尹柏睿，張曉慧

(沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136)

電力預防性試驗是檢查、鑒定設(shè)備運行狀況、防止設(shè)備發(fā)生損壞、保證安全生產(chǎn)的重要措施，其中高壓直流試驗就是一項常規(guī)例行試驗，可以發(fā)現(xiàn)絕緣設(shè)備劣化情況，以便及時更換受損，預防事故發(fā)生與擴大。目前高壓直流試驗在對試品進行測試時，使用微安表測量被試品的泄漏電流，出于安全考慮要求試驗人員距離微安表有一定安全距離，這并不利于測量人員的讀數(shù)。為了解決上述問題，本文介紹一種基于ZigBee無線技術(shù)的高壓直流微安表。

1 直流高壓試驗

直流高壓試驗是電力設(shè)備(同步發(fā)電機、電力電纜、避雷器)交接和預防性試驗的重要試驗項目，和交流耐壓試驗一樣，是為了檢驗絕緣的電氣強度，屬于破壞性試驗的范疇。當目標器件為較大電容器時，如果繼續(xù)使用工頻高壓進行絕緣測試會出現(xiàn)過高的電容電流，此時需試驗裝置具有較大容量。故經(jīng)常使用直流高壓試驗進行替代。試驗接線[1]如圖1所示。GD為直流高壓發(fā)生器，是試驗的電源部分，TO為被試品，μA為測量微安表。泄漏電流可同時由直流高壓試驗所測得，并可根據(jù)“電壓—電流”曲線來正確表明絕緣體的缺陷或受潮情況，并可為相關(guān)狀態(tài)作進一步補充。由于現(xiàn)場條件所限，測試品一般為一端固定接地，且地線難以解開，此時測量表需接于高壓側(cè)，這種接法不利于數(shù)據(jù)讀取及量程的切換。另外根據(jù)GB/T 6927.1—1997《高電壓試驗技術(shù)》要求：試品與接地體或鄰近物體的距離，一般應不小于試品高壓部分與接地部分間最小距離的1.5倍。這為試驗的測量工作帶來了不便。另外由于現(xiàn)場直流高壓試驗每次結(jié)束或短暫結(jié)束后，應將被測設(shè)備多次對地放電且有效對地短接。故試驗現(xiàn)場有幾率發(fā)生放電不完全而使微安表造成損壞的事例。因此針對微安表現(xiàn)場故障頻發(fā)的現(xiàn)象，本文給出一種基于無線讀數(shù)方式的直流高壓試驗智能微安表的解決辦法。

圖1 直流高壓試驗接線示意圖

2 短程通信技術(shù)簡介

2.1 RFID通信技術(shù)

射頻識別技術(shù)(RFID)，又被稱為無線射頻識別、電子標簽等。其通過非接觸式識別特定目標并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，無需與建立特定的機械或光學關(guān)系，并且識別距離短。RFID是一種構(gòu)造極為簡單的無線系統(tǒng)，其基本組成器件只有應答器和閱讀器兩部分。一般使用標簽作為應答器，每個標簽附著在物體上并含有一個唯一的電子編碼。閱讀器一般為手持式或固定式，用于讀取標簽上的信息。RFID當前主要用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。RFID包含低頻與高頻兩種不同的工作頻率。如表1所示。

表1 RFID的工作頻率 kHz

2.2 NFC通信技術(shù)

近場通信(NFC)是由RFID及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來，與RFID同樣為相近的兩個物體之間傳輸信號。NFC是一種高頻近距離傳輸技術(shù)，在13.56 MHz頻率運行于20 cm以內(nèi)。其包含3種傳輸速度：106 kbit/s，212 kbit/s,424 kbit/s。NFC的通信包括主動與被動2種數(shù)據(jù)交換模式。被動模式下通過主設(shè)備發(fā)送106 kbit/s，212 kbit/s，424 kbit/s 3種不同速度的數(shù)據(jù)至從設(shè)備，并以同等速度通過load modulation技術(shù)進行數(shù)據(jù)回傳，且不必產(chǎn)生射頻場。而主動模式需要自己產(chǎn)生射頻場用于通信。當前NFC技術(shù)主要應用于移動支付、門禁、身份識別等場景。其主要技術(shù)標注包括ISO/IEC 18092(NFCIP-1)、ECMA-340、ECMA-352、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 21481(NFCIP-2)等。

