專利名稱：一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，屬于避雷器電流測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
根據(jù)GB11032《交流系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器》標準要求，氧化鋅電阻片應(yīng)進行人工加速老化試驗，試驗前必須根據(jù)其電壓分布情況來決定施加老化電壓幅值的大小，因此測量避雷器的電壓分布情況，是決定其老化施加電壓幅值的大小的關(guān)鍵。另外，根據(jù)國家電網(wǎng)公司近年推出的電氣設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)中，避雷器在線監(jiān)測也需要測量避雷器的內(nèi)部電流，目前測量避雷器內(nèi)部電流的系統(tǒng)，基本采用光纖法進行，大致原理如下利用電流傳感器對流過避雷器芯體的電流進行測量，并轉(zhuǎn)換為光信號，然后由光纖傳送到上位PC機中進行處理，達到測量目的。這種方法因為其抗干擾能力強而被廣泛應(yīng)用于避雷器電流測量領(lǐng)域中。但基于光纖通信的設(shè)備在以往MOA電位分布的測量試驗中得到了很好的應(yīng)用，但由于試驗所需測量的信號路數(shù)多、測量傳感器與試驗室距離遠等特點，采用此類設(shè)備測量時要同時引下多路經(jīng)過編號的20-30m長的光纖，布線和收線時要花費大量的人力和時間，對于罐式MOA還需要額外提供引出光纖的通孔，因此不能完全密封，導(dǎo)致試驗時施加不到額定電壓等缺點。有鑒于此，有必要提供一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，以滿足工業(yè)應(yīng)用需要。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有避雷器內(nèi)部電流有線測量方式具有的布線成本高、耗時長等缺陷，從而提供一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，測量采用無線通訊方式，從而避免了復(fù)雜的布線過程，并且本實用新型的測量傳感器內(nèi)置于避雷器內(nèi)部，從而可精確測量避雷器內(nèi)部電流，避免了外界信息的干擾。本實用新型的技術(shù)方案是一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，用于測量流過避雷器芯體的電流或電壓，其主要由多個測量傳感器、中繼傳感器、中心控制器和上位 PC機組成，測量傳感器和中繼傳感器硬件結(jié)構(gòu)相同，均由信號采集調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換單元、控制單元、電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓模塊、無線傳輸模塊組成，多個測量傳感器測得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送至中繼傳感器，再由中繼傳感器對信號進行處理后通過無線傳輸模塊發(fā)送至中心控制器，中心控制器由無線傳輸模塊、USB總線轉(zhuǎn)接管理單元、USB接口、電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，中心控制器向中繼傳感器轉(zhuǎn)發(fā)上位PC機的測量命令，并接收測量傳感器返回的數(shù)據(jù)，中心控制器與上位PC機之間通過USB接口連接，上位PC機負責對測量系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置，其特征在于，所述多個測量傳感器分別放置于多個避雷器芯體內(nèi)部，且與避雷器內(nèi)部的電阻片串聯(lián)，測量傳感器將測得的避雷器內(nèi)部芯體流過的電流通過無線傳輸模塊發(fā)送至中繼傳感器進行信號調(diào)理。[0006]如上所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的測量傳感器和中繼傳感器的信號采集調(diào)理模塊是利用小電阻取樣法進行信號提取，選用250 Ω直插式精密電阻。