基于无线通信的氧化锌避雷器动作电流远程监测方法

张 瑛

（浙江大有实业有限公司 配电工程分公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

避雷器的作用是抑制电网过电压。对于电力系统而言，当出现雷击或过电压等异常状况时，为了防止有关电力设备的绝缘受到破坏，避雷器可将高压引入到地面，从而快速降低加载在被保护设备上的大电压，以实现对有关电力设备的绝缘性保护，进而确保电力设备的持续稳定运行[1]。由于其良好的非线性性能，氧化锌避雷器是目前使用最多的一种避雷器[2]。在常规工频工作时，工作在小电流区域，具有高阻抗、低通流的特性，与绝缘体相似[3]。而在电网中，如雷击等引起高压、大电流等非正常工况下，氧化锌避雷器在限压工作区内工作，其伏安特性曲线的变化较为平稳。基于氧化锌避雷器的运行特点，为促进其运行安全性的提升，结合无线通信技术，开展对氧化锌避雷器动作电流远程监测方法的设计研究。

1 氧化锌避雷器动作电流采集

以氧化锌避雷器的动作电流为标准，对其工作特性进行评价。经过电流互感线圈的氧化锌避雷器工作电流被送入取样电路，再由R2转换成电压。同时，利用多个不同电阻值的转换，来控制光耦的工作门限[4]。

在采集动作电流时，利用时钟芯片对单片机进行计时，并设定了氧化锌避雷器动作电流采集间隔为4 h，从而达到对单片机进行控制的目的[5]。将采集到的信号输入到光耦中，形成一个上拉电阻，在无信号输入的情况下，INT 管脚是高电平[6]。在光耦导通之后，INT 引脚将从高电平切换到低电平，利用微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）的断开来触发高、低电平切换，从而使得MCU 可以控制操作电流信号的发送和存储。

在采集氧化锌避雷器动作电流的过程中还需要对信号进行分解，分解规则可以表示为

式中：C(t)为待分解的信号；IMFi(t)为第i个模态的分量；r(t)为剩余信号。利用归一化处理的方式，用自相关性函数实现对噪声分量和有用分量的区分，归一化处理的公式为

式中：ρx(τ)为经过归一化处理后得到的信号；Rx(τ)为时刻τ函数x(t)的相关性函数值；Rx(0)为开始时函数x(t)的相关性函数值。

2 基于无线通信的监测信号传输

为了确保后续可以实现对其状态的远程监测，引入无线通信技术，对监测信号进行传输[7]。对于监测信号传输的无线串口，选用SI460 型号的无线传输模块，其工作频段为425 ～450 MHz。使用串口进行对数据的接收和发送时，其最远的传输距离可以达到5 km，满足远程传输需要[8]。针对氧化锌避雷器的动作电流，监测信号传输可以分为2 种路径。第一条途径是利用氧化锌避雷器的整个泄放电流变化周期较长的特性，每日一次的定时收集避雷器的动作电流，并以每日一次的周期通过全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）模块发送，这不仅降低了功耗，还能很好地观测到氧化锌避雷器全电流的变化[9]。第二条途径为如果需要更多的电流变化资料，可以使用显示器上的无线串行通信模组，从带电可擦可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）中读取每4 h 储存一次的电流数据[10]。为帮助研究和开发人员进一步分析与研究避雷器的特性，开发更加稳定的避雷器，对监测是否有效进行判定，其公式为

式中：ET(k)为发送端到接收端检测信号传输消耗的能量；Eelec为无线通信传输的总能耗；k为无线通信信号传输节点数量；Eamp为无线通信传输发送节点的功率消耗能量。同时，在传输的过程中，为确保传输有效，其传输半径必须满足

式中：N为无线通信传输信号的传输节点；M为传输覆盖范围；R为传输半径长度；Nnei为进行无线通信传输信号的相邻信号数量。

3 氧化锌避雷器状态判定与远程监测

氧化锌避雷器的状态可以表示为

式中：Mr为氧化锌避雷器状态模糊综合评估结果；ωr为动作电流监测信号量化数值；Rr为隶属度。将通过计算得出的模糊综合评价结果作为4 个证据的基本概率分配（Basic Probability Assignment，BPA）值。最终通过证据决策得到氧化锌避雷器的状态监测结果，再将得到的监测结果通过无线通信传输，实现对其远程监测。

4 对比实验

为了验证该方法实际应用中是否具备更高的优势，选择将本文提出的新方法作为实验组，将基于装置电源同步的监测方法作为对照I 组，将基于窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的监测方法作为对照II 组。将3 种方法应用到相同的实验环境中，探究其各自的监测性能并进行对比。选择以某地区供电公司为依托，该供电公司目前管辖着规格为110 kV 和220 kV 的变电站共231 座，其中包含规格为110 kV 和220 kV 的避雷器共计7 256 支，总共有2 354 个间隔。

首先针对其各自的监测精度进行测试，在实验过程中设置5 种不同的输入电流值，通过3 种监测方法对其进行监测，并得到各自测量有效值，将其与输入电流值进行对比，通过比较其相对误差，实现对监测精度的对比。相对误差的计算公式为

式中：δ为监测结果的相对误差；S为被测量真值，即输入电流值；C为监测方法得到的监测结果；|S-C|为监测结果的绝对误差。根据式（6）计算得出δ值，δ越大，说明对应监测方法的精度越低；δ越小，则说明对应监测方法的精度越高。在完成对不同输入电流值条件下的监测精度测试后，将计算得出的相对误差记录如表1 所示。

结合表1 中记录的实验数据可以得出，实验组监测方法得到的监测结果δ值始终控制在小于0.1%的范围内，而对照I 组监测方法的δ值始终在0.2%～0.3%波动，对照II 组监测方法的δ值始终大于1.0%。将3 种监测方法的相对误差按照从小到大的顺序排列，即实验组＜对照I 组＜对照II 组。进一步分析得出，3 种监测方法的监测精度按照从大到小的顺序排列为实验组＞对照I 组＞对照II 组。上述得出的实验结果可以证明，本文提出的监测方法可以实现对氧化锌避雷器动作电流的高精度监测。

为进一步对3种监测方法的抗干扰能力进行测试，选择在监测的过程中向3 种监测方法施加相同的电压频率，使电网产生频率波动，并在波动条件下，对比3种监测方法幅值与标准幅值之间的差异，得到如图1、图2、图3 所示的实验结果。

图1 实验组监测方法监测过程中的抗干扰能力对比

图2 对照I 组监测方法监测过程中的抗干扰能力对比

图3 对照II 组监测方法监测过程中的抗干扰能力对比

从上述得到的实验图可以看出，只有实验组监测方法在受到频率波动的情况下仍然能够保持监测幅值与标准幅值变化基本一致，对照I 组和对照II 组监测方法在受到频率波动的影响下，其幅值均出现了较大的波动，使得监测结果与实际相差较大，这也是造成其监测精度较低的主要原因。因此，综合上述2 方面实验得到的结果可以证明，本文引入无线通信技术的监测方法在实际应用中具备更高的监测精度，并且在监测过程中能够有效抵御外界干扰因素的影响，具备极强的抗干扰能力，值得广泛应用和推广。

5 结 论

通过上述研究，结合无线通信技术提出了一种全新的氧化锌避雷器动作电流远程监测方法，并通过对比实验实现了对新方法应用优势的验证。由于采用了低功耗设计方式，无线通信技术增强了监测的抗干扰能力，能够使氧化锌避雷器动作电流远程监测的精度更高，具备良好的传输实时性，有效保障了氧化锌避雷器的正常运行。