基于MSP430F149的绝缘子遥测系统设计

0 引 言
    高压输电线路绝缘子串的污秽闪络是影响电网运行的重要因素之一。随着电力系统的发展和大气中各类污染的加剧，沉积在绝缘子表面的污秽层受潮后使绝缘子的外绝缘能力下降，并常引起污闪事故，严重妨碍着电力系统的安全、稳定、经济运行。
    目前，检测输电线路外绝缘污秽程度的方法有等值附盐密度法、测量污层电导率法和测量绝缘子表面泄漏电流法。前两者要在停电的条件下进行，相对传统、落后，难以反映现场绝缘子污秽实时信息。而污秽绝缘子表面的泄漏电流是在运行电压作用下受污表面受潮后流过绝缘子表面的电流，是运行电压、气候(大气压力、温度、湿度等)、污秽三要素综合作用的结果，是一个动态参数。泄漏电流大小与绝缘子污秽程度密切相关，因此检测高压输电线路绝缘子泄漏电流具有实际工程意义。
    输电线路杆塔分布广，杆塔上的泄漏电流监测分机的数据信息需用无线方式传输；同时，分机工作于高压输电线路杆塔上，通常采用太阳能供电，因此要求系统功耗低、可靠性高。利用TI公司最新推出的低功耗芯片MSP430F149内部丰富的硬件资源和MORTORo—LA公司生产的G18 GSM数据通讯模块构建的输电线路绝缘子污秽遥测系统是一种低成本、低功耗、高可靠性的技术方案。

l 监测原理
    由于流过绝缘子的泄漏电流脉冲的最大幅值表征了该绝缘子接近闪络的程度。因此系统把绝缘子上的泄漏电流波的最高峰值作为表征污秽绝缘子运行状态的特征量。以光滑圆柱绝缘子为例，其在电压U的作用下沿整个绝缘子表面的泄漏电流为：

式中：Rn为绝缘子在均匀污染和湿润条件下的电阻；L为沿绝缘子表面的爬电距离；D为绝缘子的直径；γn为湿润污秽层的表面电导率；EL为沿爬电路径的平均电场强度。
    而对任意形状的绝缘子，取其沿爬电路径的微分段dl，则沿爬电路径微分段的湿润污秽表面电阻为：

式中：l为沿爬电路径的线坐标；γn(l)和D(l)为任意坐标值处的绝缘子表面电导率和直径。
    因此，绝缘子整个表面的电阻为：

当爬电路径的表面电导率为常数时，式(3)改写为：

当沿爬电路径的表面电导率为变数时，可引入平均表面电导率的概念，即：

故流过任意形状绝缘子表面的泄漏电流为：

式中：EL为沿爬电路径的平均电场强度。
    图1所示曲线为自然污秽绝缘子交流闪络过程的典型示波图(升压法)，从运行中对污秽绝缘的监视和预报角度出发，可将其分成三部分。如果以闪络电压为基准的标么值表示，A点和B点的电压标么值分别为O．5和O．9，A点之前称为非预报区，A～B之间称为预报区，B点之后至闪络为危险区。

从示波图可以看出，自然污秽绝缘子泄漏电流的特点是出现在预报区的泄漏电流呈不稳定状态，常以脉冲群出现，并伴有局部的电弧形成和熄灭，预报区的泄漏电流脉冲群幅值多为几十至几百毫安，其宽度常为几个至几十个周波。
    正因为污闪的发生要经历以上几个阶段，使得通过在线监测绝缘子的泄漏电流幅值和脉冲数及环境参数来估计绝缘子的污秽程度，并在污闪发生之前给出预警成为可能。

2 遥测系统总体方案设计
    在输电线路的被监测杆塔上安装一台数据监测分机，自动采集、处理该杆塔上绝缘子串的泄漏电流及其环境温湿度等信息，并将其通过打包存储并定期通过GSM网络以点对点短消息(SMS)方式或通用分组无线业务(GPRS)方式传送给远方系统主机。在总站安装一台系统主机，接收分机发来的有关数据信息，并进行分析、判断、处理。同时系统主机设置有网络接口供有关部门进行远程数据信息查询。整个系统结构如图2所示。

