故障指示器的无线通信与低功耗实现

侯思祖，刘玉春

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)



故障指示器的无线通信与低功耗实现

侯思祖，刘玉春

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北保定071003)

针对10 kV配电网，为了减少电网故障对用户造成的损失，实现对线路故障的实时监测，提高供电水平，设计了一种新型的具有无线通信功能的故障指示器，利用Si1003芯片优越的RF性能实现505、506、507、508、509 MHz 5个通信频率可选择，在空旷的室外环境下通信距离不低于200 m，与传统的故障指示器相比，采用了高准确率的故障检测技术和三重结构电源系统，CT取电与超级电容和大容量锂电池相结合的方式供电，以及优化运行方式；实验研究显示故障指示器动作的准确性高达97.3%，功耗电流降低为30 uA；所以最终实现了故障指示器的无线通信功能，大大提高了故障判断准确率，降低了电池的消耗，可保证故障指示器在配电线路上安稳工作10年。

故障指示器；CT取电；故障检测；射频无线通信；低功耗

0 引言

国内10 kV中低压配电线路传输距离远，沿途环境复杂，线路故障率高[1]。故障指示器通过安装在10 kV的三相架空线上，检测线路故障情况，并将故障信息上报至监测终端。

近几年，对于故障指示器的研究工作也很多，但大多数都是对故障判断算法的研究，很少有对降低其功耗的研究。文献[2]采用了S信号注入法对配网的接地故障进行研究，但其设备费用高昂且安装不便，对于负荷波动大的线路也经常误动；文献[3]利用负序电流法进行接地故障定位，但是需要提取负序电流，计算复杂，而且还要考虑不平衡电流的影响；文献[4]提出STM32和无线通信模块的设计方案，单片机与通信模块之间也需要进行数据交互，这增加了设计的复杂度，也不利于提高系统的稳定性。

实际应用中需要考虑故障指示器的动作准确性和功耗情况，设计了故障指示器的硬件结构，包括电源模块、CT测量模块、翻牌点灯模块、通信模块、看门狗模块等；采用高准确率的电流突变法和综合检测法进行短路故障和接地故障检测，三重结构电源系统以及优化运行方式的设计大大降低了故障指示器的功耗，采用继保测试仪和耐压仪对故障指示器进行故障检测准确性实验，故障判断准确率达到97.3%，用电流表串联入故障指示器中，测量其功耗电流为30 uA；利用Si1003芯片优越的RF性能，实现了故障指示器与监测终端之间无线通信数据传输，在空旷的室外环境下测试其通信距离不低于200 m。

1 故障定位系统设计

1.1 故障定位系统组成

故障定位系统由故障指示器、监测终端和主站三部分组成，系统可以在线路故障发生后5 min内[5]，自动定位故障区域，同时发送短消息给相关人员，进行故障处理。

(1)故障指示器

故障指示器通过CT取电装置对线路电流采样，计算线路电流突变情况来检测是否出现故障；检测出线路故障后，翻牌器翻牌，LED灯以2 s的频率闪烁，上报故障信息至监测终端；并按照预设时间参数自动复归。

(2)监测终端

监测终端具有配电线路故障信息分析并自动报警功能；将异常信息主动上报给主站，同时保存一定数量的异常记录供主站召测；监测终端与故障指示器通过微功率无线通信技术传输数据，与主站通过GPRS通信网传输数据。

(3)主站

主站硬件由1台服务器+1台工作站组成。主站软件主要功能为：故障信息实时检测和故障定位；故障指示器动作信号的纠错和补漏；历史数据和报表系统；网络拓扑和动态图形显示；台区监控；报警处理等。

1.2 故障定位系统工作原理

在线路的分段和重要分支线首段等处，安装故障指示器，每个故障指示器有自己的地址；线路故障时，处于故障电流通路上的故障指示器将自动翻牌闪灯[5]；通过点对点的方式将地址及故障数据发送给监测终端。

监测终端接收到故障信息后，通过GPRS通信网发送给主站；主站系统进行网络拓扑分析，并将故障定位结果以短信的方式通知有关人员[6]；维修人员可以直接到故障点排除故障。

2 新型故障指示器设计方案

2.1 新型故障指示器结构

设计的故障指示器采用超低功耗Si1003芯片，其内部集成高性能微处理器、RF收发器件、以及高分辨率的ADC；故障指示器结构如图1所示，主要由电源模块、电流测量、电压测量模块、翻牌点灯模块、通信模块、看门狗模块等组成。

