一种基于无线高压直流智能微安表的硬件设计

一种基于无线高压直流智能微安表的硬件设计
YIN Bairui;ZHANG Xiaohui
【摘要】针对目前高压直流试验中试验人员在读取微安表示数时存在安全隐患与
观测不便的问题,提出一种基于ZigBee无线通信协议的无线遥测智能微安表解决
方案.智能微安表由测量终端与手持机两部分组成,通过ZigBee无线模块进行数据
传送,用于高压直流试验的电流测量.概述了各部分的测量原理,并对测量终端的保护电路做出简要说明.该装置可为测量人员提供安全便捷的测量环境.
【期刊名称】《东北电力技术》
【年(卷),期】2018(039)012
【总页数】4页(P48-51)
【关键词】高压直流试验;微安表;ZigBee无线透传
【作者】YIN Bairui;ZHANG Xiaohui
【作者单位】
【正文语种】中文
【中图分类】TM831
电力预防性试验是检查、鉴定设备运行状况、防止设备发生损坏、保证安全生产的重要措施，其中高压直流试验就是一项常规例行试验，可以发现绝缘设备劣化情况，以便及时更换受损，预防事故发生与扩大。

目前高压直流试验在对试品进行测试时，使用微安表测量被试品的泄漏电流，出于安全考虑要求试验人员距离微安表有一定
安全距离，这并不利于测量人员的读数。

为了解决上述问题，本文介绍一种基于ZigBee无线技术的高压直流微安表。

1 直流高压试验
直流高压试验是电力设备(同步发电机、电力电缆、避雷器)交接和预防性试验的重要试验项目，和交流耐压试验一样，是为了检验绝缘的电气强度，属于破坏性试验的范畴。

当目标器件为较大电容器时，如果继续使用工频高压进行绝缘测试会出现过高的电容电流，此时需试验装置具有较大容量。

故经常使用直流高压试验进行替代。

试验接线[1]如图1所示。

GD为直流高压发生器，是试验的电源部分，TO为被试品，μA为测量微安表。

泄漏电流可同时由直流高压试验所测得，并可根据“电压—电流”曲线来正确表明绝缘体的缺陷或受潮情况，并可为相关状态作进一步补充。

由于现场条件所限，测试品一般为一端固定接地，且地线难以解开，此时测量表需接于高压侧，这种接法不利于数据读取及量程的切换。

另外根据GB/T 6927.1—1997《高电压试验技术》要求：试品与接地体或邻近物体的距离，一般应不小于试品高压部分与接地部分间最小距离的1.5倍。

这为试验的测量工作带来了不便。

另外由于现场直流高压试验每次结束或短暂结束后，应将被测设备多次对地放电且有效对地短接。

故试验现场有几率发生放电不完全而使微安表造成损坏的事例。

因此针对微安表现场故障频发的现象，本文给出一种基于无线读数方式的直流高压试验智能微安表的解决办法。

图1 直流高压试验接线示意图
2 短程通信技术简介
2.1 RFID通信技术
射频识别技术(RFID)，又被称为无线射频识别、电子标签等。

其通过非接触式识别特定目标并读取相关数据，无需与建立特定的机械或光学关系，并且识别距离短。

RFID是一种构造极为简单的无线系统，其基本组成器件只有应答器和阅读器两部
分。

一般使用标签作为应答器，每个标签附着在物体上并含有一个唯一的电子编码。

阅读器一般为手持式或固定式，用于读取标签上的信息。

RFID当前主要用于物联
网技术。

RFID包含低频与高频两种不同的工作频率。

如表1所示。

表1 RFID的工作频率 kHz低频高频1259152252.4513.565.8
2.2 NFC通信技术
近场通信(NFC)是由RFID及互联互通技术整合演变而来，与RFID同样为相近的
两个物体之间传输信号。

NFC是一种高频近距离传输技术，在13.56 MHz频率运行于20 cm以内。

其包含3种传输速度：106 kbit/s，212 kbit/s,424 kbit/s。

NFC的通信包括主动与被动2种数据交换模式。

被动模式下通过主设备发送106 kbit/s，212 kbit/s，424 kbit/s 3种不同速度的数据至从设备，并以同等速度通
过load modulation技术进行数据回传，且不必产生射频场。

而主动模式需要自
己产生射频场用于通信。

当前NFC技术主要应用于移动支付、门禁、身份识别等
场景。

其主要技术标注包括ISO/IEC 18092(NFCIP-1)、ECMA-340、ECMA-352、ECMA-356、ECMA-362、ISO/IEC 21481(NFCIP-2)等。

