基于暫態(tài)行波法的配電網(wǎng)故障定位裝置研究

引言

我國(guó)配電網(wǎng)由于早期投資不足，設(shè)備老化和技術(shù)性能低劣，故障頻發(fā)，往往一點(diǎn)故障引發(fā)全線甚至大面積停電，因此必須盡快找到故障線路，排除故障。然而與輸電網(wǎng)相比，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支點(diǎn)多，特別是10kv配電網(wǎng)，故障排查極其困難。配電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確及時(shí)定位是電力部門急需解決的一個(gè)難題。本文采用暫態(tài)行波定位方法。介紹了一種配網(wǎng)故障定位裝置，并給出了其軟硬件設(shè)計(jì)。

行波故障定位簡(jiǎn)介

所謂行波，是指沿線路傳播的電壓、電流波，分為穩(wěn)態(tài)行波和暫態(tài)行波。暫態(tài)行波只在故障時(shí)產(chǎn)生，不可重復(fù)，并且在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)肘衰減為零，具有易逝性。若線路某一點(diǎn)發(fā)生故障，則會(huì)在該點(diǎn)產(chǎn)生暫態(tài)行波以接近光速的速度向線路兩端傳播、并在波阻抗不連續(xù)的地方發(fā)生反射和折射。由于實(shí)際線路損耗的存在，行波在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減、畸變，出現(xiàn)失真現(xiàn)象，再加上反射波、折射波的疊加，都給行波的獲取帶來(lái)困難。但是初始行波到達(dá)時(shí)的幅值最大，波頭變化率也最大，此時(shí)最容易進(jìn)行捕捉。因此，本文通過(guò)記錄故障產(chǎn)生的初始波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的GPS同步時(shí)鐘精確肘間值，由離故障點(diǎn)最近的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的GPS時(shí)間差計(jì)算故障點(diǎn)精確位置，可以不受故障點(diǎn)透射波的影響。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由安裝在測(cè)量點(diǎn)的若干故障定位裝置、通信鏈路和中心端三部分構(gòu)成，如圖1所示。本文主要介紹故障定位裝置的設(shè)計(jì)。定位裝置通過(guò)感應(yīng)式的電壓傳感器采集行波信號(hào)，監(jiān)測(cè)到故障后，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)GPRS DTU將故障信息傳到中心端，中心端根據(jù)至少兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)和時(shí)間信息，利用小波分析理論，將故障初始行波浪涌在較低尺度(較高頻帶)下第1個(gè)小波模極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為行波波頭到達(dá)時(shí)刻，即故障發(fā)生的肘間，利用各測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)到故障的時(shí)間差計(jì)算故障點(diǎn)離各測(cè)量點(diǎn)的距離，從而確定故障點(diǎn)的位置，及時(shí)調(diào)度人員排除故障。

故障定位裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

故障定位裝置主要由外圍的電壓傳感器、GPS授時(shí)模塊、GPRS DTU傳輸模塊以及信號(hào)調(diào)理電路、ADC、FPGA、SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和MCU構(gòu)成，如圖2所示。

其中，F(xiàn)PGA和MCU是整個(gè)電路的核心。FPGA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的高速采集，它控制ADC實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并判斷是否發(fā)生故障，若沒(méi)有故障發(fā)生，將數(shù)據(jù)存入SRAM即可；否則，需鎖定GPS模塊的時(shí)標(biāo)，及時(shí)通知MCU將記錄下的故障波形和時(shí)標(biāo)信息取走：MCU負(fù)責(zé)在發(fā)生故障時(shí)從FPGA獲取故障相關(guān)信息，并通過(guò)GPRS DTU將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信任務(wù)。這種MCU+FPGA的結(jié)構(gòu)，充分利用了可編程邏輯器件并行、高速的特點(diǎn)和MCIJ在任務(wù)處理方面的優(yōu)勢(shì)，既保證了數(shù)據(jù)采樣的速度，又解決了與低速任務(wù)處理之間的矛盾。下面對(duì)各部分電路以及所采用的元器件進(jìn)行介紹。

