基于ARM低壓注入式智能開關研究

歐傳剛， 周強， 陳琛

(南瑞集團有限公司(國網(wǎng)電力科學研究院有限公司)，江蘇 南京 211106)

基金項目:分布式新能源規(guī)模接入下的配電網(wǎng)運檢安全防護技術研究與關鍵設備研制項目(524608160036)

0 引 言

在低壓配電系統(tǒng)中，線路在出現(xiàn)故障跳閘后，開關重合閘前未對系統(tǒng)進行故障檢測，容易造成帶故障進行合閘。線路帶故障重合閘不僅會對系統(tǒng)造成不利影響，而且會對人身帶來危險，低壓線路在系統(tǒng)中分補分散，使用人員為非專業(yè)人員，因此低壓線路的安全性尤為重要。隨著社會的發(fā)展，停電時間也關系到經(jīng)濟的發(fā)展，時間越短造成的損失越少。

現(xiàn)階段，對于合閘前線路故障主要采用以下兩個方法：①通過自適應重合閘的方法，主要用來鑒別永久故障和瞬時故障；②將由晶閘管組成的檢測電路并聯(lián)到開關上，通過晶閘管導通不同導通角，計算線路阻抗來檢測故障[1-2]。

在此基礎上提出了基于ARM低壓注入式智能開關[3]，通過向系統(tǒng)中注入低壓信號來辨別單相、相間故障，并且將故障以及定位發(fā)送到檢修人員手機中。

1 智能開關的基本思路

低壓注入式智能開關工作原理如圖1所示，該開關由開關本體、故障檢測模塊、GPRS模塊、GPS模塊和手機APP組成，通過手機APP端可以查看到開關的狀態(tài)，需要檢修電路時可以通過手機控制開關進行分合閘操作。

圖1 基本原理圖

圖2 檢測示意圖

開關的核心模塊是故障檢測模塊，該模塊通過向系統(tǒng)注入小電壓信號[4-5]，對負載端的電壓進行檢測，當合閘前檢測到故障時閉鎖合閘，若故障解除繼續(xù)合閘，檢測示意圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)組成與功能實現(xiàn)

由圖2可

知，該開關的檢測模塊主要包括3個部分，注入相選擇、故障采樣回路、GPRS通信以及GPS模塊。圖3是整個檢測模塊的原理圖。

圖3 檢測模塊原理圖

2.1 注入相選擇模塊

由圖2可知，當開關合閘之后信號注入回路的末端和系統(tǒng)A相連接在一起，如果信號注入回路未被斷開，A相電壓會在信號注入回路中形成回路，電流過大，燒壞電路，開關設計初期未添加反饋回路，出現(xiàn)燒壞電路板情況，所以開關中的注入相選擇模塊采用的繼電器為帶反饋信號繼電器，用來判斷檢測回路有沒有被切除，當信號注入回路被斷開后才能進行合閘操作。

2.2 故障采樣模塊

開關采用的采樣電路如圖4所示，使用差分電路進行采樣[6]，將采到的電壓信號上抬1.25 V，使采樣電壓滿足0～3.3 V，電路末端通過兩個二極管對采樣信號進行限幅，防止電壓過大損壞CPU。

圖4 采樣電路

2.3 GPRS模塊和GPS模塊

開關內部采用GPRS模塊和GPS模塊是SIM808，SIM8008是四頻模塊，全球可用。含有TTL電平接口等接口，能夠實現(xiàn)發(fā)短信、打電話、GPRS傳輸數(shù)據(jù)、GPS等功能，通過該GPRS模塊將開關信息發(fā)送到檢修人員手機中。

2.4 ARM模塊

該智能開關的CPU采用的是飛思卡爾MK60DN512ZVLQ10，K60具有可選的單精度浮點運算單元，高速采樣、實時并行計算特點，高達100 MHz的ARM Cortex-M4內核，多種低功耗模式，2個12位數(shù)模轉換器。

3 故障類型檢測

該檢測模塊通過降壓變壓器，將220 V交流電壓降到24 V，當開關因為故障跳閘之后，CPU通過I/O口信號控制A、B、C三相的繼電器分別導通，CPU分別對負荷端電壓 進行采集，通過對電壓的判別檢測出故障類型，最后將故障類型和GPS定位發(fā)送出去。

