多功能配電網故障指示器研制

鄭新才，惠沛先，張 申

ZHENG Xin-cai，HUI Pei-xian，ZHANG Shen

（商丘供電公司，商丘 476000）

0 引言

隨著我國經濟的發展，人們對配電網安全運行的要求越來越高，配電網的實時監測日益受到現場的關注。目前我國大部分中低壓電網，特別是10KV配電網絡，運行管理水平、監控手段比較低；在發生故障時及時進行故障定位隔離故障區段、恢復正常線路區段的供電，對配電網安全運行至關重要。配電網接地和短路故障的定位有很多方法，目前比較經濟也是比較準確的方法是沿線路懸掛常規故障指示器，當發生故障時故障點電源測線路上的故障指示器翻紅；變電站的工作人員發現有故障時，沿線路查看故障指示器狀態，從而確定故障點；這種常規故障指示器雖然能夠比較準確指示出故障區段，但是需要工作人員沿線查看指示器翻牌狀態，工人勞動強度較大，尤其對于一些山區的配電線路，沿線查看指示器狀態是一件非常辛苦的事情。

基于以上情況我們設計了一種具有無線通信功能的多功能故障指示器MFI（Multifunction Fault Indicator），這種新型故障指示器不但能夠通過翻牌指示故障區段，還能夠通過無線通信的方式將故障狀態發送給附近的數據接收終端DTU（Data Terminal Unit），該數據終端通過GPRS聯網方式將線路故障信息及時發送給監控中心，使工作人員在監控中心就能夠了解具體是那個區段發生了故障；能夠大大提高縮短故障修復的時間和減少工人的勞動強度；并且在這種新型故障指示器中我們還設計了線路電流實時測量功能和測量線路溫度的功能。

1 MFI的功能及實現原理

多功能配電網故障指示器從結構上可分為七個主要模塊，即單片機模塊、電源模塊、線路短路及接地故障測量模塊、線路電流測量模塊、線路溫度測量模塊、翻牌驅動模塊、通信模塊等。圖1為其原理框圖。

圖1 多功能故障指示器原理框圖

該多功能故障指示器以AVR單片機Atmega8L為核心，該單片機具有低功耗功能，在待機模式下其工作電流小于10μA；該單片機本身具有10位A/D轉換器和512字節的EEPROM，可以簡化整個裝置的電路設計。該裝置通過大容量干電池和線路感應電流配合供電，在正常情況下每隔半小時測量一次線路電流和導線溫度，然后通過通信模塊將測量數據發送給附近的數據傳輸終端DTU；當線路發生故障時,線路短路及接地故障測量模塊及時測量到接地故障，并向單片機發出中斷信號，單片機響應中斷、判斷故障類型，然后單片機組織故障信息，并通過通信模塊將故障信息發送給附近的DTU；數據傳輸終端DTU具有GPRS通信功能，能夠將收到的線路正常測量信息和故障信息發往監控中心，這樣，使工作人員在監控中心就能夠了解整個配電網的工作狀況。

2 MFI的軟硬件實現

2.1 線路電流和溫度測量模塊

線路電流測量模塊是用于測量10KV配電線路負荷電流，使用戶能夠實時了解各處線路電流值，便于用戶及時發現和排除故障隱患，測量線路電流的方法是在故障指示器中放置一電磁感應線圈，其感應輸出電壓與線路電流成正比，用Atmega8L內部的10位A/D轉換器將該線圈輸出感應電壓變成離散的數字量，通過半周期積分算法計算出線路的負荷電流值，電流檢測部分電路原理圖如圖2所示。

圖中左邊部分是AVR單片機ATmega32L的部分管腳，該單片機本身內部有一個10位高速A/D轉換器，有8個模擬量輸入通道，測量線路電流采用的是0通道ADC0，A/D轉換基準電壓采用單片機內部2.56V基準，AREF管腳對地并接0.1μF 電容是為了使基準電壓更加穩定，AVCC管腳接A/D轉換電源，其通過10μH 電感接到VCC，該管腳對地并接0.1μF 電容也是為了A/D轉換器電源電壓更加穩定，減小轉換誤差。

