专利名称：一种内置式避雷器电流无线通信测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种内置式避雷器电流无线通信测量系统，属于避雷器电流测量领域。
背景技术：
根据GB11032《交流系统用金属氧化物避雷器》标准要求，氧化锌电阻片应进行人工加速老化试验，试验前必须根据其电压分布情况来决定施加老化电压幅值的大小，因此测量避雷器的电压分布情况，是决定其老化施加电压幅值的大小的关键。另外，根据国家电网公司近年推出的电气设备在线监测系统中，避雷器在线监测也需要测量避雷器的内部电流，目前测量避雷器内部电流的系统，基本采用光纤法进行，大致原理如下利用电流传感器对流过避雷器芯体的电流进行测量，并转换为光信号，然后由光纤传送到上位PC机中进行处理，达到测量目的。这种方法因为其抗干扰能力强而被广泛应用于避雷器电流测量领域中。但基于光纤通信的设备在以往MOA电位分布的测量试验中得到了很好的应用，但由于试验所需测量的信号路数多、测量传感器与试验室距离远等特点，采用此类设备测量时要同时引下多路经过编号的20-30m长的光纤，布线和收线时要花费大量的人力和时间，对于罐式MOA还需要额外提供引出光纤的通孔，因此不能完全密封，导致试验时施加不到额定电压等缺点。有鉴于此，有必要提供一种内置式避雷器电流无线通信测量系统，以满足工业应用需要。
发明内容本实用新型的目的是为了解决现有避雷器内部电流有线测量方式具有的布线成本高、耗时长等缺陷，从而提供一种内置式避雷器电流无线通信测量系统，测量采用无线通讯方式，从而避免了复杂的布线过程，并且本实用新型的测量传感器内置于避雷器内部，从而可精确测量避雷器内部电流，避免了外界信息的干扰。本实用新型的技术方案是一种内置式避雷器电流无线通信测量系统，用于测量流过避雷器芯体的电流或电压，其主要由多个测量传感器、中继传感器、中心控制器和上位 PC机组成，测量传感器和中继传感器硬件结构相同，均由信号采集调理模块、A/D转换单元、控制单元、电源转换稳压模块、无线传输模块组成，多个测量传感器测得的数据通过无线传输模块发送至中继传感器，再由中继传感器对信号进行处理后通过无线传输模块发送至中心控制器，中心控制器由无线传输模块、USB总线转接管理单元、USB接口、电压转换模块组成，中心控制器向中继传感器转发上位PC机的测量命令，并接收测量传感器返回的数据，中心控制器与上位PC机之间通过USB接口连接，上位PC机负责对测量系统进行参数设置，其特征在于，所述多个测量传感器分别放置于多个避雷器芯体内部，且与避雷器内部的电阻片串联，测量传感器将测得的避雷器内部芯体流过的电流通过无线传输模块发送至中继传感器进行信号调理。[0006]如上所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述的测量传感器和中继传感器的信号采集调理模块是利用小电阻取样法进行信号提取，选用250 Ω直插式精密电阻。如上所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述的测量传感器和中继传感器的控制单元和A/D转换单元采用的芯片是MSP430F芯片，其内部包括定时器、串行接口、运算放大器、10位A/D转换器、看门狗、基本时钟、电源电压监测功能模块。如上所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述测量传感器和中继传感器的无线传输模块采用的芯片是Χ472射频收发芯片，MSP430F芯片与Χ472射频收发芯片之间采用SPI同步串口通信协议进行通信。如上所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述测量传感器和中继传感器的测量传感器的电源转换稳压模块采用额定电压3. 6V，最高电压4. 2V，容量为250mAh的锂电池供电，并选择固定输出的线性稳压器NCP500做DC/DC变换。如上所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述中心控制器采用的USB总线转接芯片是USB2SPI，外围元器件是1个12M晶体和2个电容。