3 数据监测分机设计
3．1 数据监测分机工作原理
    数据监测分机的工作原理：分机循环采集杆塔上各路绝缘子串泄漏电流。首先泄漏电流信号经过电压、过电流保护后由屏蔽电缆引入泄漏电流传感器，经传感器放大后进入信号调理电路，在调理电路中信号先经抗干扰抑制处理，然后被变换成电压信号，并经过滤波处理和PGA增益放大后送入高速A／D转换器进行转换，从而得到一系列各路信号的采样值。这些采样值经计算处理后即得到泄漏电流的幅值和不同幅值区段的脉冲数。同时分机还采集杆塔现场的环境温湿度等数据信息，这些信息经打包处理后存入E2PROM中。
    分机数据信息利用GSM数据通讯模块通过GSM网络以短消息方式传送给系统主机。正常情况下分机定期主动发送信息，一旦污秽过度，分机立即发送告警和录波信息。
    分机采用太阳能电池板加蓄电池的供电方式。分机硬件原理框图如图3所示。

3．2 微处理器的选择
    系统中数据监测分机的MCU采用TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗微处理器MSP430F149，该芯片内部集成了丰富的资源，如高性能12 b A／D、模拟比较器、硬件乘法器、两个串行口、两个16 b脉宽调制定时器、60 KB的低功耗FLASH、2 KB的内部RAM，同时它具有多种低功耗模式，适合于设计片上系统和电池供电的场合。其中硬件乘法器是一个16 b的片内外设，它独立于CPU之外运行，不占用CPU任何时间，适宜于大量运算。系统采用充分利用该芯片内部丰富的资源并运行于低功耗模式、在外围信号调理电路采用低功耗芯片、降低充电管理模块的功耗、GSM通讯模快定期打开等降功耗措施后，使整个分机平均功耗低于3 mA。
3．3 泄漏电流的采集
    泄漏电流的变化范围通常从几十微安到几百毫安，且有高频放电脉冲。在干燥且污秽较轻的情况下，泄漏电流通常为几十微安至几毫安；当污秽较重而且天气潮湿时，泄漏电流可达几十毫安；一旦发生闪络时，泄漏电流可达几百微安。
    为了对微小的泄漏电流信号进行精确测量，系统采用了TI公司的高精度运放OPA4277，该运放低噪声，输入偏移电压漂移小于0．15μV／℃，开环增益最高可达160 dB，转换速率最高可达2．3 V／ns，满足系统高速循环采样要求。图4为以OPA4277构建的泄漏电流信号调理电路。

同时，为了能检测出高频放电脉冲，系统根据信号变化的剧烈程度实时调整采样频率。一般由前一周波所得泄漏电流信号幅值和脉冲频次来确定；当信号幅值和脉冲频数较小时，按每周波24点采样，以便降低功耗；而信号幅值和脉冲频数较大时，按每周波96点采样，以便捕捉高频脉冲等瞬变信号。
3．4 串行器件模块电路
    E2PROM 分机采集到的数据信息经打包后存入串行E2PROM 24C256中，总共8KB的存储空间用于暂存定期采集的历史数据和录波数据。受容量限制，大量录波数据一般都要求立即发送，以便留出更多空间用于存储历史数据。
    时钟电路 选用了DALLAS半导体公司的时钟芯片DSl302。它可以产生秒、分、小时、日、星期、月及年等七个时标，并可以通过编程来读取和修改这些时标。同时该芯片采用双电源供电，以锂电池作为后备电源，保证了时钟电源的可靠性。采用硬件时钟可以不占用单片机的定时器资源，同时减轻了软件设计量。
    温湿度模块电路 选用了SENSIRION公司生产的温湿度测量芯片SHT71，该芯片内部集成了一个温度传感器、一个湿度传感器和一个14 b的A／D转换器及一些修正校验电路。通常情况下芯片处于省电模式，当接收到来自CPU的转换命令时，将传感器的输出模拟量经A／D转换成数字量，并由串行数据线输出到CPU。该芯片测量精度高，测量范围宽(湿度：O～100%；温度：一40～+120℃)，体积小，功耗低。以上3种芯片都具有宽电源工作模式，能在3 V电压下工作，降低了系统功耗。图5为串行E2PROM和时钟电路原理图。

