避雷器在線監(jiān)控系統(tǒng)終端的設(shè)計(jì)

0   引言

避雷器是用于保護(hù)電氣設(shè)備免受雷擊時(shí)高瞬態(tài)過電壓危害的設(shè)備，但是避雷器在經(jīng)歷過雷擊后，自身壽命就會(huì)受到影響，需要人員定期巡檢避雷器的工作狀態(tài)及壽命，以確保避雷器正常工作。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)避雷器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證避雷器的可靠運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32L152的低功耗雷擊監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，實(shí)時(shí)對(duì)避雷器漏電電流、雷擊次數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并且通過4G-DTU將監(jiān)測(cè)到的雷擊次數(shù)、漏電流及漏電壓等數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器后臺(tái)，后臺(tái)進(jìn)行整理分析，供用戶隨時(shí)查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，并且可以根據(jù)設(shè)定值對(duì)相關(guān)人員提供預(yù)警和報(bào)警功能，減小運(yùn)維人員巡檢工作；通過對(duì)雷擊事件統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)避雷器全壽命監(jiān)測(cè)，確保電力設(shè)備免受雷擊破壞，可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

1   系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

1.1 硬件組成電路框圖

避雷器在線監(jiān)控系統(tǒng)由避雷器監(jiān)測(cè)終端、云服務(wù)器后臺(tái)和智能終端三大部分構(gòu)成，避雷器監(jiān)測(cè)終端將采集的結(jié)果上傳至云服務(wù)器后臺(tái)，后臺(tái)進(jìn)行整理和分析，智能終端從云服務(wù)器拉取分析的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)避雷器的監(jiān)控。本避雷器監(jiān)測(cè)終端主要由電源模塊、MCU控制單元、輸入輸出單元、4G通信模塊、存儲(chǔ)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、避雷器漏電流及漏電壓模塊等幾個(gè)部分組成（如圖1）。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理及主要功能介紹

MCU主控單元通過避雷器感應(yīng)線圈側(cè)的漏電流、漏電壓，記錄雷擊次數(shù)和雷擊的時(shí)間。此外還通過4G連接互聯(lián)網(wǎng)，按照既定通信協(xié)議發(fā)送到云平臺(tái)服務(wù)器后臺(tái)中，方便用戶通過智能終端實(shí)時(shí)查看雷擊的相關(guān)數(shù)據(jù)、避雷器的剩余生命、監(jiān)測(cè)終端剩余電量等，實(shí)時(shí)掌握避雷器當(dāng)前的工作狀態(tài)，為電氣設(shè)備的可靠安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。

2   系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電源管理電路

本系統(tǒng)采用電池和互感器取電，使用跳線帽選擇，二選一，選定輸入電源后通過開關(guān)控制整個(gè)系統(tǒng)的電源，電源輸入后經(jīng)過DC-DC升壓至DC 5 V，之后經(jīng)過3路LDO分成3路3.3 V電源，分別為主控單元及其外圍設(shè)備供電，為運(yùn)放供電，為4G-DTU供電。并且DTU的電源可以通過LDO的使能腳進(jìn)行控制，方便對(duì)DTU的電源進(jìn)行管理，以節(jié)約功耗?；ジ衅魅‰娙鐖D2所示，電池取電及電源轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 電池取電及電源轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 MCU主控單元電路

STM32L152器件利用Cortex-M3內(nèi)核和頻率介于32 kHz ~ 32 MHz的CPU時(shí)鐘擴(kuò)展了超低功耗理念，并且不會(huì)降低性能。除了動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式以外，還有休眠、停機(jī)和待機(jī)這3種超低功耗模式，不僅帶來極低的功耗，同時(shí)還能保持RTC、后備寄存器內(nèi)容與低壓檢測(cè)器的工作。

STM32L152片上集成的快速12位ADC、硬件SPI、串口、超低功耗比較器等模塊，同時(shí)還提供了1顆具有8×40段的集成式LCD驅(qū)動(dòng)器，可以大大節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和應(yīng)用成本。MCU主控系統(tǒng)就是STM32L152的最小系統(tǒng)，輔以調(diào)試接口和串口配置接口。DTU模塊使用串口與主控芯片通信。

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)代碼使用C語言編寫，程序的編寫遵循模塊化和層次化的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)代碼的高內(nèi)聚和低耦合，方便開發(fā)人員的后續(xù)維護(hù)和升級(jí)。程序上電等待配置串口連接，無連接，3~5 s后進(jìn)入正常工作模式；有連接，進(jìn)入配置模式，若串口連續(xù)1~2 min無數(shù)據(jù)接收，退出配置模式，進(jìn)入正常工作模式。讀取避雷器互感線圈側(cè)的漏電流和漏電壓、讀取電池電壓，啟動(dòng)DTU，發(fā)送數(shù)據(jù)，如果發(fā)送失敗，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)暫存，等待下次再發(fā)送，如果發(fā)送成功則關(guān)閉DTU，進(jìn)入低功耗模式。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖

4   實(shí)現(xiàn)功能

避雷器監(jiān)測(cè)終端主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

●   對(duì)避雷器漏電電流、雷擊次數(shù)進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)發(fā)生雷擊的時(shí)間；

●   通過 4G 網(wǎng)絡(luò)將采集的結(jié)果上傳至云服務(wù)器；

●   DTU的電源管理，加上設(shè)備的低功耗，實(shí)現(xiàn)250 μA左右的待機(jī)電流，使電池供電的監(jiān)測(cè)終端能夠有更長(zhǎng)的工作時(shí)間。

5   結(jié)語

該避雷器在線監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)過重復(fù)的測(cè)試后，可實(shí)現(xiàn)既定的所有功能，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程對(duì)避雷器的壽命進(jìn)行監(jiān)控，減少運(yùn)維人員的巡檢次數(shù)，且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，可靠地保障電力設(shè)備免受雷擊破壞。

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(本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2020年12月期)