何曉陽(yáng)，王小英

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 2211161；2.常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500)

?

高壓線故障檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

何曉陽(yáng)1,2，王小英1,2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 2211161；2.常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500)

據(jù)國(guó)家電路部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的線路電壓等級(jí)高于110 kV以上的輸電總長(zhǎng)度近106km，且線路經(jīng)過(guò)的地形復(fù)雜，故障不可避免會(huì)發(fā)生。文中介紹了通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和GPRS技術(shù)進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸?shù)母邏狠斉潆娋€路故障檢測(cè)系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸配電線的運(yùn)行狀況，如：電流、溫度等。并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警和自動(dòng)定位功能，使其能在1 min及時(shí)將故障點(diǎn)通知控制中心和管理人員。整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)的能量采用高壓輸電線電磁線圈互感自取電技術(shù)，電源產(chǎn)品壽命無(wú)年限，使用時(shí)間較長(zhǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；故障監(jiān)測(cè)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；互感自取電技術(shù)

0 引言

輸配電線路分支多，分布廣，地貌環(huán)境復(fù)雜，如果輸電線發(fā)生故障(一般為短路、斷路和接地)，將會(huì)產(chǎn)生查找事故尋找困難，浪費(fèi)大量物力財(cái)力，因此及時(shí)找到線路故障所在地是排除故障的第一步。

傳統(tǒng)的翻牌指示型故障指示器懸掛在架空型高壓線上，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，會(huì)動(dòng)作翻牌使其底部看上去是紅色以此指示線路故障。但是翻牌故障指示器只能檢測(cè)短路和接地故障，且功能單一、誤差大、經(jīng)常產(chǎn)生誤報(bào)和漏報(bào)。一旦線路有故障時(shí)，工作人員只能知道哪一條線路發(fā)生故障，并不清楚線路所在的具體位置。第二代基于太陽(yáng)能通訊的故障指示器采用太陽(yáng)能取電，電池壽命受很大影響，并受天氣影響。而且每套產(chǎn)品需要一個(gè)網(wǎng)關(guān)，如10套需要10個(gè)網(wǎng)關(guān)，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高。

本系統(tǒng)所采用的基于互感器自取電[1]和GPRS技術(shù)的智能故障指示器用于在線監(jiān)測(cè)線路運(yùn)行狀態(tài)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)可以帶10套終端，通訊費(fèi)用較低。這時(shí)監(jiān)測(cè)線路故障，杜絕誤報(bào)，應(yīng)用ZigBee協(xié)議[2]，三個(gè)終端可以互相通訊。能幫助工作人員快速、準(zhǔn)確的找到接地、短路和斷路故障，還可將故障點(diǎn)所在的具體位置和故障類型通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送到工作人員手中，同時(shí)監(jiān)控中心的軟件上也會(huì)有相應(yīng)的故障信息顯示，有效提高輸配電線路實(shí)時(shí)故障檢測(cè)的自動(dòng)化水平。

1 智能故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于無(wú)線通訊技術(shù)的高壓線故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用了3個(gè)層次兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，3個(gè)層次分別為：遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)、檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)。2個(gè)網(wǎng)絡(luò)分別為ZigBee短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和GPRS通信網(wǎng)絡(luò)。其中檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)接收檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的線路狀態(tài)數(shù)據(jù)；而網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)則通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)將接收到的線路狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心的主機(jī)上；工作人員便可據(jù)此定位故障地點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 終端結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是由網(wǎng)關(guān)與終端所構(gòu)成的智能檢測(cè)單元組成的，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：其中網(wǎng)關(guān)內(nèi)還設(shè)有GPRS無(wú)線通訊模塊，能夠與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通訊。網(wǎng)關(guān)與檢測(cè)終端間通過(guò)以CC2530[3]作為控制核心的無(wú)線射頻模塊相互通訊，通過(guò)采樣線路的電流和電壓變化，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路運(yùn)行情況，根據(jù)各種狀況下電壓和電流的變化特征，分析得出線路運(yùn)行情況，來(lái)檢測(cè)輸電線路的瞬時(shí)性故障，保證了終端檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 系統(tǒng)的電源處理設(shè)計(jì)

