故障指示器的無(wú)線通信與低功耗實(shí)現(xiàn)

侯思祖，劉玉春

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

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故障指示器的無(wú)線通信與低功耗實(shí)現(xiàn)

侯思祖，劉玉春

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

針對(duì)10 kV配電網(wǎng)，為了減少電網(wǎng)故障對(duì)用戶造成的損失，實(shí)現(xiàn)對(duì)線路故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高供電水平，設(shè)計(jì)了一種新型的具有無(wú)線通信功能的故障指示器，利用Si1003芯片優(yōu)越的RF性能實(shí)現(xiàn)505、506、507、508、509 MHz 5個(gè)通信頻率可選擇，在空曠的室外環(huán)境下通信距離不低于200 m，與傳統(tǒng)的故障指示器相比，采用了高準(zhǔn)確率的故障檢測(cè)技術(shù)和三重結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)，CT取電與超級(jí)電容和大容量鋰電池相結(jié)合的方式供電，以及優(yōu)化運(yùn)行方式；實(shí)驗(yàn)研究顯示故障指示器動(dòng)作的準(zhǔn)確性高達(dá)97.3%，功耗電流降低為30 uA；所以最終實(shí)現(xiàn)了故障指示器的無(wú)線通信功能，大大提高了故障判斷準(zhǔn)確率，降低了電池的消耗，可保證故障指示器在配電線路上安穩(wěn)工作10年。

故障指示器；CT取電；故障檢測(cè)；射頻無(wú)線通信；低功耗

0 引言

國(guó)內(nèi)10 kV中低壓配電線路傳輸距離遠(yuǎn)，沿途環(huán)境復(fù)雜，線路故障率高[1]。故障指示器通過(guò)安裝在10 kV的三相架空線上，檢測(cè)線路故障情況，并將故障信息上報(bào)至監(jiān)測(cè)終端。

近幾年，對(duì)于故障指示器的研究工作也很多，但大多數(shù)都是對(duì)故障判斷算法的研究，很少有對(duì)降低其功耗的研究。文獻(xiàn)[2]采用了S信號(hào)注入法對(duì)配網(wǎng)的接地故障進(jìn)行研究，但其設(shè)備費(fèi)用高昂且安裝不便，對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)大的線路也經(jīng)常誤動(dòng)；文獻(xiàn)[3]利用負(fù)序電流法進(jìn)行接地故障定位，但是需要提取負(fù)序電流，計(jì)算復(fù)雜，而且還要考慮不平衡電流的影響；文獻(xiàn)[4]提出STM32和無(wú)線通信模塊的設(shè)計(jì)方案，單片機(jī)與通信模塊之間也需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，也不利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實(shí)際應(yīng)用中需要考慮故障指示器的動(dòng)作準(zhǔn)確性和功耗情況，設(shè)計(jì)了故障指示器的硬件結(jié)構(gòu)，包括電源模塊、CT測(cè)量模塊、翻牌點(diǎn)燈模塊、通信模塊、看門狗模塊等；采用高準(zhǔn)確率的電流突變法和綜合檢測(cè)法進(jìn)行短路故障和接地故障檢測(cè)，三重結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)以及優(yōu)化運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)大大降低了故障指示器的功耗，采用繼保測(cè)試儀和耐壓儀對(duì)故障指示器進(jìn)行故障檢測(cè)準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)，故障判斷準(zhǔn)確率達(dá)到97.3%，用電流表串聯(lián)入故障指示器中，測(cè)量其功耗電流為30 uA；利用Si1003芯片優(yōu)越的RF性能，實(shí)現(xiàn)了故障指示器與監(jiān)測(cè)終端之間無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸，在空曠的室外環(huán)境下測(cè)試其通信距離不低于200 m。

1 故障定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 故障定位系統(tǒng)組成

故障定位系統(tǒng)由故障指示器、監(jiān)測(cè)終端和主站三部分組成，系統(tǒng)可以在線路故障發(fā)生后5 min內(nèi)[5]，自動(dòng)定位故障區(qū)域，同時(shí)發(fā)送短消息給相關(guān)人員，進(jìn)行故障處理。

(1)故障指示器

故障指示器通過(guò)CT取電裝置對(duì)線路電流采樣，計(jì)算線路電流突變情況來(lái)檢測(cè)是否出現(xiàn)故障；檢測(cè)出線路故障后，翻牌器翻牌，LED燈以2 s的頻率閃爍，上報(bào)故障信息至監(jiān)測(cè)終端；并按照預(yù)設(shè)時(shí)間參數(shù)自動(dòng)復(fù)歸。

