新型配電網(wǎng)故障指示器的設(shè)計(jì)

岳仁超，孫建東

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京211106)

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新型配電網(wǎng)故障指示器的設(shè)計(jì)

岳仁超*，孫建東

(國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京211106)

摘要:介紹了暫態(tài)零模電流相似性在單相接地故障定位中的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種具有測(cè)量和通信功能的新型配電網(wǎng)故障指示器。該指示器不僅具有傳統(tǒng)故障指示器的短路接地故障告警指示功能，還具有線路電流測(cè)量功能。測(cè)量數(shù)據(jù)以及故障告警信息通過(guò)無(wú)線射頻方式傳送給數(shù)據(jù)傳輸終端，數(shù)據(jù)傳輸終端通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)傳送到配網(wǎng)自動(dòng)化主站，從而實(shí)現(xiàn)配電線路的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞:小電流接地;故障指示器;暫態(tài)零模電流;感應(yīng)取電;射頻通信

小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的檢測(cè)與定位一直是配電網(wǎng)運(yùn)行的難點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)表明，在小電流接地系統(tǒng)中，單相接地故障約占配電網(wǎng)故障的80%以上［1－2］。傳統(tǒng)故障指示器單相接地故障定位的方法主要有:(1)首半波法; (2)五次諧波法; (3)穩(wěn)態(tài)零序電流比較法; (4)零序電流突變法; (5)暫態(tài)無(wú)功功率方向法; (6)信號(hào)注入法等［3－4］。由于小電流接地系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，以上各種方法存在適應(yīng)范圍不足、定位所需信號(hào)獲取困難以及檢測(cè)裝置之間數(shù)據(jù)采集時(shí)間不同步等原因，使得小電流接地故障定位問(wèn)題尚未得到徹底解決。

針對(duì)上述現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了一種具有測(cè)量、通信功能的新型配電網(wǎng)故障指示器。該故障指示器采用獨(dú)特的交流采樣和無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)線路運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè);通過(guò)暫態(tài)零模電流相似性實(shí)現(xiàn)單相接地故障定位，為配電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠的數(shù)據(jù)保障。

1　故障指示器故障檢測(cè)原理

本文通過(guò)判斷相鄰故障指示器檢測(cè)到的暫態(tài)零模電流相關(guān)系數(shù)［5］，即判斷兩個(gè)波形的相似性來(lái)實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的檢測(cè)與定位。相鄰兩故障指示器暫態(tài)零模電流信號(hào)相關(guān)系數(shù)ρ計(jì)算公式如式(1)所示:

式中:i0M和i0Ν為相鄰兩個(gè)故障指示器的暫態(tài)零模電流采樣信號(hào); M、N代表故障指示器的編號(hào); k表示采樣序列; K為暫態(tài)零模電流信號(hào)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

相關(guān)系數(shù)ρ反映了兩個(gè)相鄰檢測(cè)點(diǎn)暫態(tài)零模電流波形的相似程度。對(duì)于故障區(qū)段兩側(cè)故障指示器檢測(cè)到的暫態(tài)零模電流波形相似度很低，相關(guān)系數(shù)ρ接近0;對(duì)于非故障區(qū)段兩側(cè)故障指示器檢測(cè)到的暫態(tài)零模電流波形相似度很高，相關(guān)系數(shù)ρ接近于1。依據(jù)此原理，依次計(jì)算故障線路各區(qū)段兩側(cè)暫態(tài)零模電流波形的相關(guān)系數(shù)并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，即可判斷故障所在區(qū)段。

當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障后，各故障指示器將采集到的暫態(tài)零模電流信號(hào)上送至主站，主站首先比較出線開關(guān)與第1個(gè)故障指示器采集的暫態(tài)零模電流波形，如果ρ＜θ(θ為閾值，取值在0.4～0.7之間，ρ＜0.4為低度相關(guān)，0.4＜ρ＜0.7為顯著相關(guān)，ρ＞0.7為高度相關(guān))，則確定故障區(qū)段;如果ρ＞θ，則為非故障區(qū)段，繼續(xù)比較第1個(gè)故障指示器與第2個(gè)故障指示器檢測(cè)到的暫態(tài)零模電流波形，依此類推，直至找到故障區(qū)段為止。

2　故障指示器軟硬件設(shè)計(jì)

2.1電源電路設(shè)計(jì)

故障指示器建設(shè)不需要更換設(shè)備、不停電、不安裝PT、CT，從而使得故障指示器的供電電源難以按常規(guī)辦法解決。目前故障指示器的取電方式有太陽(yáng)能電池取電、感應(yīng)線圈取電和后備電池供電3種方式。考慮到太陽(yáng)能電池板的維護(hù)問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用感應(yīng)取電+鋰電池的方式供電。在線路電流達(dá)到15 A以上時(shí)，裝置依靠感應(yīng)取電供電，在線路電流較小時(shí)，采用大容量鋰電池供電。電源電路設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示［6－7］。

圖1　感應(yīng)取電供電電路

圖中，L1為取電線圈; TVS1限制取電線圈輸出的沖擊電壓，從而保護(hù)電源電路; C1用來(lái)消除差模干擾; D1、D2、D3、D4構(gòu)成全波整流橋電路，將取電線圈感應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換直流電; C2用來(lái)消除直流脈動(dòng)信號(hào); C3、C4用來(lái)消除共模干擾; D5為穩(wěn)壓管，限制過(guò)電壓，避免DC－DC模塊受損壞。

