线路避雷器在线监测系统的程序设计

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(1.三峡大学，湖北 宜昌 443002；2.随州电力设计院，湖北 随州 441300)

1 引言

线路避雷器是电力系统中输电过程中的重要设备，它在线路中的主要作用是保护其他设备免遭雷电过电压和系统浪涌过电压的伤害。从上世纪80年代开始，金属氧化物(ZnO)避雷器(MOA)逐步取代了SiC避雷器，由于金属氧化物避雷器良好的伏安特性，使得电力生产中的主要设备的保护水平有了质的飞跃。MOA避雷器由于受生产工艺、生产材料、运行环境等多重因素的影响，经常会出现其受潮和ZnO阀片老化等现象，最终导致其泄漏电流超标，而泄漏全电流中阻性电流的增大是导致MOA热崩溃(爆炸)的根本原因[1]。由于无线通讯、网络、计算机技术的普及和发展，为我们实现状态监测提供了可靠的保证。本文采用Visual Basic 编程语言，利用现有的GSM通信技术，设计了一种线路避雷器在线监测系统的上位机程序设计，完成对线路避雷器的在线监测。

2 线路避雷器在线监测参数及数据库的设计

2.1 线路避雷器监测参数的选择

MOA的泄漏电流包括全电流、容性电流、阻性电流及阻性电流分量，各个电流量都能反映避雷器的电气性能变化，究竟哪个参数更为准确的反映避雷器的状态，下面一一介绍。

(1)全电流峰值。全电流峰值由容性电流和阻性电流组成,阻性电流所占成分很小,因此全电流对阻性电流的变化反映不灵敏,它的价值主要体现在 MOA 有较大故障或老化较严重时,因此它只是一个不可缺少的参考量。

(2)阻性电流峰值。在MOA受潮或是阀片老化时，阻性电流峰值很容易增大，在对MOA的性能的初步判断时可以以它为标准，但它是一个综合量的反映，且易受电源谐波的影响。

(3)阻性电流基波。阻性电流基波是从功率损耗的角度综合反映MOA的性能，与阻性电流峰值一样，它也是一个综合判断量，但是阻性电流基波不受电源电压谐波的影响。

(4)阻性电流三次谐波。阻性电流三次谐波是由 MOA 阀片的非线性产生的,当MOA 阀片老化时,阻性电流中的三次谐波成分增大。三次谐波分量只反映 MOA 阀片的老化,是一个的局部判断量[2]。

从以上分析可看出,MOA 的各个基本电流量在反映 MOA 缺陷方面都有一定的局限性,都不能单独作为一个判断量来确认 MOA 性能变化的原因。所以文章采用全面监测全电流峰值、阻性电流峰值及分量，综合判断MOA的性能好坏及原因。

2.2 数据库的设计

上位机的程序设计主要是对接收的数据的一个处理和分析过程，数据库的设计有利于数据的保存和调用。针对线路避雷器在线监测系统的整体需求，设计了保存所有数据的Data表，包括线路的编号，杆塔的编号，时间，相别及各参数量项目，方便查看不同时间段不同线路的避雷器的参数值。还分别设计了Faults表，Gantatb表，Renyuan表及权限表。Gantatb表的设计主要是记录每个杆塔上避雷器监测仪单独的SIM卡号，这样可以实现向每一个MOA单独发送命令。Renyuan表的设计是为添加不同的报警号码，当电流值超过阈值时，可以向不同的号码发送报警信息。Faults表中，保存避雷器的性能状态，根据参数数值的趋势来判断避雷器是处于正常、受潮还是老化。

3 程序设计对硬件的要求

现有的避雷器在线监测系统数据无线传输方式可分为微波、GPRS/CDMA以及SMS等方式。由于数据流量不大，监控点比较分散，本程序设计采用了与GSM 通信结合来实现远距离多点输电线路避雷器监测数据的传输。即在传统的单片机数据采集系统中增加支持短消息的GSM模块，并为其分配一个单独的SIM卡，同样，在上位机PC机串口处接入GSM模块，就可以通过短信息的形式来实现数据的远程无线传输。支持本程序设计的硬件使用的是西门子公司生产的第三代GSM双频模块TC35，其内部结构如图1所示。

图1

它主要是由射频天线、内部Flash、GSM基带处理器、匹配电源盒一个40脚的Zip插座组成。其中GSM基带处理器是核心部件，它的作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发过来的AT指令。射频天线部分主要是实现信号的调制和解调，实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换，匹配电源为处理器及射频部分提供所需的电源，插座是提供给用户的应用接口。

