基于MSP430F169的遠(yuǎn)程智能故障監(jiān)測器

肖振鋒，袁榮湘，鄧翔天，劉曉蕾

（1.武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢430072；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072）

0 引言

智能電網(wǎng)是改變未來電力系統(tǒng)的電網(wǎng)發(fā)展模式。隨著信息通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，只有具備更可靠、更安全、更智能化的智能故障監(jiān)測裝置才能持續(xù)提升智能電網(wǎng)的統(tǒng)籌性與先進(jìn)性。當(dāng)前的主流電力線路監(jiān)控是采用基礎(chǔ)型通信設(shè)施（如GPRS、Internet等）的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置，并利用微控器來進(jìn)行數(shù)據(jù)流交換與傳輸，達(dá)到監(jiān)控信息的目的。此類電力線路監(jiān)控器比較適用于已經(jīng)存在大量基礎(chǔ)通信設(shè)施的地點(diǎn)，由于GPRS裝置的大量存在可能導(dǎo)致傳輸費(fèi)的提升，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該器件成本較高，通信方式不夠靈活，不適合未覆蓋公共網(wǎng)絡(luò)但監(jiān)控任務(wù)繁重的地區(qū)［1］。

在中低壓配電系統(tǒng)中，電力線路通常數(shù)量多、分支多，而且運(yùn)行方式相對較復(fù)雜，導(dǎo)致故障頻繁發(fā)生。不僅如此，當(dāng)電力線路發(fā)生故障后，故障點(diǎn)的排查非常費(fèi)力費(fèi)時，線路的維護(hù)工作量巨大。本文所提基于MSP430F169和多種通信方式的智能故障監(jiān)測器不僅集電網(wǎng)監(jiān)測、遙測、遙控、報(bào)警等功能于一體，而且在故障快速準(zhǔn)確定位方面對提高供電可靠性和提升經(jīng)濟(jì)效益具有非常好的實(shí)踐意義。

本文介紹的電力線路智能故障檢測器以MSP-430F169微處理器為核心，利用ZigBee無線通信技術(shù)與GPRS通信技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了更為廣域、靈活、智能的遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，并在電源部分采用了太陽能電池板取能與常規(guī)電力線路取能相結(jié)合的方式。故障監(jiān)測電路為增強(qiáng)電磁兼容性（EMC）防護(hù)能力，采用了合理的電路整體布局，其中線路敏感器件附加了靜電釋放（ESD）芯片進(jìn)行保護(hù)，并針對浪涌電壓添加了瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）等器件來保護(hù)電路，整個系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、安全性高、抗干擾能力強(qiáng)、故障定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，能實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)線路，檢測多種線路故障，靈活迅速地實(shí)施報(bào)警，準(zhǔn)確提供故障地點(diǎn)。

1 故障監(jiān)測器硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的智能故障監(jiān)測器主要由1個主監(jiān)測器和2個附屬監(jiān)測器構(gòu)成，原理圖如圖1所示。在實(shí)際電網(wǎng)線路試驗(yàn)中是將3個監(jiān)測器分別并列懸掛在同一線路的不同三相下進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。為了增強(qiáng)監(jiān)測器的抗干擾性與通信方式的多樣性，智能故障監(jiān)測器的通信方式不同于常規(guī)線路監(jiān)測器，而是采用了GPRS通信方式與ZigBee通信方式相結(jié)合的硬件設(shè)計(jì)方案。其中，主監(jiān)測器配置GPRS模塊和ZigBee模塊，附屬監(jiān)測器則配置ZigBee模塊，這樣主監(jiān)測器就能通過GSM信息傳遞方式與電網(wǎng)監(jiān)控中心進(jìn)行有效、直接的通信，同時附屬的ZigBee模塊在有限的短距離通信中也與主監(jiān)測器和其他附屬監(jiān)測器進(jìn)行迅速準(zhǔn)確的通信。主監(jiān)測器還能綜合分析處理各相電能參數(shù)以及故障信息，使電網(wǎng)監(jiān)控中心有可能更早地發(fā)現(xiàn)故障，解決問題。整個硬件系統(tǒng)由核心處理器 MSP430F169、GPRS通信模塊、ZigBee通信接口模塊、電源模塊和聲光報(bào)警模塊等組成。

圖1 智能監(jiān)測器原理框圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent monitor

