0 引 言
    高壓輸電線路絕緣子串的污穢閃絡(luò)是影響電網(wǎng)運(yùn)行的重要因素之一。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和大氣中各類污染的加劇，沉積在絕緣子表面的污穢層受潮后使絕緣子的外絕緣能力下降，并常引起污閃事故，嚴(yán)重妨礙著電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
    目前，檢測(cè)輸電線路外絕緣污穢程度的方法有等值附鹽密度法、測(cè)量污層電導(dǎo)率法和測(cè)量絕緣子表面泄漏電流法。前兩者要在停電的條件下進(jìn)行，相對(duì)傳統(tǒng)、落后，難以反映現(xiàn)場(chǎng)絕緣子污穢實(shí)時(shí)信息。而污穢絕緣子表面的泄漏電流是在運(yùn)行電壓作用下受污表面受潮后流過(guò)絕緣子表面的電流，是運(yùn)行電壓、氣候(大氣壓力、溫度、濕度等)、污穢三要素綜合作用的結(jié)果，是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)。泄漏電流大小與絕緣子污穢程度密切相關(guān)，因此檢測(cè)高壓輸電線路絕緣子泄漏電流具有實(shí)際工程意義。
    輸電線路桿塔分布廣，桿塔上的泄漏電流監(jiān)測(cè)分機(jī)的數(shù)據(jù)信息需用無(wú)線方式傳輸；同時(shí)，分機(jī)工作于高壓輸電線路桿塔上，通常采用太陽(yáng)能供電，因此要求系統(tǒng)功耗低、可靠性高。利用TI公司最新推出的低功耗芯片MSP430F149內(nèi)部豐富的硬件資源和MORTORo—LA公司生產(chǎn)的G18 GSM數(shù)據(jù)通訊模塊構(gòu)建的輸電線路絕緣子污穢遙測(cè)系統(tǒng)是一種低成本、低功耗、高可靠性的技術(shù)方案。

l 監(jiān)測(cè)原理
    由于流過(guò)絕緣子的泄漏電流脈沖的最大幅值表征了該絕緣子接近閃絡(luò)的程度。因此系統(tǒng)把絕緣子上的泄漏電流波的最高峰值作為表征污穢絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的特征量。以光滑圓柱絕緣子為例，其在電壓U的作用下沿整個(gè)絕緣子表面的泄漏電流為：

式中：Rn為絕緣子在均勻污染和濕潤(rùn)條件下的電阻；L為沿絕緣子表面的爬電距離；D為絕緣子的直徑；γn為濕潤(rùn)污穢層的表面電導(dǎo)率；EL為沿爬電路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度。
    而對(duì)任意形狀的絕緣子，取其沿爬電路徑的微分段dl，則沿爬電路徑微分段的濕潤(rùn)污穢表面電阻為：

式中：l為沿爬電路徑的線坐標(biāo)；γn(l)和D(l)為任意坐標(biāo)值處的絕緣子表面電導(dǎo)率和直徑。
    因此，絕緣子整個(gè)表面的電阻為：

當(dāng)爬電路徑的表面電導(dǎo)率為常數(shù)時(shí)，式(3)改寫為：

當(dāng)沿爬電路徑的表面電導(dǎo)率為變數(shù)時(shí)，可引入平均表面電導(dǎo)率的概念，即：

故流過(guò)任意形狀絕緣子表面的泄漏電流為：

式中：EL為沿爬電路徑的平均電場(chǎng)強(qiáng)度。
    圖1所示曲線為自然污穢絕緣子交流閃絡(luò)過(guò)程的典型示波圖(升壓法)，從運(yùn)行中對(duì)污穢絕緣的監(jiān)視和預(yù)報(bào)角度出發(fā)，可將其分成三部分。如果以閃絡(luò)電壓為基準(zhǔn)的標(biāo)么值表示，A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓標(biāo)么值分別為O．5和O．9，A點(diǎn)之前稱為非預(yù)報(bào)區(qū)，A～B之間稱為預(yù)報(bào)區(qū)，B點(diǎn)之后至閃絡(luò)為危險(xiǎn)區(qū)。