電壓傳感器

由于10kV線路中的高壓信號(hào)不能直接進(jìn)入定位裝置，需先進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以往裝置多通過(guò)電壓互感器、電流互感器將信號(hào)變換成檢測(cè)裝置可用的低電壓小電流信號(hào)，成本極高，本裝置通過(guò)專利技術(shù)的感應(yīng)式電壓傳感器獲取信號(hào)，可大大降低成本。電壓傳感器安裝于高壓線路或變壓器的高壓絕緣瓷柱的傘形瓷盤下面，金屬質(zhì)地的采集端子靠緊瓷柱，與高壓線之間形成一分布電容，高電壓信號(hào)經(jīng)這個(gè)分布電容耦合到采集端子，變?yōu)?N10V左右的電壓，這幾伏電壓的高低，真實(shí)反映了高電壓的變化。2N10V電壓再經(jīng)放大器進(jìn)行電流放大，作為采樣電壓輸出。

信號(hào)調(diào)理電路

由于電壓傳感器輸出的電壓信號(hào)不正好在ADC的量程范圍內(nèi)，故需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以滿足高速ADC的要求，保證ADc的正常工作，避免造成ADc的損壞。

高速數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)電路

高速數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)電路是行波法故障定位裝置的核心部分，主要由FPGA、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和2片SRAM構(gòu)成。其中，F(xiàn)pGA采用Altera公司的240引腳PQFP封裝的EPlCl2，它具有12，060 LEs、52個(gè)M4K RAM blocks、2個(gè)PLLs、173個(gè)用戶I／O。ADC采用ADI公司的AD7822，它是一種8-bit A／D轉(zhuǎn)換器，單極性輸入，并行輸出；內(nèi)合取樣保持電路，具有轉(zhuǎn)換后自動(dòng)power-Down的模式，電流消耗可降低至suA以下。轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為420ns，可滿足1us采樣一次的轉(zhuǎn)換要求、sNR可達(dá)48dB，INL及DNL都在±0.75LsB以內(nèi)。可應(yīng)用在數(shù)據(jù)采樣、DSP系統(tǒng)及移動(dòng)通信等場(chǎng)合。SRAM的任務(wù)是存儲(chǔ)高速ADc轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，由于高速ADc的轉(zhuǎn)換速率很高，這就要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有較大的存儲(chǔ)容量和較短的讀／寫時(shí)間，這里采用ISSI公司的IS61LV25616。IS6lLV25616是256k×16的高速異步CMOS靜態(tài)RAM，讀寫速度可達(dá)10ns，完全可以滿足要求。

具體工作過(guò)程：線路正常運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有暫態(tài)信號(hào)輸入，3片AD7822在FPGA產(chǎn)生的高頻時(shí)鐘脈沖控制下并行地進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)在2片SRAM中的一片上，SRAM中永遠(yuǎn)保留著等于RAM容量的最新數(shù)據(jù)。當(dāng)三相故障行波信號(hào)中任一相的幅值高于預(yù)設(shè)的門檻值時(shí)，表明有故障行波信號(hào)被監(jiān)測(cè)到，鎖存當(dāng)前的時(shí)標(biāo)，同時(shí)開(kāi)始一個(gè)10ms的計(jì)時(shí)延時(shí)，在這段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)將ADc轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到當(dāng)前的一片SRAM。當(dāng)10ms延時(shí)結(jié)束時(shí)，切換地址數(shù)據(jù)總線將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到男一片SRAM上，同時(shí)通知MCU取走第一片SRAM中的故障行波數(shù)據(jù)和鎖存的時(shí)標(biāo)，并通過(guò)GPRS DTU遠(yuǎn)傳給中心端服務(wù)器做進(jìn)一步的處理，實(shí)現(xiàn)故障波形分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障定位。若只采用1片SRAM，在10ms延時(shí)結(jié)束后，需暫時(shí)停止數(shù)據(jù)采集，待SRAM中數(shù)據(jù)取走之后才能重新采集數(shù)據(jù)，以保證有用的故障信息不被沖掉。如果在轉(zhuǎn)存暫態(tài)數(shù)據(jù)期間線路發(fā)生故障，則不能對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，造成故障數(shù)據(jù)漏記，無(wú)法定位。采用雙SKAM，由于MCu轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)和高速ADc繼續(xù)采集數(shù)據(jù)可以在FPGA的協(xié)調(diào)下同肘進(jìn)行，從而在一定程度上解決了以往裝置存在的循環(huán)存儲(chǔ)器死區(qū)問(wèn)題。

