一種多設(shè)備間數(shù)據(jù)同步合成檢測(cè)線路故障方法

李英春，吳納磊，徐少雄，賈海旭，張春豪

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050000)

國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)配電網(wǎng)的投資逐漸加大，目前暫態(tài)錄波型故障指示器，作為一種掛在架空線或電纜上的配電產(chǎn)品，以其實(shí)用性強(qiáng)、使用方便、故障識(shí)別和判斷、故障易識(shí)別性，使其在配電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。三相線路上各掛一個(gè)采集單元，目前大家依據(jù)相電流和相電壓的暫態(tài)變化作為判據(jù)，分析判斷暫態(tài)故障（不同種類的接地故障），這種單相獨(dú)立判斷不準(zhǔn)確、不全面。

三相線路上分別各掛一個(gè)采集單元，以電場(chǎng)方式采集電壓，很容易受到雨雪環(huán)境的干擾，電場(chǎng)的波動(dòng)、負(fù)荷波動(dòng)、某些接地故障的相電流變化微小等因素干擾的接地故障的識(shí)別和判斷。如高阻接地相電壓和相電流變化微小，單相獨(dú)立判斷容易判斷出錯(cuò)；有些接地故障，故障點(diǎn)下游，相電壓和相電流變化微小。因此這種單相獨(dú)立判斷不準(zhǔn)確、不全面，須提高故障識(shí)別率。

多設(shè)備間時(shí)間同步，三相采集單元的采樣數(shù)據(jù)通過(guò)大吞吐量無(wú)線傳輸給匯集單元，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)帶時(shí)標(biāo)；實(shí)時(shí)的采樣數(shù)據(jù)都匯集到匯集單元；匯集單元根據(jù)采樣數(shù)據(jù)矢量合成零序電流和零序電壓；根據(jù)接地故障暫態(tài)特性識(shí)別和判斷故障，在接地故障時(shí)，零序電流和零序電壓暫態(tài)特性明顯，判斷準(zhǔn)確。這樣來(lái)提高故障識(shí)別率。

1 多設(shè)備間數(shù)據(jù)的同步采樣

故障指示器，三相采集單元和匯集單元之間通過(guò)數(shù)據(jù)的傳輸，使四臺(tái)設(shè)備絕對(duì)時(shí)間一致。

多設(shè)備間時(shí)間同步，大吞吐量無(wú)線傳輸，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)帶時(shí)標(biāo)；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)計(jì)算；采樣數(shù)據(jù)矢量合成零序法；

單相獨(dú)立判斷不準(zhǔn)確、不全面，高阻接地相電壓和相電流變化微小，單相獨(dú)立判斷容易判斷出錯(cuò)。根據(jù)接地故障暫態(tài)特性，三相合成的零序電流和零序電場(chǎng)，在接地故障時(shí)，暫態(tài)特性明顯，判斷準(zhǔn)確率高。

設(shè)備組成：匯集單元，A相采集單元、B相采集單元、C相采集單元，三相采集單元分別采集線路ABC三相的電壓和電流數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)傳輸給匯集單元，匯集單元將三相數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并同步合成零序，來(lái)進(jìn)行暫態(tài)故障的分析和判斷。

設(shè)備之間應(yīng)用無(wú)線模塊（433MHz）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。每個(gè)設(shè)備上有2個(gè)無(wú)線模塊（433MHz），無(wú)線模塊1用來(lái)數(shù)據(jù)的交互（包括對(duì)時(shí)），無(wú)線模塊2僅用來(lái)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的收發(fā)。

433MHz通信模塊，屬于微型模塊，占用空間很小，類似在電路板上增加一個(gè)芯片的位置，實(shí)際應(yīng)用也是焊接到電路板子上。使用2個(gè)通信模塊，是為了功能分離，因?yàn)槌Ｒ?guī)設(shè)備都是用一個(gè)模塊，但本方案增加一個(gè)，專門用來(lái)實(shí)時(shí)傳輸采樣數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)量大，不能用來(lái)兼顧其他功能。

如何實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)間同步：對(duì)時(shí)穩(wěn)定、ADC采樣同步處理。