本实用新型的有益效果是与传统的有线测量系统相比的应用的优势体现在 (1)高灵活性，由于没有线缆的限制，可以在不同的地方移动工作，使用灵活，易于对试验进行调整。(2)试验布置简单，消除了测试现场布线等繁琐工作，减小了对人力的要求，缩短了试验时间。(3)环境限制因素小，在通信范围内，非导电障碍物(如墙体、非金属外壳和支撑物等)对系统的使用影响很小，避免了打通孔，搬挪障碍物等问题。(4)低成本，与几十米长光纤、电缆等传输介质及与它们配套使用的接收元器件相比，无线通信芯片具有明显的价格优势。(5)低功耗，通信时发送电磁波的功耗小于光纤通信设备的功耗，有效地增加了测量系统的使用时间，减小电池充电次数延长其使用寿命。(6)双工通信，光纤通信设备中为了减少光纤的使用路数，采用双工通信，无线通信设备可以与上位PC机进行双向通信，因此可以更高效稳定的运行。与现有的无线测量相比，其优势在于本实用新型的测量传感器内置于避雷器芯体内部，测量的参数均是避雷器内部的信息，避免了外部信息的干扰。对于避雷器来说，避雷器芯体内部参数远比外部参数重要，这些参数包括流过避雷器内部芯体的电流、温度、电压、漏电流等。
图1是本实用新型实施例提供的内置式避雷器电流无线通信测量系统的工作原理框图。图2是本实用新型的测量传感器的结构框图。图3是本实用新型的测量传感器和中继传感器的控制单元和A/D转换单元所采用的芯片MSP430F的控制连接方式示意图。图4是本实用新型的测量传感器的信号采集调理电路图。图5是本实用新型的测量传感器的无线传输模块与MSP430F芯片的连接示意图。图6是本实用新型的中心控制器采用的USB总线转接芯片USB2SPI与无线传输芯片X472的连接示意图。[0019]图7是本实用新型的测量传感器的工作程序流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型内置式避雷器电流无线通信测量系统做进一步的详细说明。如图1所示，本实用新型实施例提供一种内置式避雷器电流无线通信测量系统， 包括多个测量传感器、中继传感器、中心控制器和上位PC机四部分组成。测量传感器的电路部分主要包括信号转换调理电路、A/D转换器、控制单元、无线通信模块和电源转换稳压模块。中继传感器的硬件结构与测量传感器的结构相同。测量传感器放置于避雷器芯体内部，尺寸大小与避雷器电阻片尺寸一致，并与电阻片串联，该测量传感器是导体，因此它的置入不会影响避雷器的整体性能。下面对各部分的技术方案分别加以介绍测量传感器采用小电阻取样法进行信号提取，电流经过电阻后转换成电压信号， 然后通过运放进行调理，送到A/D转换器中进行模数转换。该部分的精度和稳定性直接影响到系统的精度和稳定性。MOA输入电流的有效值一股在0-4mA(幅值在士5. 656mA)之间， 而A/D转换芯片的量程为0-1. 5V，所以电阻值的值为1.5/0. 005656 = 265 Ω，选用250 Ω 直插式精密电阻。控制单元和A/D转换器，根据测量系统低功耗和体积小的需求，采用MSP430F单片机作为控制和处理单元，此单片机是一款超低功耗微控制器，在运算性能上CPU采用16位精简指令集，并集成了 16位寄存器和常数发生器，缩短了指令执行时间，寄存器到寄存器的操作时间只需要一个CPU时钟周期；在开发工具上，支持JTAG调试，其仿真器只是一个非常简单的并口转换器；在超低功耗方面，供电电压在1.8-3. 6V之间，提供了一个活动模式和五种低功耗模式，在IMHz主时钟2. 2V供电电压下，处于活动模式的工作电流为250μ A， 处于待机模式下的电流为0. 7 μ Α，从待机模式到唤醒不到1 μ s的时间，多种模式相配合， 可最大限度的延长电池的工作时间和使用寿命。在系统整合方面，结合高性能模拟技术，其片内集成了定时器、多种串行接口、运算放大器、10位A/D转换器、看门狗、基本时钟、电源电压监测等不同的功能模块，以及丰富的中断功能，可根据应用的需求通过寄存器进行配置，大大地简化了硬件的设计，从而使传感器的尺寸可以设计的很小。外围模块通过数据、 地址和控制总线与CPU相连，可以通过指令方便的对它们进行控制和处理。MSP430F芯片具体控制连接方式见附图3。