故障電流限制器中故障傳感器的改進設計與實現

錢志

摘 要： 故障電流限制器電流迅速提升，會產生短路問題，需要通過故障傳感器檢測電流限制器中的短路故障，確保故障電流限制器的順利運行。設計并實現故障電流限制器中的故障傳感器，給出故障信號采集模塊設計過程，通過引進LM293差分比較器的整形電路進行整形，再傳遞到MSC1210單片機進行變換，并通過故障診斷模塊進行分析，將分析結果反饋到上位機中，對電流限制器的故障進行處理。給出了軟件設計過程。實驗結果表明，所設計的傳感器可及時獲取反映故障電流限制器的故障信息信號，故障信號采集效率和空間性能都較高。

關鍵詞： 故障電流限制器； 故障傳感器； 短路故障； 傳感器改進

中圖分類號： TN61?34； TM471 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0076?05

0 引 言

隨著經濟的快速增加，不同行業的電力需求不斷增強，使得電力系統規模增強，對遠距離、大規模輸電系統的運行穩定性要求較高。電網規模的不斷增加，導致電網短路容量大幅度提升，大大降低了電力系統的電能質量，通過故障電流限制器能夠避免該問題的發生[1?2]。而故障電流限制器電流迅速提升，會產生短路問題，需要通過故障傳感器檢測電流限制器中的短路故障，確保故障電流限制器的順利運行[3?5]。當前的故障檢測方法都存在一定的缺陷，如文獻[6]提出了依據SDG的故障傳感器設計方法，其是一種依據圖論模型的故障診斷方法，但是其適用于處理全局故障，無法及時進行局部故障的診斷和隔離，對其他部分產生嚴重威脅。文獻[7]通過傳感器實時檢測故障電流限制器的變量值，合理部署監控變量的傳感器，提高故障檢測效率，但是該方法的耗能量較高。文獻[8]分析了依據故障傳遞時間部署傳感器的過程，實現故障電流限制器的故障診斷和管理，但是該方法未全面分析支路傳播故障的性能干擾，具有一定的局限性。文獻[9]通過FPSDG系統模型，集成定量信息，通過故障電流限制器的故障傳播權重以及監控成本，獲取故障傳感器的分布優化設計方案，完成故障電流信號的檢測。但是該方法對系統變量的量要求較高，局限性較強。為了提高故障電流限制器中故障信號的檢測質量，設計并實現了故障電流限制器中的故障傳感器，并對其故障采集和檢測性能進行了改進。

1 故障電流限制器中故障傳感器的改進設計和實現

1.1 故障傳感器硬件系統結構設計

故障傳感器硬件系統結構圖如圖1所示。從圖1中可以看出，其通過故障信號采集模塊輸出檢測信號、參考信號和電流信號，這些信號通過LM293差分比較器的整形電路進行整形，傳遞到MSC1210單片機進行變換，并通過故障診斷模塊進行分析，并將分析結構反饋到上位機中，對電流限制器的故障進行處理。

故障傳感器硬件電路的任何一個環節出現錯誤，傳感器都不能正常讀取電流信號值，這些錯誤也將呈現在上位機讀取的數據中，分析這些數據特征，能夠判斷故障電流限制器是否處于故障狀態中。

1.2 故障傳感器中信號采集模塊的設計

信號采集模塊由電源、信號分離器、故障電流信號檢測模型、故障電流信號檢測單片機、故障電流信號整形電路以及故障顯示器等構成，如圖2所示。其中，故障傳感器采用橋式電路，其輸出同故障檢測單片機的模擬輸入端連接，完成差分式信號輸入。故障檢測單片機的通信接口端與故障電流信號檢測模型連接，收發采集信息和命令，還與信號分離器的輸入端連接，信號分離器的輸出并聯信號與故障顯示控制器連接。

1.2.1 故障電流信號檢測模型的設計

獲得反映故障電流限制器中的故障的信號是故障檢測的基礎。電壓信號能夠從傳感器的電容式電壓互感器二次側獲取。基于羅柯夫斯基線圈構建故障電流信號檢測模型，檢測故障電流限制器中的故障電流信號。故障傳感器采用羅柯夫斯基線圈檢測故障電流限制器中的電流時，將其套裝在故障電流限制器的外邊，其對載流體所形成的體外電磁場波動、對載流體的電流進行檢測。并將監測母線中的高電壓和大電流，變換成二次側的低電壓以及小電流信號。電流會在周圍形成波動的磁場，部署在電壓輸電線周圍的檢測器件，按照通過它的磁通量波動獲取電動勢，通過全電流定律及電磁感應定律獲取羅柯夫斯基線圈感應電壓e（t）為：

