新型配電網故障指示器的設計

岳仁超，孫建東

(國電南瑞科技股份有限公司，南京211106)

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新型配電網故障指示器的設計

岳仁超*，孫建東

(國電南瑞科技股份有限公司，南京211106)

摘要:介紹了暫態零模電流相似性在單相接地故障定位中的應用，在此基礎上設計了一種具有測量和通信功能的新型配電網故障指示器。該指示器不僅具有傳統故障指示器的短路接地故障告警指示功能，還具有線路電流測量功能。測量數據以及故障告警信息通過無線射頻方式傳送給數據傳輸終端，數據傳輸終端通過GPRS將數據傳送到配網自動化主站，從而實現配電線路的遠程監測。

關鍵詞:小電流接地;故障指示器;暫態零模電流;感應取電;射頻通信

小電流接地系統單相接地故障的檢測與定位一直是配電網運行的難點。統計表明，在小電流接地系統中，單相接地故障約占配電網故障的80%以上［1－2］。傳統故障指示器單相接地故障定位的方法主要有:(1)首半波法; (2)五次諧波法; (3)穩態零序電流比較法; (4)零序電流突變法; (5)暫態無功功率方向法; (6)信號注入法等［3－4］。由于小電流接地系統自身的特點，以上各種方法存在適應范圍不足、定位所需信號獲取困難以及檢測裝置之間數據采集時間不同步等原因，使得小電流接地故障定位問題尚未得到徹底解決。

針對上述現象，本文設計了一種具有測量、通信功能的新型配電網故障指示器。該故障指示器采用獨特的交流采樣和無線通訊技術，實現對配電網線路運行狀態實時在線監測;通過暫態零模電流相似性實現單相接地故障定位，為配電網的安全經濟運行提供可靠的數據保障。

1　故障指示器故障檢測原理

本文通過判斷相鄰故障指示器檢測到的暫態零模電流相關系數［5］，即判斷兩個波形的相似性來實現小電流接地系統單相接地故障的檢測與定位。相鄰兩故障指示器暫態零模電流信號相關系數ρ計算公式如式(1)所示:

式中:i0M和i0Ν為相鄰兩個故障指示器的暫態零模電流采樣信號; M、N代表故障指示器的編號; k表示采樣序列; K為暫態零模電流信號的數據長度。

相關系數ρ反映了兩個相鄰檢測點暫態零模電流波形的相似程度。對于故障區段兩側故障指示器檢測到的暫態零模電流波形相似度很低，相關系數ρ接近0;對于非故障區段兩側故障指示器檢測到的暫態零模電流波形相似度很高，相關系數ρ接近于1。依據此原理，依次計算故障線路各區段兩側暫態零模電流波形的相關系數并與設定的閾值進行比較，即可判斷故障所在區段。

當線路發生單相接地故障后，各故障指示器將采集到的暫態零模電流信號上送至主站，主站首先比較出線開關與第1個故障指示器采集的暫態零模電流波形，如果ρ＜θ(θ為閾值，取值在0.4～0.7之間，ρ＜0.4為低度相關，0.4＜ρ＜0.7為顯著相關，ρ＞0.7為高度相關)，則確定故障區段;如果ρ＞θ，則為非故障區段，繼續比較第1個故障指示器與第2個故障指示器檢測到的暫態零模電流波形，依此類推，直至找到故障區段為止。

2　故障指示器軟硬件設計

2.1電源電路設計

故障指示器建設不需要更換設備、不停電、不安裝PT、CT，從而使得故障指示器的供電電源難以按常規辦法解決。目前故障指示器的取電方式有太陽能電池取電、感應線圈取電和后備電池供電3種方式。考慮到太陽能電池板的維護問題，本設計采用感應取電+鋰電池的方式供電。在線路電流達到15 A以上時，裝置依靠感應取電供電，在線路電流較小時，采用大容量鋰電池供電。電源電路設計原理圖如圖1所示［6－7］。

圖1　感應取電供電電路

圖中，L1為取電線圈; TVS1限制取電線圈輸出的沖擊電壓，從而保護電源電路; C1用來消除差模干擾; D1、D2、D3、D4構成全波整流橋電路，將取電線圈感應的能量轉換直流電; C2用來消除直流脈動信號; C3、C4用來消除共模干擾; D5為穩壓管，限制過電壓，避免DC－DC模塊受損壞。

