基于广域测量信息的配网故障定位装置的研制

刘嘉美，刘亚东，代杰杰，杨军虎，李晓博，盛戈皞，江秀臣

(1.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200240;2.国网山东省电力公司德州供电公司，山东 德州 253000)

0 引言

配电网的故障定位是配电自动化的关键组成部分。在配电网发生故障后，对故障点及时、准确的定位是快速消除配电网故障的基础，对于保障用户供电有着重大意义。统计数据显示，我国配电网中发生的故障主要为单相接地故障，其中架空线配网故障中，单相接地故障所占比例高达80%以上［1］。因此，开发可定位单相接地故障的配电网故障定位装置对配电网安全而稳定地运行、提高供电可靠性有重大意义。

当前用于配电网单相接地故障定位的装置研发主要有两种类型，FTU［2］(Feeder Terminal Unit)以及故障指示器［3］。由于 FTU 成本巨大，且体积较大，需要安装在线柱或配电柜内，无法安装在架空线上，上述原因造成用于故障定位的FTU难以在配电网大规模高密度布局;故障指示器一般不具有数据存储的功能，且由于故障指示器的电源所限，通常无法负担远距离通讯模块所需功率。

基于以上问题，本文阐述了一种基于广域测量信息的配网故障定位装置设计，并通过实验验证了数据采集的可靠性以及装置无线通讯可行性。

1 配电网故障定位装置的总体设计方案

1.1 配电网故障定位装置的总体结构

广域测量需要获得每个故障定位节点的三相同步电流数据，以提取故障信息。若使用信号线缆将三相的装置连接，则增大了相间短路的风险，为线路安全考虑，三相间不宜使用有线的方式进行连接。本文均采用无线的方式实现通讯。装置的总体结构如图1所示。

1.2 装置的各功能单元设计

每一相的装置都由三个功能单元组成，分别为电流传感单元、数据采集终端以及感应取能电源，如图2。

电流传感单元包含印制板罗氏线圈及信号调理放大电路［4］。线路从印制板罗氏线圈中穿过，感应线路电流并产生电压信号，经调理后送至数据采集终端进行采样。数据采集终端以低功耗处理器MSP430F5438为主控制器，GPS模块用于同步测量，Zigbee模块用于相间数据及指令传输，并配备GPRS模块，用于与远程监控主站通讯。感应取能电源［5］的磁芯通过电磁感应从线路电流中获取能量，经过整流滤波电路为数据采集终端供电。

图2 故障定位装置的功能单元

2 广域测量采集装置的硬件设计

2.1 主控制器

主控芯片选择美国德州仪器生产的16位精简指令集处理器MSP430F5438。在芯片资源方面，该芯片具备了4个通用串行通讯接口，可满足ZigBee、GPS等模块对串口资源的需求;12位A/D转换器可用于采样电流传感单元输入的模拟信号;SPI接口可外围存储波形数据的铁电存储器同步通信;其内置的DMA控制器可用于CPU在低功耗状态时将采样数据写入到铁电存储器内，25MIPS的高性能使得对电流数据波形的FFT计算成为可能。

2.2 GPS模块

为了同步测量电流相量，以及给录波信息加盖绝对时间戳，GPS模块需要给控制器提供绝对时间信息。当相位测量的精度要求为50 Hz下0.1°时，GPS模块的时间误差应在 5 μs以下。本装置选用瑞士U-blox公司Fastrax IT530微型 GPS模块。该模块的PPS秒脉冲误差仅为1 μs，可以很好地满足同步采样的需求。其与主控制器的接口连接如图3所示。

图3 MSP430F5438与IT530主要接口

2.3 ZigBee模块

ZigBee模块负责通过GRPS通信的A相将未装备GPRS模块的B、C相终端采集的电流数据传输至远程监控主站，A相经ZigBee模块向B、C两相发送控制指令［6］。本装置中，选择美国Digi公司生产的XBee DM2.4嵌入式射频模块执行不同的相之间的短距离通讯业务。其管脚连接与功能如表1所示。