无线通信模块的选择是综合考虑测量系统的传输距离和抗干扰能力及测量传感器的功耗而决定的。传感器工作在封蔽的罐式MOA内部，试验现场到操作室的距离在20-40 米之间，试验时，由于电压较高，有局部放电等电磁干扰。综合以上因素考虑，选择2. 4G工作频段的芯片，穿透能力和传输距离都能得到保证，并且可以有效地避开局部放电等电磁干扰。无线通信芯片选用X472射频收发芯片，是X472 —种低成本单片的MSK调制方式于一体的收发器，专为低功耗无线应用而设计。RF收发器集成了一个数据传输率可达500ksps 的高度可配置的调制解调器。通过开启片内集成的前向误差校正选项能使性能得到提升。 X472为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、连接质量显示、硬件CRC校验、群发射、和无线唤醒等提供了广泛的硬件支持。无线收发芯片的振荡电路匹配十分重要，单片机与X472 之间采用SPI同步串口进行通信。[0025]供电部分采用额定电压3. 6V，最高电压4. 2V，容量为250mAh的锂电池供电，单片机和无线模块的工作电压范围都为1. 8V-3. 6V，标准供电电压为3. 3V。为了得到稳定的工作电压，选择固定输出的线性稳压器NCP500做DC/DC变换，输出电压精度可达2. 5%，从而为传感器提供稳定的供电电压。此芯片使能响应时间短，压降低，包含一个电压基准单元、 一个误差放大器、一个PMOS功率晶体管及电流限制和温度限制保护电路。中心控制单元的硬件设计中采用USB2SPI这款USB总线转接芯片，其与X472连接方式如图6所示。外围元器件只需要1个12M晶体和2个电容，硬件连接简单。USB2芯片支持4线制SPI同步串口，提供CS线、SCK线、DIN线和DOUT线，可以非常方便地实现对SPI 类接口的设备读写。测量系统的软件部分主要由测量传感器程序及上位PC机应用配置和图形界面显示两部分组成。软件部分均采用模块化设计，通过子函数的调用来完成不同的功能。从而增强了程序的灵活性、易读性、维护性和扩充性。测量传感器程序设计MSP430单片机使用IAR Embedded Workbench软件作为开发平台，其能为不同型号的目标处理器提供强有力的开发环境，并为每一种目标处理器提供工具选择，具体包括具有语法表现能力的文本编辑器、基于标准C语言并带有MSP430特性的编译器、汇编器、连接器、函数库管理器和调试器C-SPY。通过相应的环境设置可以高效地对项目进行建立、编辑、编译、连接和调试。测量传感器程序流程图见图7。首先对内部的晶振、各使用引脚、SPI通信、看门狗及A/D转换器等部分进行初始化，然后通过单片机的SPI 口对X472芯片的寄存器参数进行配置。由于X472芯片的功耗相对较大，处于接收模式电流为15. 6mA，处于发送模式电流最小11. 5mA，当在空闲状态下的电流也达到了 1.8mA。不能很好的满足测量传感器低功耗的要求，为此采用芯片提供的W0R(电磁波激活)工作模式，在不需要MCU的干预下，能够周期的从睡眠模式唤醒并侦测是否有有效的数据包的到来，随后进行处理，当处于睡眠模式下，传感器的总电流仅在0. ImA-O. 2mA之间，从而解决了功耗过大的问题。单片机在无中断时工作在低功耗模式下，此时，为了降低系统功耗CPU被关闭、所有时钟都停止，但可以通过外中断唤醒，进入中断后首先使X472退出WOR模式，工作在空闲状态，等待30秒，若没接收到命令，再次进入WOR模式，并退出中断。所有收发命令和数据采集及数据压缩与发送等过程都在中断程序中完成。中断中所有任务处理完成后再次进入单片机的低功耗模式。为了避免其它通信设施同频信号的干扰及完成多路信号与上位机进行通信，必须制定传感器与上位机的高层通信协议，协议部分将在下两节进行介绍。图形界面显示设计在设置栏里进行传感器的路数、唤醒时间和中转地址设置，唤醒时间以秒为单位最大值是3599，使用多个中转地址时采用空格符进行分隔；传感器安装好后，将其硬件地址填入列表框的地址栏中，测量完成后电流栏中显示测量电流的最大值， 状态栏里在通信正常时显示接收和发送的信号强度，出错时可以报出错类型；为了测试单个传感器的连接状态可以在测试栏的地址文本框中输入其硬件地址，点击测试按钮，状态文本框里就会显示它的通信状态；测量界面共有两个图形显示框，第一个用来显示MOA的电位分布曲线，第二个用来监测信号波形；它们的坐标值可以通过下方显示栏里的文本框输入来设置，同时还可以选择是否要显示数据的平均值曲线；电流不均勻系数和电流平均值在结果栏中显示；测量完成后，可以使用保存按钮对所有测量数据和配置数据进行保存