(2)監(jiān)測(cè)終端

監(jiān)測(cè)終端具有配電線路故障信息分析并自動(dòng)報(bào)警功能；將異常信息主動(dòng)上報(bào)給主站，同時(shí)保存一定數(shù)量的異常記錄供主站召測(cè)；監(jiān)測(cè)終端與故障指示器通過(guò)微功率無(wú)線通信技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，與主站通過(guò)GPRS通信網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

(3)主站

主站硬件由1臺(tái)服務(wù)器+1臺(tái)工作站組成。主站軟件主要功能為：故障信息實(shí)時(shí)檢測(cè)和故障定位；故障指示器動(dòng)作信號(hào)的糾錯(cuò)和補(bǔ)漏；歷史數(shù)據(jù)和報(bào)表系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛣?dòng)態(tài)圖形顯示；臺(tái)區(qū)監(jiān)控；報(bào)警處理等。

1.2 故障定位系統(tǒng)工作原理

在線路的分段和重要分支線首段等處，安裝故障指示器，每個(gè)故障指示器有自己的地址；線路故障時(shí)，處于故障電流通路上的故障指示器將自動(dòng)翻牌閃燈[5]；通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式將地址及故障數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測(cè)終端。

監(jiān)測(cè)終端接收到故障信息后，通過(guò)GPRS通信網(wǎng)發(fā)送給主站；主站系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?，并將故障定位結(jié)果以短信的方式通知有關(guān)人員[6]；維修人員可以直接到故障點(diǎn)排除故障。

2 新型故障指示器設(shè)計(jì)方案

2.1 新型故障指示器結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的故障指示器采用超低功耗Si1003芯片，其內(nèi)部集成高性能微處理器、RF收發(fā)器件、以及高分辨率的ADC；故障指示器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電源模塊、電流測(cè)量、電壓測(cè)量模塊、翻牌點(diǎn)燈模塊、通信模塊、看門狗模塊等組成。

圖1 故障指示器結(jié)構(gòu)

故障指示器工作流程為：取電CT裝置以4 kHz頻率對(duì)線路電流采樣，等待采樣數(shù)據(jù)緩存區(qū)有足夠的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電流、電壓特征量，進(jìn)行故障判斷。檢測(cè)到故障信息后，就會(huì)翻牌閃燈，然后激活無(wú)線通信模塊，將地址、故障數(shù)據(jù)等信息打包發(fā)送至監(jiān)測(cè)終端；并按照預(yù)設(shè)的時(shí)間參數(shù)自動(dòng)復(fù)歸。

2.2 高準(zhǔn)確率短路和接地故障檢測(cè)技術(shù)

設(shè)計(jì)的故障指示器可以檢測(cè)出短路故障和接地故障。

(1)短路故障判據(jù)

采用電流突變法來(lái)判斷短路故障，主要以負(fù)荷電流突變量和持續(xù)時(shí)間為判據(jù)，圖2是短路故障電流的波形。具體判據(jù)如下：

①線路負(fù)荷電流I1≥5 A，持續(xù)時(shí)間t1>40 s。

②電流突然升高，突變時(shí)間Δt：20～40 ms；電流突變量ΔI：

當(dāng)負(fù)荷電流I≤200 A時(shí)，ΔI≥100 A；

③線路電流升高一段時(shí)間后就突然降低，接近于0，此時(shí)處于斷電狀態(tài)。這三種狀態(tài)均出現(xiàn)可判斷是短路故障。

圖2 短路故障電流波形

(2)接地故障判據(jù)

采用綜合檢測(cè)算法：以線電壓、接地暫態(tài)電流和線路穩(wěn)態(tài)電流等多個(gè)參量為特征值[7]，其電壓及電流突變波形如圖3所示。具體判據(jù)如下：

①線路負(fù)荷電流I1≥5 A，持續(xù)時(shí)間t1>40 s；

②電壓U突然降低，ΔU≥30%×U；電壓下降的同時(shí)線電流突然升高，突變量ΔI≥15 A，突變時(shí)間Δt0:80 ms～4 s。

③電流恢復(fù)到突變前的值或者一直處于突變值，電壓一直處于突變值，這個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間t2>48 s。這三種狀態(tài)均出現(xiàn)可判斷是接地故障。

