本发明涉及避雷器自动监测及防雷保护技术领域，尤其涉及一种避雷器在线监测装置及方法。
背景技术：
在我国的输电系统中，避雷器作为必备的保护装置已经沿用很多年，避雷器因其高大的体积和较广的占地面积而多布置于户外，所以避雷器投入使用过程中难免会受到外部环境的影响，绝大多数避雷器在运行过程中出现老化和受潮，情况严重的会造成系统故障，此外，避雷器的预防性试验往往也需要停电维护，造成诸多不便。
由上可知，随着运行时间的增加避雷器的老化和受潮日渐严重，维修所造成的停电损失也难以弥补。据统计，在110kv电压等级以上，氧化锌避雷器可能会在长期工频电压的影响下逐渐老化，避雷器内部阀板电流和功耗也会随着时间的推移逐渐增大，最终将导致避雷器失去热稳定性而损坏。除此之外，因避雷器密封不严导致的受潮，也将引起避雷器工作电流增大，严重时将导致避雷器动作，继电保护装置跳闸。
为了能够灵敏地检测避雷器受潮和老化问题，人们对避雷器在线检测装置的研究越来越多。基于zynq平台的在线监测法和搭建fpga mcu架构的在线装置是目前在避雷器自动监测方面比较流行的方案，该方案结合计算机通信技术，从硬件和软件两个方面入手，满足功能和性能设计需要。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供一种避雷器在线监测装置及方法，能够灵敏地检测避雷器受潮和老化问题，该方法同步精度高、谐波分量小、抗干扰能力强，确保电网的稳定运行。
本发明所采取的技术方案是：
一种避雷器在线监测装置，包括系统采集单元、第一在线监测单元、地址按键、第一5位段8位数码管、220v交流电源、避雷器电压互感器；
所述系统采集单元包括第一避雷器电流采集单元、第二避雷器电流采集模块、电源模块、铁芯电流采集单元、第一同步采样器、第一可编程逻辑器件、pt电压调理电路、第一数据处理模块；
所述电源模块包括电源pt电压调理电路、第一电源接口；所述第一避雷器电流采集单元包括雷击计数比较电路、第一电流采集调理电路；所述雷击计数比较电路输入端输入第一雷击电流信号，输出端与所述第一同步采样器的输入端连接，避雷器内部监测电流信号输入第一电流采集调理电路；所述第二避雷器电流采集单元包括调理电路、电流采集单元电压互感器、第二同步采样器、第二5位段8位数码管、处理器、第二可编程逻辑器件、第二电源接口、电压比较器、第二在线监测单元；所述调理电路输入端输入避雷器交流漏电流信号，输出端与第二同步采样器输入端连接，第二同步采样器输入端分别与电流采集单元电压互感器输出端、第二可编程逻辑器件输出端、调理电路输出端连接，其输出端与第二可编程逻辑器件输入端连接，所述第二可编程逻辑器件输入端与电压比较器输出端、第二在线监测单元输出端连接，所述处理器输入端与第二可编程逻辑器件输出端连接，输出端与第二5位段8数码管输入端、电网调试接口输入端连接，所述第一电源接口输入端与所述220v交流电源输出端连接，所述第二电源接口输入端与所述220v交流电源输出端连接，所述电压比较器输入第二雷击电流信号；所述铁芯电流采集单元输入端输入避雷器铁芯电流信号；
所述第一同步采样器输出端与第一可编程逻辑器件输入端连接，输入端分别与第一避雷器电流采集单元中的第一电流采集调理电路输出端、铁芯电流采集单元输出端、pt电压调理电路输出端连接，所述pt电压调理电路输入端与所述避雷器电压互感器输出端连接；
所述第一可编程逻辑器件输入端与pt电压调理电路的输出端、第一数据处理模块输出端、地址按键输出端连接，输出端与第一同步采样器输入端连接；
所述第一数据处理模块输入端与pt电压调理电路的输出端、第一在线监测单元输出端、第一可编程逻辑器件输出端、第一5位段8位数码管输出端连接，输出端与第一在线监测单元输入端连接；
所述在线监测单元包括可扩展处理平台pl模块、可扩展处理平台ps模块、第一调试串口、第二调试串口、第一光口、第二光口、第一通讯接口、第二通讯接口、第三通讯接口、第四通讯接口、第五通讯接口、第六通讯接口；所述第一调试串口输入端与可扩展处理平台ps模块输出端连接，所述第二调试串口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述第一光口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述第二光口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述可扩展处理平台pl模块输入端分别与第二调试串口输出端、第一光口输出端、第二光口输出端、第一通讯接口输出端、第二通讯接口输出端、第三通讯接口输出端、第四通讯接口输出端、第五通讯接口输出端、第六通讯接口输出端连接，输出端与第一通讯接口输入端、第二通讯接口输入端、第三通讯接口输入端、第四通讯接口输入端、第五通讯接口输入端、第六通讯接口输入端连接。