從示波圖可以看出，自然污穢絕緣子泄漏電流的特點(diǎn)是出現(xiàn)在預(yù)報(bào)區(qū)的泄漏電流呈不穩(wěn)定狀態(tài)，常以脈沖群出現(xiàn)，并伴有局部的電弧形成和熄滅，預(yù)報(bào)區(qū)的泄漏電流脈沖群幅值多為幾十至幾百毫安，其寬度常為幾個(gè)至幾十個(gè)周波。
    正因?yàn)槲坶W的發(fā)生要經(jīng)歷以上幾個(gè)階段，使得通過(guò)在線監(jiān)測(cè)絕緣子的泄漏電流幅值和脈沖數(shù)及環(huán)境參數(shù)來(lái)估計(jì)絕緣子的污穢程度，并在污閃發(fā)生之前給出預(yù)警成為可能。

2 遙測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    在輸電線路的被監(jiān)測(cè)桿塔上安裝一臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)，自動(dòng)采集、處理該桿塔上絕緣子串的泄漏電流及其環(huán)境溫濕度等信息，并將其通過(guò)打包存儲(chǔ)并定期通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息(SMS)方式或通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)方式傳送給遠(yuǎn)方系統(tǒng)主機(jī)。在總站安裝一臺(tái)系統(tǒng)主機(jī)，接收分機(jī)發(fā)來(lái)的有關(guān)數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行分析、判斷、處理。同時(shí)系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置有網(wǎng)絡(luò)接口供有關(guān)部門進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息查詢。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)設(shè)計(jì)
3．1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)工作原理
    數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)的工作原理：分機(jī)循環(huán)采集桿塔上各路絕緣子串泄漏電流。首先泄漏電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)后由屏蔽電纜引入泄漏電流傳感器，經(jīng)傳感器放大后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路，在調(diào)理電路中信號(hào)先經(jīng)抗干擾抑制處理，然后被變換成電壓信號(hào)，并經(jīng)過(guò)濾波處理和PGA增益放大后送入高速A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到一系列各路信號(hào)的采樣值。這些采樣值經(jīng)計(jì)算處理后即得到泄漏電流的幅值和不同幅值區(qū)段的脈沖數(shù)。同時(shí)分機(jī)還采集桿塔現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)信息，這些信息經(jīng)打包處理后存入E2PROM中。
    分機(jī)數(shù)據(jù)信息利用GSM數(shù)據(jù)通訊模塊通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短消息方式傳送給系統(tǒng)主機(jī)。正常情況下分機(jī)定期主動(dòng)發(fā)送信息，一旦污穢過(guò)度，分機(jī)立即發(fā)送告警和錄波信息。
    分機(jī)采用太陽(yáng)能電池板加蓄電池的供電方式。分機(jī)硬件原理框圖如圖3所示。

3．2 微處理器的選擇
    系統(tǒng)中數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)的MCU采用TI公司最新推出的MSP430系列超低功耗微處理器MSP430F149，該芯片內(nèi)部集成了豐富的資源，如高性能12 b A／D、模擬比較器、硬件乘法器、兩個(gè)串行口、兩個(gè)16 b脈寬調(diào)制定時(shí)器、60 KB的低功耗FLASH、2 KB的內(nèi)部RAM，同時(shí)它具有多種低功耗模式，適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)和電池供電的場(chǎng)合。其中硬件乘法器是一個(gè)16 b的片內(nèi)外設(shè)，它獨(dú)立于CPU之外運(yùn)行，不占用CPU任何時(shí)間，適宜于大量運(yùn)算。系統(tǒng)采用充分利用該芯片內(nèi)部豐富的資源并運(yùn)行于低功耗模式、在外圍信號(hào)調(diào)理電路采用低功耗芯片、降低充電管理模塊的功耗、GSM通訊?？於ㄆ诖蜷_(kāi)等降功耗措施后，使整個(gè)分機(jī)平均功耗低于3 mA。
3．3 泄漏電流的采集
    泄漏電流的變化范圍通常從幾十微安到幾百毫安，且有高頻放電脈沖。在干燥且污穢較輕的情況下，泄漏電流通常為幾十微安至幾毫安；當(dāng)污穢較重而且天氣潮濕時(shí)，泄漏電流可達(dá)幾十毫安；一旦發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，泄漏電流可達(dá)幾百微安。
    為了對(duì)微小的泄漏電流信號(hào)進(jìn)行精確測(cè)量，系統(tǒng)采用了TI公司的高精度運(yùn)放OPA4277，該運(yùn)放低噪聲，輸入偏移電壓漂移小于0．15μV／℃，開(kāi)環(huán)增益最高可達(dá)160 dB，轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)2．3 V／ns，滿足系統(tǒng)高速循環(huán)采樣要求。圖4為以O(shè)PA4277構(gòu)建的泄漏電流信號(hào)調(diào)理電路。

