許松枝，汪 沨，葉衍林，申 晨，皮建民，陳曉林

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙410012)

0 引 言

GIS，SF6氣體絕緣組合電器［1］具有占地面積小、元件全部密封不受環(huán)境干擾、運(yùn)行可靠性高、運(yùn)行方便、檢修周期長、維護(hù)工作量小、安裝迅速、運(yùn)行費(fèi)用低、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。GIS 雖然故障少，但是一旦發(fā)生故障，后果將非常嚴(yán)重［2］。局部放電是GIS 絕緣劣化的前兆，又會(huì)使絕緣進(jìn)一步劣化，因此，檢測局部放電信號(hào)是對(duì)GIS 絕緣檢測和診斷最有效的方法［3］。市場上現(xiàn)有的GIS 局部放電檢測設(shè)備雖然能夠檢測到局部放電信號(hào)并判斷出局部放電的類型和位置［3～5］，但其有以下缺點(diǎn):1)整套系統(tǒng)只有一只或者幾只傳感器，不能對(duì)整個(gè)GIS 站進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測;2)有線連接，使用操作不方便且有潛在危險(xiǎn);3)成本高昂，不適宜推廣。

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，廣泛用于智能家居、醫(yī)療監(jiān)控、工業(yè)控制等領(lǐng)域［6～10］。

本文針對(duì)GIS 局部放電監(jiān)測，設(shè)計(jì)了一種基于WSNs和GSM 的GIS 局部放電報(bào)警系統(tǒng)，通過采集GIS 局部放電產(chǎn)生的UHF 信號(hào)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIS 局部放電的報(bào)警。和現(xiàn)有GIS 局部放電檢測設(shè)備比，本設(shè)計(jì)主要具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn):1)能夠?qū)φ麄€(gè)GIS 站進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測，并可以根據(jù)GIS 站的大小，靈活設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù);2)采用了無線通信，使用起來既方便又安全;3)傳感器節(jié)點(diǎn)采用nRF24L01 無線模塊［9，10］跟信息中轉(zhuǎn)站通信，信息中轉(zhuǎn)站再通過GSM 模塊跟外界通信，整個(gè)系統(tǒng)只需要一個(gè)GSM模塊［5］，降低了整套系統(tǒng)的成本。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

GIS 局部放電檢測系統(tǒng)由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)信息中轉(zhuǎn)站兩部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集GIS 工作狀態(tài)和該節(jié)點(diǎn)供電電池電壓，并通過nRF24L01 無線模塊將信息單向發(fā)送給信息中轉(zhuǎn)站。信息中轉(zhuǎn)站用來將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的信息通過GSM 方式無線傳輸給GIS 站管理員，另外，還能接收GIS 站管理發(fā)來的命令短信。信息中轉(zhuǎn)站和傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用單向通信，而信息中轉(zhuǎn)站和GIS 站管理員之間采用雙向通信。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，1#～6#為傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖1 報(bào)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of alarming system

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)由UHF 傳感器、檢波比較模塊、低功耗單片機(jī)MSP430G2553 單片機(jī)、nRF24L01 無線模塊以及電源管理模塊組成。當(dāng)GIS 發(fā)生局部放電，將伴隨有UHF 信號(hào)產(chǎn)生，UHF 傳感器接收該信號(hào)，檢波比較模塊再將該信號(hào)降頻并數(shù)字化，然后輸入到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理和分析，最后單片機(jī)控制nRF24L01 無線模塊將給信息中轉(zhuǎn)站發(fā)去報(bào)警信息。另外，單片機(jī)還能對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的供電模塊的電壓進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)電壓不足時(shí)，單片機(jī)也將控制nRF24L01 無線模塊向信息中轉(zhuǎn)站發(fā)出報(bào)警信息。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2(a)所示，實(shí)物圖如圖2(b)所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)要固定在GIS 盆式絕緣子，故只能采用質(zhì)量輕的小容量鋰電池供電。由于功耗較大且整個(gè)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，為了減少換電池的工作量，傳感器節(jié)點(diǎn)除單片機(jī)外的模塊采用每間隔6h 工作一次的模式。在傳感器節(jié)點(diǎn)的電源模塊做特殊設(shè)計(jì)，采用TPS7A4533 穩(wěn)壓給單片機(jī)持續(xù)供電，采用TPS7A4501 穩(wěn)壓給其他模塊供電，其中TPS7A4501 的使能端接單片機(jī)的IO 口，可以程序控制關(guān)閉和啟動(dòng)。

