摘 要：以牵引变电所内用氧化锌避雷器计数器为应用场景，基于ZigBee技术设计了一款氧化锌避雷器放电次数智能监测装置，完成硬件电路设计和试验，实现了监测终端智能组网、放电次数监测与显示、超次数报警等功能。监测数据能够实时传输至后台服务器，能够融入泛在电力物联网中，实现电力保护设备运行状态的智能监测。

关键词：避雷器;ZigBee;CC2530;光电隔离

铁道牵引供电系统中，氧化锌避雷器已成为电气设备设施、供电线路安全运行的一个重要保护装置。由于其特殊的结构原理使其保护动作时不会出现被保护设备断电、截波、残压高等现象，在电气化牵引变电所中大量使用，用于保护牵引主变压器、母线、变电所进出导线等设备与线路，以免受到雷电、电力系统内部过电压等过电压侵害，其运行状态和工作稳定性将决定供电系统的安全。

氧化锌避雷器配套使用放电计数器，维护人员通过现场观察可清晰掌握氧化锌避雷器的放电次数，得出可靠的数据，以判断其运行质量，防止过电压事故的发生，提高供电系统运行的可靠性。目前计数器都是采用机械式的计数和显示方式，装置本身没有任何数据处理和通信能力，需要工作人员到现场观察和记录数据，在一定程度上造成工作量的增加。本文针对这种问题，设计了基于ZigBee技术的氧化避雷器放电次数智能计数装置，具有实时显示、智能分析、远程通信和智能警示的作用，未来可以融入泛在电力物联网中，实现万物互联。

1 整体方案设计

由于放电次数计数器连接在避雷器放电接地线中，正常工作时，承受的电压和流过的电流均比较小，不会对监测装置造成危害。但是，当电力设备或供电线路出现过电压（如雷击设备或线路造成雷电过电压）时，氧化锌避雷器将会动作，其阀片电阻值将会很低，装置不仅会承受较高的雷击过电压，也会流过比较大的雷击泄漏电流，对监测装置可能会产生比较大的干扰或破坏。因此，为避免雷击泄露电流对监测装置可能造成的损坏，装置在设计上采用了电气隔离，将大电流、高电压与监测装置的核心电路隔离开，以有效防止监测电路绝缘被高电压击穿，采集信号被噪声干扰等。本装置整体结构如图1所示，主要包含雷击次数监测模块、CC2530最小单元电路、显示电路、报警电路等四个部分。

2 硬件电路设计

2.1 ZigBee技术

由于监测装置需要监测的雷击泄漏电流是一个非周期的瞬态电流，其波形是脉冲波，瞬时值大，时间短，所以对于采集的精度、快速性和实时性要求较高，监测装置需要具备较高的响应速度和数据处理、分析能力，以及稳定高效的通信能力。

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，使用公开通用2.4GHz频段，具有最高250kbps的传输速率，通信节点之间的传输距离最远可达100m，增加RF发射功率后，通信距离最大可增加到1～3km。ZigBee网络最多可容纳65000多个节点，如果通过路由和节点间通信的接力，还可有效提高通信距离。ZigBee具有组网简单、功耗低、时延短、安全可靠、保密性好等优点，非常适合控制信号和数据传输，是目前工业监控和控制系统领域中使用最多的无线技术。[1]

ZigBee协议的网络结构支持星型、网型和簇树型三种拓扑结构。网型结构有多条传输路径，网络可以通过“多级跳”的方式通信，具有较高的可靠性。ZigBee节点设备按功能可分为协调器、路由器和终端节点三种，协调器的作用是启动网络初始化，规划网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，终端节点是网络中的根节点，可以是任意类型的终端设备。[2]本方案采用网型网络结构，同时设置多个监测节点具备路由或协调器的功能，以增加网络数据传输的稳定性和效率。