[e（t）=dφ（t）dt=-MdI（t）dt] （1）

式中：[φ（t）]表示磁鏈；M用于描述羅科夫斯基線圈互感；[I（t）]用于描述一次側電流，故障電流限制器發生短路時，故障傳感器中的羅柯夫斯基線圈輸出的電壓信號可描述短路電流的波動情況，反映首次一側電流的變化率。

故障電流限制器中故障信號監測仿真原理圖如圖3所示。

圖3 故障信號檢測仿真原理圖

圖3（a）中的長圓柱體為一段高壓導線，取其中的某段導體進行分析。圖3（b）描述的是0.035 s 時故障傳感器高壓輸電線路周圍磁場排列情況，如果故障電流限制器中存在短路故障，則導線周圍磁場隨著電流波動而波動，此時故障傳感器通過羅柯夫斯基線圈采集周圍磁場的波動情況。如果故障電流限制器出現短路，則故障傳感器中電線內的電流迅速提高，周圍的羅柯夫斯基線圈按照磁密度波動形成感生電勢，故障前感生電勢為一正弦電壓信號，當故障發生時，感生電勢迅速提升，進而檢測出過電壓。

1.2.2 故障電流信號檢測單片機模塊設計

MSC1210單片機進行信號變換的模塊設計中，如圖4所示。可以看出，故障電流信號檢測模型獲取的電流信號，通過差分形式輸入到MSC1210單片機的模擬信號輸入端AIN0，AIN1進行A/D變換，再通過總線收發器反饋到監控主機中，進行相關的分析。MSC1210單片機復位通過MAX812芯片進行控制，A/D轉換參考電源采用抵壓差線性穩壓器LP2591，通過高精度電阻網絡分壓成2.5 V后向總體單片機供能。單片機中的數字芯片以及模擬電路獨立供電，并對電源進行穩壓加濾波電路。

1.2.3 故障電流信號整形電路的設計

故障電流信號檢測單片機對故障電流限制器的電流信號進行A/D變換后，應采用LM293差分比較器的整形電路對故障電流限制器的實際電流信號進行整形，過濾干擾對速度采集信號的干擾，增強電流信號的精度，如圖5所示。圖5中，C21是隔直耦合電容，R15和R18是隔離電阻抑制共模干擾，D1和D2對輸入脈沖進行低電壓約束，并增強信號電平，用肖特基二極管MMSZ4688保護LM2903比較器。

2 故障診斷軟件構成

2.1 故障傳感器節點檢測的軟件流程設計

通過傳感器節點檢測軟件實現故障傳感器的優化分布，提高故障信號的檢測效率。詳細的設計流程如圖6所示。檢測節點對網關節點進行檢測過程中，若可準確接收數據，則說明網關節點運行正常，否則需要排查網關節點可能出現的故障，如無線通信模塊損壞以及故障電流過高等。檢測節點采集網關節點以及傳感器節點中的數據后，對數據進行判斷。當網關節點的檢測數據中，某一傳感器節點i的網絡連通性為0，則需另外檢測這一傳感器節點。轉換檢測節點的位置，如果可接收到傳感器節點i的數據，則說明網關節點同傳感器節點i間的路徑上存在陰影效應，需要對路徑上的環境進行調整，并變換傳感器節點i的位置，直至節點i可以準確連接到網絡上。若檢測節點無法接收到傳感器節點i的數據，則表示傳感器節點存在硬故障。

2.2 傳感器故障診斷的軟件流程設計

完成故障傳感器節點的檢測后，通過故障診斷對節點進行分析，獲取故障信息。故障預診斷軟件是通過LabWindows/CVI編寫的上位機程序實現的。總體程序設計由串口配置、數據診斷以及波形診斷構成。故障電流限制器中故障傳感器的故障診斷軟件的診斷流程設計如圖7所示。

通過串口配置，塑造故障傳感器同上位機間的聯系，串口配置包括COM口和波特率，奇偶校驗位以及數據位等設置，若配置錯誤，則進行報錯，需要重新進行配置。若配置錯誤，則不可讀數，故障定位為通信電路出現故障。若串口配置正確且通信電路不存在故障，則故障傳感器和上位機能夠進行正常的串口通信。完成串口配置后，故障傳感器實時向上位機傳遞檢測信號值、參考信號值以及電流信號值。前兩項值是單片機A/D轉換獲取的數字量，通過單片機程序算法處理后獲取的，而電流信號值是通過前兩項值運算得到的。這些數據描述了故障傳感器的平穩性、信號大小、傳感器是否出現故障等信息。當傳感器預熱平穩時，在界面中呈現出獲取的三項值、以及這些值的最大值和最小值，依據這些數據進行分析，分析故障電流限制器中的故障傳感器是否處于故障狀態。

