“北斗杯”全国青少年科技创新大赛大学组二等奖优秀作品论文展示

大学组二等奖优秀作品基于CNSS同步的MOA阻性电流带电检测系统 (2)基于北斗导航系统的运钞车监控管理系统设计 (10)基于北斗二代定位技术的移动导航客户端设计 (16)基于GNSS山体滑坡地质灾害实时监测与预警系统 (25)北斗问鼎 (34)星际征途 (38)多功能自航遥测系统 (43)DIY嵌入式导航系统 (48)第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（大学组）科技小论文基于CNSS同步的MOA阻性电流带电检测系统作者：陈妍君，杨德祥，杜文曾指导教师：曾奕（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海闵行区200240）【摘要】定期测量运行中氧化锌避雷器（MOA）阻性泄漏电流的变化，利于正确诊断MOA的运行状况，及时发现和消除隐患，防止事故发生。

本文主要提出了基于北斗卫星导航系统（COMPASS Navigation Satellite System：CNSS）和无线通信的MOA阻性电流带电检测的方法。

该方法利用CNSS 秒脉冲和无线通信实现MOA电压和泄漏电流的同步测量，无需电压互感器（Potential transformer：PT）二次侧频繁接线，减小安全隐患。

文中对传统测量方法的接线进行了说明，并阐述了传统方法的缺陷，并在此基础上提出了基于CNSS的阻性电流检测系统。

MOA阻性电流检测系统由CVT监测装置和MOA便携式检测装置组成，当测量阻性电流时，需要两侧同时对电网电压和流过MOA 的全电流进行采样，该系统利用了CNSS的全方位、全天候、高精度、快速实时的导航、定位、授时功能，对CVT监测装置和MOA便携式检测装置进行同步测量，进而得到一个精确地MOA阻性电流基波分量值。

【关键词】MOA、阻性电流、CNSS授时、同步测量1 背景及意义电力系统的安全关系国民生活的各个方面，所以保证电力系统的安全就显得尤为重要。

在电力系统中，为了保证电力系统的免受过电压的影响，电力设备上经常要挂接避雷器，避雷器的存在能够有效的抑制过电压对电力系统的影响。

氧化锌避雷器（MOA）[1]以其优良性能已经取代传统的碳化硅避雷器广泛应用于我国电力系统。

当MOA出现阀片老化、内部进水受潮、内部绝缘部件受损、表面严重污秽等状况时，其绝缘特性遭到破坏，表现为阻性泄露电流增加，总泄漏电流、损耗也随之增加，最终引起热击穿甚至爆炸事故的发生，严重影响电网的安全运行。

为保证MOA的安全可靠运行，应采取有效方法对MOA的运行状况进行检测与分析，及时发现和消除隐患，防止事故发生[2]。

同时，电力系统是一个地理分布十分广泛的复杂系统，在对电网中的高压电力设备进行监测时，需要在多个不同的地理位置同时采集多个物理量。

有时由于地理条件的限制，实地测量存在一定难度。

特别是对高压电力设备的运行参数进行测量时，必须考虑到测量人员的安全以及由于测量时的误操作对电力系统的影响。

而基于CNSS的MOA阻性电流检测系统在MOA阻性电流基波分量检测时通过CNSS的授时功能同步测量计算电压基波瞬时相角，将测得的初始相位通过无线通讯传输的方式传递给MOA便携式检测装置进行进一步的运算。

利用CNSS模块的秒脉冲（PPS）信号作为同步触发信号可以提高测量精度，同时通过无线通讯传输的方式在保证测量人员的人身安全和系统的安全运行，还可以在同一时间对不同地点的设备进行在线检测，所以研究应用基于CNSS时钟的同步技术与无线通讯技术具有重要的现实意义。

