一種新型配電網(wǎng)雷擊點(diǎn)定位裝置的研制

崔椿洪

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000)

配電網(wǎng)輸電線因耐壓水平較低，在直擊雷和感應(yīng)雷作用下易發(fā)生擊穿接地故障，引起跳閘停電事故的發(fā)生，這已成為配電網(wǎng)主要的事故類型之一[1-5]。配電線路在雷擊過(guò)程中發(fā)生閃絡(luò)產(chǎn)生的能量較小、形成的痕跡不明顯，尤其是單相接地故障，這對(duì)故障點(diǎn)的快速查詢和修復(fù)帶來(lái)了極大困難[6-7]。由于無(wú)法掌握配電線路絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)，因此存在缺陷的絕緣子，影響了配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。為此尋求一種雷擊點(diǎn)定位裝置，成為保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行急需解決的問(wèn)題。

針對(duì)配電線路存在的雷擊點(diǎn)定位難的問(wèn)題，結(jié)合故障點(diǎn)雷電流釋放過(guò)程，本文提出采用耦合線圈的方式，利用高頻電流傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)接地過(guò)程中雷電流的監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)測(cè)軟件，然后結(jié)合各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器的地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊點(diǎn)的精確定位。

1 配電網(wǎng)雷擊點(diǎn)定位系統(tǒng)原理框架

在雷擊過(guò)程中，當(dāng)配電網(wǎng)輸電線路的絕緣子因無(wú)法承受電壓而發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，桿塔的接地線上將流過(guò)雷擊電流。由此可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)桿塔接地線上的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊點(diǎn)定位，整個(gè)配電網(wǎng)雷擊點(diǎn)定位系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)的雷電流監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雷擊點(diǎn)定位裝置示意圖

配電網(wǎng)雷擊點(diǎn)系統(tǒng)的工作原理為：首先將監(jiān)測(cè)雷電流的高頻電流傳感器耦合于桿塔接地線，利用該監(jiān)測(cè)裝置對(duì)桿塔雷擊閃絡(luò)過(guò)程中接地線流過(guò)的雷電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到雷電流時(shí)，裝置點(diǎn)亮裝置指示燈，并通過(guò)4G通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)到的雷電流信息上傳給監(jiān)測(cè)平臺(tái)，結(jié)合監(jiān)測(cè)裝置的地址信息和對(duì)應(yīng)的桿塔編號(hào)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊點(diǎn)故障的定位，從而使落雷的故障點(diǎn)得到及時(shí)、快速的修復(fù)，減少停電時(shí)間，提高配電網(wǎng)的供電可靠性。

2 雷電流監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

基于上述雷擊點(diǎn)定位定位系統(tǒng)工作原理的描述，雷電流監(jiān)測(cè)裝置是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，是觸發(fā)整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵所在，可見(jiàn)雷電流監(jiān)測(cè)裝置性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)定位系統(tǒng)的性能。羅氏線圈電流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻率范圍寬、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，為測(cè)試羅氏線圈的靈敏度和線性度，分別使用設(shè)計(jì)的羅氏線圈和圓管式分流器測(cè)試相同的沖擊電流波(8/20 μs)進(jìn)行誤差比較，測(cè)試波形如圖2所示。圖2中，波形1為羅氏線圈所測(cè)，波形2為分流器所測(cè)。通過(guò)比較可見(jiàn)，羅氏線圈測(cè)得的波形和傳統(tǒng)分流器測(cè)量的波形基本一致，波形失真度較小，說(shuō)明羅氏線圈滿足被測(cè)雷電流信號(hào)頻帶寬度的要求，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的監(jiān)測(cè)。故本文采用羅氏線圈實(shí)施對(duì)配電網(wǎng)雷擊閃絡(luò)雷電流的監(jiān)測(cè)。