图1 故障指示器结构

故障指示器工作流程为：取电CT装置以4 kHz频率对线路电流采样，等待采样数据缓存区有足够的数据，计算出电流、电压特征量，进行故障判断。检测到故障信息后，就会翻牌闪灯，然后激活无线通信模块，将地址、故障数据等信息打包发送至监测终端；并按照预设的时间参数自动复归。

2.2 高准确率短路和接地故障检测技术

设计的故障指示器可以检测出短路故障和接地故障。

(1)短路故障判据

采用电流突变法来判断短路故障，主要以负荷电流突变量和持续时间为判据，图2是短路故障电流的波形。具体判据如下：

①线路负荷电流I1≥5 A，持续时间t1>40 s。

②电流突然升高，突变时间Δt：20～40 ms；电流突变量ΔI：

当负荷电流I≤200 A时，ΔI≥100 A；

③线路电流升高一段时间后就突然降低，接近于0，此时处于断电状态。这三种状态均出现可判断是短路故障。

图2 短路故障电流波形

(2)接地故障判据

采用综合检测算法：以线电压、接地暂态电流和线路稳态电流等多个参量为特征值[7]，其电压及电流突变波形如图3所示。具体判据如下：

①线路负荷电流I1≥5 A，持续时间t1>40 s；

②电压U突然降低，ΔU≥30%×U；电压下降的同时线电流突然升高，突变量ΔI≥15 A，突变时间Δt0:80 ms～4 s。

③电流恢复到突变前的值或者一直处于突变值，电压一直处于突变值，这个过程持续时间t2>48 s。这三种状态均出现可判断是接地故障。

图3 接地故障电流波形

2.3 无线通信方案

Si1003芯片是一款集MCU和EZRadioPRO无线射频模块于一体的二次开发芯片，有优越的RF性能，其射频模块内部集成天线、64字节的FIFO，可配置GPIO以及唤醒定时器等[8]。由于发送和接收通道共享同一天线，所以通过Si1003的GPIO2和GPIO1引脚实现接收通道和发送通道的切换。通过设置匹配电感电容值设计故障指示器的工作频段为470～510 MHz，软件编程实现通信频率为505、506、507、508、509 MHz 5个通信频率。

2.3.1 通信协议的定义

故障指示器与监测终端之间通过点对点无线通讯协议实现数据传输，该通信协议是自定义的。每个故障指示器装置有各自的地址码，故障及状态信息的主动上报，由故障指示器装置发起，逐层建立链接，向上传递。帧是传送信息的基本单元，帧格式如表1所示。

表1 帧格式

2.3.2 软件设计

本文设计的故障指示器能够故障信息主动上报至监测终端，也支持监测终端的数据召测。Si1003有4字节的RAM，64字节的可在线编程Flash，在数据链路层实现数据的发送和接收。通过对CPU各个特殊功能寄存器配置实现对物理层端口的驱动；物理层数据服务主要完成帧的接收、缓冲和读入等操作。发送时，对MAC协议数据单元封装；接收时，通过校验和计算，传给MAC层进行分析。

图4 数据发送流程图

通信模块的初始化其实就是对协议物理层的初始化，主要工作有清除中断标志位、复位内部寄存器、确定工作频段和使能FIFO模式等。初始化及参数配置完毕后，检测引脚nIRQ的电平，若为低电平则表示系统转变为收发模式。数据发送和接收的具体工作流程如图4和图5所示。

图5 数据接收流程图

3 新型故障指示器的低功耗设计

3.1 三重结构电源系统

因为采样、通信、计算等都会产生大量的功耗，所以故障指示器采用CT取电与超级电容和大容量锂电池相结合的方式供电。

配电网线路负荷电流在0～630 A之间，取电CT的钳形电流互感器同时具有测量与取电两个功能，能够在线路负荷电流小时，具有供电能力；线路电流大时，电流输出应限制在一定范围内，以保护设备不被损坏[9]。

