避雷器在線監控系統終端的設計

0   引言

避雷器是用于保護電氣設備免受雷擊時高瞬態過電壓危害的設備，但是避雷器在經歷過雷擊后，自身壽命就會受到影響，需要人員定期巡檢避雷器的工作狀態及壽命，以確保避雷器正常工作。

為實現對避雷器的實時監測，保證避雷器的可靠運行，本文設計了一款基于STM32L152的低功耗雷擊監測終端設備，實時對避雷器漏電電流、雷擊次數進行測量，并且通過4G-DTU將監測到的雷擊次數、漏電流及漏電壓等數據發送到云端服務器后臺，后臺進行整理分析，供用戶隨時查詢相關數據，并且可以根據設定值對相關人員提供預警和報警功能，減小運維人員巡檢工作；通過對雷擊事件統計和分析，實現避雷器全壽命監測，確保電力設備免受雷擊破壞，可靠穩定的運行。

1   系統總體設計概述

1.1 硬件組成電路框圖

避雷器在線監控系統由避雷器監測終端、云服務器后臺和智能終端三大部分構成，避雷器監測終端將采集的結果上傳至云服務器后臺，后臺進行整理和分析，智能終端從云服務器拉取分析的數據，實現遠程對避雷器的監控。本避雷器監測終端主要由電源模塊、MCU控制單元、輸入輸出單元、4G通信模塊、存儲模塊、實時時鐘模塊、避雷器漏電流及漏電壓模塊等幾個部分組成（如圖1）。

圖1 系統總體設計框圖

1.2 系統工作原理及主要功能介紹

MCU主控單元通過避雷器感應線圈側的漏電流、漏電壓，記錄雷擊次數和雷擊的時間。此外還通過4G連接互聯網，按照既定通信協議發送到云平臺服務器后臺中，方便用戶通過智能終端實時查看雷擊的相關數據、避雷器的剩余生命、監測終端剩余電量等，實時掌握避雷器當前的工作狀態，為電氣設備的可靠安全運行提供強有力的保障。

2   系統硬件電路設計

2.1 電源管理電路

本系統采用電池和互感器取電，使用跳線帽選擇，二選一，選定輸入電源后通過開關控制整個系統的電源，電源輸入后經過DC-DC升壓至DC 5 V，之后經過3路LDO分成3路3.3 V電源，分別為主控單元及其外圍設備供電，為運放供電，為4G-DTU供電。并且DTU的電源可以通過LDO的使能腳進行控制，方便對DTU的電源進行管理，以節約功耗。互感器取電如圖2所示，電池取電及電源轉換電路如圖2所示。

圖2 電池取電及電源轉換電路圖

2.2 MCU主控單元電路

STM32L152器件利用Cortex-M3內核和頻率介于32 kHz ~ 32 MHz的CPU時鐘擴展了超低功耗理念，并且不會降低性能。除了動態運行模式以外，還有休眠、停機和待機這3種超低功耗模式，不僅帶來極低的功耗，同時還能保持RTC、后備寄存器內容與低壓檢測器的工作。

STM32L152片上集成的快速12位ADC、硬件SPI、串口、超低功耗比較器等模塊，同時還提供了1顆具有8×40段的集成式LCD驅動器，可以大大節約設計時間和應用成本。MCU主控系統就是STM32L152的最小系統，輔以調試接口和串口配置接口。DTU模塊使用串口與主控芯片通信。

3   系統軟件設計

本次系統代碼使用C語言編寫，程序的編寫遵循模塊化和層次化的設計標準，以實現代碼的高內聚和低耦合，方便開發人員的后續維護和升級。程序上電等待配置串口連接，無連接，3~5 s后進入正常工作模式；有連接，進入配置模式，若串口連續1~2 min無數據接收，退出配置模式，進入正常工作模式。讀取避雷器互感線圈側的漏電流和漏電壓、讀取電池電壓，啟動DTU，發送數據，如果發送失敗，將需要發送的數據暫存，等待下次再發送，如果發送成功則關閉DTU，進入低功耗模式。系統主程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖

4   實現功能

避雷器監測終端主要實現以下功能：

●   對避雷器漏電電流、雷擊次數進行測量，準確統計發生雷擊的時間；

●   通過 4G 網絡將采集的結果上傳至云服務器；

●   DTU的電源管理，加上設備的低功耗，實現250 μA左右的待機電流，使電池供電的監測終端能夠有更長的工作時間。

5   結語

該避雷器在線監控系統，經過重復的測試后，可實現既定的所有功能，實現了遠程對避雷器的壽命進行監控，減少運維人員的巡檢次數，且可以長期穩定運行，可靠地保障電力設備免受雷擊破壞。

參考文獻：

[1] 劉晉孝,祝嘉喜.MOA-BC型避雷器在線監測系統的研制[J]. 電瓷避雷器,2017(03):97-100.

[2] 高旭光.避雷器在線監測裝置的設計與實現[D].成都:電子科技大學,2018.

[3] 秦娜.氧化鋅避雷器在線監測數據處理方法的研究[D].成都:西南交通大學,2003.

(本文來源于《電子產品世界》雜志社2020年12月期)