2.3 Bluetooth 通信技术
蓝牙(Bluetooth)是一种无线技术标准，其可实现众多移动或固定终端之间的短距
离数据交换。

蓝牙的波段为2 400～2 483.5 MHz，该波段全球范围内无需取得执照，保证了其通用性。

蓝牙是一种基于数据包且有主从架构的协议。

其主设备在一个微网中最多可与7个从设备通信。

其具有无线传输、兼容性、开放性、移动性、低功耗、低成本等优点。

蓝牙的数据传输速率为1 Mbps，可实现全双工传输。

其传输距离分为3个层级：100 m，10 m，2～3 m。

通常情况下蓝牙的工作范围在10 m以内。

蓝牙技术的原理为：2个蓝牙设备通过无线电信号在短距离建立连接，交换信息[2]。

蓝牙技术最初由Ericsson公司创立于1994年，当前蓝牙由蓝牙技
术联盟(SIG)管理。

SIG在全球范围内拥有超过25 000家会员，在众多领域，如计
算机、网络、电信等众多领域具有话语权。

SIG负责蓝牙规范开发，项目认证，商标维权。

所有制造商均需符合SIG标准才可以准入市场。

SIG通过一套专利网络向符合标准的设备进行发放。

2.4 ZigBee 通信技术
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。

该技术具有传输距离短、复杂度低、功耗低、传输速率低、成本低等优点[3]。

主要适用于自动控制和远程
控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee协议从下到上分为应用层(APL)、网络层(NWK)、传输层(TL)、媒体访问控制层(MAC)、物理层(PHY)等。

其中MAC和PHY遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

ZigBee技术是一种介于无线标记技术和蓝
牙技术的方案，依据802.15.4标准，可实现通信于数千个微小传感器之间。

这种
传输只需很小的能量，即可将无线电波数据从一个节点传输到另一个节点，通信效率高。

ZigBee作为一种短距离无线通信技术，相较于蓝牙技术其具有大规模组网能力(每个网络有65 000个节点，蓝牙仅为8个)，网络加入及重载速度快(1 s以内，蓝牙需3 s)。

故其在物联网领域具有较好应用前景。

ZigBee技术的缺点在于
传输速率低，在2.4 GHz频段仅为250 kB/s；ZigBee通过PHY及MAC层进行
保证其可靠性；由于ZigBee不支持时分复用的信道接入方式且随机接入MAC层，故不支持实时业务；由于ZigBee节点传输速率低，在无通信需求时节点可进入休眠状态。

其功耗仅为正常状况的千分之一[4]。

而其休眠时间占据大部分时间，故ZigBee的功耗极低；另外ZigBee拥有大规模的组网能力，其每个网络包含65 000个节点，可布置大范围网络传输及多播、广播等。

当前ZigBee共同标准为国际ZigBee与2012年4月推出的ZigBeeLightLink(ZLL)。

该标注由全球主要设备制造商共同开发，该标准不仅仅是对一种新进灯控应用传递协议做出定义，更是将一种简便的配置方式纳入其中。

真正使消费者可以做到开箱即用。

另外，ZLL还具有ZigBee所具有的固有优势，可实现基于802.15.4的低功率、低成本、大规模、
安全的无线传输网[5]。

3 智能微安表电路组成及基本原理
3.1 高压直流智能微安表系统原理
高压直流无线微安表主要包括手持机与测量终端。

在对试品进行高压直流试验时，由串接在高压直流发生器与试品之间的测量终端将试验所测得电流值，通过终端的无线ZigBee透传模块将其传送至在安全范围内的手持机设备上。

无线高压直流测量系统原理如图2所示。

图2 无线高压直流测量系统
目前高压直流试验对避雷器的测量中，由于试品的高度限制，经常需要分节测量，在最顶端的测量中，因试品倾倒容易对微安表造成损坏。

因此无线微安表的设计可以有效避免上述情况的发生。

3.2 主要芯片选型
无线测量系统的终端与手持机的微处理器都采用Microchip公司开发的PIC18F 系列单片机，产品在设计上采用面向工程、面向应用的设计理念，品种丰富，功能齐全。

