基于STM32的同桿雙回線故障測距裝置設(shè)計(jì)*

邢江濤， 陳宇晨

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

同桿雙回線的輸電方式因其顯著的經(jīng)濟(jì)效益、系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性高，已經(jīng)得到越來越多的應(yīng)用。但在現(xiàn)場運(yùn)行中,雙回線故障是無法逃避的問題，且故障非常復(fù)雜，而故障定位對迅速隔離故障與及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)供電具有重要意義[1～4]，因此，成為了雙回線輸電模式研究的重中之重。

目前在故障測距研究方面2種主要的方法是單端量法和雙端量法，其中雙端量法是將線路兩端所測電氣量相結(jié)合計(jì)算故障距離。在測距算法上，目前應(yīng)用最多的為工頻法和行波法。本文提出了一種結(jié)合雙端量工頻法和六序分量法的模型，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)。

1 基本原理

同桿雙回線不僅存在相間互感，兩回線之間也存在互感。因此，要想簡化計(jì)算必須在計(jì)算方面將相間互感和線間互感簡化，在數(shù)學(xué)計(jì)算方面并不考慮互感問題，而六序分量法可以很好地解決這一問題。

1.1 六序分量法

核心是通過解耦變換將存在相間互感和線間互感的電氣量關(guān)系變成兩向(正向T、反向F)六序(正序、負(fù)序、零序)互不影響的電氣量，最終每一相的電壓和電流均可由六序分量來表示[5]，六序中的每一序都滿足歐姆定律，無須考慮互感問題，即

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式中i=0，1，2分別為零序、正序和負(fù)序。

在電力系統(tǒng)中，無論發(fā)生什么類型的故障，不論是故障相還是非故障相，均有正序電壓、正序電流。根據(jù)裝置所測電流電壓的值，計(jì)算出相應(yīng)的正序電流、正序電壓和。并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到測距模型中。

1.2 工頻法

工頻法是在電力系統(tǒng)運(yùn)行和輸電線路相關(guān)參數(shù)已知的基礎(chǔ)上，依據(jù)故障時(shí)測距裝置所測得的電氣量(電壓、電流)，計(jì)算所需特征量，依據(jù)輸電線路距離長度和特征量的關(guān)系，繼而確定故障位置[6]。圖1為雙端電源系統(tǒng)的同桿雙回線單回線故障輸電模式示意。

圖1 同桿雙回線單回線故障示意

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1.3 雙端量測距法

本文采用雙端電壓、電流法，即使用輸電線路兩端的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。本文選用不同步的測距方法，其原理為：當(dāng)某一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)通過兩端的電氣量分別計(jì)算故障點(diǎn)時(shí)的電流和電壓。理論上計(jì)算的電流向量和電壓向量應(yīng)該相等，但因?yàn)閿?shù)據(jù)的不同步性，故分別算出的障點(diǎn)處電壓、電流向量的相角可能不同，但其幅值必然相同，利用這一等式關(guān)系即可求出故障距離。其測距原理為

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2 計(jì)算流程

在對稱分量法中，電壓和電流的正序分量由發(fā)電機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)提供，因此，不論線路發(fā)生何種故障，其電壓和電流中一定含有正序分量，上述原理同樣適用于六序分量法。利用這一特性，根據(jù)式(1)可計(jì)算出線路兩端的正序電壓和正序電流。故障點(diǎn)處的電壓和電流同樣含有正序分量，利用分布參數(shù)長線模型，可計(jì)算得到兩個(gè)含有故障距離參數(shù)的向量。兩相量的幅值必然相等，聯(lián)立方程求解，得出最終的故障距離，計(jì)算過程如圖2。

3 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的故障測距裝置主要利用電壓、電流傳感器對電壓和電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將小的電壓、電流信號(hào)傳至ARM開發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終的數(shù)據(jù)結(jié)果通過LCD模塊顯示并保存在SD卡中。硬件部分主要包括電源電路、信號(hào)調(diào)理電路、ARM開發(fā)板(STM32F107VCT6)[7]、LCD顯示電路和SD卡存儲(chǔ)電路，結(jié)構(gòu)示意如圖3。采用模塊化集成的設(shè)計(jì)方案，對不同等級的電壓、電流進(jìn)行相關(guān)配置，可有效減少設(shè)計(jì)工作量。