2 工作（实验）原理及性能分析基于传统的MOA阻性电流测量方式在安全性以及测量简便性上的缺陷，本文使用了CNSS对阻性电流测量系统进行了改进。

在设计新系统的过程中考虑省去测量过程中的CVT二次侧接线，将原有的单一设备分为两个，一个固定安装于CVT侧，另外一个做成便携式装置，两者通过CNSS同步实现MOA电压和泄漏电流相角的测量，从而计算获得阻性电流。

将二次侧的接线固定安装于CVT监测装置内，省去了测量过程中的接线，并可监测CVT的工作状态。

基于CNSS的阻性电流测量系统由三部分组成：CVT监测装置、MOA便携式检测装置与上位机。

系统的测试示意图如图1所示。

CVT监测装置安装在运行现场的CVT处，将CVT的二次侧直接接入并固定安装于设备。

CVT监测装置负责采集和监测三相电压，并在MOA阻性电流基波分量检测时通过CNSS的授时功能同步测量计算电压基波瞬时相角，将测得的初始相位通过无线通讯传输的方式传递给MOA便携式检测装置进行进一步的运算。

平时监测的三项电压数据将存储于Flash内，当MOA发出下载命令时，将数据传输给MOA。

图1 改进后系统的测量示意图MOA便携式检测装置做成一个便于携带的手持端，携带一个MOA便携式检测装置便可以对多个安装了CVT监测装置的变电站进行测试MOA阻性电流测试。

测量的过程中通过无线数据通讯告知CVT监测装置进行同步测量。

MOA便携式检测装置还可以通过无线传输的方式将CVT监测装置上所记录的CVT二次侧电压历史数据下载到MOA检测设备内存储，并可以通过数据连接口将CVT历史电压数据和MOA阻性电流测量数据上传至上位机中。

上位机可将MOA中上传的数据进行收集储存，并可以将CVT二次侧电压历史数据和MOA电压与全电流的相位差、全电流值、阻性电流值、容性电流值图形化，便于后续的分析和研究。

新系统实现的难点在于相位差的测量。

相位差测量需要对CVT二次侧的电压以及流过MOA的全电流进行同步测量，传统方法中，由于使用的是将CVT二次侧的电压信号与MOA的全电流信号引入同一个测量设备，测量设备在开始测量时，对两套采样设备同时发出指令即可实现两路信号的同步测量[3]。

而在新设备中，由于CVT监测装置与MOA便携式检测装置是通过无线方式通讯，无线通讯的方式的通讯传输延时较大，对于相位差测量来说并不可忽略，且传输延时并不稳定，无法通过修正消除；并且MOA便携式检测装置和CVT监测装置使用各自的控制器进行控制，更增加了在同步测量的问题上的难度。

本系统使用CNSS来解决同步测量的问题，CNSS可以输出一个1Hz的方波，称为PPS波。

这个方波通过卫星信号进行同步，不同设备间PPS波上升沿之间的时间误差极小，在1μs以下，对应于一个工频周期中的0.018°，足够用来作为同步测量的信号[4]。

实现的方法为在MOA便携式检测装置和CVT监测装置上分别安装CNSS模块，用来获取同步的时钟信号。

需要进行MOA阻性电流测量时，先由MOA便携式检测装置发出测量信号然后进入等待状态，CVT监测装置接收到侧两信号后也开始等待，两侧的设备等待同样的秒数之后开始测量。

CVT监测装置将测量到的电压相位信息传回MOA便携式检测装置处，由MOA便携式检测装置对两个数据进行处理，得到相位差信号，这样就既保证了测量过程的简便性，又保证了测量结果的精确性。

3 设计方案或实验过程本文基于CNSS同步技术设计了MOA阻性电流带电测量系统。

在设计新系统的过程中省去测量过程中的CVT二次侧接线，将原有的单一设备分为两个，一个固定安装于CVT侧，另外一个做成便携式装置，两者通过CNSS同步实现MOA电压和泄漏电流相角的测量，从而计算获得阻性电流。