如上所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的測量傳感器和中繼傳感器的控制單元和A/D轉(zhuǎn)換單元采用的芯片是MSP430F芯片，其內(nèi)部包括定時器、串行接口、運算放大器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗、基本時鐘、電源電壓監(jiān)測功能模塊。如上所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量傳感器和中繼傳感器的無線傳輸模塊采用的芯片是Χ472射頻收發(fā)芯片，MSP430F芯片與Χ472射頻收發(fā)芯片之間采用SPI同步串口通信協(xié)議進行通信。如上所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量傳感器和中繼傳感器的測量傳感器的電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓模塊采用額定電壓3. 6V，最高電壓4. 2V，容量為250mAh的鋰電池供電，并選擇固定輸出的線性穩(wěn)壓器NCP500做DC/DC變換。如上所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述中心控制器采用的USB總線轉(zhuǎn)接芯片是USB2SPI，外圍元器件是1個12M晶體和2個電容。本實用新型的有益效果是與傳統(tǒng)的有線測量系統(tǒng)相比的應(yīng)用的優(yōu)勢體現(xiàn)在 (1)高靈活性，由于沒有線纜的限制，可以在不同的地方移動工作，使用靈活，易于對試驗進行調(diào)整。(2)試驗布置簡單，消除了測試現(xiàn)場布線等繁瑣工作，減小了對人力的要求，縮短了試驗時間。(3)環(huán)境限制因素小，在通信范圍內(nèi)，非導(dǎo)電障礙物(如墻體、非金屬外殼和支撐物等)對系統(tǒng)的使用影響很小，避免了打通孔，搬挪障礙物等問題。(4)低成本，與幾十米長光纖、電纜等傳輸介質(zhì)及與它們配套使用的接收元器件相比，無線通信芯片具有明顯的價格優(yōu)勢。(5)低功耗，通信時發(fā)送電磁波的功耗小于光纖通信設(shè)備的功耗，有效地增加了測量系統(tǒng)的使用時間，減小電池充電次數(shù)延長其使用壽命。(6)雙工通信，光纖通信設(shè)備中為了減少光纖的使用路數(shù)，采用雙工通信，無線通信設(shè)備可以與上位PC機進行雙向通信，因此可以更高效穩(wěn)定的運行。與現(xiàn)有的無線測量相比，其優(yōu)勢在于本實用新型的測量傳感器內(nèi)置于避雷器芯體內(nèi)部，測量的參數(shù)均是避雷器內(nèi)部的信息，避免了外部信息的干擾。對于避雷器來說，避雷器芯體內(nèi)部參數(shù)遠比外部參數(shù)重要，這些參數(shù)包括流過避雷器內(nèi)部芯體的電流、溫度、電壓、漏電流等。

圖1是本實用新型實施例提供的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)的工作原理框圖。圖2是本實用新型的測量傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本實用新型的測量傳感器和中繼傳感器的控制單元和A/D轉(zhuǎn)換單元所采用的芯片MSP430F的控制連接方式示意圖。圖4是本實用新型的測量傳感器的信號采集調(diào)理電路圖。圖5是本實用新型的測量傳感器的無線傳輸模塊與MSP430F芯片的連接示意圖。圖6是本實用新型的中心控制器采用的USB總線轉(zhuǎn)接芯片USB2SPI與無線傳輸芯片X472的連接示意圖。[0019]圖7是本實用新型的測量傳感器的工作程序流程圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)做進一步的詳細說明。如圖1所示，本實用新型實施例提供一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)， 包括多個測量傳感器、中繼傳感器、中心控制器和上位PC機四部分組成。測量傳感器的電路部分主要包括信號轉(zhuǎn)換調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、控制單元、無線通信模塊和電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓模塊。