6亦可使用保存图片按钮存储成图片格式。 本实用新型实施例的工作过程是将测量传感器放置在避雷器内部的电阻片之间，当工频电压施加于避雷器后，测量传感器将通过电流，该电流的大小就是流过避雷器内部的电流大小，测量传感器将此电流通过内部的无线传输模块，将信号发送至中继传感器进行信号调理，处理后的信号再发送至中心控制单元，进行信号的2次处理，最后发送至上位PC机。
权利要求1.一种内置式避雷器电流无线通信测量系统，用于测量流过避雷器芯体的电流或电压，其主要由多个测量传感器、中继传感器、中心控制器和上位PC机组成，测量传感器和中继传感器硬件结构相同，均由信号采集调理模块、A/D转换单元、控制单元、电源转换稳压模块、无线传输模块组成，多个测量传感器测得的数据通过无线传输模块发送至中继传感器， 再由中继传感器对信号进行处理后通过无线传输模块发送至中心控制器，中心控制器由无线传输模块、USB总线转接管理单元、USB接口、电压转换模块组成，中心控制器向中继传感器转发上位PC机的测量命令，并接收测量传感器返回的数据，中心控制器与上位PC机之间通过USB接口连接，上位PC机负责对测量系统进行参数设置，其特征在于，所述多个测量传感器分别放置于多个避雷器芯体内部，且与避雷器内部的电阻片串联，测量传感器将测得的避雷器内部芯体流过的电流通过无线传输模块发送至中继传感器进行信号调理。
2.根据权利要求1所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述的测量传感器和中继传感器的信号采集调理模块是利用小电阻取样法进行信号提取，选用 250 Ω直插式精密电阻。
3.根据权利要求1所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述的测量传感器和中继传感器的控制单元和A/D转换单元采用的芯片是MSP430F芯片，其内部包括定时器、串行接口、运算放大器、10位A/D转换器、看门狗、基本时钟、电源电压监测功能模块。
4.根据权利要求3所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述测量传感器和中继传感器的无线传输模块采用的芯片是Χ472射频收发芯片，MSP430F芯片与 Χ472射频收发芯片之间采用SPI同步串口通信协议进行通信。
5.根据权利要求1所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述测量传感器和中继传感器的测量传感器的电源转换稳压模块采用额定电压3. 6V，最高电压 4. 2V，容量为250mAh的锂电池供电，并选择固定输出的线性稳压器NCP500做DC/DC变换。
6.根据权利要求1所述的内置式避雷器电流无线通信测量系统，其特征在于，所述中心控制器采用的USB总线转接芯片是USB2SPI，外围元器件是1个12M晶体和2个电容。
专利摘要本实用新型提供一种内置式避雷器电流无线通信测量系统，用于测量流过避雷器芯体的电流或电压，其主要由多个测量传感器、中继传感器、中心控制器和上位PC机组成，其特征在于，所述多个测量传感器分别放置于多个避雷器芯体内部，且与避雷器内部的电阻片串联，测量传感器将测得的避雷器内部芯体流过的电流通过无线传输模块发送至中继传感器进行信号调理。本实用新型的测量传感器内置于避雷器芯体内部，测量的参数均是避雷器内部的信息，避免了外部信息的干扰。
文档编号G08C17/02GK201974464SQ20102062695
公开日2011年9月14日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者万克, 左中秋, 梁菊霞, 汤霖, 熊易, 王保山, 贾锦朝, 陈立, 雷晓燕 申请人:国网电力科学研究院