基于CC430單片機的故障指示器設計研究

張興鵬，肖本賢

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥230009；

國內配電網線路分支多，網絡拓撲結構復雜，發生短路、接地等故障時，查找故障點費時費力。故障指示器是安裝在架空線路、電力電纜和變電站內用于指示故障線路，定位故障區域的裝置[1]。當線路發生短路或接地故障后，故障線路從變電站出口到故障點的所有故障指示器均閃光或翻牌指示，故障點后的指示器不動作[2]。巡線人員便可據此迅速確定故障區段。

為了提高配電系統的可靠性，及時全面地掌握配電網的故障信息，迅速確定并隔離故障區段，故障指示器除了能夠準確可靠地指示故障外，還要能夠及時傳送故障信號。目前采用不同原理、不同材料開發出來的故障指示器種類繁多。

[3]提出利用線路零序電流幅值大小的方法來設計方案，參考文獻[4]中提出了一種基于電流和電壓瞬變量檢測的故障指示器研究新方法。參考文獻[2]則提出了基于GPRS的設計方法。前兩者為采用不同檢測方法的傳統設計方案，不具備無線通信功能；第三種則通過使用Wavecom公司的GPRS模塊來實現無線通信功能。

故障指示器正在逐漸從傳統的故障指示方法向智能化方向發展。

1 故障指示判據

通過對短路及接地故障的原理和故障指示器應用現狀的分析研究，以及對各生產廠家所給的產品性能說明的總結分析，得到故障指示判據如下。

1.1 短路故障判據[4-5]

若導線某相與另一相發生相間短路，變電站內保護裝置動作，則再此過程中，該相的電流隨時間變化，如圖1所示。

圖1中，在t0時刻發生相間短路故障，該相電流立刻由正常工作電流I0陡升到短路電流IS，經過一段時間(t1-t0)后，過流(速斷)保護動作，因保護跳閘電流在 t1時刻降為0。如果該饋線裝置帶重合閘，則通過時間(t2-t1)后重合閘動作，若重合閘成功，則電流恢復 I0，故障消失；若經過時間(t4-t3)后電流又重新降為0，則說明故障未消除，重合閘失敗。

短路故障判據可總結為以下幾條：

(1)當線路發生短路故障時，導線中的電流會突然升高，它的大小與回路中的阻抗有關。在實際應用中，不同廠家對突變電流的規定各不相同，不同線路的突變電流值也不相同，可根據線路實際情況而定。一般規定為It≥100:160 A。It為突變電流。

(2)當線路發生短路時，變電站保護動作，開關跳閘，此時導線中的電流I=0 A。

(3)從發生故障時開始，到變電站保護動作，線路停電，這段時間為突變電流時間。為了提高指示器的動作準確度,需要其與變電站保護動作配合。不同廠家規定的突變電流時間的寬度也有不同。一般規定為：10:60 ms≤ΔT≤1.5:4 s。

當以上條件同時滿足時，指示器才判斷線路發生短路故障。

1.2 接地故障判據

故障指示器檢測單相接地故障的原理主要有五次諧波法、電流突變法、首半波法、零序電流法及信號注入法等[4-7]。筆者根據實際實驗分析，選用的判據條件如下：

(1)當線路發生單相接地時，故障點流過的接地電流大小等于電網正常運行時單相對地電容電流的3倍。接地電流的大小與網絡電壓、頻率、線路結構、電網線路總長等諸多因素有關。一般規定接地電容電流為Ic=2～5 A。

(2)為了避開瞬間接地，導致誤動作，指示器還考慮了連續接地時間。一般廠家規定連續接地時間ΔT＞0.5 s。

(3)單相接地時會產生電弧，并產生高次諧波，其中五次諧波較為明顯，故采用檢測電流信號中五次諧波做為故障判據。一般規定五次諧波幅值I5＞35 mA。

2 系統結構與工作原理

2.1 控制系統結構

本設計的控制系統部分引入了單片機，利用其強大的邏輯運算功能提高故障指示器性能。選擇單片機主要考慮以下問題：低功耗、電磁兼容性以及故障判據算法的編程實現。

本文選用CC430系列單片機做為控制CPU。CC430單片機充分利用TI公司業內領先的射頻專業技術和超低功耗MSP430TM微處理器，提供低于1 GHz的強勁的RF協議/應用處理器。本設計使用CC430f5137型號單片機，此款單片機具有48個引腳、12 bit ADC、32 KB+512 B的Flash存儲器以及2 KB RAM；同時具有CC1101射頻內核的射頻收發器。控制系統框圖如圖2所示。

