新型配电网故障指示器的设计

岳仁超，孙建东

(国电南瑞科技股份有限公司，南京211106)



新型配电网故障指示器的设计

岳仁超*，孙建东

(国电南瑞科技股份有限公司，南京211106)

摘要:介绍了暂态零模电流相似性在单相接地故障定位中的应用，在此基础上设计了一种具有测量和通信功能的新型配电网故障指示器。该指示器不仅具有传统故障指示器的短路接地故障告警指示功能，还具有线路电流测量功能。测量数据以及故障告警信息通过无线射频方式传送给数据传输终端，数据传输终端通过GPRS将数据传送到配网自动化主站，从而实现配电线路的远程监测。

关键词:小电流接地;故障指示器;暂态零模电流;感应取电;射频通信

小电流接地系统单相接地故障的检测与定位一直是配电网运行的难点。统计表明，在小电流接地系统中，单相接地故障约占配电网故障的80%以上［1－2］。传统故障指示器单相接地故障定位的方法主要有:(1)首半波法; (2)五次谐波法; (3)稳态零序电流比较法; (4)零序电流突变法; (5)暂态无功功率方向法; (6)信号注入法等［3－4］。由于小电流接地系统自身的特点，以上各种方法存在适应范围不足、定位所需信号获取困难以及检测装置之间数据采集时间不同步等原因，使得小电流接地故障定位问题尚未得到彻底解决。

针对上述现象，本文设计了一种具有测量、通信功能的新型配电网故障指示器。该故障指示器采用独特的交流采样和无线通讯技术，实现对配电网线路运行状态实时在线监测;通过暂态零模电流相似性实现单相接地故障定位，为配电网的安全经济运行提供可靠的数据保障。

1　故障指示器故障检测原理

本文通过判断相邻故障指示器检测到的暂态零模电流相关系数［5］，即判断两个波形的相似性来实现小电流接地系统单相接地故障的检测与定位。相邻两故障指示器暂态零模电流信号相关系数ρ计算公式如式(1)所示:

式中:i0M和i0Ν为相邻两个故障指示器的暂态零模电流采样信号; M、N代表故障指示器的编号; k表示采样序列; K为暂态零模电流信号的数据长度。

相关系数ρ反映了两个相邻检测点暂态零模电流波形的相似程度。对于故障区段两侧故障指示器检测到的暂态零模电流波形相似度很低，相关系数ρ接近0;对于非故障区段两侧故障指示器检测到的暂态零模电流波形相似度很高，相关系数ρ接近于1。依据此原理，依次计算故障线路各区段两侧暂态零模电流波形的相关系数并与设定的阈值进行比较，即可判断故障所在区段。

当线路发生单相接地故障后，各故障指示器将采集到的暂态零模电流信号上送至主站，主站首先比较出线开关与第1个故障指示器采集的暂态零模电流波形，如果ρ＜θ(θ为阈值，取值在0.4～0.7之间，ρ＜0.4为低度相关，0.4＜ρ＜0.7为显著相关，ρ＞0.7为高度相关)，则确定故障区段;如果ρ＞θ，则为非故障区段，继续比较第1个故障指示器与第2个故障指示器检测到的暂态零模电流波形，依此类推，直至找到故障区段为止。

2　故障指示器软硬件设计

2.1电源电路设计

故障指示器建设不需要更换设备、不停电、不安装PT、CT，从而使得故障指示器的供电电源难以按常规办法解决。目前故障指示器的取电方式有太阳能电池取电、感应线圈取电和后备电池供电3种方式。考虑到太阳能电池板的维护问题，本设计采用感应取电+锂电池的方式供电。在线路电流达到15 A以上时，装置依靠感应取电供电，在线路电流较小时，采用大容量锂电池供电。电源电路设计原理图如图1所示［6－7］。

图1　感应取电供电电路

图中，L1为取电线圈; TVS1限制取电线圈输出的冲击电压，从而保护电源电路; C1用来消除差模干扰; D1、D2、D3、D4构成全波整流桥电路，将取电线圈感应的能量转换直流电; C2用来消除直流脉动信号; C3、C4用来消除共模干扰; D5为稳压管，限制过电压，避免DC－DC模块受损坏。