2.3 Bluetooth 通信技術(shù)

藍牙(Bluetooth)是一種無線技術(shù)標準，其可實現(xiàn)眾多移動或固定終端之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍牙的波段為2 400～2 483.5 MHz，該波段全球范圍內(nèi)無需取得執(zhí)照，保證了其通用性。藍牙是一種基于數(shù)據(jù)包且有主從架構(gòu)的協(xié)議。其主設(shè)備在一個微網(wǎng)中最多可與7個從設(shè)備通信。其具有無線傳輸、兼容性、開放性、移動性、低功耗、低成本等優(yōu)點。藍牙的數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbps，可實現(xiàn)全雙工傳輸。其傳輸距離分為3個層級：100 m，10 m，2～3 m。通常情況下藍牙的工作范圍在10 m以內(nèi)。藍牙技術(shù)的原理為：2個藍牙設(shè)備通過無線電信號在短距離建立連接，交換信息[2]。藍牙技術(shù)最初由Ericsson公司創(chuàng)立于1994年，當前藍牙由藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)管理。SIG在全球范圍內(nèi)擁有超過25 000家會員，在眾多領(lǐng)域，如計算機、網(wǎng)絡(luò)、電信等眾多領(lǐng)域具有話語權(quán)。SIG負責藍牙規(guī)范開發(fā)，項目認證，商標維權(quán)。所有制造商均需符合SIG標準才可以準入市場。SIG通過一套專利網(wǎng)絡(luò)向符合標準的設(shè)備進行發(fā)放。

2.4 ZigBee 通信技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。該技術(shù)具有傳輸距離短、復雜度低、功耗低、傳輸速率低、成本低等優(yōu)點[3]。主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee協(xié)議從下到上分為應用層(APL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、傳輸層(TL)、媒體訪問控制層(MAC)、物理層(PHY)等。其中MAC和PHY遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。ZigBee技術(shù)是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙技術(shù)的方案，依據(jù)802.15.4標準，可實現(xiàn)通信于數(shù)千個微小傳感器之間。這種傳輸只需很小的能量，即可將無線電波數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點，通信效率高。ZigBee作為一種短距離無線通信技術(shù)，相較于藍牙技術(shù)其具有大規(guī)模組網(wǎng)能力(每個網(wǎng)絡(luò)有65 000個節(jié)點，藍牙僅為8個)，網(wǎng)絡(luò)加入及重載速度快(1 s以內(nèi)，藍牙需3 s)。故其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有較好應用前景。ZigBee技術(shù)的缺點在于傳輸速率低，在2.4 GHz頻段僅為250 kB/s；ZigBee通過PHY及MAC層進行保證其可靠性；由于ZigBee不支持時分復用的信道接入方式且隨機接入MAC層，故不支持實時業(yè)務(wù)；由于ZigBee節(jié)點傳輸速率低，在無通信需求時節(jié)點可進入休眠狀態(tài)。其功耗僅為正常狀況的千分之一[4]。而其休眠時間占據(jù)大部分時間，故ZigBee的功耗極低；另外ZigBee擁有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，其每個網(wǎng)絡(luò)包含65 000個節(jié)點，可布置大范圍網(wǎng)絡(luò)傳輸及多播、廣播等。當前ZigBee共同標準為國際ZigBee與2012年4月推出的ZigBeeLightLink(ZLL)。該標注由全球主要設(shè)備制造商共同開發(fā)，該標準不僅僅是對一種新進燈控應用傳遞協(xié)議做出定義，更是將一種簡便的配置方式納入其中。真正使消費者可以做到開箱即用。另外，ZLL還具有ZigBee所具有的固有優(yōu)勢，可實現(xiàn)基于802.15.4的低功率、低成本、大規(guī)模、安全的無線傳輸網(wǎng)[5]。

3 智能微安表電路組成及基本原理

3.1 高壓直流智能微安表系統(tǒng)原理

高壓直流無線微安表主要包括手持機與測量終端。在對試品進行高壓直流試驗時，由串接在高壓直流發(fā)生器與試品之間的測量終端將試驗所測得電流值，通過終端的無線ZigBee透傳模塊將其傳送至在安全范圍內(nèi)的手持機設(shè)備上。無線高壓直流測量系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 無線高壓直流測量系統(tǒng)

目前高壓直流試驗對避雷器的測量中，由于試品的高度限制，經(jīng)常需要分節(jié)測量，在最頂端的測量中，因試品傾倒容易對微安表造成損壞。因此無線微安表的設(shè)計可以有效避免上述情況的發(fā)生。

