劉嘉美，劉亞東，代杰杰，楊軍虎，李曉博，盛戈皞，江秀臣

(1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240;2.國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 253000)

0 引言

配電網(wǎng)的故障定位是配電自動化的關(guān)鍵組成部分。在配電網(wǎng)發(fā)生故障后，對故障點(diǎn)及時、準(zhǔn)確的定位是快速消除配電網(wǎng)故障的基礎(chǔ)，對于保障用戶供電有著重大意義。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國配電網(wǎng)中發(fā)生的故障主要為單相接地故障，其中架空線配網(wǎng)故障中，單相接地故障所占比例高達(dá)80%以上［1］。因此，開發(fā)可定位單相接地故障的配電網(wǎng)故障定位裝置對配電網(wǎng)安全而穩(wěn)定地運(yùn)行、提高供電可靠性有重大意義。

當(dāng)前用于配電網(wǎng)單相接地故障定位的裝置研發(fā)主要有兩種類型，F(xiàn)TU［2］(Feeder Terminal Unit)以及故障指示器［3］。由于 FTU 成本巨大，且體積較大，需要安裝在線柱或配電柜內(nèi)，無法安裝在架空線上，上述原因造成用于故障定位的FTU難以在配電網(wǎng)大規(guī)模高密度布局;故障指示器一般不具有數(shù)據(jù)存儲的功能，且由于故障指示器的電源所限，通常無法負(fù)擔(dān)遠(yuǎn)距離通訊模塊所需功率。

基于以上問題，本文闡述了一種基于廣域測量信息的配網(wǎng)故障定位裝置設(shè)計，并通過實驗驗證了數(shù)據(jù)采集的可靠性以及裝置無線通訊可行性。

1 配電網(wǎng)故障定位裝置的總體設(shè)計方案

1.1 配電網(wǎng)故障定位裝置的總體結(jié)構(gòu)

廣域測量需要獲得每個故障定位節(jié)點(diǎn)的三相同步電流數(shù)據(jù)，以提取故障信息。若使用信號線纜將三相的裝置連接，則增大了相間短路的風(fēng)險，為線路安全考慮，三相間不宜使用有線的方式進(jìn)行連接。本文均采用無線的方式實現(xiàn)通訊。裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 裝置的各功能單元設(shè)計

每一相的裝置都由三個功能單元組成，分別為電流傳感單元、數(shù)據(jù)采集終端以及感應(yīng)取能電源，如圖2。

電流傳感單元包含印制板羅氏線圈及信號調(diào)理放大電路［4］。線路從印制板羅氏線圈中穿過，感應(yīng)線路電流并產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)調(diào)理后送至數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行采樣。數(shù)據(jù)采集終端以低功耗處理器MSP430F5438為主控制器，GPS模塊用于同步測量，Zigbee模塊用于相間數(shù)據(jù)及指令傳輸，并配備GPRS模塊，用于與遠(yuǎn)程監(jiān)控主站通訊。感應(yīng)取能電源［5］的磁芯通過電磁感應(yīng)從線路電流中獲取能量，經(jīng)過整流濾波電路為數(shù)據(jù)采集終端供電。

圖2 故障定位裝置的功能單元

2 廣域測量采集裝置的硬件設(shè)計

2.1 主控制器

主控芯片選擇美國德州儀器生產(chǎn)的16位精簡指令集處理器MSP430F5438。在芯片資源方面，該芯片具備了4個通用串行通訊接口，可滿足ZigBee、GPS等模塊對串口資源的需求;12位A/D轉(zhuǎn)換器可用于采樣電流傳感單元輸入的模擬信號;SPI接口可外圍存儲波形數(shù)據(jù)的鐵電存儲器同步通信;其內(nèi)置的DMA控制器可用于CPU在低功耗狀態(tài)時將采樣數(shù)據(jù)寫入到鐵電存儲器內(nèi)，25MIPS的高性能使得對電流數(shù)據(jù)波形的FFT計算成為可能。

2.2 GPS模塊

為了同步測量電流相量，以及給錄波信息加蓋絕對時間戳，GPS模塊需要給控制器提供絕對時間信息。當(dāng)相位測量的精度要求為50 Hz下0.1°時，GPS模塊的時間誤差應(yīng)在 5 μs以下。本裝置選用瑞士U-blox公司Fastrax IT530微型 GPS模塊。該模塊的PPS秒脈沖誤差僅為1 μs，可以很好地滿足同步采樣的需求。其與主控制器的接口連接如圖3所示。