1.3 信息中轉(zhuǎn)站硬件設(shè)計(jì)

圖2 報(bào)警系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)Fig 2 Sensor node of alarming system

信息中轉(zhuǎn)站由GSM 模塊、低功耗單片機(jī)MSP430G2550單片機(jī)、nRF24L01 無線模塊和供電單元組成。它的功能是利用GSM 模塊將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息通過手機(jī)短信的形式發(fā)送給GIS 站管理員，還可通過接收GIS 站管理員發(fā)來的信息更改系統(tǒng)的設(shè)置。另外，單片機(jī)還能監(jiān)測中轉(zhuǎn)站的供電單元的電壓，當(dāng)電壓過低時(shí)，也將通過手機(jī)短信的形式給GIS 站管理員發(fā)去報(bào)警信息。信息中轉(zhuǎn)站的硬件框圖如圖3 所示。

圖3 信息中轉(zhuǎn)站的硬件框圖Fig 3 Hardware block diagram of information transfer station

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 WSNs 構(gòu)建

本套系統(tǒng)的WSNs 由成本低廉的nRF24L01 無線模塊組成，采用單向無應(yīng)答模式，傳感器節(jié)點(diǎn)的nRF24L01 無線模塊均設(shè)為發(fā)送模式并指定不同的地址，信息中轉(zhuǎn)站的nRF24L01 無線模塊設(shè)為接收模式，通過循環(huán)改變接收地址接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的功能，而且傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以根據(jù)需求來設(shè)定。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

為了保證GIS 局部放電報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和低功耗性，設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)的兩種工作模式:低功耗模式和正常模式。傳感器節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間在低功耗模式下工作，每隔6 h進(jìn)入一次正常模式。

低功耗模式下，將傳感器節(jié)點(diǎn)中給檢波比較模塊和nRF24L01 無線模塊的電源芯片失能，同時(shí)，MSP430G2253單片機(jī)是低功耗單片機(jī)，低功耗模式下，耗電量極少。

正常模式下，傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊都正常工作，耗電量稍大。每次進(jìn)入正常模式，檢波比較模塊大概工作5 min，當(dāng)GIS 無局部放電產(chǎn)生時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將關(guān)閉檢波比較模塊，再啟動(dòng)nRF24L01 無線模塊，并工作10 min，以保證信息中轉(zhuǎn)站能接收到該節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)。

在以上兩種模式交替工作的配合下，同時(shí)保證了GIS局部放電報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和低功耗性。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖Fig 4 Software flow chart of sensor node

2.3 信息中轉(zhuǎn)站軟件設(shè)計(jì)

為了保證信息中轉(zhuǎn)站能夠不遺漏地接收到各個(gè)傳感器發(fā)來的信息，信息中轉(zhuǎn)站一直處于工作模式，通過不斷更改循環(huán)nRF24L01 無線模塊的接收地址實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的功能，當(dāng)電池電壓過低或者接收到傳感器節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信息后，通過GSM 模塊給GIS 站管理員發(fā)送報(bào)警信息。同時(shí)，信息中轉(zhuǎn)站還能處理GSM 模塊接收的信息，GIS 站管理員可以通過發(fā)送特殊格式的短信來更改信息中轉(zhuǎn)站向哪個(gè)手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信。信息中轉(zhuǎn)站軟件流程圖如圖5 所示。

圖5 信息中轉(zhuǎn)站軟件流程圖Fig 5 Software flow chart of information transfer station

3 系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

研發(fā)GIS 局部放電報(bào)警系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)了6 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)信息中轉(zhuǎn)站，將傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1#～6#，并進(jìn)行系統(tǒng)性能測試。