表1 XBee DM2.4的管脚连接及功能

2.4 GPRS通讯模块

故障定位装置通过GPRS通讯模块接收远程监控主站的控制命令并上传故障电流数据。选择Motorola的G24模块作为GPRS通讯模块的主要部分。G24工作时需连接SIM卡，故在电路板上需要加装SIM卡槽。连接MSP430F5438的UART3与TXD、RXD与 G24的 TXD、RXD。RI连接 MSP430F5438的中断源，当模块收到信息后会向控制器提请中断如图4所示。

图4 MSP430F5438与G24的主要接口

3 广域测量采集装置软件设计

定位装置分A相节点和B、C相节点，A相节点为装有GPRS模块的主节点。初始化配置完成后，以DMA方式持续对电流进行采样。主循环中，依次查询装置电源状态、监控主站状态并执行相应动作。MSP430F5438本身可根据采集到的电流数据通过FFT获得电流幅值并在发生阈值越限时报警。通过结合GPS秒脉冲、GPS报文和MSP430F5438的RTC时钟，对采样数据加盖绝对时间戳。接到监控主站的命令后，A相通过ZigBee向其余两相请求数据，数据首先存储到铁电存储器，并整体打包并通过GPRS通讯上传至主站。主节点的软件设计如图5。

4 装置测试

装置测试基于其各项功能指标，如表2。

表2 装置功能指标

图5 软件总体设计流程图

4.1 采集精度测试

装置线上测试图如图6。

图6 装置线上测试图

使用图6的实验平台，数据采集终端以4 kHz的采样频率进行采集，将采样数据通过数据采集终端的串口输出到PC并保存，使用MATLAB计算电流幅值，将所得结果与实际电流幅值对比，结果如表3所示。

可见在50 A至800 A范围内，采集所得的电流幅值的精确度在2%以内。

4.2 相间通讯测试

通常配电线路的相间距为数十厘米到三米以内，装置若要正常通讯，需保证两相间的ZigBee可通信距离大于相间距。本装置工作于配电线路的架空线上，可能遇到较复杂的电磁环境。为了模拟实际线路的情况，用高压发生器产生6 kV的电压，将故障定位装置A机挂装于线路，实验人员手持B机，与A机距离5 m，两机均离地 面 1.3 m，如图7。

编写程序使A机向B机发送200个包，记录收到的包总数，计算丢包率，改变测试距离重复试验，结果如表4所示。

图7 高压发生器与通讯测试

表3 电流采集测试结果

表4 通讯测试结果

由测试结果可见，在9 m距离内，丢包率为0。配电网的相间距通常为几十厘米至三米以内，测试结果验证了配电网故障定位装置使用ZigBee模块进行相间通讯的可行性。

5 结束语

本文提出了一种基于广域测量信息的配网故障定位装置，主要结论如下:

(1)本装置在电流幅值为50 A至800 A的范围内，采集效果均很理想，误差可保持在允许范围之内;

(2)本装置相间通过ZigBee网络通讯，实测证明这种设计可在实际距离内安全通信，丢包率接近于零;

因此，本装置具有较好的数据采集的可靠性以及通讯的可行性，可很好解决目前大多数配电网数据采集装置存在的问题，具有很大的应用前景。

［1］李配配，黄家栋，赵永雷.基于双端不同时测距的配电网单相接地故障定位研究［J］.电力科学与工程，2011，27(8):20-23.

［2］吴杰，王政.基于FTU的小电流接地系统故障定位方法再研究［J］.继电器，2004，32(22):29-34.

［3］蔡雅萍.10kV配电网中性点灵活接地方式及接地故障检测系统的研究［D］.北京:中国电力科学研究院，2002.

［4］王鸿杰，盛戈皞，刘亚东，等.采用罗柯夫斯基线圈和ARM+CPLD总线复用系统的输电线路故障暂态电流采集方法［J］.电力系统保护与控制，2011，39(19):130-135.

［5］刘亚东，盛戈嗥，王葵，等.基于相角控制法的电流互感器取电电源设计［J］.电力系统自动化，2011，35(19):72-76.

［6］王财宝，盛戈皞，曾奕，等.基于ZigBee技术的导线接头温度集群监测［J］.电力自动化设备，2009，29(11):45-49.