同時(shí)，為了能檢測(cè)出高頻放電脈沖，系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)變化的劇烈程度實(shí)時(shí)調(diào)整采樣頻率。一般由前一周波所得泄漏電流信號(hào)幅值和脈沖頻次來(lái)確定；當(dāng)信號(hào)幅值和脈沖頻數(shù)較小時(shí)，按每周波24點(diǎn)采樣，以便降低功耗；而信號(hào)幅值和脈沖頻數(shù)較大時(shí)，按每周波96點(diǎn)采樣，以便捕捉高頻脈沖等瞬變信號(hào)。
3．4 串行器件模塊電路
    E2PROM 分機(jī)采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)打包后存入串行E2PROM 24C256中，總共8KB的存儲(chǔ)空間用于暫存定期采集的歷史數(shù)據(jù)和錄波數(shù)據(jù)。受容量限制，大量錄波數(shù)據(jù)一般都要求立即發(fā)送，以便留出更多空間用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。
    時(shí)鐘電路 選用了DALLAS半導(dǎo)體公司的時(shí)鐘芯片DSl302。它可以產(chǎn)生秒、分、小時(shí)、日、星期、月及年等七個(gè)時(shí)標(biāo)，并可以通過(guò)編程來(lái)讀取和修改這些時(shí)標(biāo)。同時(shí)該芯片采用雙電源供電，以鋰電池作為后備電源，保證了時(shí)鐘電源的可靠性。采用硬件時(shí)鐘可以不占用單片機(jī)的定時(shí)器資源，同時(shí)減輕了軟件設(shè)計(jì)量。
    溫濕度模塊電路 選用了SENSIRION公司生產(chǎn)的溫濕度測(cè)量芯片SHT71，該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)濕度傳感器和一個(gè)14 b的A／D轉(zhuǎn)換器及一些修正校驗(yàn)電路。通常情況下芯片處于省電模式，當(dāng)接收到來(lái)自CPU的轉(zhuǎn)換命令時(shí)，將傳感器的輸出模擬量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由串行數(shù)據(jù)線輸出到CPU。該芯片測(cè)量精度高，測(cè)量范圍寬(濕度：O～100%；溫度：一40～+120℃)，體積小，功耗低。以上3種芯片都具有寬電源工作模式，能在3 V電壓下工作，降低了系統(tǒng)功耗。圖5為串行E2PROM和時(shí)鐘電路原理圖。

3．5 分機(jī)的電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)
    分機(jī)工作于高壓輸電線路旁，處于惡劣電磁環(huán)境中，常會(huì)受到強(qiáng)電磁輻射干擾、靜電放電干擾、高頻脈沖干擾、電快速瞬變干擾、雷電沖擊等。一方面高頻噪聲干擾疊加在泄漏電流這個(gè)微弱信號(hào)上給測(cè)量帶來(lái)誤差，影響檢測(cè)效果；另一方面這些干擾和沖擊作用在微電子設(shè)備上輕則使分機(jī)系統(tǒng)紊亂，數(shù)據(jù)測(cè)量錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)誤報(bào)警，重則使系統(tǒng)“死機(jī)”，甚至使系統(tǒng)硬件損壞。針對(duì)不同干擾系統(tǒng)采取了相應(yīng)措施。為了防止輻射干擾通過(guò)信號(hào)線進(jìn)入裝置，從集流環(huán)到分機(jī)的外露信號(hào)線全采用雙層屏蔽電纜，并使屏蔽層可靠接地，整個(gè)分機(jī)也被置于一個(gè)金屬密閉箱中；為了防止雷電沖擊等高電壓和大電流信號(hào)進(jìn)入裝置，在泄漏電流傳感器前端并聯(lián)有避雷器以防高壓、串聯(lián)有可恢復(fù)熔斷絲以防止大電流信號(hào)，并在每個(gè)模擬量輸入回路均設(shè)有瞬變二極管等高電壓抑制元件；為了減輕電快速瞬變干擾對(duì)裝置的影響，提高系統(tǒng)的抗共模、差模干擾能力，在泄漏電流輸入回路的前端設(shè)有共、差模扼流圈及吸收電容等，使裝置抗快速瞬變干擾能力達(dá)到了四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，共、差模扼流圈如圖6所示；采用硬件看門狗及非法指令中斷、對(duì)重要數(shù)據(jù)如定值等采用多重備份等措施，保證了分機(jī)常年免維護(hù)正常運(yùn)行。

