分布式配電網單相接地故障錄波裝置研制

陳思敏 邱南翔 趙禾畦 王日安 郭謀發

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分布式配電網單相接地故障錄波裝置研制

陳思敏 邱南翔 趙禾畦 王日安 郭謀發

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

本文介紹了一種分布式配電網接地故障錄波裝置的系統構成及軟硬件設計方法與實現。接地故障錄波裝置設計為電壓型和電流型故障錄波裝置，可分別實現對母線三相電壓和零序電壓以及饋線三相電流和零序電流的接地故障錄波。文中介紹了接地故障錄波功能實現過程中的關鍵技術，如嵌入式模塊化設計方法、故障錄波的起動、故障數據采集及存儲、GPRS通信等。裝置分散安裝于10kV母線柜和各饋線出線柜中，電壓電流信號就地采集存儲，各饋線的電流型故障錄波裝置通過RS485通信，與母線的電壓型故障錄波裝置交互數據，再由電壓型故障錄波裝置與主站通信，現場接線簡單，可靠性高。

配電網；單相接地；故障錄波；模塊化設計；GPRS通信

由于配電網線路結構日益復雜，主站對于故障信息的采集能力提出了更高要求[1]。故障錄波裝置因能夠記錄故障過程的完整信息而得到廣泛應用。近年來，故障錄波裝置的相關研究一直在深入進行，文獻[2]設計了一種集中式故障錄波裝置，依靠前置機采集數據，中間層傳輸數據，后臺機集中管理分析數據。文獻[3]設計了一套基于高性能集成芯片的故障錄波裝置，并免去不間斷運行的后臺機，可靠性、靈活性較傳統錄波器高。文獻[4]介紹了一套超（特）高壓電網故障錄波系統，系統的裝置組網運行且便于檢測。已有文獻就錄波裝置的系統構成、硬件配置、錄波效率與可靠性等方面不斷進行研究和改進[5-7]。隨著計算機硬件水平的不斷發展，故障錄波裝置在存儲容量、采樣精度、采樣速度與通信性能上仍具提升空間。運行統計表明，配電網中發生單相接地故障的概率最高，約占總故障的80%，且故障特征不明顯，選線困難[8-10]。因此，研究出一套適用于配電網，并反映單相接地故障的錄波裝置能有效提高供電可靠性[11-12]。

本文研制了一種分布式配電網單相接地故障錄波裝置，采樣速率高，數據存儲容量大，通信方式易于滿足配電網現場的設施條件。為適應配電網現場通信條件的不確定性，故障錄波裝置采用GPRS通信方式與上位機通信，并預留有以太網通信接口。故障錄波裝置采用分布式安裝方式，開放性強，易實現功能升級。相較于集中式故障錄波裝置，這種安裝方式節省了二次電纜，且單條饋線上錄波裝置的故障不會波及其他裝置[13-15]，可靠性高。

1 系統構成

單相接地故障錄波系統由10kV配電網、單相接地故障錄波裝置、通信模塊以及上位機構成。其中單相接地故障錄波裝置分為電壓型和電流型，二者之間以RS485通信方式傳輸數據[16]。在10kV母線柜中安裝一臺電壓型故障錄波裝置，從電壓互感器低壓側星形繞組處測取三相電壓，開口三角形繞組處測取零序電壓；在各出線柜中安裝一臺電流型故障錄波裝置，從電流互感器低壓側繞組測取三相、零序電流。電壓型故障錄波裝置通過GPRS通信方式，集中上傳各裝置所采集到的數據至上位機。單相接地故障錄波系統構成圖如圖1所示。

圖1 單相接地故障錄波系統構成圖

2 單相接地故障錄波裝置的硬件設計

2.1 硬件模塊化設計

單相接地故障錄波裝置通過PCB的模塊化設計，實現單相接地故障起動以及故障數據的采集、存儲與上傳。電壓型故障錄波裝置設計為電壓采集板、電壓CPU板、通信板和母板4個模塊，設計框圖如圖2（a）所示，實物圖如圖3所示。電流型故障錄波裝置設計為電流采集板、電流CPU板和母板3個模塊，設計框圖如圖2（b）所示，實物圖如圖4所示。