圖3 MSP430F5438與IT530主要接口

2.3 ZigBee模塊

ZigBee模塊負(fù)責(zé)通過GRPS通信的A相將未裝備GPRS模塊的B、C相終端采集的電流數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控主站，A相經(jīng)ZigBee模塊向B、C兩相發(fā)送控制指令［6］。本裝置中，選擇美國Digi公司生產(chǎn)的XBee DM2.4嵌入式射頻模塊執(zhí)行不同的相之間的短距離通訊業(yè)務(wù)。其管腳連接與功能如表1所示。

表1 XBee DM2.4的管腳連接及功能

2.4 GPRS通訊模塊

故障定位裝置通過GPRS通訊模塊接收遠(yuǎn)程監(jiān)控主站的控制命令并上傳故障電流數(shù)據(jù)。選擇Motorola的G24模塊作為GPRS通訊模塊的主要部分。G24工作時需連接SIM卡，故在電路板上需要加裝SIM卡槽。連接MSP430F5438的UART3與TXD、RXD與 G24的 TXD、RXD。RI連接 MSP430F5438的中斷源，當(dāng)模塊收到信息后會向控制器提請中斷如圖4所示。

圖4 MSP430F5438與G24的主要接口

3 廣域測量采集裝置軟件設(shè)計

定位裝置分A相節(jié)點(diǎn)和B、C相節(jié)點(diǎn)，A相節(jié)點(diǎn)為裝有GPRS模塊的主節(jié)點(diǎn)。初始化配置完成后，以DMA方式持續(xù)對電流進(jìn)行采樣。主循環(huán)中，依次查詢裝置電源狀態(tài)、監(jiān)控主站狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)動作。MSP430F5438本身可根據(jù)采集到的電流數(shù)據(jù)通過FFT獲得電流幅值并在發(fā)生閾值越限時報警。通過結(jié)合GPS秒脈沖、GPS報文和MSP430F5438的RTC時鐘，對采樣數(shù)據(jù)加蓋絕對時間戳。接到監(jiān)控主站的命令后，A相通過ZigBee向其余兩相請求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)首先存儲到鐵電存儲器，并整體打包并通過GPRS通訊上傳至主站。主節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計如圖5。

4 裝置測試

裝置測試基于其各項功能指標(biāo)，如表2。

表2 裝置功能指標(biāo)

圖5 軟件總體設(shè)計流程圖

4.1 采集精度測試

裝置線上測試圖如圖6。

圖6 裝置線上測試圖

使用圖6的實驗平臺，數(shù)據(jù)采集終端以4 kHz的采樣頻率進(jìn)行采集，將采樣數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集終端的串口輸出到PC并保存，使用MATLAB計算電流幅值，將所得結(jié)果與實際電流幅值對比，結(jié)果如表3所示。

可見在50 A至800 A范圍內(nèi)，采集所得的電流幅值的精確度在2%以內(nèi)。

4.2 相間通訊測試

通常配電線路的相間距為數(shù)十厘米到三米以內(nèi)，裝置若要正常通訊，需保證兩相間的ZigBee可通信距離大于相間距。本裝置工作于配電線路的架空線上，可能遇到較復(fù)雜的電磁環(huán)境。為了模擬實際線路的情況，用高壓發(fā)生器產(chǎn)生6 kV的電壓，將故障定位裝置A機(jī)掛裝于線路，實驗人員手持B機(jī)，與A機(jī)距離5 m，兩機(jī)均離地 面 1.3 m，如圖7。

編寫程序使A機(jī)向B機(jī)發(fā)送200個包，記錄收到的包總數(shù)，計算丟包率，改變測試距離重復(fù)試驗，結(jié)果如表4所示。

圖7 高壓發(fā)生器與通訊測試

表3 電流采集測試結(jié)果

表4 通訊測試結(jié)果

由測試結(jié)果可見，在9 m距離內(nèi)，丟包率為0。配電網(wǎng)的相間距通常為幾十厘米至三米以內(nèi)，測試結(jié)果驗證了配電網(wǎng)故障定位裝置使用ZigBee模塊進(jìn)行相間通訊的可行性。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于廣域測量信息的配網(wǎng)故障定位裝置，主要結(jié)論如下:

(1)本裝置在電流幅值為50 A至800 A的范圍內(nèi)，采集效果均很理想，誤差可保持在允許范圍之內(nèi);

(2)本裝置相間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊，實測證明這種設(shè)計可在實際距離內(nèi)安全通信，丟包率接近于零;

因此，本裝置具有較好的數(shù)據(jù)采集的可靠性以及通訊的可行性，可很好解決目前大多數(shù)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集裝置存在的問題，具有很大的應(yīng)用前景。

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