1.1 電源模塊

為了給信號調(diào)理模塊、核心處理器MSP430F169、ZigBee模塊、GPRS模塊進(jìn)行有效且長期持續(xù)的供電，智能故障監(jiān)測器采用了以閉式可開口互感器供電為主要供能方式、太陽能供電作為輔助供能方式的策略?；ジ衅鞴╇娂词峭ㄟ^特制的互感器利用電磁感應(yīng)效應(yīng)從線路中獲取電能對設(shè)備供電［2］，其中，線路互感器采用穿心開啟式互感器，非常適合10 kV以下的電力線路，不僅能提供5 A直流電流與5 V直流電壓，還能在連接好的電力線路上便捷拆裝，具有防雷、防潮、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。太陽能供電方式則是采用太陽能電池板利用光電效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能對設(shè)備供電。具體原理框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊原理框圖Fig.2 Schematic diagram of power supply module

由于線路故障時很可能導(dǎo)致主供電方式的癱瘓，因此故障監(jiān)測器還設(shè)計(jì)了掉電檢測電路。當(dāng)線路故障、主供電方式無法正常運(yùn)行時，掉電檢測電路控制切換開關(guān)迅速地閉合，利用太陽能與鋰電池相結(jié)合的方式對DC/DC模塊進(jìn)行持續(xù)有效供電，而當(dāng)線路故障檢修完畢并恢復(fù)正常時再控制切換開關(guān)斷開，使用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行供電。過電壓保護(hù)電路是針對線路出現(xiàn)大電流的突發(fā)情況，保證DC/DC模塊輸入電壓一直穩(wěn)定在其正常工作電壓范圍內(nèi)。智能故障監(jiān)測器的防雷保護(hù)電路則是為了應(yīng)對線路出現(xiàn)雷擊或者短路大電流的情況，保護(hù)后續(xù)電路不受損害，即在電路并接多個TVS，進(jìn)而達(dá)到限制沖擊電壓的目的。為使電源整體電路具有很好的EMC抗干擾能力，將模擬信號部分、高速數(shù)字電路部分以及噪聲源DC/DC電源合理靈活地分開，使相互間的信號耦合達(dá)到最小。

由于線路取能方式與太陽能取能方式所得到的電壓并不一定是系統(tǒng)所需要的恒定直流電壓與電流，因此智能故障監(jiān)測器還采用了轉(zhuǎn)換率較高的DC/DC芯片MAX1951，其能輸出高達(dá)2 A的電流，也能夠由2.6～5.5 V的輸入電壓產(chǎn)生0.8 V至輸入電壓的輸出電壓，非常適合對MSP430F169、SIM300、ZigBee進(jìn)行供電。

1.2 MSP430F169核心處理器

智能故障監(jiān)測器采用的核心處理器為美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的高集成度單芯片系統(tǒng)（SOC）中的MSP430F169芯片，其主要特點(diǎn)如下。

a.低功耗。電壓范圍為1.8～3.6 V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式僅耗電0.1 μA，活動模式下耗電250 μA/MIPS（每秒百萬條指令數(shù)），I/O輸入端口漏電流最大為50 nA。

b.強(qiáng)大的處理能力。MSP430系列單片機(jī)采用流行的精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期能執(zhí)行一條指令，8 MHz晶振工作時指令速度能達(dá)到8 MIPS。

c.豐富的片上外圍模塊。MSP430系列單片機(jī)結(jié)合了TI公司的高性能模擬技術(shù)，均集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，具體到MSP430F169單片機(jī)有如下功能模塊：看門狗（WDT）、模擬比較器 A、定時器 A（Timer A）、定時器 B（Timer B）、通用連續(xù)同步/非同步通信接口 0 和 1（USART0，USART1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、12位ADC、基本定時器等。

d.系統(tǒng)穩(wěn)定性高。MSP430系列單片機(jī)均為工業(yè)級器件，運(yùn)行溫度為-40～+85℃，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，能完全滿足民用和工業(yè)環(huán)境應(yīng)用。

e.方便高效的開發(fā)環(huán)境。MSP430系列單片機(jī)內(nèi)部包含聯(lián)合測試行動小組（JTAG）調(diào)試接口和可電擦寫的FLASH存儲器，可通過JTAG接口下載程序到FLASH內(nèi)，再由JTAG接口控制程序運(yùn)行，讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)、存儲器內(nèi)容等信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試，整個開發(fā)（編譯、調(diào)試）可在同一個軟件集成環(huán)境中進(jìn)行［5］。