3．5 分机的电磁兼容(EMC)设计
    分机工作于高压输电线路旁，处于恶劣电磁环境中，常会受到强电磁辐射干扰、静电放电干扰、高频脉冲干扰、电快速瞬变干扰、雷电冲击等。一方面高频噪声干扰叠加在泄漏电流这个微弱信号上给测量带来误差，影响检测效果；另一方面这些干扰和冲击作用在微电子设备上轻则使分机系统紊乱，数据测量错误，导致系统误报警，重则使系统“死机”，甚至使系统硬件损坏。针对不同干扰系统采取了相应措施。为了防止辐射干扰通过信号线进入装置，从集流环到分机的外露信号线全采用双层屏蔽电缆，并使屏蔽层可靠接地，整个分机也被置于一个金属密闭箱中；为了防止雷电冲击等高电压和大电流信号进入装置，在泄漏电流传感器前端并联有避雷器以防高压、串联有可恢复熔断丝以防止大电流信号，并在每个模拟量输入回路均设有瞬变二极管等高电压抑制元件；为了减轻电快速瞬变干扰对装置的影响，提高系统的抗共模、差模干扰能力，在泄漏电流输入回路的前端设有共、差模扼流圈及吸收电容等，使装置抗快速瞬变干扰能力达到了四级标准，共、差模扼流圈如图6所示；采用硬件看门狗及非法指令中断、对重要数据如定值等采用多重备份等措施，保证了分机常年免维护正常运行。

4 无线通讯设计
    由于输电线路杆塔分布广，系统将分机监测到的数据用有线组网传输显然是不现实的。采用RF发射／接收模块，因通讯距离受到限制而必须采用接力方式，这使整个系统的通讯可靠性受到限制。采用基于GSM网络的短消息业务，通过给每个分机分配惟一的地址(SIM卡号)，将现场采集的数据信息打包，建立无线通讯网络，为每个分机提供了网络化通信接口。可以从根本上解决输电线路绝缘子监测分机分布广、距离远而难于用有线方式组网的难题，实现监测分机与系统主机之间数据的远程双向传输。
    数据监测分机中内置了MORTOROLA公司生产的G18 GSM数据通讯模块。G18是集成的无线调制解调器，相当于DCE(数据通信设备)，其内部集成了GSM的微处理器，支持语音、数据、短信等服务。它带有标准的RS 232串行接口，单片机可以通过RS 232口向其发送和接收各种信息。而且其可在3 V电压下工作，睡眠模式下的消耗电流为10 mA，关断模式下的消耗电流为150μA，功耗低。
    短消息业务是GSM系统提供的一种有别于语音传输的通信业务，主要包括点对点短消息业务和小区广播短消息业务。本系统利用的是点对点短消息业务，它是通过信令信道传送简短信息的业务，编码后单条短信长度为140 B，可以承载160个英文字符或70个汉字。短消息通信有三种模式：块模式、文本模式、PDU(协议数据单元)模式。其中在PDU模式下，每条短消息用户数据最大长度为140 B。
    根据分机与系统主机之间传输数据的类型自定义了通讯协议，将数据信息分为上行和下行两种：上行信息是指数据监测分机将现场数据信息(包括历史数据、报警数据、实时数据)及各种下行命令返回信息，这些信息通常主动上送系统主机；下行信息是指系统主机向数据监测分机发送数据信息，包括数据请求和各种定值的修改。每条短消息的用户数据部分按如下格式构成：数据类型+有效数据信息+校验码。为了减少数据通讯误码，提高抗干扰能力，软件上采取了校验措施，保证了整个系统的可靠通讯。图7为分机以短消息形式收／发数据信息的流程图。

5 系统主机软件设计
    监测系统主机软件基于Windows 2000／98平台，采用Visual Basic面向对象语言编制而成。包括无线数据通讯、参数设置、数据查询、自动巡测、人工点测、数据分析等功能。限于篇幅，不再详述。

6 结 语
    利用MSP430F149单片机设计的基于GSM网络的输电线路绝缘子遥测系统，在任何恶劣环境条件下都可以全天候自动监测各杆塔绝缘子的污秽状态信息，并在污秽越限时告警。目前该系统已经有多套应用到西北地区和华中地区的输电网络，性能稳定，准确测量了流过绝缘子串表面的泄漏电流，较客观地反映了被监测线路绝缘子的污秽状况，为准确划分污区和及时修订污区分布图提供了参考依据，提高了电力系统运行管理水平。