當線路發生故障時,單片機由休眠狀態被激活,單片機通過對由數據采樣模塊采集的電流數據進行分析處理，判斷是否出現故障。若確定發生故障，則將故障種類通過無線通信模塊發送到監控中心，同時進行閃燈或者翻拍動作。

2.2 基于CC1101內核的無線射頻模塊

系統的無線通信模塊使用CC430單片機自帶的基于CC1101無線射頻模塊。該模塊具有以下特點[8]：

(1)頻帶分為 300 MHz～348 MHz、389 MHz～464 MHz 和779 MHz～928 MHz；

(2)可編程速率 0.8 KB～500 KB;

(3)高靈敏度 (1.2 KB,868 MHz,1%誤包率條件下為-110 dBm)；

(4)卓越的接收機選擇性和阻塞性能；

(5)所有支持頻率下高達+10 dBm的可編程輸出功率等。

此模塊能夠滿足故障指示器對于無線通信部分的要求，實現故障信息的實時發送。同時，此模塊有專用的通信指令集，便于編程使用。

由此，本方案可以省去外部專用無線通信芯片，減少指示器制作成本，提高其集成度。

2.3 故障顯示

故障指示器通過夜間閃燈或者白天翻牌動作來指示故障，巡線人員通過指示來查找故障點。

故障指示閃燈硬件原理圖如圖3所示。圖中VDD為接電源正極，LAMP接單片機引腳。當系統判斷線路發生故障，發命令將LAMP口等時間間隔的循環置高電平與低電平，外部發光二極管閃爍，指示故障。

故障指示翻牌動作硬件原理圖如圖4所示。圖中VDD為接電源正極，LEFT與RIGHT分別接單片機引腳。正常情況下，LEFT與RIGHT引腳置為高電平。當指示器判斷線路發生故障時，兩個引腳均置低電平，電磁鐵線圈工作，翻動指示牌。

2.4 軟件設計

本設計程序部分主要包括數據采樣、故障判據、故障顯示等部分的C語言程序編寫。主程序流程圖如圖5所示。

3 測試方案

目前在實驗室的測試方法是制作兩個樣機，將其中一個作為無線信號接收裝置，用于測試無線通信功能。

當測試用樣機檢測到短路或接地故障時，通過無線通信模塊將故障信息發送到信號接收裝置，同時故障指示器閃燈/翻牌。當故障顯示超過一定時間(每個廠家規定不同)，系統復位。

樣機完成前期測試，符合設計要求。

本文提出基于CC430單片機的故障指示器，不僅具有傳統指示器的故障顯示功能，能夠較為準確地指示故障的發生類型和發生地點，同時增加了無線通信功能，使其能適應目前配電網智能控制的要求，滿足市場的要求。

本設計方案省去了外圍無線通信芯片，提高了系統的集成度，降低了產品的成本；同時減小了產品的體積，更便于使用。

參考文獻

[1]張平澤.配電自動化系統中故障指示器的應用[J].黑龍江科技信息，2008(4)：22.

[2]張平澤，趙文兵.基于GPRS的短路和接地故障指示器設計[J]. 低壓電器，2008，(10)：38-41.

[3]倪廣魁，楊以涵，鮑海.新型接地故障指示器設計[J].現代電力，2009，26(6)：35-39.

[4]葉丹.基于瞬變量檢測的配電網故障線路指示器的研發[J].福建電力與電工，2007，27(1)：18-20.

[5]劉慧婷.故障指示器的技術選型和運行分析[J].江西電力職業技術學院學報，2008,21(2)：53-55.

[6]張新慧.小電流接地系統單相接地故障檢測方法研究[J]. 淄博學院學報(自然科學與工程版)，2002，4(3)：43-46.

[7]龐清樂.小電流接地故障選線與定位技術[M].北京：北京工業出版社，2010：1-21.

[8]王薪宇，鄭淑軍，賈靈.CC430無線傳感網絡單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011：325-388.