基于独立供电双CPU的新型故障指示器设计

刘贵华++梁开栋++李杏彬

摘 要：随着我国智能电网的建设，大部分配电线路都配有故障指示器，故障指示器在监测配电线路的同时，本身自己也存在一些缺陷与问题，并缺乏有效的自检方法。针对目前配电线路故障指示器的特点及问题，介绍了一种独立供电双CPU系统的故障指示器。兩个CPU独立供电，其中第一个CPU系统完成故障指示器的检测、故障报警等具体功能，正由于此功能特点导致其功耗大，容易出现离线、死机，在供电欠压时容易误检测等问题。而第二个CPU系统则使用独立电源供电，采用定时检测、低功耗机制，在完成对第一个CPU系统自身状态检测以及其电源检测的同时，还可以在第一个CPU系统不工作时，主动发出报警信号，通过无线形式实时通知检修人员，做到提前预警与维护。

关键词：故障指示器 独立供电 双CPU 故障自检 低功耗 无线 提前预警

中图分类号：TU85 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（c）-0088-03

当前我国正在加快建设智能电网，而配电网领域又是智能电网的开发重点，其中电缆故障指示器和配电管理系统是配电自动化技术的重要组成部分。在配电系统中，特别是大量使用环网负荷开关的系统中，如果下一级配电网络系统中发生了短路故障或接地故障，上一级的供电系统必须在规定的时间内进行分断，以防止发生重大事故。通过使用电缆故障指示器，可以标出发生故障的具体位置部分。维修人员可以根据此指示器的报警信号迅速找到发生故障的区段，分断开故障区段，从而及时恢复无故障区段的供电，可节约大量的工作时间，减少停电时间和停电范围。同时电缆故障指示器具有投资省、综合效益高的特点，在生产实际中大部分配电线路都配有故障指示器。

1 常规故障指示器问题分析

故障指示器是一种安装在电力电缆线路、高压开关柜、架空线、电缆分接箱等变配电系统中，能够做到智能检测、实时判断、显示并传递故障信号和发送远程指示预警信号，同时能够自动复位，用于指示故障电流通路的独立智能电气设备。针对故障指示器自身的特点及应用场合的限制，用户在使用过程中，也发现了故障指示器自身存在很多缺陷问题，比如福建省龙岩市供电局在近几年间，发现使用的故障指示器存在批量的误检测、离线、死机等问题。造成这些问题的原因多于故障指示器供电状态有关。

当前故障指示器传感器部分多采用电池供电和导线CT取电互补的供电方式，同时又是单一CPU运行工作。当如恶劣天气造成导线舞动或人为原因，致使开口的卡扣式CT没有有效闭合时，CT取电效率下降，或CT本身故障破损，最终导致CT不工作，无法及时给电池充电。当电池欠压时，单一的CPU系统工作在无序状态，造成误检测。当电池电量耗尽后，故障指示器传感器死机，既无法采集数据，也无法发送信号，处于离线状态。

而故障指示器监测单元多采用电池供电与太阳能电池板发电互补的供电方式，同时也多是单一CPU运行工作。在遭遇连续阴雨天气时太阳能电池板无法有效连续发电。或者由于空气中颗粒污染等原因，致使太阳能电池板上粉尘堆积较多，太阳能电池板发电效率下降，无法有效足量的给电池充电。同时，太阳能电池板随着长时间的运行，本身也会有损耗。这些都会造成电池无法长期稳定供电，甚至电池电量耗尽，致使监测单元死机，乃至整个故障指示器系统处于死机、离线状态。当真正线路故障时，却又无法报警，造成电网故障，带来损失。

2 整体系统方案设计与功能实现

针对目前配电线路故障指示器的特点及问题，特此设计一种独立供电的双CPU系统故障指示器，其系统框图如下图1所示。

故障指示器系统包含传感器及监测单元，均采用双CPU机制，且每个CPU均独立供电，独立发送信号。监测单元通过短距离无线组网方式接收传感器发出的故障点号、负荷电流、非电量等信息。当线路发生故障时，传感器检测到此故障信号，并通过无线形式实时将数据传送给监测单元，监测单元则将接收到的数据进行处理、判断后，通过GPRS/GSM向配网主站发送远程子站状态、指示器状态、故障报警信号等，运维人员可以借助此报警显示信号，迅速而又准确地判别故障发生的区段及当前线路的运行状态，找出具体的故障点，有效的排除故障，缩短停电时间，缩小停电区域，确保电网的安全运行。

其主要功能实现如下：

实时检测。故障指示器的传感器可以实时检测负荷电流、设备状态、非电量（如温度、位置等）。

智能判断。故障指示器监测单元接收到传感器的采样数据后，通过一定的逻辑运算，判断是否达到或超过电流整定值 ，并确定是否产生报警指示信号（指示灯快闪）及动作出口等。同时还可判断是过负荷电流和短路故障或接地故障，还或是线路停电等状态，确保动作的准确度。

