陳思敏 邱南翔 趙禾畦 王日安 郭謀發(fā)

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分布式配電網(wǎng)單相接地故障錄波裝置研制

陳思敏 邱南翔 趙禾畦 王日安 郭謀發(fā)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

本文介紹了一種分布式配電網(wǎng)接地故障錄波裝置的系統(tǒng)構(gòu)成及軟硬件設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)。接地故障錄波裝置設(shè)計(jì)為電壓型和電流型故障錄波裝置，可分別實(shí)現(xiàn)對(duì)母線三相電壓和零序電壓以及饋線三相電流和零序電流的接地故障錄波。文中介紹了接地故障錄波功能實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，如嵌入式模塊化設(shè)計(jì)方法、故障錄波的起動(dòng)、故障數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)、GPRS通信等。裝置分散安裝于10kV母線柜和各饋線出線柜中，電壓電流信號(hào)就地采集存儲(chǔ)，各饋線的電流型故障錄波裝置通過RS485通信，與母線的電壓型故障錄波裝置交互數(shù)據(jù)，再由電壓型故障錄波裝置與主站通信，現(xiàn)場(chǎng)接線簡(jiǎn)單，可靠性高。

配電網(wǎng)；單相接地；故障錄波；模塊化設(shè)計(jì)；GPRS通信

由于配電網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，主站對(duì)于故障信息的采集能力提出了更高要求[1]。故障錄波裝置因能夠記錄故障過程的完整信息而得到廣泛應(yīng)用。近年來，故障錄波裝置的相關(guān)研究一直在深入進(jìn)行，文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種集中式故障錄波裝置，依靠前置機(jī)采集數(shù)據(jù)，中間層傳輸數(shù)據(jù)，后臺(tái)機(jī)集中管理分析數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一套基于高性能集成芯片的故障錄波裝置，并免去不間斷運(yùn)行的后臺(tái)機(jī)，可靠性、靈活性較傳統(tǒng)錄波器高。文獻(xiàn)[4]介紹了一套超（特）高壓電網(wǎng)故障錄波系統(tǒng)，系統(tǒng)的裝置組網(wǎng)運(yùn)行且便于檢測(cè)。已有文獻(xiàn)就錄波裝置的系統(tǒng)構(gòu)成、硬件配置、錄波效率與可靠性等方面不斷進(jìn)行研究和改進(jìn)[5-7]。隨著計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷發(fā)展，故障錄波裝置在存儲(chǔ)容量、采樣精度、采樣速度與通信性能上仍具提升空間。運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表明，配電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障的概率最高，約占總故障的80%，且故障特征不明顯，選線困難[8-10]。因此，研究出一套適用于配電網(wǎng)，并反映單相接地故障的錄波裝置能有效提高供電可靠性[11-12]。

本文研制了一種分布式配電網(wǎng)單相接地故障錄波裝置，采樣速率高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大，通信方式易于滿足配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)施條件。為適應(yīng)配電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)通信條件的不確定性，故障錄波裝置采用GPRS通信方式與上位機(jī)通信，并預(yù)留有以太網(wǎng)通信接口。故障錄波裝置采用分布式安裝方式，開放性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)功能升級(jí)。相較于集中式故障錄波裝置，這種安裝方式節(jié)省了二次電纜，且單條饋線上錄波裝置的故障不會(huì)波及其他裝置[13-15]，可靠性高。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

單相接地故障錄波系統(tǒng)由10kV配電網(wǎng)、單相接地故障錄波裝置、通信模塊以及上位機(jī)構(gòu)成。其中單相接地故障錄波裝置分為電壓型和電流型，二者之間以RS485通信方式傳輸數(shù)據(jù)[16]。在10kV母線柜中安裝一臺(tái)電壓型故障錄波裝置，從電壓互感器低壓側(cè)星形繞組處測(cè)取三相電壓，開口三角形繞組處測(cè)取零序電壓；在各出線柜中安裝一臺(tái)電流型故障錄波裝置，從電流互感器低壓側(cè)繞組測(cè)取三相、零序電流。電壓型故障錄波裝置通過GPRS通信方式，集中上傳各裝置所采集到的數(shù)據(jù)至上位機(jī)。單相接地故障錄波系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