匯集單元可通過(guò)外部服務(wù)器或GPS、北斗定時(shí)接收精準(zhǔn)的時(shí)間源，沒有外部時(shí)間源時(shí)，匯集單元依據(jù)8025T時(shí)鐘芯片進(jìn)行守時(shí)。匯集單元通過(guò)無(wú)線通訊，間隔周期為100ms，每次將當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間組幀進(jìn)行廣播發(fā)送。三相采集單元接收到對(duì)時(shí)幀后，分別根據(jù)時(shí)間調(diào)整自己的系統(tǒng)時(shí)間和AD采樣用定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)三相采集單元絕對(duì)時(shí)間偏差在20μs以內(nèi)，三相采集單元的AD采樣用定時(shí)器步調(diào)基本一致，幾乎同時(shí)觸發(fā)采樣。

方法：系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)整方法和ADC采樣調(diào)整方法。

系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)整方法：匯集單元以間隔周期為100ms，每次將當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間組幀（最小單位μs）進(jìn)行廣播發(fā)送，三個(gè)采集單元同時(shí)收到都要進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘調(diào)整，以達(dá)到設(shè)備間絕對(duì)時(shí)間一致（在規(guī)定的誤差內(nèi)）。采集單元第一次收到匯集單元下發(fā)的對(duì)時(shí)時(shí)間，直接進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間調(diào)整。步驟如下：匯集單元下發(fā)的時(shí)標(biāo)（最小單位μs）T1、數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線空中傳輸延時(shí)（固定）T2、采集單元收到時(shí)間幀到解析完畢用的時(shí)間T3，采集單元將T1+T2+T3計(jì)算后的時(shí)間直接調(diào)整為自己的系統(tǒng)時(shí)間。接下來(lái)采集單元再受到對(duì)時(shí)幀，不直接進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)間調(diào)整，而是進(jìn)行微調(diào)，通過(guò)調(diào)整ms中斷沿來(lái)修正系統(tǒng)時(shí)間。采集單元收到匯集單元下發(fā)的時(shí)間，T1+T2+T3計(jì)算后的時(shí)間Th，此時(shí)提取自己當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間Tc，時(shí)間偏差Δt=Tc-Th，Δt有正數(shù)也有負(fù)數(shù)。

將每次的時(shí)間偏差做累加，SUMΔt=Δt1+Δt2+…+Δtn，對(duì)時(shí)n次，求出偏差平均值，AVERAGE=SUMΔt/n。偏差平均值A(chǔ)VERAGE，平攤到每毫秒中進(jìn)行修正，這里n最大取值10，始終代表當(dāng)前時(shí)間前最近的10次對(duì)時(shí)。這樣三相采集單元和匯集單元之間時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)有大的調(diào)整。

圖1 三相絕對(duì)時(shí)間一致、采樣時(shí)間同步流程圖

ADC采樣調(diào)整方法：采集單元接收到對(duì)時(shí)，時(shí)間穩(wěn)定后，每20ms調(diào)整一次ADC觸發(fā)采樣的計(jì)數(shù)器，調(diào)整時(shí)將計(jì)數(shù)器與毫秒沿對(duì)齊。這樣三相采集單元采樣步調(diào)基本一致，如圖1所示。

2 多設(shè)備間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送

采樣數(shù)據(jù)傳輸方法：電流和電壓每周波（20ms）采樣128點(diǎn)，自己進(jìn)行計(jì)算和判斷，每周波等間隔篩選出32個(gè)采樣點(diǎn)，上傳匯集單元，篩選序號(hào)1、5、9…125。

采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的選擇，因?yàn)椴杉瘑卧恐懿ú蓸狱c(diǎn)的個(gè)數(shù)有區(qū)別，有80、100、128、256等，以128舉例，每周波128個(gè)采樣點(diǎn)沒必要全部傳給匯集單元，需要1/4數(shù)量就可以。因?yàn)樵O(shè)置采樣模式是等時(shí)間采樣，每4個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)采樣點(diǎn)。1、2、3、4中抽1；5、6、7、8中抽5。為了后面零序的合成，每組中取得位置要一致。

這樣每周波抽取采樣點(diǎn)僅占1/4，極大地減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，主要是得到零序數(shù)據(jù)，能完成暫態(tài)突變的檢測(cè)，不影響故障判斷。如果檢測(cè)出故障，匯集單元可廣播指令，讓3個(gè)采集單元按照故障時(shí)刻形成錄波數(shù)據(jù)（滿點(diǎn)采樣）上傳匯集單元。采集單元具有一定的采樣數(shù)據(jù)緩存，可根據(jù)匯集單元的時(shí)刻鎖定采樣點(diǎn)。本功能由主通信模塊來(lái)完成。