中繼傳感器的硬件結(jié)構(gòu)與測量傳感器的結(jié)構(gòu)相同。測量傳感器放置于避雷器芯體內(nèi)部，尺寸大小與避雷器電阻片尺寸一致，并與電阻片串聯(lián)，該測量傳感器是導(dǎo)體，因此它的置入不會影響避雷器的整體性能。下面對各部分的技術(shù)方案分別加以介紹測量傳感器采用小電阻取樣法進行信號提取，電流經(jīng)過電阻后轉(zhuǎn)換成電壓信號， 然后通過運放進行調(diào)理，送到A/D轉(zhuǎn)換器中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該部分的精度和穩(wěn)定性直接影響到系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。MOA輸入電流的有效值一股在0-4mA(幅值在士5. 656mA)之間， 而A/D轉(zhuǎn)換芯片的量程為0-1. 5V，所以電阻值的值為1.5/0. 005656 = 265 Ω，選用250 Ω 直插式精密電阻?？刂茊卧虯/D轉(zhuǎn)換器，根據(jù)測量系統(tǒng)低功耗和體積小的需求，采用MSP430F單片機作為控制和處理單元，此單片機是一款超低功耗微控制器，在運算性能上CPU采用16位精簡指令集，并集成了 16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，縮短了指令執(zhí)行時間，寄存器到寄存器的操作時間只需要一個CPU時鐘周期；在開發(fā)工具上，支持JTAG調(diào)試，其仿真器只是一個非常簡單的并口轉(zhuǎn)換器；在超低功耗方面，供電電壓在1.8-3. 6V之間，提供了一個活動模式和五種低功耗模式，在IMHz主時鐘2. 2V供電電壓下，處于活動模式的工作電流為250μ A， 處于待機模式下的電流為0. 7 μ Α，從待機模式到喚醒不到1 μ s的時間，多種模式相配合， 可最大限度的延長電池的工作時間和使用壽命。在系統(tǒng)整合方面，結(jié)合高性能模擬技術(shù)，其片內(nèi)集成了定時器、多種串行接口、運算放大器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗、基本時鐘、電源電壓監(jiān)測等不同的功能模塊，以及豐富的中斷功能，可根據(jù)應(yīng)用的需求通過寄存器進行配置，大大地簡化了硬件的設(shè)計，從而使傳感器的尺寸可以設(shè)計的很小。外圍模塊通過數(shù)據(jù)、 地址和控制總線與CPU相連，可以通過指令方便的對它們進行控制和處理。MSP430F芯片具體控制連接方式見附圖3。無線通信模塊的選擇是綜合考慮測量系統(tǒng)的傳輸距離和抗干擾能力及測量傳感器的功耗而決定的。傳感器工作在封蔽的罐式MOA內(nèi)部，試驗現(xiàn)場到操作室的距離在20-40 米之間，試驗時，由于電壓較高，有局部放電等電磁干擾。綜合以上因素考慮，選擇2. 4G工作頻段的芯片，穿透能力和傳輸距離都能得到保證，并且可以有效地避開局部放電等電磁干擾。無線通信芯片選用X472射頻收發(fā)芯片，是X472 —種低成本單片的MSK調(diào)制方式于一體的收發(fā)器，專為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。RF收發(fā)器集成了一個數(shù)據(jù)傳輸率可達500ksps 的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。通過開啟片內(nèi)集成的前向誤差校正選項能使性能得到提升。 X472為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸、連接質(zhì)量顯示、硬件CRC校驗、群發(fā)射、和無線喚醒等提供了廣泛的硬件支持。無線收發(fā)芯片的振蕩電路匹配十分重要，單片機與X472 之間采用SPI同步串口進行通信。[0025]供電部分采用額定電壓3. 6V，最高電壓4. 2V，容量為250mAh的鋰電池供電，單片機和無線模塊的工作電壓范圍都為1. 8V-3. 6V，標準供電電壓為3. 3V。為了得到穩(wěn)定的工作電壓，選擇固定輸出的線性穩(wěn)壓器NCP500做DC/DC變換，輸出電壓精度可達2. 5%，從而為傳感器提供穩(wěn)定的供電電壓。