另一方面，一种避雷器在线监测方法，基于前述一种避雷器在线监测装置实现，包括以下步骤：
步骤1：采集避雷器内部监测电流信号，雷击电流输入信号、避雷器铁芯电流信号及避雷器互感器测量的电压信号进入系统采集单元；
步骤2：利用可编程逻辑器件的数据采集和处理程序以及雷击计数比较电路的雷击计数程序对步骤1中的信号进行处理；
所述可编程逻辑器件的数据采集和处理程序包括以下步骤：
步骤s1：第一在线监测单元上电并对可第一编程逻辑器件下达预配置指令，发配置可编程逻辑器件配置完成；
步骤s2：第一可编程逻辑器件进入空闲状态；
步骤s3：监测装置对第一可编程逻辑器件发送控制指令；
步骤s4：可编程逻辑器件接收控制指令并解析串口报文；
步骤s5：检测报文是否包含采样命令，若包含采样命令，则驱动同步采样器开始间隔采样，进入步骤s6，若不包含采样命令，返回步骤s4；
步骤s6：将避雷器铁芯电流信号采样数据存入第一可编程逻辑器件中的缓存fifo；
步骤s7：雷电流采样信号在第一可编程逻辑器件中的数据是否包含中断标志位即上升沿，若包含中断标志位即上升沿，则中断标志位数据通过第一可编程逻辑器件中的spi总线，将fifo缓存数据送至系统采集单元中的第一数据处理模块处理，进入步骤s8，若不包含中断标志位即下降沿，则返回步骤s6；
步骤s8：数据通过spi总线将fifo缓存数据送至mcu处理后第一可编程逻辑器件返回空闲状态，即步骤s2，雷电计数结果在第一5位段8数码管输出，即步骤3；
所述雷击计数比较电路的雷击计数程序包括以下步骤：
步骤d1：上电、可编程逻辑器件配置完成；
步骤d2：装置进入空闲状态；
步骤d3：检测避雷器电流采集单元中的雷击电流信号，若发生雷击，则采集脉冲信号宽度，进入步骤d4，若未发生雷击，则返回步骤d2；
步骤d4：脉冲信号输入第二可编程逻辑器件，开始记录雷击脉冲个数；
步骤d5：第二可编程逻辑器件中的spi接口模块问询，第一可编程逻辑器件中的数据是否包含中断标志位即上升沿，若包含中断标志位即上升沿，则中断标志位数据通过第二可编程逻辑器件中spi总线将fifo缓存数据送至mcu处理，进入步骤d6，若不包含中断标志位即下降沿，则返回步骤d4；
步骤d6：数据通过第二可编程逻辑器件中的spi总线将fifo缓存数据送至第二数据处理模块mcu处理后在第一5位段8数码管输出监测量，即步骤3；
步骤3：在第一5位段8数码管输出监测量，包括：全电流，阻性电流(或功耗)，环境温度和湿度，雷电计数结果，完成避雷器的在线监测。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提出一种避雷器在线监测装置及方法，实时监测避雷器电气性能，及时发现设备内部绝缘受潮及阀片老化等危险缺陷。克服了避雷器因长时间暴露在外部环境所导致的受潮和老化，有效提高了带电测试稳定性和可靠性，对延长避雷器的使用寿命具有至关重要的意义。
附图说明
图1为本发明避雷器在线监测装置框图；
图2为本发明实施例避雷器电流采集单元功能框图；
图3为本发明实施例在线监测单元功能框图；
图4为本发明避雷器在线监测方法流程图；
图5为本发明实施例数据收发fpga程序设计流程图；
图6为本发明实施例雷击计数fpga程序设计流程图；
图7为本发明实施例485串口通讯功能输入测试波形；
图8为本发明实施例485串口通讯功能输出测试波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种避雷器在线监测装置，如图1所示，包括系统采集单元、第一在线监测单元、地址按键、第一5位段8位数码管、220v交流电源、避雷器电压互感器；
