高壓線故障檢測裝置設(shè)計

何曉陽，王小英

(1.中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 2211161；2.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

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高壓線故障檢測裝置設(shè)計

何曉陽1,2，王小英1,2

(1.中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 2211161；2.常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

據(jù)國家電路部門統(tǒng)計，我國的線路電壓等級高于110 kV以上的輸電總長度近106km，且線路經(jīng)過的地形復雜，故障不可避免會發(fā)生。文中介紹了通過物聯(lián)網(wǎng)和GPRS技術(shù)進行無線遠距離傳輸?shù)母邏狠斉潆娋€路故障檢測系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)能實時監(jiān)測輸配電線的運行狀況，如：電流、溫度等。并能實現(xiàn)遠程報警和自動定位功能，使其能在1 min及時將故障點通知控制中心和管理人員。整個系統(tǒng)的檢測終端結(jié)點和網(wǎng)關(guān)結(jié)點的能量采用高壓輸電線電磁線圈互感自取電技術(shù)，電源產(chǎn)品壽命無年限，使用時間較長。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；故障監(jiān)測；實時監(jiān)測；互感自取電技術(shù)

0 引言

輸配電線路分支多，分布廣，地貌環(huán)境復雜，如果輸電線發(fā)生故障(一般為短路、斷路和接地)，將會產(chǎn)生查找事故尋找困難，浪費大量物力財力，因此及時找到線路故障所在地是排除故障的第一步。

傳統(tǒng)的翻牌指示型故障指示器懸掛在架空型高壓線上，當故障發(fā)生時，會動作翻牌使其底部看上去是紅色以此指示線路故障。但是翻牌故障指示器只能檢測短路和接地故障，且功能單一、誤差大、經(jīng)常產(chǎn)生誤報和漏報。一旦線路有故障時，工作人員只能知道哪一條線路發(fā)生故障，并不清楚線路所在的具體位置。第二代基于太陽能通訊的故障指示器采用太陽能取電，電池壽命受很大影響，并受天氣影響。而且每套產(chǎn)品需要一個網(wǎng)關(guān)，如10套需要10個網(wǎng)關(guān)，運營費用高。

本系統(tǒng)所采用的基于互感器自取電[1]和GPRS技術(shù)的智能故障指示器用于在線監(jiān)測線路運行狀態(tài)，一個網(wǎng)關(guān)可以帶10套終端，通訊費用較低。這時監(jiān)測線路故障，杜絕誤報，應用ZigBee協(xié)議[2]，三個終端可以互相通訊。能幫助工作人員快速、準確的找到接地、短路和斷路故障，還可將故障點所在的具體位置和故障類型通過手機短信發(fā)送到工作人員手中，同時監(jiān)控中心的軟件上也會有相應的故障信息顯示，有效提高輸配電線路實時故障檢測的自動化水平。

1 智能故障監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于無線通訊技術(shù)的高壓線故障監(jiān)測系統(tǒng)主要采用了3個層次兩個網(wǎng)絡(luò)，3個層次分別為：遠程監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)結(jié)點、檢測終端結(jié)點。2個網(wǎng)絡(luò)分別為ZigBee短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)和GPRS通信網(wǎng)絡(luò)。其中檢測終端結(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)結(jié)點聯(lián)系起來，網(wǎng)關(guān)結(jié)點接收檢測終端結(jié)點傳過來的線路狀態(tài)數(shù)據(jù)；而網(wǎng)關(guān)結(jié)點則通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)將接收到的線路狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心的主機上；工作人員便可據(jù)此定位故障地點。整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 終端結(jié)點和網(wǎng)關(guān)結(jié)點的硬件設(shè)計

2.1 檢測終端結(jié)點的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是由網(wǎng)關(guān)與終端所構(gòu)成的智能檢測單元組成的，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：其中網(wǎng)關(guān)內(nèi)還設(shè)有GPRS無線通訊模塊，能夠與遠程監(jiān)控中心通訊。網(wǎng)關(guān)與檢測終端間通過以CC2530[3]作為控制核心的無線射頻模塊相互通訊，通過采樣線路的電流和電壓變化，實時監(jiān)測輸電線路運行情況，根據(jù)各種狀況下電壓和電流的變化特征，分析得出線路運行情況，來檢測輸電線路的瞬時性故障，保證了終端檢測的實時性和可靠性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 系統(tǒng)的電源處理設(shè)計

電源處理裝置如圖3所示，電源處理裝置通過電源線圈獲得感應電流經(jīng)整流后，通過限壓限流保護電路[4]輸入到DC-DC升降壓模塊，輸出的穩(wěn)定電壓為CC2530芯片供電和對鋰電池進行充電，還能在網(wǎng)關(guān)中為后續(xù)的DC-DC升壓提供輸入。網(wǎng)關(guān)同時包含DC-DC升壓模塊和GPRS模塊，輸入經(jīng)DC-DC升壓后變成穩(wěn)定的電壓供給GPRS模塊使用。