2.2電流測量電路設計

該故障指示器線路電流測量采用特制感應線圈、信號調理電路以及射頻同步電路來保證電流測量精度。

信號調理電路主要分為低通濾波和程控增益放大兩部分。為了消除感應線圈產生的高次諧波，在信號輸入端設計了二階有源低通濾波電路。因為量程范圍較大，為了最大限度利用AD性能，將整個量程劃分為0～100 A、100 A～500 A、500 A～1 000 A、1 000 A～1 500 A 4段，分段給予不同的增益放大，放大電路采用同相比例放大電路，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的優點。

射頻同步電路中，通信終端定時發送廣播報文，故障指示器在收到廣播報文后同步采樣，利用中斷及時響應可以使得3相近似同步采樣。

測量電路如圖2所示。L2為感應線圈，R1、C1與R2、C2構成二階RC濾波電路，R3、Rf1、Rf2、Rf3、Rf4構成同相比例放大電路。處理器通過判斷輸入信號的大小，發出控制信號到譯碼器，由譯碼器控制模擬開關，從而控制反饋電阻，達到控制放大倍數的目的。

圖2　電流測量電路

2.3無線通信電路設計

無線通信模塊采用芯片NRF905，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置，具有低功耗、可靠性高的優點。天線可放置在PCB板上，發射功率最大為+10 dB，傳輸距離可達50 m以上［8］。由NRF905組成的無線通信接口電路如圖3所示。

圖3　NRF905接口電路

PWR_UP為模塊上電使能; TRX_CE為工作模式選擇，決定無線模塊工作在接收狀態或發送狀態; TX_EN為接收使能，決定無線模塊是否進行數據接收; CSN為SPI使能; SCK為無線模塊時鐘信號; MOSI、MISO為單片機與無線模塊進行數據傳輸端口; AM為地址匹配信號; DR為數據準備狀態; CD為載波監測，監測是否有數據傳到無線模塊。以上各信號分別與單片機相連，在單片機的控制下，通過SPI口完成測量數據的讀入讀出，通過NRF905的發送和接收模塊實現數據的無線傳輸。

2.4故障顯示電路設計

故障指示器通過白天翻牌、夜間閃光的方式指示故障，翻牌顯示電路如圖4所示。正常情況下，RED、WHT分別為低電平，當線路發送故障時，單片機給RED一個高電平脈沖，故障指示器翻牌;當線路恢復正常后，單片機給WHT一個高電平脈沖，故障指示器復歸。

圖4　故障指示器翻牌顯示電路

故障指示器閃光顯示電路如圖5所示。正常情況下，LED為低電平;當線路發送故障時，單片機給LED交替發送高低電平脈沖，發光二極管閃爍顯示故障。

圖5　故障指示器發光顯示電路

2.5軟件設計

故障指示器軟件設計主要包括系統初始化、數據采集、故障判斷、數據傳輸、故障顯示等，主程序流程圖如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

3　實驗數據

該新型故障指示器的電流測量范圍為3 A～1 500 A，在3 A～100 A范圍內，測量精度為±3 A; 在100 A～1 500 A范圍內，測量精度為±3%。實驗數據如表1所示。

表1　

4　結語

本文設計的兼有測量和通信功能的新型配電網故障指示器，通過檢測相鄰故障指示器的暫態零模電流，利用通信網絡傳輸數據，在主站實現故障定位，充分利用了現有資源，減少了投資，為小電流接地系統故障定位提供了一個經濟可行的解決方案。

參考文獻:

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岳仁超(1982－)，男，漢族，山東日照人，國電南瑞科技股份有限公司，工程師，研究方向為電力電子與電力傳動、配網自動化，331332348@qq.com。

Onboard Binding System Design Based on 1-Wire Bus*

YANG Guohuan1，ZHANG Xiaoming1，2*，LAI Zhengxi1，ZHAO Daidi1
(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Key laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Aiming at the binding problem of the initial parameter of the navigation system of conventional bombs in guided rebuilding before launching，we put forward a way of Communication storage technology using One-Wire Bus to transfer the initial data.In order to attain the goal of data binding，we firstly designed the overall program.Then we designed the hardware circuit and the corresponding software.At last，we do some experiments to improve the reliability of this scheme and to test the transmission speed of the system.The experiments show that this scheme is reliable，and the data transmission speed is also in line with the requirements of design.The time of writing and reading 8 byte only respectively need 22 ms and 10 ms.The design parameters provides a reliable solution for ammunition shoot before binding，and it has good engineering application prospects in the intelligent control and intelligent of conventional ammunition fuze.

Key words:conventional bomb guidance; binding detonator; one-wire bus; reliable; transmission speed

doi:EEACC:795010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.027

收稿日期:2014－09－18修改日期:2014－10－17

中圖分類號:TP23

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0845－04