圖2 計(jì)算流程

圖3 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 電源電路

測距裝置硬件電路的主要電壓等級為3.3，+5，-5 V，硬件裝置的外部電源由開關(guān)電源提供，輸入到系統(tǒng)電壓為±15 V，裝置內(nèi)部的電源電路將±15 V電壓分別轉(zhuǎn)換為3.3，+5，-5 V。其中3.3 V主要是為STM32F107VCT6開發(fā)板提供工作電壓[8]，+5 V和-5 V則主要為其他外圍電路提供工作電壓，電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路

3.2 調(diào)理電路

圖5和圖6分別為硬件裝置的電壓、電流采樣電路。調(diào)理電路可實(shí)現(xiàn)將輸電線路兩端的電氣特征量相量按一定比例縮小，經(jīng)過一系列變換將大電流、大電壓的信號(hào)轉(zhuǎn)化為小電流、小電壓的信號(hào)輸入到STM32F107VCT6的AD采樣通道，要求通入開發(fā)板ADC管腳的電壓在0～3.3 V。調(diào)理電路主要有互感器電路、放大電路、加法器電路和濾波電路。交流電壓互感器采用TV1013電流型互感器，交流電流互感器采用TA1015互感器，兩種互感器將所測電壓相量。

變換成毫安(mA)級電流再耦合到二次側(cè)。調(diào)理電路的后面四個(gè)部分放大電路、加法器電路和濾波電路均采用低成本的LM324四路運(yùn)算放大電路，實(shí)現(xiàn)將二次側(cè)信號(hào)變換成滿足開發(fā)板ADC通道要求的信號(hào)。

圖5 電壓采樣電路

圖6 電流采樣電路

3.3 LCD電路

液晶顯示屏采用AT45DB161D的TFT顯示屏，是128×64的點(diǎn)陣圖形液晶芯片，具有6條控制線、9條數(shù)據(jù)線，該顯示屏與STM32F107VCT6直接相連，顯示最終的測量結(jié)果。TFT LCD顯示屏模塊的控制器為ILI9320，控制器自帶顯存，大小為172 820B，對應(yīng)關(guān)系為565方式,如圖7。

圖7 LCD顯示電路

3.4 其他電路

1)SD存儲(chǔ)電路:為防止數(shù)據(jù)的丟失，每一次的計(jì)算結(jié)果都將存儲(chǔ)在SD卡中，本文選擇16 GBminiSD卡與開發(fā)板直接相連，電路連接比較簡單，不予贅述。

2)參考電源電路:為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的1.5 V的參考電壓，該電路使用的芯片是TLV431基準(zhǔn)電壓源芯片，通過調(diào)節(jié)電位器改變輸出電壓為STM32—F107VCT6的ADC提供基準(zhǔn)電壓，電路如圖8。

4 軟件設(shè)計(jì)

主要功能有數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，為保證每個(gè)任務(wù)可以獨(dú)自工作、實(shí)時(shí)無誤，在STM32F107VCT6中移植了μCOS—II操作系統(tǒng)[9]。根據(jù)上述功能對實(shí)時(shí)性要求的不同，對其程序進(jìn)行優(yōu)先級的排序。

系統(tǒng)的主程序包括硬件電路初始化、數(shù)據(jù)采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換程序、故障測距程序(包括計(jì)算及結(jié)果判斷)、LCD顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖8 參考電源電路

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)以300 km的輸電線路模型為例，以50 km為一個(gè)檢測點(diǎn)，在每個(gè)檢測點(diǎn)設(shè)置故障，等比例數(shù)據(jù)計(jì)算。以m端為原點(diǎn)觀察計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以發(fā)現(xiàn)，所有測距結(jié)果的相對誤差均小于1 %，且絕對誤差均在1 km以內(nèi)?？紤]到實(shí)驗(yàn)測量模型與現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)模型等比例縮放的差別，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果會(huì)有一定的誤差，但可以接受。

6 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明設(shè)計(jì)的測距裝置具一定的實(shí)際參考意義，可應(yīng)用到實(shí)際的工程應(yīng)用當(dāng)中。