圖3 電源處理裝置

本裝置電源線圈采用多片硅鋼片沖壓而成的鐵芯，在鐵芯上纏繞電源線圈，通過電磁感應原理，在電源線圈輸出端得到交流電壓和電流供給后續(xù)電子器件能量。為了保護DC-DC模塊，須把整流電壓限制在指定的范圍內(nèi)，此時需要限壓限流電路來限制過大的能量輸出，也就是進行能量泄放[4]。

原理圖如圖4所示，D1采用6 V穩(wěn)壓管，當整流橋輸出電壓分壓到MOSFET上電壓大于MCH3484的導通壓降時，電路進入工作狀態(tài)，多余能量通過大功率電阻R4進行泄放；當整流橋輸出電壓較低時，此電路不工作，不會影響電源啟動電流。

圖4 限壓限流電路

2.1.2 前端升降壓電路設(shè)計

DC-DC升降壓模塊采用TOP61200芯片，輸入電壓范圍為0.3～6 V，效率高。它可以按照輸入電壓的大小自動轉(zhuǎn)換成升壓模式或者是降壓模式。通過調(diào)整分壓電阻的大小可以設(shè)定輸入低電壓鎖存，且有輸出短路保護。原理圖如圖5所示，其中C2采用5 F的超級電容，主要作用是在DC-DC穩(wěn)壓芯片供給電能充足的情況下，將一部分多余的電能儲存到超級電容里。

這個電路還具有自鎖功能，只要CC2530工作，EN就讓它處于低電平，芯片的EN管腳就始終處在高電平。這樣它就能在高壓線路上處于斷路的同時，也能由VBT提供TOP61200輸入而工作。VBT為1節(jié)鋰電池1.5 V電壓。此外，當電能充足時，由于VIN的電位比VBT高，所以大部分能量就從VIN取得。D2、D3、D4、D5均采用肖特基二極管，它的優(yōu)點是低功耗、大電流、是一種超高速半導體器件。其反向恢復時間極短，正向?qū)▔航档汀?/p>

圖5 TOP61200組成的升降壓穩(wěn)壓電路

為了使在最小母線電流20 A情況下系統(tǒng)能自供電并正常工作，需要在此電流下確定輸出功率最大，通過調(diào)試R8上的阻值，確定功率變化曲線在母線電流20 A時隨R8上的阻值變化如圖6所示。當R8取120 kΩ時，在輸入端測得的功率最大，為85 mW，則此時的輸入電壓如式(1)所示。

(1)

式中：R7取20 kΩ；VUVLO為輸入閾值電壓，內(nèi)部的閾值電壓為固定值250 mV。

通過調(diào)整R8的阻值讓輸入電壓鉗位在1.75 V，此輸入電壓Vin恰好是在母線電流20 A時輸出功率最大點，并以有滿足系統(tǒng)正常工作。

圖6 功率變化曲線圖

2.2 檢測終端結(jié)點的母線電流互感采樣模塊

母線電流互感采樣電路如圖7所示，它是在原有的鐵芯上纏繞采樣線圈2150圈，為防止瞬間感應電壓過大，保護后續(xù)電路，兩端接瞬態(tài)抑制二極管。其中Rs為采樣電阻，其流過的電流值約為母線電流值的千分之一。場效應管Q4控制采樣線圈的通斷。精密高邊電流檢測放大器LMP8645接入Rs1兩端，其中電阻RG1控制其放大倍數(shù)。它可以根據(jù)采樣電阻Rs1中的電流值輸出相應的電壓值

(2)

式中：Vs為采樣電阻Rs1兩端的電壓，內(nèi)部電阻Rin固定為5 kΩ；RG1取10 kΩ，從式中可知輸出電壓放大倍數(shù)與外接電阻大小有關(guān)；則輸出電壓放大倍數(shù)為2。

LMP8645輸出端接主控芯片的采樣端口P0.1。

圖7 電流互感采樣模塊

2.3 檢測終端結(jié)點的在線電流計算

檢測終端結(jié)點要對線路的狀態(tài)進行判斷就必須先測得母線的電流值。通過對電流互感采樣模塊輸出波形使用傅里葉變換[3]進行采樣值處理，根據(jù)奈奎斯特時域采樣定理：當時間信號函數(shù)f(t)的最高頻率分量為fmax時，采樣頻率fsample和最高頻率分量fmax滿足

fsample>2fmax

(3)

高壓輸電線上電流大小的頻率分量值為50 Hz，故采樣頻率必須大于100 Hz，這里設(shè)置采樣頻率500 Hz，并采樣10個點來進行運算，離散傅里葉變換公式如下：

(4)

式中：N為處理點數(shù)；x(n)為采樣值；X(k)為離散傅里葉變換值。這里有N=10，k=1。由X(1)即可計算50 Hz正弦波電壓幅值。

(5)

如圖8所示為計算輸出電壓幅值與母線電流擬合曲線圖，兩者成線性關(guān)系，由此可以通過計算采樣線圈輸出電壓值大小來計算出母線電流值的大小。

圖8 采樣輸出電壓與母線電流擬合曲線

2.4 檢測終端結(jié)點的ZigBee無線通信模塊[6]