電源處理裝置如圖3所示，電源處理裝置通過(guò)電源線圈獲得感應(yīng)電流經(jīng)整流后，通過(guò)限壓限流保護(hù)電路[4]輸入到DC-DC升降壓模塊，輸出的穩(wěn)定電壓為CC2530芯片供電和對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，還能在網(wǎng)關(guān)中為后續(xù)的DC-DC升壓提供輸入。網(wǎng)關(guān)同時(shí)包含DC-DC升壓模塊和GPRS模塊，輸入經(jīng)DC-DC升壓后變成穩(wěn)定的電壓供給GPRS模塊使用。

圖3 電源處理裝置

本裝置電源線圈采用多片硅鋼片沖壓而成的鐵芯，在鐵芯上纏繞電源線圈，通過(guò)電磁感應(yīng)原理，在電源線圈輸出端得到交流電壓和電流供給后續(xù)電子器件能量。為了保護(hù)DC-DC模塊，須把整流電壓限制在指定的范圍內(nèi)，此時(shí)需要限壓限流電路來(lái)限制過(guò)大的能量輸出，也就是進(jìn)行能量泄放[4]。

原理圖如圖4所示，D1采用6 V穩(wěn)壓管，當(dāng)整流橋輸出電壓分壓到MOSFET上電壓大于MCH3484的導(dǎo)通壓降時(shí)，電路進(jìn)入工作狀態(tài)，多余能量通過(guò)大功率電阻R4進(jìn)行泄放；當(dāng)整流橋輸出電壓較低時(shí)，此電路不工作，不會(huì)影響電源啟動(dòng)電流。

圖4 限壓限流電路

2.1.2 前端升降壓電路設(shè)計(jì)

DC-DC升降壓模塊采用TOP61200芯片，輸入電壓范圍為0.3～6 V，效率高。它可以按照輸入電壓的大小自動(dòng)轉(zhuǎn)換成升壓模式或者是降壓模式。通過(guò)調(diào)整分壓電阻的大小可以設(shè)定輸入低電壓鎖存，且有輸出短路保護(hù)。原理圖如圖5所示，其中C2采用5 F的超級(jí)電容，主要作用是在DC-DC穩(wěn)壓芯片供給電能充足的情況下，將一部分多余的電能儲(chǔ)存到超級(jí)電容里。

這個(gè)電路還具有自鎖功能，只要CC2530工作，EN就讓它處于低電平，芯片的EN管腳就始終處在高電平。這樣它就能在高壓線路上處于斷路的同時(shí)，也能由VBT提供TOP61200輸入而工作。VBT為1節(jié)鋰電池1.5 V電壓。此外，當(dāng)電能充足時(shí)，由于VIN的電位比VBT高，所以大部分能量就從VIN取得。D2、D3、D4、D5均采用肖特基二極管，它的優(yōu)點(diǎn)是低功耗、大電流、是一種超高速半導(dǎo)體器件。其反向恢復(fù)時(shí)間極短，正向?qū)▔航档汀?/p>

圖5 TOP61200組成的升降壓穩(wěn)壓電路

為了使在最小母線電流20 A情況下系統(tǒng)能自供電并正常工作，需要在此電流下確定輸出功率最大，通過(guò)調(diào)試R8上的阻值，確定功率變化曲線在母線電流20 A時(shí)隨R8上的阻值變化如圖6所示。當(dāng)R8取120 kΩ時(shí)，在輸入端測(cè)得的功率最大，為85 mW，則此時(shí)的輸入電壓如式(1)所示。

(1)

式中：R7取20 kΩ；VUVLO為輸入閾值電壓，內(nèi)部的閾值電壓為固定值250 mV。

通過(guò)調(diào)整R8的阻值讓輸入電壓鉗位在1.75 V，此輸入電壓Vin恰好是在母線電流20 A時(shí)輸出功率最大點(diǎn)，并以有滿足系統(tǒng)正常工作。