此芯片使能響應(yīng)時間短，壓降低，包含一個電壓基準單元、 一個誤差放大器、一個PMOS功率晶體管及電流限制和溫度限制保護電路。中心控制單元的硬件設(shè)計中采用USB2SPI這款USB總線轉(zhuǎn)接芯片，其與X472連接方式如圖6所示。外圍元器件只需要1個12M晶體和2個電容，硬件連接簡單。USB2芯片支持4線制SPI同步串口，提供CS線、SCK線、DIN線和DOUT線，可以非常方便地實現(xiàn)對SPI 類接口的設(shè)備讀寫。測量系統(tǒng)的軟件部分主要由測量傳感器程序及上位PC機應(yīng)用配置和圖形界面顯示兩部分組成。軟件部分均采用模塊化設(shè)計，通過子函數(shù)的調(diào)用來完成不同的功能。從而增強了程序的靈活性、易讀性、維護性和擴充性。測量傳感器程序設(shè)計MSP430單片機使用IAR Embedded Workbench軟件作為開發(fā)平臺，其能為不同型號的目標處理器提供強有力的開發(fā)環(huán)境，并為每一種目標處理器提供工具選擇，具體包括具有語法表現(xiàn)能力的文本編輯器、基于標準C語言并帶有MSP430特性的編譯器、匯編器、連接器、函數(shù)庫管理器和調(diào)試器C-SPY。通過相應(yīng)的環(huán)境設(shè)置可以高效地對項目進行建立、編輯、編譯、連接和調(diào)試。測量傳感器程序流程圖見圖7。首先對內(nèi)部的晶振、各使用引腳、SPI通信、看門狗及A/D轉(zhuǎn)換器等部分進行初始化，然后通過單片機的SPI 口對X472芯片的寄存器參數(shù)進行配置。由于X472芯片的功耗相對較大，處于接收模式電流為15. 6mA，處于發(fā)送模式電流最小11. 5mA，當在空閑狀態(tài)下的電流也達到了 1.8mA。不能很好的滿足測量傳感器低功耗的要求，為此采用芯片提供的W0R(電磁波激活)工作模式，在不需要MCU的干預(yù)下，能夠周期的從睡眠模式喚醒并偵測是否有有效的數(shù)據(jù)包的到來，隨后進行處理，當處于睡眠模式下，傳感器的總電流僅在0. ImA-O. 2mA之間，從而解決了功耗過大的問題。單片機在無中斷時工作在低功耗模式下，此時，為了降低系統(tǒng)功耗CPU被關(guān)閉、所有時鐘都停止，但可以通過外中斷喚醒，進入中斷后首先使X472退出WOR模式，工作在空閑狀態(tài)，等待30秒，若沒接收到命令，再次進入WOR模式，并退出中斷。所有收發(fā)命令和數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)壓縮與發(fā)送等過程都在中斷程序中完成。中斷中所有任務(wù)處理完成后再次進入單片機的低功耗模式。為了避免其它通信設(shè)施同頻信號的干擾及完成多路信號與上位機進行通信，必須制定傳感器與上位機的高層通信協(xié)議，協(xié)議部分將在下兩節(jié)進行介紹。圖形界面顯示設(shè)計在設(shè)置欄里進行傳感器的路數(shù)、喚醒時間和中轉(zhuǎn)地址設(shè)置，喚醒時間以秒為單位最大值是3599，使用多個中轉(zhuǎn)地址時采用空格符進行分隔；傳感器安裝好后，將其硬件地址填入列表框的地址欄中，測量完成后電流欄中顯示測量電流的最大值， 狀態(tài)欄里在通信正常時顯示接收和發(fā)送的信號強度，出錯時可以報出錯類型；為了測試單個傳感器的連接狀態(tài)可以在測試欄的地址文本框中輸入其硬件地址，點擊測試按鈕，狀態(tài)文本框里就會顯示它的通信狀態(tài)；測量界面共有兩個圖形顯示框，第一個用來顯示MOA的電位分布曲線，第二個用來監(jiān)測信號波形；它們的坐標值可以通過下方顯示欄里的文本框輸入來設(shè)置，同時還可以選擇是否要顯示數(shù)據(jù)的平均值曲線；電流不均勻系數(shù)和電流平均值在結(jié)果欄中顯示；測量完成后，可以使用保存按鈕對所有測量數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)進行保存
6亦可使用保存圖片按鈕存儲成圖片格式。 本實用新型實施例的工作過程是將測量傳感器放置在避雷器內(nèi)部的電阻片之間，當工頻電壓施加于避雷器后，測量傳感器將通過電流，該電流的大小就是流過避雷器內(nèi)部的電流大小，測量傳感器將此電流通過內(nèi)部的無線傳輸模塊，將信號發(fā)送至中繼傳感器進行信號調(diào)理，處理后的信號再發(fā)送至中心控制單元，進行信號的2次處理，最后發(fā)送至上位PC機。