電力系統(tǒng)中故障主要包括單相故障和相間故障，單相故障包括單相直接接地和單相經(jīng)小電阻接地，相間故障包括相間直接故障和相間經(jīng)小電阻故障。

3.1 單相故障

對于單相故障以A相為例分析。

圖5 A向故障

3.2 相間故障

以A、B相發(fā)生故障為例分析相間故障。

圖6 A、B相故障

由圖6可知，當未發(fā)送故障時，打開A相注入信號時，B相的負荷Rb上沒有電壓，當A、B相的A′和B′之間直接短路時，Rb上出現(xiàn)電壓并且電壓值和Ra上相等；當A′和B′之間經(jīng)過小電阻短接時，Rb上會出現(xiàn)電壓，但是電壓會比Ra電壓小，由此可以檢測出相間故障類型。

根據(jù)以上分析可以很方便地得出線路中出現(xiàn)的故障類型，最終將檢測出的故障以及坐標通過短信的形式發(fā)送出去。

4 軟件流程

以A相為例進行分析，給開關上電時，首先對開關本身的保護進行檢測，主要包括過壓、欠壓、缺相，如果裝置不存在這些故障則對A、B、C相分別進行信號注入，判斷是否存在單相和相間故障，如果沒有則進行合閘操作，合閘成功短信通知檢修人員。若上電時發(fā)現(xiàn)電壓存在問題則閉鎖合閘和信號注入等待電壓恢復到正常情況并發(fā)送短信，若存在單相和相間故障閉鎖合閘等待半小時后重新檢測若故障解除則進行重合閘，發(fā)送短信。開關合閘成功后，若出現(xiàn)電壓或電流過流、漏電流則進行脫扣操作，若是短路保護則閉鎖合閘，剩余電流保護則進行二次合閘，保護存在進行分閘，閉鎖合閘，電壓保護時等待保護解除重新進行檢測，具體流程如圖7所示，以A相為例。

圖7 流程示意圖

該開關配套設計了手機APP，用于接收故障信息，該軟件可以動態(tài)添加和刪除設備以及設備對應號碼，并對信息進行保存，軟件根據(jù)設定的短信規(guī)約讀取接收到的信息，為了保證所顯示的內容更新，該軟件可以從接收到的短信中篩選最新一條短信，并對其進行解析，軟件界面圖見圖8以及定位圖見圖9所示。

圖8 軟件界面 圖9 定位圖

圖10 短信顯示

軟件界面上可以很直觀的看到裝置的故障以及保護情況，地圖通過經(jīng)緯度能夠定位并且自動規(guī)劃出最優(yōu)路徑，可以通過設備日報和月報對所有設備進行觀察，對于未安裝手機APP的客戶也可以直接從短信內容上對開關故障進行識別，根據(jù)圖9的定位和實際對比發(fā)現(xiàn)定位誤差在20 m范圍內，能夠精確對裝置定位，短信顯示圖見圖10。

短信中第一位ks表示開關狀態(tài)，ft表示故障類型，prot表示保護類型，GPS表示定位坐標，通過短信也可以讀出開關狀態(tài)，相較于APP沒有很直觀。

5 試驗驗證

為了驗證開關的實用性，制作了20臺在安徽供電公司進行試點，開關本體采用的是安徽置海公司本體，如圖11、圖12所示。

圖11 開關本體 圖12 開關運行界面

開關本體在現(xiàn)場運行半年，能夠對故障進行正確投切，并且將故障信息正確發(fā)送到檢修人員手中，通過導航快速尋找到故障開關，大大減少了停電時間。

6 結束語

綜上所述，本測試系統(tǒng)具有很多優(yōu)越性，在傳統(tǒng)的漏電保護開關上添加了故障檢測功能依據(jù)GPS定位功能，合閘前通過對線路注入小信號判斷故障是否排除，防止出現(xiàn)帶故障合閘的情況，當然本開關也存在不足之處，后期可以在開關上增加故障錄波功能，將錄波數(shù)據(jù)上傳到手機APP中，通過APP對故障波形進行分析，這樣無需去現(xiàn)場既可以對故障進行分析。

【通信作者】歐傳剛(1990-)，男，江蘇南京人，碩士，研究方向為電力電子。