圖6 功率變化曲線圖

2.2 檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)的母線電流互感采樣模塊

母線電流互感采樣電路如圖7所示，它是在原有的鐵芯上纏繞采樣線圈2150圈，為防止瞬間感應(yīng)電壓過(guò)大，保護(hù)后續(xù)電路，兩端接瞬態(tài)抑制二極管。其中Rs為采樣電阻，其流過(guò)的電流值約為母線電流值的千分之一。場(chǎng)效應(yīng)管Q4控制采樣線圈的通斷。精密高邊電流檢測(cè)放大器LMP8645接入Rs1兩端，其中電阻RG1控制其放大倍數(shù)。它可以根據(jù)采樣電阻Rs1中的電流值輸出相應(yīng)的電壓值

(2)

式中：Vs為采樣電阻Rs1兩端的電壓，內(nèi)部電阻Rin固定為5 kΩ；RG1取10 kΩ，從式中可知輸出電壓放大倍數(shù)與外接電阻大小有關(guān)；則輸出電壓放大倍數(shù)為2。

LMP8645輸出端接主控芯片的采樣端口P0.1。

圖7 電流互感采樣模塊

2.3 檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)的在線電流計(jì)算

檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)要對(duì)線路的狀態(tài)進(jìn)行判斷就必須先測(cè)得母線的電流值。通過(guò)對(duì)電流互感采樣模塊輸出波形使用傅里葉變換[3]進(jìn)行采樣值處理，根據(jù)奈奎斯特時(shí)域采樣定理：當(dāng)時(shí)間信號(hào)函數(shù)f(t)的最高頻率分量為fmax時(shí)，采樣頻率fsample和最高頻率分量fmax滿足

fsample>2fmax

(3)

高壓輸電線上電流大小的頻率分量值為50 Hz，故采樣頻率必須大于100 Hz，這里設(shè)置采樣頻率500 Hz，并采樣10個(gè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，離散傅里葉變換公式如下：

(4)

式中：N為處理點(diǎn)數(shù)；x(n)為采樣值；X(k)為離散傅里葉變換值。這里有N=10，k=1。由X(1)即可計(jì)算50 Hz正弦波電壓幅值。

(5)

如圖8所示為計(jì)算輸出電壓幅值與母線電流擬合曲線圖，兩者成線性關(guān)系，由此可以通過(guò)計(jì)算采樣線圈輸出電壓值大小來(lái)計(jì)算出母線電流值的大小。

圖8 采樣輸出電壓與母線電流擬合曲線

2.4 檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)的ZigBee無(wú)線通信模塊[6]

ZigBee無(wú)線通信模塊內(nèi)主要采用2.4 GHz公共頻段射頻芯片CC2530。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，尤其適用于低功耗要求的系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，CC2530除了用來(lái)進(jìn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)通信外，還控制著母線電流互感采樣模塊和電流互感取電模塊的開關(guān)。

為了使ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)間的通信距離增大，通過(guò)加裝3 dB左右的全向增益天線，理論上可以使結(jié)點(diǎn)間的通信距離達(dá)到1 000 m，為了驗(yàn)證此數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)得通信距離如表1所示。

表1 通信距離測(cè)試結(jié)果 m

由測(cè)試結(jié)果看出，無(wú)線通信模塊傳輸距離在開闊無(wú)遮擋的地方可維持在820 m左右，如果樹木或者建筑物受到遮擋時(shí)，模塊間的通信距離可維持在550 m以上，依然可以滿足實(shí)際要求。

3 檢測(cè)終端和網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)終端結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)的流程圖[9-10]

在測(cè)量故障時(shí)，本程序采用了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)高壓輸電線三相固定點(diǎn)上的電壓和電流的變化，由于五次諧波分量對(duì)電網(wǎng)的質(zhì)量影響比較大，可以通過(guò)對(duì)半波整流后的電流波形進(jìn)行傅立葉變換，采用在線路發(fā)生故障時(shí)候五次諧波的有效值大小占基波有效值大小的百分比，來(lái)判斷高壓架空線路在該點(diǎn)是否存在接地故障。通過(guò)測(cè)量母線電流在20～140 A情況下發(fā)生接地故障時(shí)，五次諧波的電壓幅值是線路正常時(shí)五次諧波電壓幅值的1/3～1/5，并且此時(shí)間持續(xù)20 s，則可判定線路發(fā)生接地故障。而當(dāng)采集到母線上的電流大于正常運(yùn)行時(shí)電流的95%時(shí)，可判定線路處于短路故障。

