避雷器在线监控系统终端的设计

0   引言

避雷器是用于保护电气设备免受雷击时高瞬态过电压危害的设备，但是避雷器在经历过雷击后，自身寿命就会受到影响，需要人员定期巡检避雷器的工作状态及寿命，以确保避雷器正常工作。

为实现对避雷器的实时监测，保证避雷器的可靠运行，本文设计了一款基于STM32L152的低功耗雷击监测终端设备，实时对避雷器漏电电流、雷击次数进行测量，并且通过4G-DTU将监测到的雷击次数、漏电流及漏电压等数据发送到云端服务器后台，后台进行整理分析，供用户随时查询相关数据，并且可以根据设定值对相关人员提供预警和报警功能，减小运维人员巡检工作；通过对雷击事件统计和分析，实现避雷器全寿命监测，确保电力设备免受雷击破坏，可靠稳定的运行。

1   系统总体设计概述

1.1 硬件组成电路框图

避雷器在线监控系统由避雷器监测终端、云服务器后台和智能终端三大部分构成，避雷器监测终端将采集的结果上传至云服务器后台，后台进行整理和分析，智能终端从云服务器拉取分析的数据，实现远程对避雷器的监控。本避雷器监测终端主要由电源模块、MCU控制单元、输入输出单元、4G通信模块、存储模块、实时时钟模块、避雷器漏电流及漏电压模块等几个部分组成（如图1）。

图1 系统总体设计框图

1.2 系统工作原理及主要功能介绍

MCU主控单元通过避雷器感应线圈侧的漏电流、漏电压，记录雷击次数和雷击的时间。此外还通过4G连接互联网，按照既定通信协议发送到云平台服务器后台中，方便用户通过智能终端实时查看雷击的相关数据、避雷器的剩余生命、监测终端剩余电量等，实时掌握避雷器当前的工作状态，为电气设备的可靠安全运行提供强有力的保障。

2   系统硬件电路设计

2.1 电源管理电路

本系统采用电池和互感器取电，使用跳线帽选择，二选一，选定输入电源后通过开关控制整个系统的电源，电源输入后经过DC-DC升压至DC 5 V，之后经过3路LDO分成3路3.3 V电源，分别为主控单元及其外围设备供电，为运放供电，为4G-DTU供电。并且DTU的电源可以通过LDO的使能脚进行控制，方便对DTU的电源进行管理，以节约功耗。互感器取电如图2所示，电池取电及电源转换电路如图2所示。

图2 电池取电及电源转换电路图

2.2 MCU主控单元电路

STM32L152器件利用Cortex-M3内核和频率介于32 kHz ~ 32 MHz的CPU时钟扩展了超低功耗理念，并且不会降低性能。除了动态运行模式以外，还有休眠、停机和待机这3种超低功耗模式，不仅带来极低的功耗，同时还能保持RTC、后备寄存器内容与低压检测器的工作。

STM32L152片上集成的快速12位ADC、硬件SPI、串口、超低功耗比较器等模块，同时还提供了1颗具有8×40段的集成式LCD驱动器，可以大大节约设计时间和应用成本。MCU主控系统就是STM32L152的最小系统，辅以调试接口和串口配置接口。DTU模块使用串口与主控芯片通信。

3   系统软件设计

本次系统代码使用C语言编写，程序的编写遵循模块化和层次化的设计标准，以实现代码的高内聚和低耦合，方便开发人员的后续维护和升级。程序上电等待配置串口连接，无连接，3~5 s后进入正常工作模式；有连接，进入配置模式，若串口连续1~2 min无数据接收，退出配置模式，进入正常工作模式。读取避雷器互感线圈侧的漏电流和漏电压、读取电池电压，启动DTU，发送数据，如果发送失败，将需要发送的数据暂存，等待下次再发送，如果发送成功则关闭DTU，进入低功耗模式。系统主程序流程图如图4所示。

图3 主程序流程图

4   实现功能

避雷器监测终端主要实现以下功能：

●   对避雷器漏电电流、雷击次数进行测量，准确统计发生雷击的时间；

●   通过 4G 网络将采集的结果上传至云服务器；

●   DTU的电源管理，加上设备的低功耗，实现250 μA左右的待机电流，使电池供电的监测终端能够有更长的工作时间。

5   结语

该避雷器在线监控系统，经过重复的测试后，可实现既定的所有功能，实现了远程对避雷器的寿命进行监控，减少运维人员的巡检次数，且可以长期稳定运行，可靠地保障电力设备免受雷击破坏。

参考文献：

[1] 刘晋孝,祝嘉喜.MOA-BC型避雷器在线监测系统的研制[J]. 电瓷避雷器,2017(03):97-100.

[2] 高旭光.避雷器在线监测装置的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2018.

[3] 秦娜.氧化锌避雷器在线监测数据处理方法的研究[D].成都:西南交通大学,2003.

(本文来源于《电子产品世界》杂志社2020年12月期)