3.1 nRF24L01 有效通信距離測量

nRF24L01 無線模塊的最大有效工作距離決定著本套系統(tǒng)能夠監(jiān)測得到的空間最大范圍。在實(shí)驗(yàn)室分別對(duì)本系統(tǒng)中6 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和信息中轉(zhuǎn)站的nRF24L01 無線模塊穩(wěn)定通信的有效距離進(jìn)行測量，測得的結(jié)果見表1。

表1 nRF24L01 有效通信距離Tab 1 Effective communication distance of nRF24L01

從表1 可以看出:nRF24L01 無線模塊最小的有效通信距離為64 m，也就意味著該系統(tǒng)能夠監(jiān)測到以信息中轉(zhuǎn)站為中心，以64 m 為半徑的圓的空間范圍。

3.2 系統(tǒng)預(yù)警準(zhǔn)確度測試

為測試本系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確性，聯(lián)系了許繼(廈門)智能電氣設(shè)備股份有限公司做現(xiàn)場測試，三相共筒式GIS 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D6(a)所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6(b)所示。

實(shí)驗(yàn)分兩種進(jìn)行:1)讓GIS 裝置正常工作，測試系統(tǒng)是否會(huì)誤報(bào)警;2)在GIS 的一相電極上加上3 cm 的金屬突出物作為局部放電源，如圖6(c)所示，當(dāng)電壓加到一定值時(shí)，將會(huì)發(fā)生局部放電，從而測試系統(tǒng)是否會(huì)漏報(bào)警。經(jīng)過多次重復(fù)測試，測試結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)預(yù)警測試結(jié)果Tab 2 Early-warning test results of system

從測試結(jié)果可以看出:該系統(tǒng)預(yù)警的準(zhǔn)確度非常的高，幾乎不會(huì)出現(xiàn)有誤報(bào)或漏報(bào)警的情況，具有很高的可信度。

3.3 系統(tǒng)的功耗分析

表3為用U1252B分別對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)3個(gè)工作狀態(tài)的功耗進(jìn)行測量的結(jié)果。狀態(tài)1:低功耗模式，此模式下只有單片機(jī)工作;狀態(tài)2:傳感器節(jié)點(diǎn)處于正常工作模式，檢波比較模塊啟動(dòng)，nRF24L01 無線模塊關(guān)閉;狀態(tài)3:傳感器節(jié)點(diǎn)處于正常工作模式，檢波比較模塊關(guān)閉，nRF24L01 無線模塊啟動(dòng)。

表3 傳感器節(jié)點(diǎn)功耗測量結(jié)果Tab 3 Power consumption measurement results of sensor node

圖6 測試示意圖Fig 6 Schematic diagram of test

正常情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)在6 h 狀態(tài)1 和5 min 狀態(tài)2下交替循環(huán)，如采用1 000 mAh 的鋰電池供電，該系統(tǒng)能大約持續(xù)工作超過5 069 h，即211 天。當(dāng)GIS 發(fā)生局部放電時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)在6 h 狀態(tài)1，5 min 狀態(tài)2 和10 min 狀態(tài)3下交替循環(huán)，采用1 000 mAh 的鋰電池供電，該系統(tǒng)能大約持續(xù)工作超過1 838 h，即76 天。

經(jīng)測量信息中轉(zhuǎn)站功耗為14.3 mA，功耗較大，然而它不需要固定在GIS 上，體積大小不受限制，故采用20 Ah 的鉛酸電池供電，能持續(xù)工作超過1 398 h，即58 天。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn):1)傳感器節(jié)點(diǎn)的檢波比較模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)UHF 信號(hào)的降頻，從而降低了檢測電路的開發(fā)難度;2)傳感器節(jié)點(diǎn)的電源管理模塊在軟件的配合下降低了系統(tǒng)的功耗，減少了換電池的工作量;3)傳感器節(jié)點(diǎn)和信息中轉(zhuǎn)站之間采用低成本的nRF24L01 模塊通信，降低了系統(tǒng)的成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)監(jiān)測范圍廣，準(zhǔn)確度高，功耗小，且擴(kuò)展性好，具有良好的應(yīng)用前景。

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