CC2530運(yùn)行的主要流程圖如圖9所示，它主要用來(lái)監(jiān)測(cè)母線上的電流變化，根據(jù)電流的變化來(lái)判斷線路狀態(tài)以及控制備用電源模塊的充放電，并且將線路的故障信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)。

圖9 CC2530判斷故障流程圖

網(wǎng)關(guān)結(jié)點(diǎn)無(wú)需判斷線路狀態(tài)，只需接收存儲(chǔ)來(lái)自故障監(jiān)測(cè)結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，并及時(shí)將它們通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的主機(jī)上。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

用高壓故障模擬試驗(yàn)臺(tái)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的驗(yàn)證，線上電流調(diào)節(jié)范圍為0～200 A，在高壓故障模擬試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線上電流測(cè)試，并在自主研發(fā)的終端故障檢測(cè)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，表2中，60-0-4-20代表60號(hào)網(wǎng)關(guān)，4號(hào)終端對(duì)應(yīng)的20號(hào)地址。接地故障在開啟試驗(yàn)臺(tái)的瞬間，斷路故障在斷開試驗(yàn)臺(tái)時(shí)。通過(guò)不斷調(diào)節(jié)高壓故障模擬試驗(yàn)臺(tái)上的電流，數(shù)據(jù)充分說(shuō)明在20～140 A條件下，終端軟件上能正確反映線路的實(shí)際情況(斷路部分為高壓故障試驗(yàn)臺(tái)斷電情況下測(cè)得)，定位故障點(diǎn)的位置，并能在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)。

表2 終端軟件測(cè)得的線上電流狀態(tài)

4 結(jié)論

本系統(tǒng)可以通過(guò)GPRS通訊技術(shù)，以手機(jī)短信方式快速高效的幫助工作人員找到高壓輸配線上接地、短路和斷路故障，并且遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以記錄儲(chǔ)存故障的常發(fā)點(diǎn)信息，提高了工作人員的工作效率、減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了高壓輸配電線路故障檢測(cè)的自動(dòng)化水平程度。而且利用ZigBee組網(wǎng)的通訊技術(shù)可以降低成本且方便可靠，為工作人員搶修線路等工作提供可靠有效的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行大規(guī)模的推廣使用。

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《儀表技術(shù)與傳感器》雜志

刊載內(nèi)容：

傳感器技術(shù) 儀器儀表

系統(tǒng)與應(yīng)用 研究與開發(fā)

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Design of Fault Detection Device of High Voltage Lines

HE Xiao-yang1,2，WANG Xiao-ying1,2

(1.School of information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221161,China；2.School of Electrical and Automatic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

According to the national circuit department statistics,our country has nearly 1 million miles transmission lines over 110 kV voltage level,and line through the terrain environment is complicated,and the failure is inevitable.This paper introduced Internet of Thing and GPRS technology for wireless long-distance transmission of high voltage transmission and distribution lines fault monitor system.The system can real-time monitor the operating conditions of the transmission and distribution wires,such as current,temperature,etc.And it can achieve remote alarm and automatic positioning function,so that it can notify the control center and management staff in a minute.Detection terminal nodes and gateway nodes energy of the entire system used high-pressure transmission line solenoid mutual self-created power technology,and the life of the power product have no years restrictions,and it can use a longer time.

Internet of Things；fault monitoring；real-time monitoring；mutual self-created power technology

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273312)

2015-03-16 收修改稿日期：2015-09-16

TH702

A

1002-1841(2015)12-0032-04

何曉陽(yáng)(1988—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娫磻?yīng)用設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)。E-mail：331058511@qq.com 王小英(1975—)，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、圖像處理。E-mail：1323454@qq.com