滿足對(duì)時(shí)穩(wěn)定、ADC采樣同步后，進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)組幀傳輸。

滿足對(duì)時(shí)穩(wěn)定、ADC采樣同步后，在整秒后的第一個(gè)觸發(fā)的采樣點(diǎn)作為需要上傳的第一個(gè)采樣點(diǎn)。

組幀：每幀包含48個(gè)采樣點(diǎn)（電流24個(gè)采樣點(diǎn)，電場(chǎng)24個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)用兩個(gè)字節(jié)），時(shí)標(biāo)7個(gè)字節(jié)（時(shí)標(biāo)是本幀中第一個(gè)采樣點(diǎn)觸發(fā)時(shí)的時(shí)標(biāo)），相別區(qū)分標(biāo)識(shí)1個(gè)字節(jié)。一幀共104個(gè)字節(jié)。無(wú)線模塊發(fā)送速率200kbit/s，5ms內(nèi)可發(fā)送125個(gè)字節(jié)。

傳輸周期：A相采集單元在整秒后計(jì)時(shí)到5ms向外發(fā)送數(shù)據(jù)，B相采集單元在整秒后計(jì)時(shí)到10ms向外發(fā)送數(shù)據(jù)，C相采集單元在整秒后計(jì)時(shí)到15ms向外發(fā)送數(shù)據(jù)，以后按照ABC三相的順序分別以5s間隔，向外發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 三相采集單元分時(shí)系發(fā)送數(shù)據(jù)

3 匯集單元數(shù)據(jù)接收和解析

匯集單元分時(shí)隙依次收到ABC三相的數(shù)據(jù)后，判斷三相數(shù)據(jù)都收到了，多數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，如果三相數(shù)據(jù)中時(shí)標(biāo)滿足對(duì)齊要求，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這樣匯集單元中，就拿到了3個(gè)線路的電流和電壓實(shí)時(shí)的、同步的采樣數(shù)據(jù)。

匯集單元合成零序電流和電壓：

采樣的基準(zhǔn)值是0，采樣點(diǎn)的值為有符號(hào)型，有正負(fù)特性。

匯集單元將拿到的三相同步的采樣點(diǎn)，進(jìn)行矢量計(jì)算，合成了零序電流和零序電壓的采樣點(diǎn)，同樣是每周波32個(gè)采樣點(diǎn)。

4 根據(jù)零序數(shù)據(jù)進(jìn)行故障判斷

根據(jù)合成的零序電流和零序電壓的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算零序電流和零序電壓的有效值，當(dāng)檢測(cè)到零序電流有效值值突變時(shí)，分析零序電流和零序電壓的暫態(tài)特征，判斷是否為接地故障。如果是接地故障，再根據(jù)零序電流和零序電壓的暫態(tài)時(shí)刻的變化趨勢(shì)，判斷設(shè)備處于故障點(diǎn)上游還是下游。

判斷接地故障最有效的方法，就是判斷零序電流和零序電壓的暫態(tài)特征，本方案解決了雨雪天氣等環(huán)境對(duì)電場(chǎng)的影響和負(fù)荷波動(dòng)對(duì)電流的影響，能準(zhǔn)確、及時(shí)、有效地判斷出接地故障，采樣數(shù)據(jù)合成流程如圖3所示。

圖3 采樣數(shù)據(jù)合成流程圖

5 結(jié)論

故障指示器作為一種線路架空設(shè)備，由匯集單元、三相采集單元組成，本方案通過(guò)多個(gè)設(shè)備間時(shí)間同步，三相采集單元的采樣數(shù)據(jù)通過(guò)大吞吐量無(wú)線通信方式，分時(shí)隙、實(shí)時(shí)地傳輸給匯集單元，匯集單元將三相數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并同步合成零序，根據(jù)零序電流和零序電壓暫態(tài)特性，準(zhǔn)確地判斷接地故障，將故障結(jié)果上傳主站，極大地提高了接地故障的識(shí)別率，提高了產(chǎn)品的故障判斷性能，為配電網(wǎng)線路及時(shí)、有效、準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)提供了可靠信息。