4 無(wú)線通訊設(shè)計(jì)
    由于輸電線路桿塔分布廣，系統(tǒng)將分機(jī)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)用有線組網(wǎng)傳輸顯然是不現(xiàn)實(shí)的。采用RF發(fā)射／接收模塊，因通訊距離受到限制而必須采用接力方式，這使整個(gè)系統(tǒng)的通訊可靠性受到限制。采用基于GSM網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)，通過(guò)給每個(gè)分機(jī)分配惟一的地址(SIM卡號(hào))，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)信息打包，建立無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)分機(jī)提供了網(wǎng)絡(luò)化通信接口?？梢詮母旧辖鉀Q輸電線路絕緣子監(jiān)測(cè)分機(jī)分布廣、距離遠(yuǎn)而難于用有線方式組網(wǎng)的難題，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)分機(jī)與系統(tǒng)主機(jī)之間數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程雙向傳輸。
    數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)中內(nèi)置了MORTOROLA公司生產(chǎn)的G18 GSM數(shù)據(jù)通訊模塊。G18是集成的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器，相當(dāng)于DCE(數(shù)據(jù)通信設(shè)備)，其內(nèi)部集成了GSM的微處理器，支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、短信等服務(wù)。它帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS 232串行接口，單片機(jī)可以通過(guò)RS 232口向其發(fā)送和接收各種信息。而且其可在3 V電壓下工作，睡眠模式下的消耗電流為10 mA，關(guān)斷模式下的消耗電流為150μA，功耗低。
    短消息業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)提供的一種有別于語(yǔ)音傳輸?shù)耐ㄐ艠I(yè)務(wù)，主要包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)和小區(qū)廣播短消息業(yè)務(wù)。本系統(tǒng)利用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息業(yè)務(wù)，它是通過(guò)信令信道傳送簡(jiǎn)短信息的業(yè)務(wù)，編碼后單條短信長(zhǎng)度為140 B，可以承載160個(gè)英文字符或70個(gè)漢字。短消息通信有三種模式：塊模式、文本模式、PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式。其中在PDU模式下，每條短消息用戶數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度為140 B。
    根據(jù)分機(jī)與系統(tǒng)主機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的類型自定義了通訊協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息分為上行和下行兩種：上行信息是指數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息(包括歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))及各種下行命令返回信息，這些信息通常主動(dòng)上送系統(tǒng)主機(jī)；下行信息是指系統(tǒng)主機(jī)向數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，包括數(shù)據(jù)請(qǐng)求和各種定值的修改。每條短消息的用戶數(shù)據(jù)部分按如下格式構(gòu)成：數(shù)據(jù)類型+有效數(shù)據(jù)信息+校驗(yàn)碼。為了減少數(shù)據(jù)通訊誤碼，提高抗干擾能力，軟件上采取了校驗(yàn)措施，保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠通訊。圖7為分機(jī)以短消息形式收／發(fā)數(shù)據(jù)信息的流程圖。

5 系統(tǒng)主機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主機(jī)軟件基于Windows 2000／98平臺(tái)，采用Visual Basic面向?qū)ο笳Z(yǔ)言編制而成。包括無(wú)線數(shù)據(jù)通訊、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、自動(dòng)巡測(cè)、人工點(diǎn)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等功能。限于篇幅，不再詳述。

6 結(jié) 語(yǔ)
    利用MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)的基于GSM網(wǎng)絡(luò)的輸電線路絕緣子遙測(cè)系統(tǒng)，在任何惡劣環(huán)境條件下都可以全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)各桿塔絕緣子的污穢狀態(tài)信息，并在污穢越限時(shí)告警。目前該系統(tǒng)已經(jīng)有多套應(yīng)用到西北地區(qū)和華中地區(qū)的輸電網(wǎng)絡(luò)，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確測(cè)量了流過(guò)絕緣子串表面的泄漏電流，較客觀地反映了被監(jiān)測(cè)線路絕緣子的污穢狀況，為準(zhǔn)確劃分污區(qū)和及時(shí)修訂污區(qū)分布圖提供了參考依據(jù)，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行管理水平。