圖1 單相接地故障錄波系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 單相接地故障錄波裝置的硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊化設(shè)計(jì)

單相接地故障錄波裝置通過PCB的模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單相接地故障起動(dòng)以及故障數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與上傳。電壓型故障錄波裝置設(shè)計(jì)為電壓采集板、電壓CPU板、通信板和母板4個(gè)模塊，設(shè)計(jì)框圖如圖2（a）所示，實(shí)物圖如圖3所示。電流型故障錄波裝置設(shè)計(jì)為電流采集板、電流CPU板和母板3個(gè)模塊，設(shè)計(jì)框圖如圖2（b）所示，實(shí)物圖如圖4所示。

圖2 單相接地故障錄波裝置設(shè)計(jì)框圖

圖3 電壓型故障錄波裝置實(shí)物圖

圖4 電流型故障錄波裝置實(shí)物圖

采集板用于配電網(wǎng)電壓量、電流量的采集，采集變換后的電氣量經(jīng)濾波電路輸入CPU板上的采樣芯片。CPU板是錄波裝置的控制核心，用于下發(fā)故障起動(dòng)與判別、故障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與上傳等關(guān)鍵指令。通信板是模塊化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，通信板上的MCU調(diào)控裝置間以及裝置與上位機(jī)間的通信。CPU板與通信板間經(jīng)RS485通信方式傳輸數(shù)據(jù)，并由通信板上的GPRS通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。母板上設(shè)計(jì)有電通路，采集板、CPU板與通信板通過哈丁端子插于母板上實(shí)現(xiàn)板間電路連通。

2.2 采集板與CPU板設(shè)計(jì)

電壓采集板采用變比為200V/3.53V、型號(hào)為TR1101-4G的電壓互感器，用于采集母線三相電壓、零序電壓。電流采集板采用變比為100A/3.53V、型號(hào)為TR0101-4G的三相電流互感器與變比為40A/ 3.53V、型號(hào)為TR01153-2G的零序電流互感器，分別用于采集饋線上的三相電流與零序電流。CPU板硬件設(shè)計(jì)包含MCU、采樣芯片、電源模塊、晶振電路、復(fù)位電路、撥碼開關(guān)、掉電保持電路、狀態(tài)指示電路、JLINK調(diào)試接口、外部存儲(chǔ)器與RS485通信模塊。CPU板硬件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 CPU板硬件設(shè)計(jì)框圖

電源模塊將220V的交流電源轉(zhuǎn)換為3.3V、5V和2.5V，供給MCU以及采樣芯片。外部晶振源選用8MHz。復(fù)位電路選用芯片IMP706，由引腳RST實(shí)現(xiàn)復(fù)位，引腳WDI實(shí)現(xiàn)硬件看門狗。以撥碼開關(guān)的不同撥碼狀態(tài)表示為二進(jìn)制數(shù)值，用于給錄波裝置賦不同的地址標(biāo)識(shí)。掉電保持電路中以3.6V紐扣電池作為MCU的備用電源。狀態(tài)指示電路包括電源接通、故障起動(dòng)、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)通信4種狀態(tài)；JLINK調(diào)試接口用于MCU的程序燒寫與調(diào)試。外部存儲(chǔ)器選用SST26VF032B，用于存儲(chǔ)母線電壓、饋線電流數(shù)據(jù)，具有四線SPI接口、非易失電、擦除能力高等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了MCU片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限的缺陷。故障錄波裝置利用環(huán)形緩沖區(qū)的原理將數(shù)據(jù)存入外部存儲(chǔ)器，通過移動(dòng)讀指針和寫指針實(shí)現(xiàn)電壓、電流數(shù)據(jù)的讀取和寫入。MCU選用32位單片機(jī)STM32F407，采樣芯片選用14位分辨率的AD7607。MCU基于SPI通信，通過片選、地址線、時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線與采樣芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。采樣芯片內(nèi)置8路采樣通道，其中4路用于采集電壓量，另4路用于采集電流量，采樣速度達(dá)200ksps。