圖2 單相接地故障錄波裝置設計框圖

圖3 電壓型故障錄波裝置實物圖

圖4 電流型故障錄波裝置實物圖

采集板用于配電網電壓量、電流量的采集，采集變換后的電氣量經濾波電路輸入CPU板上的采樣芯片。CPU板是錄波裝置的控制核心，用于下發故障起動與判別、故障數據存儲與上傳等關鍵指令。通信板是模塊化設計中的關鍵部分，通信板上的MCU調控裝置間以及裝置與上位機間的通信。CPU板與通信板間經RS485通信方式傳輸數據，并由通信板上的GPRS通信模塊與上位機進行數據交互。母板上設計有電通路，采集板、CPU板與通信板通過哈丁端子插于母板上實現板間電路連通。

2.2 采集板與CPU板設計

電壓采集板采用變比為200V/3.53V、型號為TR1101-4G的電壓互感器，用于采集母線三相電壓、零序電壓。電流采集板采用變比為100A/3.53V、型號為TR0101-4G的三相電流互感器與變比為40A/ 3.53V、型號為TR01153-2G的零序電流互感器，分別用于采集饋線上的三相電流與零序電流。CPU板硬件設計包含MCU、采樣芯片、電源模塊、晶振電路、復位電路、撥碼開關、掉電保持電路、狀態指示電路、JLINK調試接口、外部存儲器與RS485通信模塊。CPU板硬件設計框圖如圖5所示。

圖5 CPU板硬件設計框圖

電源模塊將220V的交流電源轉換為3.3V、5V和2.5V，供給MCU以及采樣芯片。外部晶振源選用8MHz。復位電路選用芯片IMP706，由引腳RST實現復位，引腳WDI實現硬件看門狗。以撥碼開關的不同撥碼狀態表示為二進制數值，用于給錄波裝置賦不同的地址標識。掉電保持電路中以3.6V紐扣電池作為MCU的備用電源。狀態指示電路包括電源接通、故障起動、數據采集與數據通信4種狀態；JLINK調試接口用于MCU的程序燒寫與調試。外部存儲器選用SST26VF032B，用于存儲母線電壓、饋線電流數據，具有四線SPI接口、非易失電、擦除能力高等優點，彌補了MCU片內數據存儲空間有限的缺陷。故障錄波裝置利用環形緩沖區的原理將數據存入外部存儲器，通過移動讀指針和寫指針實現電壓、電流數據的讀取和寫入。MCU選用32位單片機STM32F407，采樣芯片選用14位分辨率的AD7607。MCU基于SPI通信，通過片選、地址線、時鐘線和數據線與采樣芯片進行數據交互。采樣芯片內置8路采樣通道，其中4路用于采集電壓量，另4路用于采集電流量，采樣速度達200ksps。

單相接地故障錄波裝置采集到的電氣量從采樣芯片的引腳V1—V8輸入，引腳DOUTB輸出。采樣芯片的片選引腳CS使能串行輸出數據幀，串行時鐘輸入引腳SCLK與MCU的引腳SPI1_SCK相連。過采樣模式引腳OS[2:0]組合狀態設為000，采用最大采樣速度200ksps。MCU的引腳PC4與CONVST A、CONVST B短接，控制同步采樣開始。采樣芯片輸出繁忙引腳BUSY與MCU的FSMC_D6相連，當CONVST A和CONVST B均達到上升沿后變為邏輯高電平，轉換過程開始，并保持輸出高電平。當轉換過程結束后，BUSY產生下降沿，轉換數據可供讀取。AD7607采樣頻率為10kHz，一個周波采集200個點，采樣精度高。故障發生后，錄波裝置記錄故障發生前一個周波的數據以及故障發生后4個周波的數據，單個電氣量共采集1000個點。MCU與采樣芯片的電路連接示意圖如圖6所示。

圖6 MCU與采樣芯片電路連接示意圖

2.3 通信板設計

通信板的硬件設計與CPU板基本一致，但增設了GPRS通信模塊。以下具體介紹RS485通信模塊與GPRS通信模塊。

1）RS485通信模塊

2）GPRS通信模塊

圖7 RS485通信模塊

圖8 GPRS通信電路原理圖

3 故障錄波裝置的軟件設計

3.1 故障起動與錄波

采用電壓突變量越限[17-18]為起動算法，具體公式如下：

圖9 單相接地故障錄波裝置程序流程圖

3.2 通信規約設計

RS485通信模塊采用串口型Modbus通信協議[19]，GPRS通信模塊采用TCP/IP型的Modbus通信協議。

1）RS485通信以“信息幀”方式發生，每幀一字節，并按照1位起始位，8位數據，1位停止位構成異步串行通信。“信息幀”的格式見表1，包括地址域、功能碼域、數據域、校驗域。地址域為BCD碼格式，用于從機校驗自身地址與報文地址域相符時響應報文；功能碼域指示了具體的通信內容，包括鏈路測試、在線確認、對時和上傳數據；數據域高位在前，低位在后。對于異常響應不予處理。