權(quán)利要求1.一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，用于測量流過避雷器芯體的電流或電壓，其主要由多個測量傳感器、中繼傳感器、中心控制器和上位PC機組成，測量傳感器和中繼傳感器硬件結(jié)構(gòu)相同，均由信號采集調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換單元、控制單元、電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓模塊、無線傳輸模塊組成，多個測量傳感器測得的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送至中繼傳感器， 再由中繼傳感器對信號進行處理后通過無線傳輸模塊發(fā)送至中心控制器，中心控制器由無線傳輸模塊、USB總線轉(zhuǎn)接管理單元、USB接口、電壓轉(zhuǎn)換模塊組成，中心控制器向中繼傳感器轉(zhuǎn)發(fā)上位PC機的測量命令，并接收測量傳感器返回的數(shù)據(jù)，中心控制器與上位PC機之間通過USB接口連接，上位PC機負責對測量系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置，其特征在于，所述多個測量傳感器分別放置于多個避雷器芯體內(nèi)部，且與避雷器內(nèi)部的電阻片串聯(lián)，測量傳感器將測得的避雷器內(nèi)部芯體流過的電流通過無線傳輸模塊發(fā)送至中繼傳感器進行信號調(diào)理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的測量傳感器和中繼傳感器的信號采集調(diào)理模塊是利用小電阻取樣法進行信號提取，選用 250 Ω直插式精密電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的測量傳感器和中繼傳感器的控制單元和A/D轉(zhuǎn)換單元采用的芯片是MSP430F芯片，其內(nèi)部包括定時器、串行接口、運算放大器、10位A/D轉(zhuǎn)換器、看門狗、基本時鐘、電源電壓監(jiān)測功能模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量傳感器和中繼傳感器的無線傳輸模塊采用的芯片是Χ472射頻收發(fā)芯片，MSP430F芯片與 Χ472射頻收發(fā)芯片之間采用SPI同步串口通信協(xié)議進行通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述測量傳感器和中繼傳感器的測量傳感器的電源轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓模塊采用額定電壓3. 6V，最高電壓 4. 2V，容量為250mAh的鋰電池供電，并選擇固定輸出的線性穩(wěn)壓器NCP500做DC/DC變換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，其特征在于，所述中心控制器采用的USB總線轉(zhuǎn)接芯片是USB2SPI，外圍元器件是1個12M晶體和2個電容。
專利摘要本實用新型提供一種內(nèi)置式避雷器電流無線通信測量系統(tǒng)，用于測量流過避雷器芯體的電流或電壓，其主要由多個測量傳感器、中繼傳感器、中心控制器和上位PC機組成，其特征在于，所述多個測量傳感器分別放置于多個避雷器芯體內(nèi)部，且與避雷器內(nèi)部的電阻片串聯(lián)，測量傳感器將測得的避雷器內(nèi)部芯體流過的電流通過無線傳輸模塊發(fā)送至中繼傳感器進行信號調(diào)理。本實用新型的測量傳感器內(nèi)置于避雷器芯體內(nèi)部，測量的參數(shù)均是避雷器內(nèi)部的信息，避免了外部信息的干擾。
文檔編號G08C17/02GK201974464SQ20102062695
公開日2011年9月14日 申請日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者萬克, 左中秋, 梁菊霞, 湯霖, 熊易, 王保山, 賈錦朝, 陳立, 雷曉燕 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院