圖3 接地故障電流波形

2.3 無(wú)線通信方案

Si1003芯片是一款集MCU和EZRadioPRO無(wú)線射頻模塊于一體的二次開(kāi)發(fā)芯片，有優(yōu)越的RF性能，其射頻模塊內(nèi)部集成天線、64字節(jié)的FIFO，可配置GPIO以及喚醒定時(shí)器等[8]。由于發(fā)送和接收通道共享同一天線，所以通過(guò)Si1003的GPIO2和GPIO1引腳實(shí)現(xiàn)接收通道和發(fā)送通道的切換。通過(guò)設(shè)置匹配電感電容值設(shè)計(jì)故障指示器的工作頻段為470～510 MHz，軟件編程實(shí)現(xiàn)通信頻率為505、506、507、508、509 MHz 5個(gè)通信頻率。

2.3.1 通信協(xié)議的定義

故障指示器與監(jiān)測(cè)終端之間通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，該通信協(xié)議是自定義的。每個(gè)故障指示器裝置有各自的地址碼，故障及狀態(tài)信息的主動(dòng)上報(bào)，由故障指示器裝置發(fā)起，逐層建立鏈接，向上傳遞。幀是傳送信息的基本單元，幀格式如表1所示。

表1 幀格式

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的故障指示器能夠故障信息主動(dòng)上報(bào)至監(jiān)測(cè)終端，也支持監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)召測(cè)。Si1003有4字節(jié)的RAM，64字節(jié)的可在線編程Flash，在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。通過(guò)對(duì)CPU各個(gè)特殊功能寄存器配置實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層端口的驅(qū)動(dòng)；物理層數(shù)據(jù)服務(wù)主要完成幀的接收、緩沖和讀入等操作。發(fā)送時(shí)，對(duì)MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元封裝；接收時(shí)，通過(guò)校驗(yàn)和計(jì)算，傳給MAC層進(jìn)行分析。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

通信模塊的初始化其實(shí)就是對(duì)協(xié)議物理層的初始化，主要工作有清除中斷標(biāo)志位、復(fù)位內(nèi)部寄存器、確定工作頻段和使能FIFO模式等。初始化及參數(shù)配置完畢后，檢測(cè)引腳nIRQ的電平，若為低電平則表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槭瞻l(fā)模式。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的具體工作流程如圖4和圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)接收流程圖

3 新型故障指示器的低功耗設(shè)計(jì)

3.1 三重結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)

因?yàn)椴蓸?、通信、?jì)算等都會(huì)產(chǎn)生大量的功耗，所以故障指示器采用CT取電與超級(jí)電容和大容量鋰電池相結(jié)合的方式供電。

配電網(wǎng)線路負(fù)荷電流在0～630 A之間，取電CT的鉗形電流互感器同時(shí)具有測(cè)量與取電兩個(gè)功能，能夠在線路負(fù)荷電流小時(shí)，具有供電能力；線路電流大時(shí)，電流輸出應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)，以保護(hù)設(shè)備不被損壞[9]。

CT取電供電利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電流互感器從一次線路上獲取電能，并實(shí)現(xiàn)電壓輸出[10]。三重結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)工作原理：

(1)取電CT從線路獲取電能量，經(jīng)采樣整流保護(hù)后，直流電壓給小容量電容快充速電，快速啟動(dòng)系統(tǒng)。

(2)該故障指示器實(shí)現(xiàn)的是5 A以上電流采用CT供電；當(dāng)線路電流低于5 A時(shí)，CT取電系統(tǒng)輸出電壓過(guò)低，通過(guò)電壓檢測(cè)電路，自動(dòng)切換到后備鋰亞電池給系統(tǒng)供電。

(3)為了減少電池的消耗，設(shè)計(jì)了可充電的法拉電容(1 F/5.5 V)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到線路負(fù)荷電流達(dá)到2 A時(shí)，則判斷線路有電，開(kāi)啟大容量法拉電容充電，法拉電容可在線路電流小于5 A時(shí)為故障指示器供電，法拉電容能量耗光再使用電池供電。

3.2 優(yōu)化運(yùn)行方式

合理規(guī)劃運(yùn)行方式對(duì)減小系統(tǒng)的功耗有著重大作用。

(1)當(dāng)線路電流小于5 A時(shí)自動(dòng)切換到電池供電，此時(shí)CPU處于深度睡眠狀態(tài)，采樣頻率降低，每隔1 s喚醒一次CPU，進(jìn)行定時(shí)采樣，無(wú)線喚醒間隔為20 s；當(dāng)線路電流大于5 A時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小電流喚醒信號(hào)喚醒CPU，故障指示器進(jìn)入CT全采樣狀態(tài)，CT供電滿足系統(tǒng)功耗需求，此時(shí)無(wú)需考慮功耗問(wèn)題，CPU不需要休眠。

