許松枝，汪 沨，葉衍林，申 晨，皮建民，陳曉林

(湖南大學 電氣與信息工程學院，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、運行可靠性高、運行方便、檢修周期長、維護工作量小、安裝迅速、運行費用低、無電磁干擾等優(yōu)點。GIS 雖然故障少，但是一旦發(fā)生故障，后果將非常嚴重［2］。局部放電是GIS 絕緣劣化的前兆，又會使絕緣進一步劣化，因此，檢測局部放電信號是對GIS 絕緣檢測和診斷最有效的方法［3］。市場上現(xiàn)有的GIS 局部放電檢測設備雖然能夠檢測到局部放電信號并判斷出局部放電的類型和位置［3～5］，但其有以下缺點:1)整套系統(tǒng)只有一只或者幾只傳感器，不能對整個GIS 站進行持續(xù)的監(jiān)測;2)有線連接，使用操作不方便且有潛在危險;3)成本高昂，不適宜推廣。

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

本文針對GIS 局部放電監(jiān)測，設計了一種基于WSNs和GSM 的GIS 局部放電報警系統(tǒng)，通過采集GIS 局部放電產(chǎn)生的UHF 信號進行處理和分析，實現(xiàn)了對GIS 局部放電的報警。和現(xiàn)有GIS 局部放電檢測設備比，本設計主要具有以下三個優(yōu)點:1)能夠對整個GIS 站進行持續(xù)的監(jiān)測，并可以根據(jù)GIS 站的大小，靈活設計傳感器節(jié)點的個數(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)點采用nRF24L01 無線模塊［9，10］跟信息中轉站通信，信息中轉站再通過GSM 模塊跟外界通信，整個系統(tǒng)只需要一個GSM模塊［5］，降低了整套系統(tǒng)的成本。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構

GIS 局部放電檢測系統(tǒng)由眾多傳感器節(jié)點和一個信息中轉站兩部分組成。傳感器節(jié)點負責收集GIS 工作狀態(tài)和該節(jié)點供電電池電壓，并通過nRF24L01 無線模塊將信息單向發(fā)送給信息中轉站。信息中轉站用來將各個傳感器節(jié)點發(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。信息中轉站和傳感器節(jié)點之間采用單向通信，而信息中轉站和GIS 站管理員之間采用雙向通信。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1 所示，1#～6#為傳感器節(jié)點。

圖1 報警系統(tǒng)總體結構框圖Fig 1 Overall structure block diagram of alarming system

1.2 傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點由UHF 傳感器、檢波比較模塊、低功耗單片機MSP430G2553 單片機、nRF24L01 無線模塊以及電源管理模塊組成。當GIS 發(fā)生局部放電，將伴隨有UHF 信號產(chǎn)生，UHF 傳感器接收該信號，檢波比較模塊再將該信號降頻并數(shù)字化，然后輸入到單片機內進行處理和分析，最后單片機控制nRF24L01 無線模塊將給信息中轉站發(fā)去報警信息。另外，單片機還能對傳感器節(jié)點的供電模塊的電壓進行監(jiān)測，當電壓不足時，單片機也將控制nRF24L01 無線模塊向信息中轉站發(fā)出報警信息。傳感器節(jié)點硬件框圖如圖2(a)所示，實物圖如圖2(b)所示。

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

1.3 信息中轉站硬件設計

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

信息中轉站由GSM 模塊、低功耗單片機MSP430G2550單片機、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)點發(fā)來的信息通過手機短信的形式發(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)的設置。另外，單片機還能監(jiān)測中轉站的供電單元的電壓，當電壓過低時，也將通過手機短信的形式給GIS 站管理員發(fā)去報警信息。信息中轉站的硬件框圖如圖3 所示。

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

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 WSNs 構建

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

2.2 傳感器節(jié)點軟件設計

為了保證GIS 局部放電報警系統(tǒng)的實時性和低功耗性，設計了傳感器節(jié)點的兩種工作模式:低功耗模式和正常模式。傳感器節(jié)點大部分時間在低功耗模式下工作，每隔6 h進入一次正常模式。

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

正常模式下，傳感器節(jié)點的各個模塊都正常工作，耗電量稍大。每次進入正常模式，檢波比較模塊大概工作5 min，當GIS 無局部放電產(chǎn)生時，傳感器節(jié)點將關閉檢波比較模塊，再啟動nRF24L01 無線模塊，并工作10 min，以保證信息中轉站能接收到該節(jié)點發(fā)出的信號。