為使核心處理器更穩(wěn)定，并具備一定存儲能力，智能故障監(jiān)測器還配置了帶4 KByte的具備串行外設(shè)接口（SPI）特性的EEPROM的CPU監(jiān)控器X5043，其將上電復(fù)位、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)控和串行EEPROM存儲器集成在一個封裝之內(nèi)，這不僅降低了成本，還提高了系統(tǒng)工作的可靠性，使電源和振蕩器能更穩(wěn)定地工作。為了實(shí)現(xiàn)MSP430F169與上位機(jī)的通信，系統(tǒng)配置了較為廉價(jià)的低電壓ISL83485芯片來進(jìn)行RS-485/RS-422通信，具備最高2.5Mbit/s的傳輸速率［6］。

1.3 無線通信模塊

智能故障監(jiān)測器的無線通信模塊采用GPRS通信模塊與ZigBee通信模塊相結(jié)合的方式。主監(jiān)測模塊上配置有GPRS通信模塊與ZigBee模塊，附屬監(jiān)測模塊上則只配置ZigBee模塊，這樣每個監(jiān)測器不僅能在一定的距離內(nèi)進(jìn)行有效的通信，而且當(dāng)線路出現(xiàn)故障時，附屬監(jiān)測器就能及時將信息發(fā)給主監(jiān)測器，主監(jiān)測器經(jīng)過一定的信息處理后立即觸發(fā)報(bào)警機(jī)制并由GSM通信將線路故障信息迅速地傳遞給供電監(jiān)控部門［7］。因此合理地配置多種通信模塊，實(shí)現(xiàn)智能組網(wǎng)，不僅不影響通信速度以及通信質(zhì)量，反而大幅降低了設(shè)計(jì)成本并增強(qiáng)了硬件電路的功能可靠性。

1.3.1 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)主監(jiān)測模塊與供電監(jiān)控部門之間的通信，并可與先進(jìn)的地理信息系統(tǒng)（GIS）共同進(jìn)行故障定位。本文選用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300芯片，支持GSM與GPRS雙模式無線通信模塊，具備語音、數(shù)據(jù)傳輸、短信息、傳真業(yè)務(wù)的通信功能，擁有4種語音編碼方式（FR/EFR/HR/ES）和 4 種數(shù)據(jù)傳輸模式（CS-1、CS-2、CS-3、CS-4），并能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900這3種頻率段。SIM300憑借其體積小、重量輕、價(jià)格低廉、接口簡單、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能遠(yuǎn)程監(jiān)控、野外數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域中［8］。選擇SIM300的主要原因是其集成了TCP/IP協(xié)議棧，有利于產(chǎn)品開發(fā)，且其功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、可靠性好。本文中的GPRS通信模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)各個主監(jiān)測模塊與供電監(jiān)控中心進(jìn)行迅速而有效的通信。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，SIM300芯片采用全串口方式與核心處理器MSP430F169進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，連接電路時要注意發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）與接收數(shù)據(jù)（RXD）方向的正確性，原理圖也應(yīng)標(biāo)明正確的I/O口方向。GPRS通信模塊的電源接入也做了特殊處理，不僅提供了2 A以上的電流，還在電源管腳上并行放置了1個100μF的低ESR鉭電容和1個10 μF的瓷片電容，很好地降低了電源的干擾從而避免模塊故障的頻發(fā)。針對敏感性器件的EMC防護(hù)，手機(jī)SIM卡與人相接觸后會產(chǎn)生一定的靜電干擾，GPRS通信模塊還額外加入了價(jià)格低廉、防護(hù)能力高的瞬態(tài)過電壓保護(hù)芯片ESD6V1W5［9］，使通信模塊的EMC防護(hù)能力達(dá)到一個較好的水平。在電路板布局中發(fā)現(xiàn)，ESD6V1W5應(yīng)盡量靠近SIM300，最小化所有的導(dǎo)電回路，以達(dá)到較高的保護(hù)水準(zhǔn)。模塊還配置了LED燈作為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，由SIM300的NETLED引腳驅(qū)動。