表1 RS485的“信息幀”格式

2）GPRS通信模塊打開通信接口。當單相接地故障發生后，電壓型故障錄波裝置主動向上位機請求連接，通信模塊定時發送鏈路測試、對時報文，等待接收并解析報文，獲取故障電壓、電流數據。GPRS通信模塊的功能碼見表2。

表2 GPRS通信模塊的功能碼

3.3 RS485通信程序設計

RS485通信總線上為一機對多機的通信。RS485通信程序流程圖如圖10所示。常態下通信模式初始化為等待接收狀態。主機在RS485通信總線上發起通信，并依次傳送報文給從機，等待從機的應答報文。當從機的地址與報文中的地址相符時，從機響應報文。響應后，從機的RS485模塊設為發送狀態，將數據存放至RS485_TX_BUF緩存區，數據利用循環函數發出。當MCU讀取該緩存區數據長度為0時，完成數據上傳，置發送標志位為1，并重新更改為等待接收狀態。RS485通信總線接收到數據后，主機進入中斷處理函數，將數據存放至RS485_RX_ BUF緩存區里，經10ms延時判斷數據接收完畢，完成數據接收。

圖10 RS485通信程序流程圖

4 實驗結果

利用實驗室的配電網物理仿真系統進行測試。仿真系統采用阻抗標幺值一致的等效原理，以0.4kV模擬10kV配電網系統。實驗室開關柜面板設有故障引出點和電氣量采集點，如圖11所示。

配電網物理仿真系統的主接線圖如圖12所示。選取饋線2距母線1km的F1點為故障點，做A相接地故障錄波實驗。

圖11 配電網物理仿真實驗室現場圖

圖12 配電網物理仿真系統主接線圖

圖13 母線三相電壓波形

圖14 母線零序電壓波形

圖15 饋線三相電流波形

圖16 饋線零序電流波形

5 結論

本文針對單相接地故障，設計了一套應用于中壓配電網，且分散安裝于開關柜中的單相接地故障錄波裝置，詳細介紹了錄波裝置的系統構架、硬件模塊化設計方法、PCB板的具體電路連接方法、故障起動與錄波過程以及相關的通信規約等。饋線上的電流型故障錄波裝置通過RS485通信方式將故障的電流數據上傳給安裝在母線上的電壓型故障錄波裝置，后者通過GPRS通信方式將故障的電壓、電流數據一并發送給上位機，構成了完整的單相接地故障錄波系統。本套故障錄波裝置在實驗室配電網物理仿真系統中以A相接地故障為例，通過了功能測試，反應速度快，性能穩定，且存儲容量、采樣精度、采樣速度與通信性能都達到預期目標。可將本套分布式配電網單相接地故障錄波裝置進一步結合上位機波形分析處理技術，實現單相接地故障選線。

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Development of distributed single-phase-to-ground fault recorder in distribution networks

Chen Simin Qiu Nanxiang Zhao Heqi Wang Ri’an Guo Moufa

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

This paper introduces a system configuration of fault recorder of distribution networks along with the design and implementation of the system. Fault recorder designed for the voltage type and current type can separately realize fault recording of three-phase voltage and zero-sequence voltage of the bus and three-phase current and zero sequence current of the feeder. In addition, it gives the key technologies in the realization of recording function, such as embedded modular design, start up of fault recording, fault data acquisition and storage, GPRS communication etc. At last, the device are installed discretely in the 10kV bus bar cabinet and the feeder cabinets, where the voltage and current signal are collected and stored locally. Each feeder's current type fault recorder is interacted through RS485 communication, and then the voltage type fault recorder is communicated with the main station. The on-site connection is simple and works well with high reliability.

distribution networks; single-phase-to-ground; fault recording; modular design; GPRS communication

2018-03-11

陳思敏（1996-），女，福建莆田人，本科，研究方向為配電網及其自動化技術。

國家大學生創新創業訓練計劃項目（201610386002）