單相接地故障錄波裝置采集到的電氣量從采樣芯片的引腳V1—V8輸入，引腳DOUTB輸出。采樣芯片的片選引腳CS使能串行輸出數(shù)據(jù)幀，串行時(shí)鐘輸入引腳SCLK與MCU的引腳SPI1_SCK相連。過采樣模式引腳OS[2:0]組合狀態(tài)設(shè)為000，采用最大采樣速度200ksps。MCU的引腳PC4與CONVST A、CONVST B短接，控制同步采樣開始。采樣芯片輸出繁忙引腳BUSY與MCU的FSMC_D6相連，當(dāng)CONVST A和CONVST B均達(dá)到上升沿后變?yōu)檫壿嫺唠娖?，轉(zhuǎn)換過程開始，并保持輸出高電平。當(dāng)轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，BUSY產(chǎn)生下降沿，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可供讀取。AD7607采樣頻率為10kHz，一個(gè)周波采集200個(gè)點(diǎn)，采樣精度高。故障發(fā)生后，錄波裝置記錄故障發(fā)生前一個(gè)周波的數(shù)據(jù)以及故障發(fā)生后4個(gè)周波的數(shù)據(jù)，單個(gè)電氣量共采集1000個(gè)點(diǎn)。MCU與采樣芯片的電路連接示意圖如圖6所示。

圖6 MCU與采樣芯片電路連接示意圖

2.3 通信板設(shè)計(jì)

通信板的硬件設(shè)計(jì)與CPU板基本一致，但增設(shè)了GPRS通信模塊。以下具體介紹RS485通信模塊與GPRS通信模塊。

1）RS485通信模塊

2）GPRS通信模塊

圖7 RS485通信模塊

圖8 GPRS通信電路原理圖

3 故障錄波裝置的軟件設(shè)計(jì)

3.1 故障起動(dòng)與錄波

采用電壓突變量越限[17-18]為起動(dòng)算法，具體公式如下：

圖9 單相接地故障錄波裝置程序流程圖

3.2 通信規(guī)約設(shè)計(jì)

RS485通信模塊采用串口型Modbus通信協(xié)議[19]，GPRS通信模塊采用TCP/IP型的Modbus通信協(xié)議。

1）RS485通信以“信息幀”方式發(fā)生，每幀一字節(jié)，并按照1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位構(gòu)成異步串行通信?！靶畔钡母袷揭姳?，包括地址域、功能碼域、數(shù)據(jù)域、校驗(yàn)域。地址域?yàn)锽CD碼格式，用于從機(jī)校驗(yàn)自身地址與報(bào)文地址域相符時(shí)響應(yīng)報(bào)文；功能碼域指示了具體的通信內(nèi)容，包括鏈路測(cè)試、在線確認(rèn)、對(duì)時(shí)和上傳數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)域高位在前，低位在后。對(duì)于異常響應(yīng)不予處理。

表1 RS485的“信息幀”格式

2）GPRS通信模塊打開通信接口。當(dāng)單相接地故障發(fā)生后，電壓型故障錄波裝置主動(dòng)向上位機(jī)請(qǐng)求連接，通信模塊定時(shí)發(fā)送鏈路測(cè)試、對(duì)時(shí)報(bào)文，等待接收并解析報(bào)文，獲取故障電壓、電流數(shù)據(jù)。GPRS通信模塊的功能碼見表2。

