小电流暂态录波无线通信型故障指示器的现代研究和设计

摘 要 基于电力大数据平台，综合利用先进的计算机技术、电力电子技术、信号处理技术、人工智能技术、灵活高效的通信技术和传感器技术，提出了一种小电流、自取电、通信型的故障指示器设计方案。故障指示器采用小电流自供电技术，分布在线路上关键节点负责采集线路工况信息，将实时信息通过短距 MESH 和远程 GPRS 混合组网方式与线路状态监测主站系统进行通信，实现配电网线路综合运行工况在线监测和预警分析。

关键词 小电流接地；配网故障录波；无线通信

配网电线路分支多、供电区域广、运行情况复杂，发生故障后，故障区域难以准确定位，导致停电时间过长，特别是小电流接地系统单相接地故障的检测与定位一直是配电网运行的难点。统计表明，在小电流接地系统中，单相接地故障约占配电网故障的 80%以上。传统故障指示器单相接地故障定位的方法主要有：①首半波法；②五次谐波法；③稳态零序电流比较法；④零序电流突变法；⑤信号注入法。由于小电流接地系统自身的特点，以上各种方法存在适应范围不足、定位所需信号获取困难以及检测装置之间数据采集时间不同步等原因，使得小电流接地故障定位问题尚未得到彻底解决。

针对上述现象，本文设计了一种具有小电流自供电、暂态录波、无线通信功能的新型配电网故障指示器。

1 小电流暂态录波无线通信型故障指示器故障监测原理

本文通过判断相邻故障指示器检测到的暂态零模电流相关系数，即判断两个波形的相似性来实现小电流接地系统单相接地故障的检测与定位。相邻两故障指示器暂态零模电流信号相关系数ρ计算公式如式（1）所示：

式中：i0M和i0Ν为相邻两个故障指示器的暂态零模电流采样信号；M、N代表故障指示器的编号；k表示采样序列；K为暂态零模电流信号的数据长度。相关系数ρ反映了两个相邻检测点暂态零模电流波形的相似程度。对于故障区段两侧故障指示器检测到的暂态零模电流波形相似度很低，相关系数ρ接近0；对于非故障区段两侧故障指示器检测到的暂态零模电流波形相似度很高，相关系数ρ接近于1。依据此原理，依次计算故障线路各区段两侧暂态零模电流波形的相关系数并与设定的阈值进行比较，即可判断故障所在区段。当线路发生单相接地故障后，各故障指示器将采集到的暂态零模电流信号上送至主站，主站首先比较出线开关与第1个故障指示器采集的暂态零模电流波形，如果ρ<θ（θ为阈值，取值在0.4～0.7之间，ρ<0.4为低度相关，0.4<ρ<0.7为显著相关，ρ>0.7为高度相关），则确定故障区段；如果ρ>θ，则为非故障区段，继续比较第1个故障指示器与第2个故障指示器检测到的暂态零模电流波形，依此类推，直至找到故障区段为止[1]。

2 整体系统设计

指示器的基本任务为：故障判断和数据传输。故障判断包括短路故障的判断和接地故障的判断，通过对获取的线路电压、电流信息进行采样、计算、分析，进行线路故障的逻辑判断。数据传输则将故障信号通过微功率无线的方式，传输给相应的通信终端，通信终端一般再通过 GPRS 的方式把信息转发给主站。指示器系统框架如图 l 所示。

结合通信型指示器数据采集、计算分析、输出报警指示、数据无线传输的功能，以及低功耗、高可靠性的特点，本设计引入一款集成微处理器（MCU）和RF的低功耗单芯片。通过比较采样精度、功耗、无线通信性能、运算速度、工作环境等方面的技术指标，选择合适的芯片，TI公司的CC430F5137和HOLTEK公司的HT66F03都是带RF的单片机，通过比较可知，TI公司的CC430F5137属于MSP430系列单片机，充分利用了业内领先的射频专业技术和超低功耗MSP430处理器，可以实现独特的低功耗/高性能组合，提供了300～928MHz的RF应用处理器，具备20MHz的运行频率、4kB的SRAM、32kB的Flash、12位的转换器（ADC）和32位的乘法器。与其他芯片相比，CC430F5137即可降低系统复杂性，又可简化RF设计，而且封装尺寸小，是设计通信型故障指示器的较佳选择[2]。根据系统设计功能，以该芯片为核心，设计出具体的指示器主控模块图，如图2所示。