單片機(jī)外圍電路

單片機(jī)(MCU)外圍電路主要包括3部分：與GPRS DTU連接的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳電路、與GPS模塊連接的時(shí)間獲取電路和與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信電路。根據(jù)單片機(jī)需完成的功能，本系統(tǒng)中采用Microchip高性能ILISCCPU PIC18F8520，它內(nèi)部有32kB的FLASH程序存儲(chǔ)器和2kB的SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、ikB的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；運(yùn)算速度可達(dá)10MIPS：可以工作在DC－40MHz的時(shí)鐘頻率范圍之內(nèi)：具有外部存儲(chǔ)器接口，可方便地訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器中的程序或數(shù)據(jù)，便于與FPGA的數(shù)據(jù)通信：具有2個(gè)USAKT接口，支持RS-485和RS-232，其中一個(gè)USART接口與GPRS DTU連接，可對(duì)DTU進(jìn)行配置并傳輸數(shù)據(jù)，男一個(gè)與GPS模塊相連，用來(lái)獲取精確到秒的時(shí)間信息。

無(wú)線通訊模塊采用成都眾山科技ZSDZll0 GPRS DTU。ZSD2110是～款使用GPRS進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端設(shè)備，支持透明數(shù)據(jù)傳輸和用戶自由控制傳輸模式，本系統(tǒng)中采用透明數(shù)據(jù)傳輸模式，不用關(guān)系復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)全透明串行口，就可進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)，可大大簡(jiǎn)化單片機(jī)軟件程序的設(shè)計(jì)。GPS授時(shí)模塊采用Garmin的GPS15XL，它是12通道的GPS接收機(jī)，精密授時(shí)類型精度可達(dá)±50納秒(典型值)；具有串行端口，輸出為RS232，輸入可為RS232或者具有RS232極性的TTL電平，波特率從300-38400可選，默認(rèn)為4800?？奢敵鯪MEA0183 2.0／3.0的ASCII碼語(yǔ)句／GarminZ，進(jìn)制格式信息。非常適合應(yīng)用于車輛導(dǎo)航、海事導(dǎo)航、電力系統(tǒng)校時(shí)等。由于DTU和GPS模塊都是通過(guò)串行口與單片機(jī)連接，接口比較簡(jiǎn)單，需特別說(shuō)明的是單片機(jī)與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信接口電路。單片機(jī)PICl8F8520需通過(guò)其EMI接口從FPGA獲取故障波形數(shù)據(jù)和時(shí)標(biāo)信息。由于PlCl8F8520的EMI接口中16bit數(shù)據(jù)線和低16bit的地址線共用，與FPGA之間不能直接相連，接口連接如圖3所示。

故障定位裝置的程序設(shè)計(jì)

故障定位裝置的程序設(shè)計(jì)包括FPGA的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)和單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。

FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)

FPGA的內(nèi)部邏輯通過(guò)Altera公司的Quartus II集成環(huán)境，采用VerilogHDL硬件描述語(yǔ)言開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，分為以下幾個(gè)模塊。

(1)時(shí)鐘信號(hào)生成模塊：將SOMHz的輸入時(shí)鐘通過(guò)計(jì)數(shù)器分頻得到需要的時(shí)標(biāo)標(biāo)定電路的時(shí)鐘信號(hào)、ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)等系統(tǒng)需要的各種頻率的時(shí)鐘信號(hào)。

(2)A／D控制模塊：控制A／D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

(3)故障判定模塊：將A／D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)瞬時(shí)值與預(yù)設(shè)的門檻值比較，判斷是否發(fā)生故障。

(4)延時(shí)模塊：產(chǎn)生故障發(fā)生后大約10ms的延時(shí)信號(hào)。

(5)sRAM控制模塊：將采樣數(shù)據(jù)寫入SRAM；2片SRAM之間的總線切換；讀出SRAM中的數(shù)據(jù)送往MCU。

單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序在MPLAB IDE8.10環(huán)境下，采用MPLAB C18編譯器。用c語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，主要包括下述功能：

(1)對(duì)GPS模塊的初始化、配置以及從GPS模塊獲取精確到秒級(jí)的時(shí)間信息(年、月、日、時(shí)、分、秒)：

(2)通過(guò)EMI接口從FPGA中獲取故障波形數(shù)據(jù)和精確到微秒的日寸標(biāo)信息：

(3)通過(guò)USART接口對(duì)DTU進(jìn)行設(shè)置以及將故障波形數(shù)據(jù)和完整的時(shí)標(biāo)信息通過(guò)DTU上傳。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹的基于暫態(tài)行波定位原理的10kv配電網(wǎng)故障定位裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，MCU+FPGA的設(shè)計(jì)方案可以很好地解決高速數(shù)據(jù)采集和順序任務(wù)控制間的矛盾，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和其他任務(wù)的并行處理，經(jīng)測(cè)試，電路運(yùn)行良好，可以達(dá)到設(shè)想的要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。