分析上一步數據診斷結果，若故障電流限制器中的故障傳感器存在故障，則連續采集通過信號調理電路后反饋到單片機A/D轉換的數字量，并利用這些數字量繪

制模擬波形，再次診斷故障傳感器中的故障。將模擬信號波形，顯示到主界面中，可以更加直觀地看出波形是否正常。

3 實驗分析

實驗采用本文設計的故障傳感器，檢測某故障電流限制器中的電流故障，并對檢測過程進行瞬態有限元運算。實驗對檢測過程進行時間離散化處理，每隔 0.1 ms 求解一次解析解，總體求解時間為0.04 s，形成電流故障的時間為0.02 s，圖8描述了故障電流限制器中的電流電壓波動曲線。

仿真實驗中的故障電流限制器中輸電線路電源電壓為10.63 V，分析圖8可得，在20 ms時故障電流限制器出現短路故障，輸電線路電流快速提升，電壓快速降低到0.7 kV左右。

分析圖9（a）和圖9（b）可得，故障傳感器感應到的故障電流限制器的電壓和電流及其變化率在故障發生時存在顯著波動。故障電流限制器出現短路故障時，故障傳感器通過獲取的感應電壓和感應電流迅速升高。圖9（a）、圖9（b）在短路故障發生時，傳感器感應到的故障電流限制器的電壓快速提升。從數據上可以看出在20 ms時刻，電壓為-4.17 V，在20.3 ms，則迅速調成-4 968.5 V。分析圖9（c）、圖9（d）中的故障傳感器的感應電流和感應電流變化率曲線可得，當故障電流限制器出現短路故障后，故障傳感器的感應電流和感應電壓變化率快速提升，從數據上可以看出在20 ms

時為-0.068 V，而20.1 ms則快速變成-12.2045 V，20.2 ms為-24.867 3 V。

通過仿真實驗結果可以看出，本文設計的故障傳感器可及時獲取反映故障電流限制器的故障信息信號，為信號處理和排除故障提供依據，確保故障電流限制器的正常運行。

4 結 論

本文設計并實現了故障電流限制器中的故障傳感器，其通過故障信號采集模塊輸出檢測信號、參考信號和電流信號，這些信號通過LM293差分比較器的整形電路進行整形，傳遞到MSC1210單片機進行變換，并通過故障診斷模塊進行分析，并將分析結果反饋到上位機中，對電流限制器的故障進行處理。傳感器采用羅柯夫斯基線圈檢測模型獲取故障電流限制器中的故障電流。通過傳感器節點檢測軟件實現故障傳感器的優化分布，提高故障信號的檢測效率，并采用故障預診斷軟件對傳感器節點的故障進行診斷。實驗結果說明，所設計的傳感器可及時獲取反映故障電流限制器的故障信息信號，故障信號采集效率和空間性能都較高。

參考文獻

[1] 郭昌林.基于機械開關的新型故障電流限制器設計[J].科技展望，2015，25（30）：44.

[2] 楊連殿.故障電流限制器的分類及應用[J].電氣技術，2015（1）：106?109.

[3] 閆方愛.新型故障電流限制器對電力系統的影響研究[J].電子世界，2015（14）：132?133.

[4] 楊靜，李麗宏.基于專家系統的汽車衡故障傳感器判別[J].傳感器與微系統，2014，33（11）：34?36.

[5] 葉慧，羅秋鳳，李勇.小波和多核SVM方法在UVA傳感器故障診斷的應用[J].電子測量技術，2014，37（1）：112?116.

[6] 李瑞瑩，李志華.傳感器布置對水輪機振動特征參數影響研究[J].電子設計工程，2014（5）：161?164.

[7] 徐小力，劉秀麗，蔣章雷，等.基于主觀貝葉斯推理的多傳感器分布式故障檢測融合方法[J].機械工程學報，2015（7）：91?98.

[8] 黃帥，劉海穎，吳風喜.一種多傳感器故障診斷系統的設計[J].計算機仿真，2014，31（7）：59?62.

[9] 王通，高憲文，翟瑀佳，等.基于PSO?LSSVM預測的改進傳感器故障檢測和隔離[J].信息與控制，2014（2）：146?151.