所述系统采集单元包括第一避雷器电流采集单元、第二避雷器电流采集模块、电源模块、铁芯电流采集单元、第一同步采样器、第一可编程逻辑器件、pt电压调理电路、第一数据处理模块；本实施例中同步采样器型号为ad7606-4，可编程逻辑器件型号为fpgaxc6slx4，数据处理模块型号为mputm4c129；
所述电源模块包括电源pt电压调理电路、第一电源接口；所述第一避雷器电流采集单元包括雷击计数比较电路、第一电流采集调理电路，如图2所示；所述雷击计数比较电路输入端输入8/20μs/50a的第一雷击电流信号，输出端与所述第一同步采样器的输入端连接，避雷器内部监测电流信号输入第一电流采集调理电路；所述第二避雷器电流采集单元包括调理电路、电流采集单元电压互感器、第二同步采样器、第二5位段8位数码管、处理器、第二可编程逻辑器件、第二电源接口、电压比较器、第二在线监测单元；所述调理电路输入端输入避雷器交流漏电流信号，输出端与第二同步采样器输入端连接，第二同步采样器输入端分别与电流采集单元电压互感器输出端、第二可编程逻辑器件输出端、调理电路输出端连接，其输出端与第二可编程逻辑器件输入端连接，所述第二可编程逻辑器件输入端与电压比较器输出端、第二在线监测单元输出端连接，所述处理器输入端与第二可编程逻辑器件输出端连接，输出端与第二5位段8数码管输入端、电网调试接口输入端连接，所述第一电源接口输入端与所述220v交流电源输出端连接，所述第二电源接口输入端与所述220v交流电源输出端连接，所述电压比较器输入第二雷击电流信号；所述铁芯电流采集单元输入端输入避雷器铁芯电流信号；本实施例中处理器型号为m4cpu，
所述第一同步采样器输出端与第一可编程逻辑器件输入端连接，输入端分别与第一避雷器电流采集单元中的第一电流采集调理电路输出端、铁芯电流采集单元输出端、pt电压调理电路输出端连接，所述pt电压调理电路输入端与所述避雷器电压互感器输出端连接；
所述第一可编程逻辑器件输入端与pt电压调理电路的输出端、第一数据处理模块输出端、地址按键输出端连接，输出端与第一同步采样器输入端连接；
所述第一数据处理模块输入端与pt电压调理电路的输出端、第一在线监测单元输出端、第一可编程逻辑器件输出端、第一5位段8位数码管输出端连接，输出端与第一在线监测单元输入端连接；
所述在线监测单元如图3所示，包括可扩展处理平台pl模块、可扩展处理平台ps模块、第一调试串口、第二调试串口、第一光口、第二光口、第一通讯接口rs485-1、第二通讯接口rs485-2、第三通讯接口rs485-3、第四通讯接口rs485-4、第五通讯接口rs485-5、第六通讯接口rs485-6；所述第一调试串口输入端与可扩展处理平台ps模块输出端连接，所述第二调试串口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述第一光口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述第二光口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述可扩展处理平台pl模块输入端分别与第二调试串口输出端、第一光口输出端、第二光口输出端、第一通讯接口rs485-1输出端、第二通讯接口rs485-2输出端、第三通讯接口rs485-3输出端、第四通讯接口rs485-4输出端、第五通讯接口rs485-5输出端、第六通讯接口rs485-6输出端连接，输出端与第一通讯接口rs485-1输入端、第二通讯接口rs485-2输入端、第三通讯接口rs485-3输入端、第四通讯接口rs485-4输入端、第五通讯接口rs485-5输入端、第六通讯接口rs485-6输入端连接。
本实施例中可扩展处理平台pl模块、可扩展处理平台ps模块分别使用可扩展处理平台zynq-pl以及可扩展处理平台zynq-ps；
另一方面，一种避雷器在线监测方法，基于前述一种避雷器在线监测装置实现，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1：采集避雷器内部监测电流信号，雷击电流输入信号、避雷器铁芯电流信号及避雷器互感器测量的电压信号进入系统采集单元；
步骤2：利用可编程逻辑器件的数据采集和处理程序以及雷击计数比较电路的雷击计数程序对步骤1中的信号进行处理；
所述可编程逻辑器件的数据采集和处理程序如图5所示，包括以下步骤：
步骤s1：第一在线监测单元上电并对可第一编程逻辑器件下达预配置指令，发配置可编程逻辑器件配置完成；