其中手持机选用的PIC18F4520芯片是一款8位哈弗结构的数据总线，带有32 k闪存，36个I/O接口，10位A/D转换。

28引脚器件的模数(Analog-to-Digital，A/D)转换器具有10路输入，44引脚的A/D有13路输入。

无线通信内置的I2C/SPI主同步串口、USART异步串口可以满足无线测量系统终端与手持机部分的各类通信方式。

器件共有7种功耗选择，帮助在电池供电的设备中节省功耗。

终端与手持机非工作状态下选用修眠模式可以大大延长待机时间[6]。

本文的终端与手持机间的通信模块的芯片选择方案，经过对高压直流试验的需求分析，使用REX3U模块，该模块同时兼容ZigBeePRO和IEEE802.15.4协议，射频芯片为EM357频率2.4 G。

具有外型小巧，灵敏度高功耗低的特点。

输出功率8
dBm，可在300 m内可靠通信。

功耗极低：休眠模式<2.0 μA；接收模式29 mA；发射模式36 mA，3 dBm。

模拟接口和数字接口等多种接口，主要特点包括：4
个外部中断源，24个GPIO；1个USART带硬件流控制；6路12口ADC采样通道；1个SPI/I2C接口；支持MAC地址写入Flash功能。

3.3 无线高压直流微安表终端工作机理
高压直流微安表终端的原理如图3所示，取样电阻将试验电流转化为电压信号。

放电管用于抑制电路里浪涌过电压，当输入端口的电压达到或超过其击穿电压时，放电管内之间的气体间隙将被放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后将短路与放电管并联的器件，使其免受过电压损害。

扼流线圈可以衰减共模干扰信号，稳压二极管与滤波电容对后续程控增益放大器起稳压保护作用。

放大器将电压信号放大后进入单片机输入输出端口，经过单片机处理后由无线模块将数据发送到手持机上。

硬件的设计需要在不影响使用功能的情况下降低能耗，因此微安表只有在工作人员启动测量功能时才进入工作状态，在大多数非测量时间内处于休眠状态，从而降低系统功耗[7]。

图3 微安表终端工作机理
为了避免试验结束后工作人员对设备的放电不净造成残余电流对电路的反向充电，特别设计一个开关继电器，可以由手持机进行无线操作。

如图4所示开关闭合时，采样电阻被短路，使终端与外电路隔离，处于非工作状态可以有效屏蔽高压试验前外界的各类冲击信号。

开关处于断开位置时采样电阻将流过的电流信号转化为电压信号，可以进行直流试验。

图4 开关继电器
3.4 无线高压直流微安表终手持机设计
无线高压直流微安表的手持机设计原理如图5所示，手持机电源由聚合物电池组成，带有电量指示灯，绿灯亮起代表电池电量充足可以正常工作，否则绿灯熄灭则
需要更换电池。

实时时钟可以对系统进行准确计时，每一次测量试验都有时间标注，为日后的数据统计分析提供标记[7]。

ZigBee无线通信模块将接收来自微安表终端的电流数据，按时间顺序存储在存储器中，通过单片机处理将试验数据显示在LCD显示屏上。

通过操控键盘上的测量与保护按键可以控制测量终端的继电器的
分合状态从而控制微安表的工作状态。

图5 无线高压直流微安表终手持机原理框图
4 结束语
将ZigBee无线通信技术应用到高压直流试验电流的数据测量，是2种已经非常成熟的技术有效融合后的再创新。

因ZigBee技术的低功耗、低成本、延时短、可靠性高的特点，刚好满足了高压直流试验抄表的短距离、数据传输量小、点对点通信的需求。

两者的结合实现了高压直流试验隔离高压隐患的抄表功能，不仅为试验的测试带来了方便，使工作人员远离高压环境，还可以降低微安表损坏率，延长微安表的使用寿命。

【相关文献】
[1] 赵智大.高电压技术[M].北京：中国电力出版社,2005:100-101.
[2] 杨能益.高压直流微安计[J].电工技术,1992(1):11.
[3] 冯军,宁志刚,阳璞琼.基于ZigBee的无线抄表系统设计[J].电力自动化设备，2010，30(8)：
108-111.
[4] 张晓慧,李松松,赵国平,等.ZigBee协议在工控组态软件中变量交换的实现[J].沈阳工程学院学报(自然科学版)，2013，9(2)：129-133.
[5] 杨登辉.无线远传抄表系统的手持机设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2013.
[6] 周志耘，潘新辉，李刚.遥测直流高压微安表原理及应用[J].湖南电力技术，1994(3):30-33.
[7] 李强,朱时雨.电能量采集与管理系统的设计与应用[J].东北电力技术，2012，33(7):27-31.。