将二次侧的接线固定安装于CVT监测装置内，省去了测量过程中的接线，并可监测CVT的工作状态。

基于CNSS的阻性电流测量系统由三部分组成：CVT监测装置、MOA便携式检测装置与上位机。

系统结构如图2所示图2 检测系统构成框图MOA便携式检测装置为一个便携手持端，手持设备可以作为多个变电站的阻性电流测量系统的主机，即携带一个MOA便携式检测设备便可以对多个安装了CVT监测装置的变电站进行测试MOA阻性电流基波分量测试。

MOA便携式检测装置的系统结构图如图3所示。

MOA便携式检测装置由微控制单元（Micro Control Unit：MCU），保护部分、放大倍数自调整无相差放大模块、CNSS授时模块、无线通讯模块、键盘、掉电存储器、液晶屏幕和上位机接口构成。

MCU选用C8051F040，其内部有12位的A/D转换器，可以满足采样的精度；计算频率为24MHz，能满足系统对于计算能力的要求。

无线通讯使用RFC-30A模块，在无障碍的情况下，通讯距离能达到3000m，满足通讯距离的要求。

图3 MOA便携式检测装置系统结构图CVT监测装置的系统结构图如图4所示，由MCU，保护部分、无相差放大部分、CNSS授时模块、无线通讯模块和掉电存储器构成。

图4 CVT监测装置设备系统结构图4 理论设计计算对于MOA阻性电流基波分量检测系统，能否精确测量流过MOA的阻性电流基波分量的关键在于能否精确测量MOA上电压与流过MOA的全电流之间的相位差，而相位差测量的关键就在于是否能使CVT监测装置和MOA便携式检测装置对电压和电流信号进行同步采样，即是否能有一个精确的同步采样触发信号，本系统考虑使用CNSS模块的秒脉冲（PPS）信号作为同步触发信号。

本文所描述的系统分为两个部分：MOA便携式检测装置和CVT监测装置。

电流和电压信号分别接到两个设备上，设备间无有线连接，数据传送通过无线完成。

由于无线传输的延迟还与接收的模块有关，具有一定的不确定性，不能用其作为同步采样起始信号，增加了在同步测量的问题上的难度。

由于无线通讯无法使MOA便携式检测装置和CVT监测装置对电流和电压信号进行同步测量，考虑使用其它时间标志。

CNSS模块的PPS管脚可以输出周期方波[5]，方波频率有两种：1PPS，每秒输出一个脉冲；100PPS，每秒输出100个脉冲，此脉冲在CNSS通信正常的情况下是卫星去同步的，同一型号的不同接收器的PPS脉冲之间有一定的同步精度，可以用做同步时标。

本系统选用了1PPS的CNSS模块，这是为了降低由于系统处理不及导致不同步的可能性。

同步测量的示意图如图5所示：图5 测量时序示意图需要进行MOA阻性电流测量时，先由MOA便携式检测装置等待下一个PPS 脉冲，当PSS脉冲来临，用其上升沿触发控制器，对CVT监测装置发出测量命令，并从下一个PPS脉冲开始对PPS脉冲计数。

CVT监测装置收到测量命令后，也从下一个PPS脉冲开始对PPS脉冲计数，当计数到一个预定数值时，两侧装置就开始采集电压电流信号并计算。

计算完成后，CVT监测装置将计算得到的相位数值通过无线传输的方式传回MOA，由MOA便携式检测装置负责算出相位差并将数据存储。

MOA便携式检测装置之所以要等待PPS信号来触发测量命令，是为了避免如图6所示的情况。

MOA便携式检测装置在count所示的第2个PPS来临之前发送了测量命令，然后开始对PPS脉冲计数，图6中count的第2个PPS被MOA便携式检测装置认为是第1个PPS脉冲，如MOA count所示；而CVT监测装置在count所示的第2个PPS脉冲之后才收到开始测量的命令，然后开始对PPS计数，所以将count 中的第3个PPS认为是第一个脉冲。