ZigBee無線通信模塊內(nèi)主要采用2.4 GHz公共頻段射頻芯片CC2530。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，尤其適用于低功耗要求的系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，CC2530除了用來進行ZigBee網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)通信外，還控制著母線電流互感采樣模塊和電流互感取電模塊的開關(guān)。

為了使ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)點間的通信距離增大，通過加裝3 dB左右的全向增益天線，理論上可以使結(jié)點間的通信距離達到1 000 m，為了驗證此數(shù)據(jù)，實際測得通信距離如表1所示。

表1 通信距離測試結(jié)果 m

由測試結(jié)果看出，無線通信模塊傳輸距離在開闊無遮擋的地方可維持在820 m左右，如果樹木或者建筑物受到遮擋時，模塊間的通信距離可維持在550 m以上，依然可以滿足實際要求。

3 檢測終端和網(wǎng)關(guān)結(jié)點的軟件設(shè)計

3.1 檢測終端結(jié)點和網(wǎng)關(guān)結(jié)點的流程圖[9-10]

在測量故障時，本程序采用了實時在線監(jiān)測高壓輸電線三相固定點上的電壓和電流的變化，由于五次諧波分量對電網(wǎng)的質(zhì)量影響比較大，可以通過對半波整流后的電流波形進行傅立葉變換，采用在線路發(fā)生故障時候五次諧波的有效值大小占基波有效值大小的百分比，來判斷高壓架空線路在該點是否存在接地故障。通過測量母線電流在20～140 A情況下發(fā)生接地故障時，五次諧波的電壓幅值是線路正常時五次諧波電壓幅值的1/3～1/5，并且此時間持續(xù)20 s，則可判定線路發(fā)生接地故障。而當采集到母線上的電流大于正常運行時電流的95%時，可判定線路處于短路故障。

CC2530運行的主要流程圖如圖9所示，它主要用來監(jiān)測母線上的電流變化，根據(jù)電流的變化來判斷線路狀態(tài)以及控制備用電源模塊的充放電，并且將線路的故障信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。

圖9 CC2530判斷故障流程圖

網(wǎng)關(guān)結(jié)點無需判斷線路狀態(tài)，只需接收存儲來自故障監(jiān)測結(jié)點的狀態(tài)信息，并及時將它們通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的主機上。

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

用高壓故障模擬試驗臺來進行產(chǎn)品的驗證，線上電流調(diào)節(jié)范圍為0～200 A，在高壓故障模擬試驗臺上對系統(tǒng)進行線上電流測試，并在自主研發(fā)的終端故障檢測軟件進行實驗分析，表2中，60-0-4-20代表60號網(wǎng)關(guān)，4號終端對應的20號地址。接地故障在開啟試驗臺的瞬間，斷路故障在斷開試驗臺時。通過不斷調(diào)節(jié)高壓故障模擬試驗臺上的電流，數(shù)據(jù)充分說明在20～140 A條件下，終端軟件上能正確反映線路的實際情況(斷路部分為高壓故障試驗臺斷電情況下測得)，定位故障點的位置，并能在設(shè)定的時間內(nèi)發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)。

表2 終端軟件測得的線上電流狀態(tài)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)可以通過GPRS通訊技術(shù)，以手機短信方式快速高效的幫助工作人員找到高壓輸配線上接地、短路和斷路故障，并且遠程監(jiān)控中心可以記錄儲存故障的常發(fā)點信息，提高了工作人員的工作效率、減輕了勞動強度，實現(xiàn)了高壓輸配電線路故障檢測的自動化水平程度。而且利用ZigBee組網(wǎng)的通訊技術(shù)可以降低成本且方便可靠，為工作人員搶修線路等工作提供可靠有效的數(shù)據(jù)，可以進行大規(guī)模的推廣使用。

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《儀表技術(shù)與傳感器》雜志

刊載內(nèi)容：

傳感器技術(shù) 儀器儀表

系統(tǒng)與應用 研究與開發(fā)

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Design of Fault Detection Device of High Voltage Lines

HE Xiao-yang1,2，WANG Xiao-ying1,2

(1.School of information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221161,China；2.School of Electrical and Automatic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

According to the national circuit department statistics,our country has nearly 1 million miles transmission lines over 110 kV voltage level,and line through the terrain environment is complicated,and the failure is inevitable.This paper introduced Internet of Thing and GPRS technology for wireless long-distance transmission of high voltage transmission and distribution lines fault monitor system.The system can real-time monitor the operating conditions of the transmission and distribution wires,such as current,temperature,etc.And it can achieve remote alarm and automatic positioning function,so that it can notify the control center and management staff in a minute.Detection terminal nodes and gateway nodes energy of the entire system used high-pressure transmission line solenoid mutual self-created power technology,and the life of the power product have no years restrictions,and it can use a longer time.

Internet of Things；fault monitoring；real-time monitoring；mutual self-created power technology

國家自然科學基金項目(61273312)

2015-03-16 收修改稿日期：2015-09-16

TH702

A

1002-1841(2015)12-0032-04

何曉陽(1988—)，碩士研究生，主要研究方向為電源應用設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)。E-mail：331058511@qq.com 王小英(1975—)，工學博士，副教授，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、圖像處理。E-mail：1323454@qq.com