2.2 主控芯片

TI公司CC2530芯片是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KB RAM32/64/128/256KB闪存以及其他强劲的支持功能与外设;有丰富的外部资源，自带ADC模块，支持14位模数转换，支持7到12位的分辨率;具有高达256KB的大容量闪存，允许片上空中下载以支持系统内重新编程;还结合了1个完全集成的高性能射频收发器，具有更强大无线通信能力。[34]最小系统如图2所示。

2.3 雷击次数监测电路

雷擊次数监测电路主要完成雷击判断和计数。由于采集的对象处于高压电路中，尤其是发生雷击时会产生非常大的冲击波电压和雷击泄漏电流，较强的冲击波电压、电流会造成谐波干扰、烧坏电路等问题。为避免高压雷击电流对装置造成的损坏，采用光电电气隔离将大电流、高电压与监测装置的核心电路隔离开，以有效防止监测电路绝缘被高电压击穿，防止采集信号被噪声干扰造成误差。

雷击次数监测电路有三部分组成：稳压电路先由MOA接地端接线引出，经R1（高精度、大功率电阻）电阻限流和分压后，由稳压管D1、D2实现前端冲击电压信号的整形、稳压，再由整流电路整流后输出矩形脉冲信号，经过R3、C1滤波回路消除交流谐波噪声。经由脉冲滤波电路将矩形脉冲波信号变换为尖顶脉冲CP，该信号驱动光电耦合器动作，光电耦合器输出端信号的电位发生变化，触发ZigBee模块中的8051 CPU的中断，CPU经由中断程序实现对避雷器动作次数的计数（即雷击次数）。

2.4 避雷器状态显示电路

避雷器状态显示电路主要功能是显示避雷器已发生的动作次数，声光报警。避雷器动作次数显示在数码管中，方便电力运行或检修人员现场查看发现该台避雷器的动作次数以判断其运行状态。监测状态也会智能地根据计数次数判断避雷器的动作次数是否超过设备运行相关规程要求的最大次数（可提前在程序中设置或有上位机发送指令设置），并能够发出声光报警，提醒运行检修人员及时关注和查看避雷器运行状态。

图4 状态显示电路

3 软件程序设计

主程序流程如图5所示。开始程序运行后，首先对各模块化中的参数进行相关的定义和赋值（包含从寄存器中读取存储的数值），然后进入一个主循环中：监测LJC端口有否电位变化，以判断是否发生雷击（高电位表示没有发生雷击;低电位表示发生雷击，避雷器动作一次，雷电过电压消失后，电位重新置为高电位）。如果检测到避雷器由于雷击动作一次，装置会自动计数一次，同时改变数码管显示出来的累计动作次数，并判断雷击次数是否达到避雷器运行允许动作的预警或上限次数。如果达到或超过允许的警示次数，会触发启动声光报警程序中断。程序会将每次采集的数据通过ZigBee网络传送至监控中心的服务器端存储，监控中心可将数据分享至Internet，为同类型避雷器运行状态提供大数据支持。

结语

本监测装置不仅能够满足避雷器动作次数的监测、次数显示和次数超限报警，还能够及时将次数上传到远程服务器中存储，逐步形成运行大数据，后期根据大数据诊断同类型避雷器运行数据和保护性能，有利于监控和分析电网在运行中受雷击的状况，以指导该地区供电网络的设计。

参考文献：

[1]肖令禄，张莹，姚康.基于ZigBee的实验室安防报警系统设计[J].黑龙江科技信息，2016，30：170172.

[2]于树科，祁宏宇.基于ZigBee的医院实时定位系统的设计与实现[J].电脑知识与技术，2016，28：271272.

[3]钟文，彭龑，等.基于ZigBee无线网络技术的避雷器在线监测设计[J].电瓷避雷器，2014（1）：6873.

[4]李思南，刘黎，等.基于ZigBee无线网络技术的避雷器在线监测传感器设计[J].工业控制计算机，2011，24（4）：6970.

基金项目：2018年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目《基于物联网技术的氧化锌避雷器在线监测系统研究》，项目编号：2018KY1159

作者简介：程洋（1988— ），男，汉族，河南汝南县人，硕士，讲师，研究方向：智能电网（铁道供电方向）。