1.3.2 ZigBee通信模塊

ZigBee通信模塊是為了完成主監(jiān)測模塊與附屬模塊的通信以及附屬模塊與附屬模塊之間的通信而進(jìn)行配置的。本文選用的是DIGI公司生產(chǎn)的XBee模塊，是一款超小型但功能完善的ZigBee收發(fā)器（即接收器/發(fā)射器）。XBee模塊體積小、功耗低，室外傳輸距離最大能達(dá)到1.5 km，接口簡單、易于使用，并具備在工業(yè)環(huán)境中防水、防雷、防沖擊的性能［10］，非常適用于智能家居、遠(yuǎn)程控制、無線抄表、無線監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。XBee模塊與藍(lán)牙模塊相比，在電池壽命、單點(diǎn)覆蓋距離、安全性與使用難易度上都具有非常大的優(yōu)勢，文中采用XBee模塊主要是完成電力線路中各個故障監(jiān)測器1.5 km范圍之內(nèi)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。XBee模塊通過UART接口直接與MSP430F169控制器相連，DI引腳作為UART的信號輸入與微控器的TXD相連，DO引腳作為UART數(shù)據(jù)輸出與微控器的RXD相連。XBee是半雙工器件，因此還需連接RTS（請求發(fā)送）與CTS（清除發(fā)送）引腳，即設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)時不接收數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)時不發(fā)送數(shù)據(jù)。在實(shí)踐中，為了避免模塊無法迅速處理接收的緩沖數(shù)據(jù)，可利用CTS引腳來避免發(fā)送接收緩沖溢出的問題［11］。需要注意的是，XBee模塊的電源電壓必須經(jīng)電容退耦合，并盡量靠近電源的引腳。Xbee模塊的通信原理框圖如圖3所示。

圖3 XBee模塊通信原理框圖Fig.3 Schematic diagram of XBee communication module

1.3.3 故障定位技術(shù)

故障監(jiān)測器的探頭分別安裝在各線路分支部分的分支線上，通過取能線圈取能或太陽能取電方式獲得工作電源后，采用測量線圈監(jiān)測線路電流，當(dāng)電力線路出現(xiàn)短路或者接地故障發(fā)生時，故障監(jiān)測器就能迅速地檢測到短路故障電流或者特定的信號電流，此時，主監(jiān)測模塊就能通過無線自組網(wǎng)技術(shù)獲得相鄰線路的故障電流信息。調(diào)度中心或相關(guān)檢修部門在接收到主監(jiān)測模塊的報(bào)警后，采用自動定位分析軟件根據(jù)各通信節(jié)點(diǎn)上報(bào)的故障監(jiān)測信息，利用相應(yīng)的故障定位算法就能定位出故障所在區(qū)段。

故障監(jiān)測器還配置了特殊的、高亮度LED來進(jìn)行故障線路的現(xiàn)場報(bào)警與提示，能在電力線路發(fā)生故障時閃爍強(qiáng)烈的紅光。實(shí)驗(yàn)證明，故障監(jiān)測器在夜晚能在約240 m的范圍內(nèi)被裸眼準(zhǔn)確觀測到。

2 故障監(jiān)測器軟件設(shè)計(jì)

針對MSP430微控器，本文采用了IAR System公司的C編譯器IAR Embedded Workbench for MSP430 v4.11B。IAR嵌入式工作平臺給多樣化的MSP430目標(biāo)處理器提供了強(qiáng)有力的開發(fā)環(huán)境，具備簡單實(shí)用的文本編輯器以及帶有MSP430特性的編譯器、匯編器、連接器和調(diào)試器［13］。

本文介紹的故障監(jiān)測器采取的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示?？傮w思路如下：程序開始運(yùn)行，首先初始化MSP430微控器（包含數(shù)據(jù)采集模塊的初始化設(shè)置）、GPRS模塊、ZigBee模塊；完成初始化后，考慮到節(jié)能以及功耗問題，系統(tǒng)進(jìn)入LPM3低功耗模式，數(shù)據(jù)采集模塊開始周期性地對線路電流信號進(jìn)行實(shí)時迅速的采樣；當(dāng)監(jiān)測到故障信號時，立即喚醒CPU，使微控器進(jìn)入正常工作狀態(tài)，利用故障分析子程序?qū)Σ杉墓收闲盘栠M(jìn)行分析與處理，再將分析結(jié)果傳遞給主監(jiān)測模塊，然后主監(jiān)測模塊根據(jù)故障綜合分析程序，綜合判斷各相故障，初步得出線路故障類型［14］。此時，各監(jiān)測模塊立刻采取聲光報(bào)警模式，同時主監(jiān)測模塊迅速地將故障相關(guān)信息及分析結(jié)果發(fā)給供電監(jiān)測中心，當(dāng)監(jiān)測模塊接收到供電監(jiān)測中心的回復(fù)后自動檢測線路的電源供給方式。如果線路沒有停電事故，則立即清除標(biāo)志位并重新開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，等待可能發(fā)生的新的故障；如果線路發(fā)生停電事故，則接通太陽能電源與電池進(jìn)行循環(huán)供電，當(dāng)監(jiān)測到線路恢復(fù)正常用電時，切斷太陽能，利用線路上的電能進(jìn)行供電［15］。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Flowchart of system software