3.2 主要芯片選型

無線測量系統(tǒng)的終端與手持機的微處理器都采用Microchip公司開發(fā)的PIC18F系列單片機，產(chǎn)品在設(shè)計上采用面向工程、面向應用的設(shè)計理念，品種豐富，功能齊全。其中手持機選用的PIC18F4520芯片是一款8位哈弗結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)總線，帶有32 k閃存，36個I/O接口，10位A/D轉(zhuǎn)換。28引腳器件的模數(shù)(Analog-to-Digital，A/D)轉(zhuǎn)換器具有10路輸入，44引腳的A/D有13路輸入。

無線通信內(nèi)置的I2C/SPI主同步串口、USART異步串口可以滿足無線測量系統(tǒng)終端與手持機部分的各類通信方式。器件共有7種功耗選擇，幫助在電池供電的設(shè)備中節(jié)省功耗。終端與手持機非工作狀態(tài)下選用修眠模式可以大大延長待機時間[6]。

本文的終端與手持機間的通信模塊的芯片選擇方案，經(jīng)過對高壓直流試驗的需求分析，使用REX3U模塊，該模塊同時兼容ZigBeePRO和IEEE802.15.4協(xié)議，射頻芯片為EM357頻率2.4 G。具有外型小巧，靈敏度高功耗低的特點。輸出功率8 dBm，可在300 m內(nèi)可靠通信。功耗極低：休眠模式<2.0 μA；接收模式29 mA；發(fā)射模式36 mA，3 dBm。模擬接口和數(shù)字接口等多種接口，主要特點包括：4個外部中斷源，24個GPIO；1個USART帶硬件流控制；6路12口ADC采樣通道；1個SPI/I2C接口；支持MAC地址寫入Flash功能。

3.3 無線高壓直流微安表終端工作機理

高壓直流微安表終端的原理如圖3所示，取樣電阻將試驗電流轉(zhuǎn)化為電壓信號。放電管用于抑制電路里浪涌過電壓，當輸入端口的電壓達到或超過其擊穿電壓時，放電管內(nèi)之間的氣體間隙將被放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導電狀態(tài)，導通后將短路與放電管并聯(lián)的器件，使其免受過電壓損害。扼流線圈可以衰減共模干擾信號，穩(wěn)壓二極管與濾波電容對后續(xù)程控增益放大器起穩(wěn)壓保護作用。放大器將電壓信號放大后進入單片機輸入輸出端口，經(jīng)過單片機處理后由無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到手持機上。硬件的設(shè)計需要在不影響使用功能的情況下降低能耗，因此微安表只有在工作人員啟動測量功能時才進入工作狀態(tài)，在大多數(shù)非測量時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，從而降低系統(tǒng)功耗[7]。

圖3 微安表終端工作機理

為了避免試驗結(jié)束后工作人員對設(shè)備的放電不凈造成殘余電流對電路的反向充電，特別設(shè)計一個開關(guān)繼電器，可以由手持機進行無線操作。如圖4所示開關(guān)閉合時，采樣電阻被短路，使終端與外電路隔離，處于非工作狀態(tài)可以有效屏蔽高壓試驗前外界的各類沖擊信號。開關(guān)處于斷開位置時采樣電阻將流過的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，可以進行直流試驗。

圖4 開關(guān)繼電器

3.4 無線高壓直流微安表終手持機設(shè)計

無線高壓直流微安表的手持機設(shè)計原理如圖5所示，手持機電源由聚合物電池組成，帶有電量指示燈，綠燈亮起代表電池電量充足可以正常工作，否則綠燈熄滅則需要更換電池。實時時鐘可以對系統(tǒng)進行準確計時，每一次測量試驗都有時間標注，為日后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析提供標記[7]。ZigBee無線通信模塊將接收來自微安表終端的電流數(shù)據(jù)，按時間順序存儲在存儲器中，通過單片機處理將試驗數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。通過操控鍵盤上的測量與保護按鍵可以控制測量終端的繼電器的分合狀態(tài)從而控制微安表的工作狀態(tài)。

圖5 無線高壓直流微安表終手持機原理框圖

4 結(jié)束語

將ZigBee無線通信技術(shù)應用到高壓直流試驗電流的數(shù)據(jù)測量，是2種已經(jīng)非常成熟的技術(shù)有效融合后的再創(chuàng)新。因ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本、延時短、可靠性高的特點，剛好滿足了高壓直流試驗抄表的短距離、數(shù)據(jù)傳輸量小、點對點通信的需求。兩者的結(jié)合實現(xiàn)了高壓直流試驗隔離高壓隱患的抄表功能，不僅為試驗的測試帶來了方便，使工作人員遠離高壓環(huán)境，還可以降低微安表損壞率，延長微安表的使用壽命。