4 上位机程序功能的设计

上位机主要负责接收所有前端发送的线路避雷器监测的数据，完成综合计算、显示存储、趋势分析、数据库以及报警管理等任务。软件开发工具使用的是Microsoft visual studio basic6.0，采用Access数据库。程序的功能设计如下：

(1) 可以设置每个监测参数项的阈值，若收到的参数值高于阈值，则自动报警，并将报警信息发送到特定的手机号；

(2) 可以设置每个杆塔的编号，并将每个监测避雷器仪器的SIM卡号保存到Access数据库，方便对避雷器监测仪发送监测指令；

(3) 能对各避雷器发送监测指令，并且能实时接收返回的指令数据，并对数据进行分析存储；

(4) 能够从数据库调看不同线路不同杆塔在特定时间内避雷器的监测数据；

(5) 对不同参数的监测结果，可以以曲线折线图显示，从而对避雷器的状态做出判断。

5 通信协议的设计

基于GSM网络的短消息服务(Short Message Service,SMS)作为线路避雷器监测信号的传输方式，利用手机短信功能，上位机对下位机发送不同的命令，下位机把监测结果发送到上位机上。上位机设数据库，存储历史数据，并进行数据处理、避雷器运行状态的综合判断和报警判断后，再把报警信息通过短信发送到值班员手机上。部分发送命令协议如图2所示。

图2

6 上位机程序主要函数的设计

下位机数据采集模块是整个系统的基础，上位机程序设计的软件是整个系统的核心，是连接各个采集功能模块使之正常工作的纽带。软件是否完善直接影响系统能否正常工作以及监测效果的好坏。软件程序设计应该满足：(1) 实时性：系统的程序设计应具有执行效率高、占用空间小、实时性好等特点。(2) 针对性：要保证监测系统工作在最佳状态，具有较好的控制效果。(3)灵活性和通用性：当以后的具有结构相同或相类似的监测系统时，功能模块可以移植。上位机程序主要是完成对现场采集数据的处理，包括接收现场采集的数据、对数据的存储，及对历史数据的查看。

6.1 现场数据接收函数

接收函数包括对数据串口的初始化，确定PC机通过串口与GSM模块的连接。上位机利用GSM短信通信，选择对某条线路的某个杆塔上得避雷器发送命令，根据上位机与下位机的通信协议，避雷器监测仪回复相对应的命令回复。由于下位机回复的短信命令里包括文字或英文字符，需要对数据做相应处理，提取我们所需要的各参数电流值、时间和雷击次数，将各数据保存到相应的Data数据库中，完成对数据的保存过程。接收函数界面设计及运行结果如图3所示。

图3

如图3所示，若收到的参数电流值超过设定的阈值，则界面中的圆形控件将红绿闪烁显示，并将报警内容转发到下方设定的号码。

6.2 查询函数的设计

该函数使用SQL的查询语句连接数据库，方便管理人员管理和查看避雷器的历史数据，可以按照线路编号查询，也可以按照线路上杆塔编号查询，能准确到某一段时间内各个避雷器的监测值。历史数据既可以以表格形式显示，也可以做出某段时间内的折线图，可以清晰的看出各避雷器上每相监测数据值的趋势，从而可以判断出避雷器的运行状态，做出正确的检修措施。

7 结论

(1) 通过发送不同杆塔的氧化锌避雷器的位置和编号信息,实现多点的MOA监测系统,方便的查询不同区域的MOA的现场情况。

(2) 该程序设计能完成数据采集、数据量化、数据存储等动能，同时能对数据进行分析，做出报警的判断，实时上报避雷器的运行状态。

(3) 该程序设计某些功能模块同样能应用到其他监测系统中，所以，该程序设计也有较高的实用价值。

本线路避雷器在线监测系统的程序设计能够实时监测避雷器的运行情况，解决了交通不便地区避雷器预试、运行维护困难的问题，减轻了巡视人员的劳动强度，同时能够对接收数据进行处理，有效监测线路避雷器的运行状态，及时发现避雷器潜在故障，避免突发事故，提高输电线路和电网的供电可靠率。

[1] 杨小平，李盛涛，张磊.基于RS-485总线的金属氧化物避雷器在线监测系统的研究[J],电磁避雷器，2003,05.

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[3] 李喜平，基于GPRS的氧化锌避雷器远程监测系统[D].哈尔滨理工大学，TM835.4TN92.

[4] 范梅荣，基于GPRS的氧化锌避雷器远程监测系统的研究[D].河海大学，TM623.7TN91.

[5] 刘彬彬，高春艳，王茜.Visual Basic 程序设计自学手册[M].人民邮电出版社，2008,3.

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