范圍寬(濕度：O～100%；溫度：一40～+120℃)，體積小，功耗低。以上3種芯片都具有寬電源工作模式，能在3 V電壓下工作，降低了系統(tǒng)功耗。圖5為串行E2PROM和時鐘電路原理圖。

3．5 分機的電磁兼容(EMC)設(shè)計
    分機工作于高壓輸電線路旁，處于惡劣電磁環(huán)境中，常會受到強電磁輻射干擾、靜電放電干擾、高頻脈沖干擾、電快速瞬變干擾、雷電沖擊等。一方面高頻噪聲干擾疊加在泄漏電流這個微弱信號上給測量帶來誤差，影響檢測效果；另一方面這些干擾和沖擊作用在微電子設(shè)備上輕則使分機系統(tǒng)紊亂，數(shù)據(jù)測量錯誤，導(dǎo)致系統(tǒng)誤報警，重則使系統(tǒng)“死機”，甚至使系統(tǒng)硬件損壞。針對不同干擾系統(tǒng)采取了相應(yīng)措施。為了防止輻射干擾通過信號線進入裝置，從集流環(huán)到分機的外露信號線全采用雙層屏蔽電纜，并使屏蔽層可靠接地，整個分機也被置于一個金屬密閉箱中；為了防止雷電沖擊等高電壓和大電流信號進入裝置，在泄漏電流傳感器前端并聯(lián)有避雷器以防高壓、串聯(lián)有可恢復(fù)熔斷絲以防止大電流信號，并在每個模擬量輸入回路均設(shè)有瞬變二極管等高電壓抑制元件；為了減輕電快速瞬變干擾對裝置的影響，提高系統(tǒng)的抗共模、差模干擾能力，在泄漏電流輸入回路的前端設(shè)有共、差模扼流圈及吸收電容等，使裝置抗快速瞬變干擾能力達(dá)到了四級標(biāo)準(zhǔn)，共、差模扼流圈如圖6所示；采用硬件看門狗及非法指令中斷、對重要數(shù)據(jù)如定值等采用多重備份等措施，保證了分機常年免維護正常運行。

4 無線通訊設(shè)計
    由于輸電線路桿塔分布廣，系統(tǒng)將分機監(jiān)測到的數(shù)據(jù)用有線組網(wǎng)傳輸顯然是不現(xiàn)實的。采用RF發(fā)射／接收模塊，因通訊距離受到限制而必須采用接力方式，這使整個系統(tǒng)的通訊可靠性受到限制。采用基于GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)，通過給每個分機分配惟一的地址(SIM卡號)，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)信息打包，建立無線通訊網(wǎng)絡(luò)，為每個分機提供了網(wǎng)絡(luò)化通信接口?？梢詮母旧辖鉀Q輸電線路絕緣子監(jiān)測分機分布廣、距離遠(yuǎn)而難于用有線方式組網(wǎng)的難題，實現(xiàn)監(jiān)測分機與系統(tǒng)主機之間數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程雙向傳輸。
    數(shù)據(jù)監(jiān)測分機中內(nèi)置了MORTOROLA公司生產(chǎn)的G18 GSM數(shù)據(jù)通訊模塊。G18是集成的無線調(diào)制解調(diào)器，相當(dāng)于DCE(數(shù)據(jù)通信設(shè)備)，其內(nèi)部集成了GSM的微處理器，支持語音、數(shù)據(jù)、短信等服務(wù)。它帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232串行接口，單片機可以通過RS 232口向其發(fā)送和接收各種信息。而且其可在3 V電壓下工作，睡眠模式下的消耗電流為10 mA，關(guān)斷模式下的消耗電流為150μA，功耗低。
    短消息業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)提供的一種有別于語音傳輸?shù)耐ㄐ艠I(yè)務(wù)，主要包括點對點短消息業(yè)務(wù)和小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)。本系統(tǒng)利用的是點對點短消息業(yè)務(wù)，它是通過信令信道傳送簡短信息的業(yè)務(wù)，編碼后單條短信長度為140 B，可以承載160個英文字符或70個漢字。短消息通信有三種模式：塊模式、文本模式、PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式。其中在PDU模式下，每條短消息用戶數(shù)據(jù)最大長度為140 B。
    根據(jù)分機與系統(tǒng)主機之間傳輸數(shù)據(jù)的類型自定義了通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息分為上行和下行兩種：上行信息是指數(shù)據(jù)監(jiān)測分機將現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息(包括歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù))及各種下行命令返回信息，這些信息通常主動上送系統(tǒng)主機；下行信息是指系統(tǒng)主機向數(shù)據(jù)監(jiān)測分機發(fā)送數(shù)據(jù)信息，包括數(shù)據(jù)請求和各種定值的修改。每條短消息的用戶數(shù)據(jù)部分按如下格式構(gòu)成：數(shù)據(jù)類型+有效數(shù)據(jù)信息+校驗碼。為了減少數(shù)據(jù)通訊誤碼，提高抗干擾能力，軟件上采取了校驗措施，保證了整個系統(tǒng)的可靠通訊。圖7為分機以短消息形式收／發(fā)數(shù)據(jù)信息的流程圖。

5 系統(tǒng)主機軟件設(shè)計
    監(jiān)測系統(tǒng)主機軟件基于Windows 2000／98平臺，采用Visual Basic面向?qū)ο笳Z言編制而成。包括無線數(shù)據(jù)通訊、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、自動巡測、人工點測、數(shù)據(jù)分析等功能。限于篇幅，不再詳述。

6 結(jié) 語
    利用MSP430F149單片機設(shè)計的基于GSM網(wǎng)絡(luò)的輸電線路絕緣子遙測系統(tǒng)，在任何惡劣環(huán)境條件下都可以全天候自動監(jiān)測各桿塔絕緣子的污穢狀態(tài)信息，并在污穢越限時告警。目前該系統(tǒng)已經(jīng)有多套應(yīng)用到西北地區(qū)和華中地區(qū)的輸電網(wǎng)絡(luò)，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確測量了流過絕緣子串表面的泄漏電流，較客觀地反映了被監(jiān)測線路絕緣子的污穢狀況，為準(zhǔn)確劃分污區(qū)和及時修訂污區(qū)分布圖提供了參考依據(jù)，提高了電力系統(tǒng)運行管理水平。