3 故障監(jiān)測原理

本文介紹的故障監(jiān)測器主要從短路故障與單相接地故障兩方面進(jìn)行檢測。電力系統(tǒng)的短路故障指的是能引起電流急劇增大、電壓大幅下降，進(jìn)而導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞的相與相或相與地之間的短接。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時，一般會出現(xiàn)較大的電流突變或者線路停電事故，智能故障監(jiān)測器很容易識別與判斷此種短路故障。文中介紹的故障監(jiān)測器采用了過電流法來識別與監(jiān)測電力線路短路故障，即當(dāng)檢測電流超過預(yù)先整定的某個數(shù)值時，故障監(jiān)測器迅速在線路現(xiàn)場報(bào)警并遠(yuǎn)程傳送故障信號與故障信息。

然而配電線路所發(fā)生的故障中絕大部分是單相接地故障。由于單相接地故障時不形成短路回路，只在系統(tǒng)中產(chǎn)生很小的零序電流，不影響電力系統(tǒng)正常工作，這樣能夠提高供電的持續(xù)性和可靠性。但是小電流接地系統(tǒng)運(yùn)行方式多樣，線路結(jié)構(gòu)多變，故障情況復(fù)雜，單相接地故障電流僅為線路對地電容電流或消弧線圈補(bǔ)償后的殘流，數(shù)值非常小，故障特征不明顯，因而故障點(diǎn)查找起來非常復(fù)雜。文中主要采用的是零序電流檢測法，即是利用線路零序電流的幅值及相位特征來進(jìn)行電力線路故障區(qū)的監(jiān)測。監(jiān)測原理為：中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生永久性單相接地故障時，非接地線路的零序電流等于該線路三相對地電容電流的相量和，方向從母線流向線路；而接地線路的零序電流等于所有非故障線路零序電流的相量和，方向從線路流向母線。這樣，故障監(jiān)測器就能利用零序電流的方向和幅值的變化來對故障線路進(jìn)行監(jiān)測［16］。

零序電流檢測法理論上是可行的，但是一般零序電流互感器精度低。當(dāng)一次側(cè)零序電流在5 A以下時，變比誤差可達(dá)10%以上，角誤差達(dá)20°以上。當(dāng)一次零序電流小于1 A時，二次側(cè)基本無電流輸出，無法保證接地檢測的準(zhǔn)確度。為此，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測器采用了5次諧波法。采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，由于零序阻抗趨于無窮大，3次與3次整倍數(shù)的諧波很難通過，所以接地電流中基本不包含3次與3次整倍數(shù)的高次諧波，這樣在發(fā)生單相故障時5次諧波分量就比較明顯，此時對線路電流進(jìn)行5次諧波采樣，就能判斷出線路發(fā)生接地故障。

4 結(jié)語

本文介紹的智能遠(yuǎn)程故障監(jiān)測器采用了當(dāng)今主流的功能較強(qiáng)大的MSP430F169微處理器，經(jīng)由一些低廉高效的外圍電路相連接后，能很好地采集與處理實(shí)時線路信息，通過監(jiān)測電力線路的電流變化來識別線路故障，并采用先進(jìn)的無線自組網(wǎng)技術(shù)來進(jìn)行故障自動定位；電源采用多種供電方式在不同場合交替使用的設(shè)計(jì)方案，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性；各通信模塊之間利用通信效率高且非常安全的ZigBee通信傳遞方式，其中的主模塊與供電監(jiān)控中心采用GPRS通信。經(jīng)初步試驗(yàn)后，智能遠(yuǎn)程故障監(jiān)測器能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。