(2)平時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)更新，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的正常通訊心跳，采用法拉電容存儲(chǔ)電能供電，如果電量不足，等充滿后再重新更新，杜絕使用電池能量[11]。

(3)對(duì)每日每月總的電池能量通訊次數(shù)的管理控制，確保對(duì)電池的使用合理分配。

4 新型故障指示器實(shí)現(xiàn)

4.1 故障檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

通過(guò)繼保測(cè)試儀和耐壓儀為故障指示器輸入故障電流和故障電壓，進(jìn)行故障指示功能測(cè)試，結(jié)果顯示能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)接地和短路故障指示具體數(shù)據(jù)如表2和表3所示；根據(jù)河北保定地區(qū)10 kV配電網(wǎng)每月平均發(fā)生的故障次數(shù)進(jìn)行故障模擬，統(tǒng)計(jì)出其故障動(dòng)作準(zhǔn)確率，如表4所示。

4.2 低功耗實(shí)現(xiàn)

用電流表測(cè)量故障指示器的靜態(tài)功耗，即負(fù)載電流為0，處于復(fù)歸狀態(tài)，只用電池供電，然后對(duì)故障指示器串入量程為200 mA，精度6位半的電流表。測(cè)量了23個(gè)點(diǎn)的功耗電流為(單位uA)：63.4；47.2；39.6；35.3；32.5；30.4；29.2；28.2；27.6；27.3；27.7；27.1；27.3；27.4；27.5；27.5；27.6；27.2；26.8；26.6；26.4；26.2；26；計(jì)算平均功耗為30.952 17 uA。本文設(shè)計(jì)的故障指示器電池為4 Ah的一次性干電池，按70%的放電量，所以推算其使用壽命為：

表2 短路故障測(cè)試

表3 接地故障測(cè)試

表4 準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)

4.3 通信測(cè)試與分析

本文設(shè)計(jì)的故障指示器505、506、507、508、509 MHz等5個(gè)通信頻率可選擇。通過(guò)繼保測(cè)試儀模擬出故障電流，每頻率發(fā)送1 000個(gè)故障信息數(shù)據(jù)包，在故障指示器翻牌點(diǎn)燈的情況下，在室外空曠無(wú)阻礙物的場(chǎng)地下測(cè)試故障指示器與監(jiān)測(cè)終端之間的通信距離與丟包率，從表5可看出當(dāng)通信距離大于200 m后，開(kāi)始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。

表5 實(shí)測(cè)丟包率

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型的超低功耗的故障指示器，利用Si1003芯片自帶的優(yōu)越RF性能和高準(zhǔn)確率的故障檢測(cè)技術(shù)，三重結(jié)構(gòu)電源系統(tǒng)以及優(yōu)化的運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了故障指示器與監(jiān)測(cè)終端之間通信距離不低于200 m的數(shù)據(jù)傳輸，并且保證了故障指示器動(dòng)作的高準(zhǔn)確性和低功耗。

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A Fault Indicator with Wireless Communication Function and Its Low Power Consumption Realization

HOU Sizu, LIU Yuchun

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In order to reduce the users loss caused by grid failure, achieve real-time monitor for the line, and raise the level of power supply, a fault indicator with wireless communication function is designed in this paper, where five communication frequencies, 505M, 506M, 507M, 508M, 509MHz are selectable, with its communication distance not less than 200 m in the open outdoor environment.Compared with the traditional fault indicator, it uses the fault detection technology with better accuracy and a power supply system with triple structure, which combines CT power and high-capacity lithium battery and super capacitor and adopts optimization operation Mode.Experimental studies have shown that the accuracy of the fault indicator operation is raised up to 97.3%, while the current consumption is reduced to 30uA; ultimately, the fault indicator achieves wireless communication, which greatly improves the accuracy of fault diagnosis, and reduces battery consumption, and ensures it stably work for about 10 years on distribution lines.

fault indicator; CT power; fault detection; RF wireless communication; low power consumption

2016-06-20。

侯思祖(1962-)，男，教授，研究方向?yàn)殡娏νㄐ啪W(wǎng)等，E-mail:1647354604@qq.com。

TP23

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.007