CT取电供电利用电磁感应原理，通过电流互感器从一次线路上获取电能，并实现电压输出[10]。三重结构电源系统工作原理：

(1)取电CT从线路获取电能量，经采样整流保护后，直流电压给小容量电容快充速电，快速启动系统。

(2)该故障指示器实现的是5 A以上电流采用CT供电；当线路电流低于5 A时，CT取电系统输出电压过低，通过电压检测电路，自动切换到后备锂亚电池给系统供电。

(3)为了减少电池的消耗，设计了可充电的法拉电容(1 F/5.5 V)，当系统检测到线路负荷电流达到2 A时，则判断线路有电，开启大容量法拉电容充电，法拉电容可在线路电流小于5 A时为故障指示器供电，法拉电容能量耗光再使用电池供电。

3.2 优化运行方式

合理规划运行方式对减小系统的功耗有着重大作用。

(1)当线路电流小于5 A时自动切换到电池供电，此时CPU处于深度睡眠状态，采样频率降低，每隔1 s唤醒一次CPU，进行定时采样，无线唤醒间隔为20 s；当线路电流大于5 A时，会产生一个小电流唤醒信号唤醒CPU，故障指示器进入CT全采样状态，CT供电满足系统功耗需求，此时无需考虑功耗问题，CPU不需要休眠。

(2)平时的状态数据更新，维护网络的正常通讯心跳，采用法拉电容存储电能供电，如果电量不足，等充满后再重新更新，杜绝使用电池能量[11]。

(3)对每日每月总的电池能量通讯次数的管理控制，确保对电池的使用合理分配。

4 新型故障指示器实现

4.1 故障检测实现

通过继保测试仪和耐压仪为故障指示器输入故障电流和故障电压，进行故障指示功能测试，结果显示能准确实现接地和短路故障指示具体数据如表2和表3所示；根据河北保定地区10 kV配电网每月平均发生的故障次数进行故障模拟，统计出其故障动作准确率，如表4所示。

4.2 低功耗实现

用电流表测量故障指示器的静态功耗，即负载电流为0，处于复归状态，只用电池供电，然后对故障指示器串入量程为200 mA，精度6位半的电流表。测量了23个点的功耗电流为(单位uA)：63.4；47.2；39.6；35.3；32.5；30.4；29.2；28.2；27.6；27.3；27.7；27.1；27.3；27.4；27.5；27.5；27.6；27.2；26.8；26.6；26.4；26.2；26；计算平均功耗为30.952 17 uA。本文设计的故障指示器电池为4 Ah的一次性干电池，按70%的放电量，所以推算其使用寿命为：

表2 短路故障测试

表3 接地故障测试

表4 准确率统计

4.3 通信测试与分析

本文设计的故障指示器505、506、507、508、509 MHz等5个通信频率可选择。通过继保测试仪模拟出故障电流，每频率发送1 000个故障信息数据包，在故障指示器翻牌点灯的情况下，在室外空旷无阻碍物的场地下测试故障指示器与监测终端之间的通信距离与丢包率，从表5可看出当通信距离大于200 m后，开始出现丢包现象。

表5 实测丢包率

5 结论

设计了一种新型的超低功耗的故障指示器，利用Si1003芯片自带的优越RF性能和高准确率的故障检测技术，三重结构电源系统以及优化的运行方式的设计，实现了故障指示器与监测终端之间通信距离不低于200 m的数据传输，并且保证了故障指示器动作的高准确性和低功耗。

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A Fault Indicator with Wireless Communication Function and Its Low Power Consumption Realization

HOU Sizu, LIU Yuchun

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In order to reduce the users loss caused by grid failure, achieve real-time monitor for the line, and raise the level of power supply, a fault indicator with wireless communication function is designed in this paper, where five communication frequencies, 505M, 506M, 507M, 508M, 509MHz are selectable, with its communication distance not less than 200 m in the open outdoor environment.Compared with the traditional fault indicator, it uses the fault detection technology with better accuracy and a power supply system with triple structure, which combines CT power and high-capacity lithium battery and super capacitor and adopts optimization operation Mode.Experimental studies have shown that the accuracy of the fault indicator operation is raised up to 97.3%, while the current consumption is reduced to 30uA; ultimately, the fault indicator achieves wireless communication, which greatly improves the accuracy of fault diagnosis, and reduces battery consumption, and ensures it stably work for about 10 years on distribution lines.

fault indicator; CT power; fault detection; RF wireless communication; low power consumption

2016-06-20。

侯思祖(1962-)，男，教授，研究方向为电力通信网等，E-mail:1647354604@qq.com。

TP23

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.007