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

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

2.3 信息中轉站軟件設計

為了保證信息中轉站能夠不遺漏地接收到各個傳感器發(fā)來的信息，信息中轉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現(xiàn)一對多的功能，當電池電壓過低或者接收到傳感器節(jié)點的報警信息后，通過GSM 模塊給GIS 站管理員發(fā)送報警信息。同時，信息中轉站還能處理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站向哪個手機號碼發(fā)送短信。信息中轉站軟件流程圖如圖5 所示。

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

3 系統(tǒng)性能評價

研發(fā)GIS 局部放電報警系統(tǒng)時，設計了6 個傳感器節(jié)點和1 個信息中轉站，將傳感器節(jié)點編號為1#～6#，并進行系統(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。在實驗室分別對本系統(tǒng)中6 個傳感器節(jié)點和信息中轉站的nRF24L01 無線模塊穩(wěn)定通信的有效距離進行測量，測得的結果見表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)測到以信息中轉站為中心，以64 m 為半徑的圓的空間范圍。

3.2 系統(tǒng)預警準確度測試

為測試本系統(tǒng)預警的準確性，聯(lián)系了許繼(廈門)智能電氣設備股份有限公司做現(xiàn)場測試，三相共筒式GIS 實驗模型如圖6(a)所示，實驗裝置如圖6(b)所示。

實驗分兩種進行:1)讓GIS 裝置正常工作，測試系統(tǒng)是否會誤報警;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，當電壓加到一定值時，將會發(fā)生局部放電，從而測試系統(tǒng)是否會漏報警。經(jīng)過多次重復測試，測試結果見表2。

表2 系統(tǒng)預警測試結果Tab 2 Early-warning test results of system

從測試結果可以看出:該系統(tǒng)預警的準確度非常的高，幾乎不會出現(xiàn)有誤報或漏報警的情況，具有很高的可信度。

3.3 系統(tǒng)的功耗分析

表3為用U1252B分別對傳感器節(jié)點3個工作狀態(tài)的功耗進行測量的結果。狀態(tài)1:低功耗模式，此模式下只有單片機工作;狀態(tài)2:傳感器節(jié)點處于正常工作模式，檢波比較模塊啟動，nRF24L01 無線模塊關閉;狀態(tài)3:傳感器節(jié)點處于正常工作模式，檢波比較模塊關閉，nRF24L01 無線模塊啟動。

表3 傳感器節(jié)點功耗測量結果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GIS 發(fā)生局部放電時，傳感器節(jié)點在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 論

本文設計的三個創(chuàng)新點:1)傳感器節(jié)點的檢波比較模塊實現(xiàn)了對UHF 信號的降頻，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)點和信息中轉站之間采用低成本的nRF24L01 模塊通信，降低了系統(tǒng)的成本。實驗結果表明:該系統(tǒng)監(jiān)測范圍廣，準確度高，功耗小，且擴展性好，具有良好的應用前景。

［1］ 周 倩，唐 炬，唐 銘，等.GIS 內4 種典型缺陷的局部放電超高頻數(shù)學模型構建［J］.中國電機工程學報，2006(8):99－105.

［2］ 周義博.超高頻法GIS 局部放電在線監(jiān)測與定位技術的現(xiàn)場應用［D］.廣州:華南理工大學，2010.

［3］ 鄭文棟，黃成軍，錢 勇，等.便攜式GIS 局部放電檢測系統(tǒng)的應用研究［C］∥2010 電工測試技術學術交流會論文集，武漢:中國電工技術學會電工測試專業(yè)委員會，2010.

［4］ 唐志國，李成榕，常文治，等.變壓器局部放電定位技術及新興UHF 方法的關鍵問題［J］.南方電網(wǎng)技術，2008(1):36－40.

［5］ Zhao Xin，Quan Jiangtao.De－noising of GIS UHF partial discharge monitoring based on wavelet method［J］.Procedia Environmental Sciences，2011，11:1302－1307.

［6］ 范坤坤，施偉斌，呂 濤，等.無線照度計設計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，23(3):66－69.

［7］ 鮮曉東，常 超，胡 穎，等.基于WSNs 和GSM 的室內環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)設計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(6):141－144.

［8］ Cheng G.Accurate TOA－based UWB localization system in coal mine based on WSNs［J］.Physics Procedia，2012，24:534－540.

［9］ 楊 江，高紅亮，梅 揚.基于nRF24L01 智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.自動化技術與應用，2014(2):116－120.

［10］Zhou B，Hu C，Wang H B，et al.A wireless sensor networks for pervasive medical supervision［C］∥IEEE International Conference on Integration Technology，ICIT’07，IEEE，2007:740－744.