步骤s2：第一可编程逻辑器件进入空闲状态；
步骤s3：监测装置对第一可编程逻辑器件发送控制指令；
步骤s4：可编程逻辑器件接收控制指令并解析串口报文；
步骤s5：检测报文是否包含采样命令，若包含采样命令，则驱动同步采样器开始间隔采样，进入步骤s6，若不包含采样命令，返回步骤s4；
步骤s6：将避雷器铁芯电流信号采样数据存入第一可编程逻辑器件中的缓存fifo；
步骤s7：雷电流采样信号在第一可编程逻辑器件中的数据是否包含中断标志位即上升沿，若包含中断标志位即上升沿，则中断标志位数据通过第一可编程逻辑器件中的spi总线，将fifo缓存数据送至系统采集单元中的第一数据处理模块处理，进入步骤s8，若不包含中断标志位即下降沿，则返回步骤s6；
步骤s8：数据通过spi总线将fifo缓存数据送至mcu处理后第一可编程逻辑器件返回空闲状态，即步骤s2，雷电计数结果在第一5位段8数码管输出，即步骤3；
所述雷击计数比较电路的雷击计数程序如图6所示，包括以下步骤：
步骤d1：上电、可编程逻辑器件配置完成；
步骤d2：装置进入空闲状态；
步骤d3：检测避雷器电流采集单元中的雷击电流信号，若发生雷击，则采集脉冲信号宽度，进入步骤d4，若未发生雷击，则返回步骤d2；
步骤d4：脉冲信号输入第二可编程逻辑器件，开始记录雷击脉冲个数；
步骤d5：第二可编程逻辑器件中的spi接口模块问询，第一可编程逻辑器件中的数据是否包含中断标志位即上升沿，若包含中断标志位即上升沿，则中断标志位数据通过第二可编程逻辑器件中spi总线将fifo缓存数据送至mcu处理，进入步骤d6，若不包含中断标志位即下降沿，则返回步骤d4；
步骤d6：数据通过第二可编程逻辑器件中的spi总线将fifo缓存数据送至第二数据处理模块mcu处理后在第一5位段8数码管输出监测量，即步骤3；
步骤3：在第一5位段8数码管输出监测量，包括：全电流，阻性电流(或功耗)，环境温度和湿度，雷电计数结果，完成避雷器的在线监测。
为了验证系统是否能正常通讯，本实施例中对485串口通讯功能进行测试，测试结果如下：
输入信号通用异步收发传输器波形如图7所示：高电平为3.24v，低电平为-80mv；485串口的高电平为3.2v，低电平为-3.8v。
输出信号通用异步收发传输器波形如图8所示：高电平为3.24v，低电平为-80mv。
实验结果表明，485串口信号并没有受到外部干扰的影响，可以正常通讯。测试结果满足试验要求，系统工作稳定。
1.一种避雷器在线监测装置，其特征在于：包括系统采集单元、第一在线监测单元、地址按键、第一5位段8位数码管、220v交流电源、避雷器电压互感器；
所述系统采集单元包括第一避雷器电流采集单元、第二避雷器电流采集模块、电源模块、铁芯电流采集单元、第一同步采样器、第一可编程逻辑器件、pt电压调理电路、第一数据处理模块；
所述电源模块包括电源pt电压调理电路、第一电源接口；所述第一避雷器电流采集单元包括雷击计数比较电路、第一电流采集调理电路；所述雷击计数比较电路输入端输入第一雷击电流信号，输出端与所述第一同步采样器的输入端连接，避雷器内部监测电流信号输入第一电流采集调理电路；所述第二避雷器电流采集单元包括调理电路、电流采集单元电压互感器、第二同步采样器、第二5位段8位数码管、处理器、第二可编程逻辑器件、第二电源接口、电压比较器、第二在线监测单元；所述调理电路输入端输入避雷器交流漏电流信号，输出端与第二同步采样器输入端连接，第二同步采样器输入端分别与电流采集单元电压互感器输出端、第二可编程逻辑器件输出端、调理电路输出端连接，其输出端与第二可编程逻辑器件输入端连接，所述第二可编程逻辑器件输入端与电压比较器输出端、第二在线监测单元输出端连接，所述处理器输入端与第二可编程逻辑器件输出端连接，输出端与第二5位段8数码管输入端、电网调试接口输入端连接，所述第一电源接口输入端与所述220v交流电源输出端连接，所述第二电源接口输入端与所述220v交流电源输出端连接，所述电压比较器输入第二雷击电流信号；所述铁芯电流采集单元输入端输入避雷器铁芯电流信号；
所述第一同步采样器输出端与第一可编程逻辑器件输入端连接，输入端分别与第一避雷器电流采集单元中的第一电流采集调理电路输出端、铁芯电流采集单元输出端、pt电压调理电路输出端连接，所述pt电压调理电路输入端与所述避雷器电压互感器输出端连接；