2.1 ADC采样电路的设计

指示器要对电力线路进行故障判断，首先要对线路电流进行采样，通过钳形结构的电流互感器，将线路上的大电流转换成适合单片机采集的微小电流，经过整流后，再由单片机内部的ADC进行模数转换，将电流模拟量数据转换成数字数据，供CPU计算、分析。电流采样电路设计如图3所示。

2.2 无线通信电路的设计

无线通信模块采用芯片NRF905，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，具有低功耗、可靠性高的优点。天线可放置在PCB板上，发射功率最大为+10dB，传输距离可达50m以上。由NRF905组成的无线通信接口电路如图4所示[3]。

2.3 供电电源设计

故障指示器安装于电力线路上，一般是户外安装，不具备供电设备，因此通过电流互感器取电是比较好的方式。电力线路电流超过15A时，指示器完全可以从电力线路上取电，当线路电流较小，不能提供足够的电能供指示器运行时，由后备电池供电，因此指示器的供电电源采用电流互感器供电与备用电池相结合的供电设计[4]，如图5所示。

2.4 故障指示标志显示

故障指示器闪光显示电路如图5所示。正常情况下，LED为低电平；当线路发送故障时，单片机给LED交替发送高低电平脉冲，发光二极管闪烁显示故障。电路设计如图6所示。

2.5 控制软件设计

故障指示器软件设计主要包括系统初始化、数据采集、故障判断、数据传输、故障显示等，主程序流程图如图7所示。

数据采集与故障判断由AD采样、电流计算和故障逻辑判断组成。CC430F5137集成了12位的AD转换器，微处理器内核可经过内部系统总线与AD通信，需要提供适当的模块地址和对ACTL及AEN寄存器编程，通过读取ADAT寄存器，得到AD转换的数值。在低功耗模式下，整个AD转换器关闭可以停止电流消耗，当发生转换启动信号时，转换器被唤醒[5]。AD中断子程序部分代码如下：

ADCl2CTL0l_ADCl2SC：

while（（ADCl2IFG&BIT0）==0）：

ADC0=ADC 1 2MEM0；

为了正确、快速地计算出电流值，采用快速傅立叶变换算法，MSP430 芯片具备32位的硬件乘法器，为快速计算提供了基础。计算出电流值后，就可以进行故障判断。

3 结束语

本文对比了双芯片方案（单片机加无线芯片）与集成无线通信的单芯片方案，充分分析了故障指示器的各项功能，提出了一种基于单芯片的通信型故障指示器设计方案。CC430F5137单片机具有卓越的高性能低功耗和集成RF无线通信的特点，因此选用于此次设计的通信型故障指示器。基于单芯片的通信型故障指示器，微处理器和无线通信都集成在单芯片内，集成度高、功耗低、尺寸小，易于提高指示器整体的可靠性和稳定性。

小电流暂态录波故障指示器通过检测相邻故障指示器的暂态零模电流，利用通信网络传输数据，在主站实现故障定位，充分利用了现有资源，减少了投资，为小电流接地系统故障定位提供了一个经济可行的解决方案。

参考文献

[1] 何锋.基于GPRS通信故障指示器在配网自动化中的应用[J].海峡科学，2010，25（10）：159-161.

[2] 张林利，高厚磊，徐丙垠，等.基于区段零序导纳的小电流接地故障定位方法[J].电力系统自动化，2012，36（20）：94-98.

[3] 郭谋发，杨振中，杨耿杰，等.基于ZigBee Pro技術的配电线路无线网络化监控系统[J].电力自动化设备，2010，38（9）：105-110.

[4] 张平泽，赵文兵.基于 GPRS 的短路和接地故障指示器设计[J].低压电气，2008，50（10）：38-41.

[5] 杨平，王威.MSP430系列超低功耗单片机及应用[J].国外电子测量技术，2008，27（12）：48-50.

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