2.2電流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

該故障指示器線路電流測(cè)量采用特制感應(yīng)線圈、信號(hào)調(diào)理電路以及射頻同步電路來(lái)保證電流測(cè)量精度。

信號(hào)調(diào)理電路主要分為低通濾波和程控增益放大兩部分。為了消除感應(yīng)線圈產(chǎn)生的高次諧波，在信號(hào)輸入端設(shè)計(jì)了二階有源低通濾波電路。因?yàn)榱砍谭秶^大，為了最大限度利用AD性能，將整個(gè)量程劃分為0～100 A、100 A～500 A、500 A～1 000 A、1 000 A～1 500 A 4段，分段給予不同的增益放大，放大電路采用同相比例放大電路，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn)。

射頻同步電路中，通信終端定時(shí)發(fā)送廣播報(bào)文，故障指示器在收到廣播報(bào)文后同步采樣，利用中斷及時(shí)響應(yīng)可以使得3相近似同步采樣。

測(cè)量電路如圖2所示。L2為感應(yīng)線圈，R1、C1與R2、C2構(gòu)成二階RC濾波電路，R3、Rf1、Rf2、Rf3、Rf4構(gòu)成同相比例放大電路。處理器通過(guò)判斷輸入信號(hào)的大小，發(fā)出控制信號(hào)到譯碼器，由譯碼器控制模擬開關(guān)，從而控制反饋電阻，達(dá)到控制放大倍數(shù)的目的。

圖2　電流測(cè)量電路

2.3無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

無(wú)線通信模塊采用芯片NRF905，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置，具有低功耗、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。天線可放置在PCB板上，發(fā)射功率最大為+10 dB，傳輸距離可達(dá)50 m以上［8］。由NRF905組成的無(wú)線通信接口電路如圖3所示。

圖3　NRF905接口電路

PWR_UP為模塊上電使能; TRX_CE為工作模式選擇，決定無(wú)線模塊工作在接收狀態(tài)或發(fā)送狀態(tài); TX_EN為接收使能，決定無(wú)線模塊是否進(jìn)行數(shù)據(jù)接收; CSN為SPI使能; SCK為無(wú)線模塊時(shí)鐘信號(hào); MOSI、MISO為單片機(jī)與無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸端口; AM為地址匹配信號(hào); DR為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài); CD為載波監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)是否有數(shù)據(jù)傳到無(wú)線模塊。以上各信號(hào)分別與單片機(jī)相連，在單片機(jī)的控制下，通過(guò)SPI口完成測(cè)量數(shù)據(jù)的讀入讀出，通過(guò)NRF905的發(fā)送和接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

2.4故障顯示電路設(shè)計(jì)

故障指示器通過(guò)白天翻牌、夜間閃光的方式指示故障，翻牌顯示電路如圖4所示。正常情況下，RED、WHT分別為低電平，當(dāng)線路發(fā)送故障時(shí)，單片機(jī)給RED一個(gè)高電平脈沖，故障指示器翻牌;當(dāng)線路恢復(fù)正常后，單片機(jī)給WHT一個(gè)高電平脈沖，故障指示器復(fù)歸。

圖4　故障指示器翻牌顯示電路

故障指示器閃光顯示電路如圖5所示。正常情況下，LED為低電平;當(dāng)線路發(fā)送故障時(shí)，單片機(jī)給LED交替發(fā)送高低電平脈沖，發(fā)光二極管閃爍顯示故障。

圖5　故障指示器發(fā)光顯示電路

2.5軟件設(shè)計(jì)

故障指示器軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、故障判斷、數(shù)據(jù)傳輸、故障顯示等，主程序流程圖如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

該新型故障指示器的電流測(cè)量范圍為3 A～1 500 A，在3 A～100 A范圍內(nèi)，測(cè)量精度為±3 A; 在100 A～1 500 A范圍內(nèi)，測(cè)量精度為±3%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的兼有測(cè)量和通信功能的新型配電網(wǎng)故障指示器，通過(guò)檢測(cè)相鄰故障指示器的暫態(tài)零模電流，利用通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，在主站實(shí)現(xiàn)故障定位，充分利用了現(xiàn)有資源，減少了投資，為小電流接地系統(tǒng)故障定位提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)可行的解決方案。

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岳仁超(1982－)，男，漢族，山東日照人，國(guó)電南瑞科技股份有限公司，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、配網(wǎng)自動(dòng)化，331332348@qq.com。

Onboard Binding System Design Based on 1-Wire Bus*

YANG Guohuan1，ZHANG Xiaoming1，2*，LAI Zhengxi1，ZHAO Daidi1
(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Key laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Aiming at the binding problem of the initial parameter of the navigation system of conventional bombs in guided rebuilding before launching，we put forward a way of Communication storage technology using One-Wire Bus to transfer the initial data.In order to attain the goal of data binding，we firstly designed the overall program.Then we designed the hardware circuit and the corresponding software.At last，we do some experiments to improve the reliability of this scheme and to test the transmission speed of the system.The experiments show that this scheme is reliable，and the data transmission speed is also in line with the requirements of design.The time of writing and reading 8 byte only respectively need 22 ms and 10 ms.The design parameters provides a reliable solution for ammunition shoot before binding，and it has good engineering application prospects in the intelligent control and intelligent of conventional ammunition fuze.

Key words:conventional bomb guidance; binding detonator; one-wire bus; reliable; transmission speed

doi:EEACC:795010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.027

收稿日期:2014－09－18修改日期:2014－10－17

中圖分類號(hào):TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0845－04