所述第一可编程逻辑器件输入端与pt电压调理电路的输出端、第一数据处理模块输出端、地址按键输出端连接，输出端与第一同步采样器输入端连接；
所述第一数据处理模块输入端与pt电压调理电路的输出端、第一在线监测单元输出端、第一可编程逻辑器件输出端、第一5位段8位数码管输出端连接，输出端与第一在线监测单元输入端连接；
所述在线监测单元包括可扩展处理平台pl模块、可扩展处理平台ps模块、第一调试串口、第二调试串口、第一光口、第二光口、第一通讯接口、第二通讯接口、第三通讯接口、第四通讯接口、第五通讯接口、第六通讯接口；所述第一调试串口输入端与可扩展处理平台ps模块输出端连接，所述第二调试串口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述第一光口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接，所述第二光口输入端与可扩展处理平台pl模块输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种管道内检测器实时监控方法，其特征在于，所述可扩展处理平台pl模块输入端分别与第二调试串口输出端、第一光口输出端、第二光口输出端、第一通讯接口输出端、第二通讯接口输出端、第三通讯接口输出端、第四通讯接口输出端、第五通讯接口输出端、第六通讯接口输出端连接，输出端与第一通讯接口输入端、第二通讯接口输入端、第三通讯接口输入端、第四通讯接口输入端、第五通讯接口输入端、第六通讯接口输入端连接。
3.一种管道内检测器实时监控方法，通过权利要求1所述一种管道内检测器实时监控系统实现，其特征在于：包括以下步骤；
步骤1：采集避雷器内部监测电流信号，雷击电流输入信号、避雷器铁芯电流信号及避雷器互感器测量的电压信号进入系统采集单元；
步骤2：利用可编程逻辑器件的数据采集和处理程序以及雷击计数比较电路的雷击计数程序对步骤1中的信号进行处理；
步骤3：在第一5位段8数码管输出监测量，包括：全电流，阻性电流(或功耗)，环境温度和湿度，雷电计数结果，完成避雷器的在线监测。
4.根据权利要求3所述的一种管道内检测器实时监控方法，其特征在于，步骤2中所述可编程逻辑器件的数据采集和处理程序包括以下步骤：
步骤s1：第一在线监测单元上电并对可第一编程逻辑器件下达预配置指令，发配置可编程逻辑器件配置完成；
步骤s2：第一可编程逻辑器件进入空闲状态；
步骤s3：监测装置对第一可编程逻辑器件发送控制指令；
步骤s4：可编程逻辑器件接收控制指令并解析串口报文；
步骤s5：检测报文是否包含采样命令，若包含采样命令，则驱动同步采样器开始间隔采样，进入步骤s6，若不包含采样命令，返回步骤s4；
步骤s6：将避雷器铁芯电流信号采样数据存入第一可编程逻辑器件中的缓存fifo；
步骤s7：雷电流采样信号在第一可编程逻辑器件中的数据是否包含中断标志位即上升沿，若包含中断标志位即上升沿，则中断标志位数据通过第一可编程逻辑器件中的spi总线，将fifo缓存数据送至系统采集单元中的第一数据处理模块处理，进入步骤s8，若不包含中断标志位即下降沿，则返回步骤s6；
步骤s8：数据通过spi总线将fifo缓存数据送至mcu处理后第一可编程逻辑器件返回空闲状态，即步骤s2，雷电计数结果在第一5位段8数码管输出，即步骤3。
5.根据权利要求3所述的一种管道内检测器实时监控方法，其特征在于，步骤2中所述雷击计数比较电路的雷击计数程序包括以下步骤：
步骤d1：上电、可编程逻辑器件配置完成；
步骤d2：装置进入空闲状态；
步骤d3：检测避雷器电流采集单元中的雷击电流信号，若发生雷击，则采集脉冲信号宽度，进入步骤d4，若未发生雷击，则返回步骤d2；
步骤d4：脉冲信号输入第二可编程逻辑器件，开始记录雷击脉冲个数；
步骤d5：第二可编程逻辑器件中的spi接口模块问询，第一可编程逻辑器件中的数据是否包含中断标志位即上升沿，若包含中断标志位即上升沿，则中断标志位数据通过第二可编程逻辑器件中spi总线将fifo缓存数据送至mcu处理，进入步骤d6，若不包含中断标志位即下降沿，则返回步骤d4；
步骤d6：数据通过第二可编程逻辑器件中的spi总线将fifo缓存数据送至第二数据处理模块mcu处理后在第一5位段8数码管输出监测量，即步骤3。
技术总结