圖2 羅氏線圈和圓管式分流器測(cè)試8/20 μs沖擊電流的波形

根據(jù)羅氏線圈對(duì)雷電流監(jiān)測(cè)的原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需求，對(duì)整個(gè)雷電流監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可以看出，整個(gè)雷電流監(jiān)測(cè)裝置由電流傳感模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊、A/D數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和太陽(yáng)能電源系統(tǒng)組成。

圖3 雷電流監(jiān)測(cè)裝置原理框圖

(1)雷電流監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)。雷電流監(jiān)測(cè)裝置長(zhǎng)期處于野外工作環(huán)境，為了確保整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用低功耗方案。整個(gè)硬件系統(tǒng)由高速A/D、FPGA和MSP430構(gòu)成了數(shù)字系統(tǒng)的核心部分。系統(tǒng)選用EP1C12Q240作為邏輯的芯片，超低功耗單片機(jī)MSP430F5438作為控制芯片，高速A/D選用了10位并行芯片ADS822，該A/D的采樣率可達(dá)40 MS·s1，功耗典型值為200 mW。在系統(tǒng)工作過(guò)程中，當(dāng)桿塔發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，接地線上流過(guò)雷電流，羅氏線圈通過(guò)耦合感應(yīng)得到輸出電壓波形，波形通過(guò)信號(hào)預(yù)處理模塊，當(dāng)處理后的信號(hào)幅值達(dá)到觸發(fā)系統(tǒng)的閾值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)高速數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)監(jiān)測(cè)到的雷電流進(jìn)行高速采集，并通過(guò)微處理器對(duì)波形進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流參數(shù)的測(cè)量。由于系統(tǒng)采用硬件比較器觸發(fā)，在采集的過(guò)程中會(huì)丟掉小于觸發(fā)閾值之前的波形數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在FPGA中內(nèi)嵌了預(yù)采樣FIFO，以實(shí)現(xiàn)雷電波形的全波采集。

(2)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)搭建。雷電流監(jiān)測(cè)模塊應(yīng)用于線路桿塔雷擊電流大小的測(cè)量，處于野外的桿塔與監(jiān)控中心之間的距離通常在十幾公里，甚至幾十公里，傳統(tǒng)的Wi-Fi、Zegbee等無(wú)線傳輸技術(shù)通信距離短，無(wú)法滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸距離的要求，而傳統(tǒng)的有線通信因需敷設(shè)線纜更加不適合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置。受條件的限制，采用GPRS通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊電流監(jiān)測(cè)模塊數(shù)據(jù)的傳送。本文采用的GPRS模塊支持TL、RS-232、RS-485接口電平，無(wú)需在使用過(guò)程中對(duì)底層設(shè)備的開(kāi)發(fā)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。

雷擊點(diǎn)定位裝置由1個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和多個(gè)雷電流監(jiān)測(cè)裝置構(gòu)成，在數(shù)據(jù)通信上為一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)為中心節(jié)點(diǎn)，雷電流監(jiān)測(cè)裝置為子節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，監(jiān)測(cè)平臺(tái)終端和雷電流監(jiān)測(cè)裝置均通過(guò)RS232串口和GPRS模塊相連，監(jiān)測(cè)平臺(tái)和雷電流監(jiān)測(cè)裝置配置不同的物理地址。當(dāng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)⑿盘?hào)完整地記錄下來(lái)并通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)主動(dòng)上傳至監(jiān)測(cè)平臺(tái)；當(dāng)未發(fā)生雷擊時(shí)，雷電流監(jiān)測(cè)裝置每天定時(shí)發(fā)回一個(gè)數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)平臺(tái)，確保通信鏈路正常工作。

(3)觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。為了使系統(tǒng)能在野外長(zhǎng)時(shí)間工作，雷電流監(jiān)測(cè)裝置在平時(shí)處于節(jié)電模式，當(dāng)監(jiān)測(cè)到有雷電流時(shí)，喚醒系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)羅氏線圈耦合電流波形的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的測(cè)量，并將測(cè)量的結(jié)果和地址傳送到監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的監(jiān)測(cè)和定位。系統(tǒng)采用電平喚醒模式，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的可靠監(jiān)測(cè)，避免外界干擾對(duì)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，采用峰值電路和滯回比較器相結(jié)合的電路，利用峰值電路保持雷電流的幅值，利用滯回比較器電路防止波形抖動(dòng)導(dǎo)致的觸發(fā)失靈。