闭锁逻辑。当线路在送电状态时，短时闭锁故障保护逻辑及动作出口，防止故障指示器误动作；当线路正常运行后，闭锁故障保护逻辑自动解除。

供电方式灵活。内置电池的同时，还可以进行导线的CT取电，监测单元还带有太阳能电池板，具备光伏发电的功能。

无线通信。故障指示器的传感器与监测单元间通过短距离无线组网，而监测单元则通过GPRS/GSM向配网主站发送远程子站状态、故障预警信号等信息。

户外安装。一般故障指示器的传感器及监测单元均可安装在架空线等户外环境下，采用特殊的外壳材料和防护层来保证不同天气条件下的长期稳定在线运行。

故障指示。当故障发生时，则使高亮度LED 闪烁、翻牌指示，这样的组合显示可以确保在白天和黑夜都能准确地看到故障报警信号。

自动复位。故障发生后，如果断电，在恢复供电后故障指示器可及时自动复位，无需人工干预。

带电安装与拆卸。故障指示器传感器采用有效的卡线结构，可带电进行安装与拆卸，方便运维人员的使用。

双信号独立发送。CPU1完成故障指示器的主要功能，并发送信号，但是功耗大。CPU2定时监测CPU1的运行状况，以及对CPU1的电池电量监测，发现异常时才独立发送信号，功耗低。

3 硬件设计

3.1 故障指示器传感器

故障指示器传感器硬件模块设计，主要有CT取电电路模块、CPU1供电电路模块、线路交流采集模块，CPU1无线通信模块、故障指示模块、CPU2供电电路模块、CPU2无线通信模块。

内置的CT取电电路，将高压转换后分别给CPU1和CPU2的供电电池充电，CPU1的供电电池单独给CPU1供电，CPU1主要完成实时的数据采集与运算，并将信号通过无线形式发送给监测单元，同时接收监测单元的指令确定是否驱动故障指示模块，使能LED 闪烁与翻牌。CPU2的供电电池单独给CPU2供电，CPU2采用低功耗的MSP430些列单片机，为了降低功耗，定时监测CPU1的运行状态，以及CPU1的电池电量。CPU2的无线通信模块平时处于休眠状态，只有CPU1出现异常或CPU1电池欠压时才主动发送无线信号。

3.2 故障指示器监测单元

故障指示器监测单元硬件模块设计，主要有太阳能电池板发电电路模块、CPU1供电电路模块、CPU1与主站GPRS/GSM通信模块、CPU1与传感器无线通信模块、出口动作模块、CPU2供电电路模块、CPU2与主站GPRS/GSM通信模块、CPU2与传感器无线通信模块、人机交互模块。

太阳能电池板将光能转换为有效的电能后分别给CPU1和CPU2的供电电池充电，CPU1的供电电池单独给CPU1供电，CPU1与传感器无线通信模块接收来自传感器的数据，经过逻辑判断后，确定是否驱动出口动作模块，并将数据及预警信号通过GPRS/GSM模块发送给主站后台监控系统或运维人员手机上。CPU2的供电电池单独给CPU2供电，CPU2采用低功耗的MSP430些列单片机，为了降低功耗，定时监测CPU1的运行状态，以及CPU1的电池电量，同时CPU2只接收来自“传感器CPU1”的无线信号，平时处于休眠状态，只有出现异常时才主动通过GPRS/GSM模块将信号发送给主站后台监控系统或运维人员。CPU2的GPRS/GSM模块平时也处于休眠状态，降低功耗。人机交互模块可以方便调试人员查看数据、状态以及修改定值等。

4 软件设计

故障指示器传感器与监测单元的软件流程图分别如图2、图3所示。

故障指示器传感器CPU1软件从参数初始化后，循环进行自身状态发送给CPU2、线路数据采集、逻辑判断、数据无线发送给监测单元、接收监测单元指令并确认是否驱动报警。CPU2软件从参数初始化后，启动定时器，当定时时间到时读取CPU1的电池电量、CPU1状态并判断是否异常，当异常时启动无线发送。其他时间则进入低功耗模式，增加工作寿命。

故障指示器监测单元CPU1软件从参数初始化后，循环进行、人机交互查询、逻辑判断、自身状态发送给CPU2、接收传感器信号并确认是否驱动报警，同时通过GPRS/GSM模块发送数据及报警信号给主站后台监控系统或运维人员。CPU2软件从参数初始化后，启动定时器，当定时时间到时读取CPU1的电池电量、CPU1状态、接收“传感器CPU2”信号，并判断是否异常，当异常时启动GPRS/GSM模块发送数据。其他时间则进入低功耗模式，增加工作寿命。

5 结语

采用独立供电的双CPU新型故障指示器，在实现传统的常规故障指示器的全部功能外，同时还具有自检功能、低功耗、寿命长、维护量小的优点，有效的解决了误检测、离线、死机等问题。在方便运行维护人员的巡检与使用的同时，也可提高配网自动化的水平，為电力行业节约成本，减少资源浪费，保证电网正常运行，推动智能电网的发展，具有很高的经济价值和很大的实用价值。

参考文献

[1] 冯小明，吴国平，周献飞，等.基于非接触式电流互感器取电的故障指示器设计[J].电测与仪表，2014（12）：98-102.

[2] 杨鹏，赵伟，黄松岭，等.铁芯开气隙电流互感器原理表述新探[J].电测与仪表，2007（10）：44-47.

[3] 苏浩益，贺伟明，吴小勇，等.10kV电缆故障指示器应用研究[J].南方电网技术，2014，8（1）：85-88.

[4] 张宏波，袁钦成.故障指示器在智能电网中的应用[J].能源技术经济，2011，23（1）：16-20.