表2 GPRS通信模塊的功能碼

3.3 RS485通信程序設(shè)計(jì)

RS485通信總線上為一機(jī)對(duì)多機(jī)的通信。RS485通信程序流程圖如圖10所示。常態(tài)下通信模式初始化為等待接收狀態(tài)。主機(jī)在RS485通信總線上發(fā)起通信，并依次傳送報(bào)文給從機(jī)，等待從機(jī)的應(yīng)答報(bào)文。當(dāng)從機(jī)的地址與報(bào)文中的地址相符時(shí)，從機(jī)響應(yīng)報(bào)文。響應(yīng)后，從機(jī)的RS485模塊設(shè)為發(fā)送狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存放至RS485_TX_BUF緩存區(qū)，數(shù)據(jù)利用循環(huán)函數(shù)發(fā)出。當(dāng)MCU讀取該緩存區(qū)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0時(shí)，完成數(shù)據(jù)上傳，置發(fā)送標(biāo)志位為1，并重新更改為等待接收狀態(tài)。RS485通信總線接收到數(shù)據(jù)后，主機(jī)進(jìn)入中斷處理函數(shù)，將數(shù)據(jù)存放至RS485_RX_ BUF緩存區(qū)里，經(jīng)10ms延時(shí)判斷數(shù)據(jù)接收完畢，完成數(shù)據(jù)接收。

圖10 RS485通信程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)室的配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。仿真系統(tǒng)采用阻抗標(biāo)幺值一致的等效原理，以0.4kV模擬10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室開關(guān)柜面板設(shè)有故障引出點(diǎn)和電氣量采集點(diǎn)，如圖11所示。

配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)的主接線圖如圖12所示。選取饋線2距母線1km的F1點(diǎn)為故障點(diǎn)，做A相接地故障錄波實(shí)驗(yàn)。

圖11 配電網(wǎng)物理仿真實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)圖

圖12 配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)主接線圖

圖13 母線三相電壓波形

圖14 母線零序電壓波形

圖15 饋線三相電流波形

圖16 饋線零序電流波形

5 結(jié)論

本文針對(duì)單相接地故障，設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)，且分散安裝于開關(guān)柜中的單相接地故障錄波裝置，詳細(xì)介紹了錄波裝置的系統(tǒng)構(gòu)架、硬件模塊化設(shè)計(jì)方法、PCB板的具體電路連接方法、故障起動(dòng)與錄波過程以及相關(guān)的通信規(guī)約等。饋線上的電流型故障錄波裝置通過RS485通信方式將故障的電流數(shù)據(jù)上傳給安裝在母線上的電壓型故障錄波裝置，后者通過GPRS通信方式將故障的電壓、電流數(shù)據(jù)一并發(fā)送給上位機(jī)，構(gòu)成了完整的單相接地故障錄波系統(tǒng)。本套故障錄波裝置在實(shí)驗(yàn)室配電網(wǎng)物理仿真系統(tǒng)中以A相接地故障為例，通過了功能測(cè)試，反應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，且存儲(chǔ)容量、采樣精度、采樣速度與通信性能都達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。可將本套分布式配電網(wǎng)單相接地故障錄波裝置進(jìn)一步結(jié)合上位機(jī)波形分析處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單相接地故障選線。

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Development of distributed single-phase-to-ground fault recorder in distribution networks

Chen Simin Qiu Nanxiang Zhao Heqi Wang Ri’an Guo Moufa

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

This paper introduces a system configuration of fault recorder of distribution networks along with the design and implementation of the system. Fault recorder designed for the voltage type and current type can separately realize fault recording of three-phase voltage and zero-sequence voltage of the bus and three-phase current and zero sequence current of the feeder. In addition, it gives the key technologies in the realization of recording function, such as embedded modular design, start up of fault recording, fault data acquisition and storage, GPRS communication etc. At last, the device are installed discretely in the 10kV bus bar cabinet and the feeder cabinets, where the voltage and current signal are collected and stored locally. Each feeder's current type fault recorder is interacted through RS485 communication, and then the voltage type fault recorder is communicated with the main station. The on-site connection is simple and works well with high reliability.

distribution networks; single-phase-to-ground; fault recording; modular design; GPRS communication

2018-03-11

陳思敏（1996-），女，福建莆田人，本科，研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)及其自動(dòng)化技術(shù)。

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201610386002）