由圖4可知，整個(gè)峰值檢測(cè)電路在工作過(guò)程中，首先通過(guò)U1，U2放大器作為緩沖隔離，利用二極管D1，D2的單向?qū)ㄐ詫?duì)電容器C1進(jìn)行充電，R2作為放電電阻，其阻值選擇大的，確保C1，R2延時(shí)的長(zhǎng)度，在本設(shè)計(jì)中采用1 ms的時(shí)延。

圖4 峰值檢測(cè)電路原理圖

通常采用運(yùn)算放大器在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下可以用作比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的識(shí)別。然而，在利用放大器組成的比較器的過(guò)程中，一旦輸入的信號(hào)中有少量的噪聲或干擾,都將會(huì)在兩個(gè)不同的輸出狀態(tài)之間產(chǎn)生不期望的頻繁跳變。為了克服信號(hào)的跳動(dòng)，確保比較器在一個(gè)狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)之間的變化，本文采用正滯回電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

上下閾值的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中UR——參考電壓；UOL——下限閾值；UOH——上限閾值。

電壓比較滯回電路如圖5所示?？紤]到避免外界干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的誤動(dòng)，本次設(shè)計(jì)采用兩者之間的差值為3 V，下限閾值為2 V，上限閾值為5 V，供電電源電壓為12 V。

圖5 電壓比較滯回電路

3 系統(tǒng)定位軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用C++語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，當(dāng)雷電流監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到雷電流幅值達(dá)到一定程度時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)外部中斷喚醒系統(tǒng)，開(kāi)始對(duì)雷電流波形進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)打包，通過(guò)MQTT協(xié)議將監(jiān)測(cè)的雷電流數(shù)據(jù)及裝置的地址上傳給上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)利用數(shù)值比較的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流幅值的測(cè)量，利用過(guò)零點(diǎn)比較的方法對(duì)波形時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果顯示于界面上，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面圖

雷擊點(diǎn)定位采用編碼識(shí)別的方式，對(duì)每個(gè)雷電監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)編碼，將編碼和桿塔的編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。在雷擊點(diǎn)定位的過(guò)程中，當(dāng)雷電監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到雷擊電流時(shí)，監(jiān)測(cè)裝置動(dòng)作，并通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)(GPRS)將雷擊信息和裝置的編碼發(fā)送到監(jiān)測(cè)軟件，監(jiān)測(cè)軟件根據(jù)接收到的編碼，通過(guò)查詢的方式對(duì)應(yīng)到桿塔編號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊點(diǎn)的定位，整個(gè)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的程序流程如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)搭建完成后，為了了解系統(tǒng)的測(cè)試效果，利用雷電流模擬試驗(yàn)對(duì)雷電流監(jiān)測(cè)裝置和監(jiān)測(cè)平臺(tái)的定位進(jìn)行測(cè)試。在模擬試驗(yàn)過(guò)程中采用0～40 kA沖擊電流發(fā)生器對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。從表1的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，本文所設(shè)計(jì)的雷電流監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電流的測(cè)量，測(cè)量精度優(yōu)于5%，滿足工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試要求。

圖7 監(jiān)測(cè)平臺(tái)程序流程框圖

表1 雷電流模擬試驗(yàn)測(cè)量值

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)雷電流波形特點(diǎn)，雷擊點(diǎn)定位裝置利用羅氏線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔閃絡(luò)過(guò)程中雷電流的測(cè)量，通過(guò)GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳送，利用監(jiān)測(cè)裝置的地址和桿塔的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)閃絡(luò)故障桿塔的定位。由此可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的雷電定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)雷擊點(diǎn)的可靠定位，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。