L2是感應線圈，其輸出電壓與線路電流成正比，輸出并接一個0.1μF 電容是為了濾除高頻干擾信號，并接一個1K電阻是為了使其輸入到單片機ADC0管腳電壓更加穩定，且能保證在線路電流低于600A情況下輸入到單片機ADC0管腳電壓低于2.56V基準電壓；D10是一個肖特基二極管，其正向導通電壓為0.2V，接這個二極管是為了使輸入到ADC0管腳的負電壓不超過0.2V，從而保護單片機，采用半周期積分算法計算線路電流，所以只需要對正半波的電壓進行轉換，負半波由二極管D10短路。

單線溫度的測量電路比較簡單，我們采用的是單總線測溫芯片DS18B20，將其安裝于多功能故障指示器卡線處緊貼導線的位置，其數據線連接到單片機I/O口PC1,用這個管腳完成啟動溫度轉換和讀取溫度轉換結果的功能。

2.2 無線通信及其他模塊

圖2 電流和溫度檢測部分原理圖

無線通信模塊是用于完成無線發送和接收，因為故障指示器和數據接收終端間距離小于10m，所以傳輸距離不要求很遠，但一定要具有功耗低、抗干擾性好的特點。本裝置選用的以NRF24L01為核心的2.4GHz無線通信模塊，該模塊天線就做在PCB板上，體積小、功耗低，特別適合于嵌入式系統使用，該模塊工作電壓為1.9V～3.6V，本裝置中采用單片機的兩個I/O管腳給無線通信模塊供電，以實現在無通信要求情況下，無線通信模塊耗電為0。

我們設計的多功能故障指示器的線路短路及接地故障檢測模塊和翻牌驅動模塊電路與常規故障指示器相同，限于篇幅，本文不再詳細介紹。

3 抗干擾措施

多功能故障指示器懸掛在10KV架空線路上，運行過程中會受到外界環境和輸電線路的嚴重干擾，為使本裝置能夠長時間可靠工作,必須在硬件設計和軟件設計等方面綜合應用各種抗干擾措施。要抑制、清除干擾必須抓住形成干擾的三要素：干擾源、耦合通道和接收設備。

3.1 硬件抗干擾設計

該裝置主要干擾是來自輸電線路，通過電源的耦合電感回路影響單片機工作，如前面圖1所示，在這部分設計中應用1μF 電容C1濾除高頻干擾，1KΩ電感對干擾信號進行阻擋，應用5.1V穩壓二極管消除過高電壓，應用濾波穩壓電容C1穩定電源電壓；另外，在單片機的電源輸入端，我們還應用了π型濾波電路來消除輸入到單片機的干擾。

除了在電源輸入回路中采取了抗干擾措施外，在PCB板布線、元器件的排布等方面都對抗擾功能進行了設計。

3.2 軟件抗干擾設計

單片機系統的抗干擾不能完全依靠硬件來解決,軟件設計上也必須要考慮抗干擾的問題,常用的軟件抗干擾技術有：軟件陷阱、指令冗余、軟件“看門狗”、數字濾波等。

在多功能故障指示器的軟件設計中，我們應用了看門狗技術，ATmega8L有8KB的程序存儲空間，控制計算程序并沒有占滿整個程序存儲空間，沒有用到的程序存儲器空間我們稱為空白區域，在空白區域每隔一段地址我們就加入一個軟件陷阱，使程序由于干擾意外跳到無程序區域時，運行軟件陷阱程序，又能夠回到主程序繼續運行。

[1]陳靜,金林.便攜式煤礦電網參數實時監測儀器的研究[J].煤礦機械,2005,（4）：99-101.

[2]楊志遠,徐振林.電力參數的數字化測量和無線數據傳輸[J].電測與儀表,2005,（4）：33-37.

[3]劉毅,魯國寶,孫瑩光.一種新型配電線路電力綜合監控儀[J].電力自動化設備,2002,（2）：60-61.