2.2电流测量电路设计

该故障指示器线路电流测量采用特制感应线圈、信号调理电路以及射频同步电路来保证电流测量精度。

信号调理电路主要分为低通滤波和程控增益放大两部分。为了消除感应线圈产生的高次谐波，在信号输入端设计了二阶有源低通滤波电路。因为量程范围较大，为了最大限度利用AD性能，将整个量程划分为0～100 A、100 A～500 A、500 A～1 000 A、1 000 A～1 500 A 4段，分段给予不同的增益放大，放大电路采用同相比例放大电路，具有输入阻抗高，输出阻抗低的优点。

射频同步电路中，通信终端定时发送广播报文，故障指示器在收到广播报文后同步采样，利用中断及时响应可以使得3相近似同步采样。

测量电路如图2所示。L2为感应线圈，R1、C1与R2、C2构成二阶RC滤波电路，R3、Rf1、Rf2、Rf3、Rf4构成同相比例放大电路。处理器通过判断输入信号的大小，发出控制信号到译码器，由译码器控制模拟开关，从而控制反馈电阻，达到控制放大倍数的目的。

图2　电流测量电路

2.3无线通信电路设计

无线通信模块采用芯片NRF905，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，具有低功耗、可靠性高的优点。天线可放置在PCB板上，发射功率最大为+10 dB，传输距离可达50 m以上［8］。由NRF905组成的无线通信接口电路如图3所示。

图3　NRF905接口电路

PWR_UP为模块上电使能; TRX_CE为工作模式选择，决定无线模块工作在接收状态或发送状态; TX_EN为接收使能，决定无线模块是否进行数据接收; CSN为SPI使能; SCK为无线模块时钟信号; MOSI、MISO为单片机与无线模块进行数据传输端口; AM为地址匹配信号; DR为数据准备状态; CD为载波监测，监测是否有数据传到无线模块。以上各信号分别与单片机相连，在单片机的控制下，通过SPI口完成测量数据的读入读出，通过NRF905的发送和接收模块实现数据的无线传输。

2.4故障显示电路设计

故障指示器通过白天翻牌、夜间闪光的方式指示故障，翻牌显示电路如图4所示。正常情况下，RED、WHT分别为低电平，当线路发送故障时，单片机给RED一个高电平脉冲，故障指示器翻牌;当线路恢复正常后，单片机给WHT一个高电平脉冲，故障指示器复归。

图4　故障指示器翻牌显示电路

故障指示器闪光显示电路如图5所示。正常情况下，LED为低电平;当线路发送故障时，单片机给LED交替发送高低电平脉冲，发光二极管闪烁显示故障。

图5　故障指示器发光显示电路

2.5软件设计

故障指示器软件设计主要包括系统初始化、数据采集、故障判断、数据传输、故障显示等，主程序流程图如图6所示。

图6　主程序流程图

3　实验数据

该新型故障指示器的电流测量范围为3 A～1 500 A，在3 A～100 A范围内，测量精度为±3 A; 在100 A～1 500 A范围内，测量精度为±3%。实验数据如表1所示。

表1　

4　结语

本文设计的兼有测量和通信功能的新型配电网故障指示器，通过检测相邻故障指示器的暂态零模电流，利用通信网络传输数据，在主站实现故障定位，充分利用了现有资源，减少了投资，为小电流接地系统故障定位提供了一个经济可行的解决方案。

参考文献:

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［2］魏晓霞，纪延超，谈光慧，等.正交消弧线圈的分析以及在动态接地故障补偿系统中的应用［J］.电子器件，2007，30(2):557－562.

［3］徐丙垠，薛永端，李天友，等.小电流接地故障选线技术综述［J］.电力设备，2005，6(4):1－7.

［4］张慧芬，潘贞存，桑在中，等.基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法［J］.电力系统自动化，2004，28(3):64－66.

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［6］李先志，杜林，陈伟根，等.输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理［J］.电力系统自动化，2008，32(1):76－80.

［7］李芙英，朱小梅，纪昆，等.一种应用于高电压侧测量系统中电源［J］.高电压技术，2002，28(3):46－47.

［8］侯海岭，姚年春.无线收发芯片nRF905的原理及其在单片机系统中的应用［J］.仪器仪表用户，2006，13(3):70－71.

岳仁超(1982－)，男，汉族，山东日照人，国电南瑞科技股份有限公司，工程师，研究方向为电力电子与电力传动、配网自动化，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

中图分类号:TP23

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0845－04