基于STM32的同桿雙回線故障測距裝置設計*

邢江濤， 陳宇晨

(上海工程技術大學 電子電氣工程學院,上海 201620)

0 引 言

同桿雙回線的輸電方式因其顯著的經濟效益、系統運行的安全性和可靠性高，已經得到越來越多的應用。但在現場運行中,雙回線故障是無法逃避的問題，且故障非常復雜，而故障定位對迅速隔離故障與及時恢復系統供電具有重要意義[1～4]，因此，成為了雙回線輸電模式研究的重中之重。

目前在故障測距研究方面2種主要的方法是單端量法和雙端量法，其中雙端量法是將線路兩端所測電氣量相結合計算故障距離。在測距算法上，目前應用最多的為工頻法和行波法。本文提出了一種結合雙端量工頻法和六序分量法的模型，并設計了相應的硬件系統。

1 基本原理

同桿雙回線不僅存在相間互感，兩回線之間也存在互感。因此，要想簡化計算必須在計算方面將相間互感和線間互感簡化，在數學計算方面并不考慮互感問題，而六序分量法可以很好地解決這一問題。

1.1 六序分量法

核心是通過解耦變換將存在相間互感和線間互感的電氣量關系變成兩向(正向T、反向F)六序(正序、負序、零序)互不影響的電氣量，最終每一相的電壓和電流均可由六序分量來表示[5]，六序中的每一序都滿足歐姆定律，無須考慮互感問題，即

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式中i=0，1，2分別為零序、正序和負序。

在電力系統中，無論發生什么類型的故障，不論是故障相還是非故障相，均有正序電壓、正序電流。根據裝置所測電流電壓的值，計算出相應的正序電流、正序電壓和。并將計算結果應用到測距模型中。

1.2 工頻法

工頻法是在電力系統運行和輸電線路相關參數已知的基礎上，依據故障時測距裝置所測得的電氣量(電壓、電流)，計算所需特征量，依據輸電線路距離長度和特征量的關系，繼而確定故障位置[6]。圖1為雙端電源系統的同桿雙回線單回線故障輸電模式示意。

圖1 同桿雙回線單回線故障示意

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1.3 雙端量測距法

本文采用雙端電壓、電流法，即使用輸電線路兩端的電壓、電流數據進行計算。本文選用不同步的測距方法，其原理為：當某一點發生故障時通過兩端的電氣量分別計算故障點時的電流和電壓。理論上計算的電流向量和電壓向量應該相等，但因為數據的不同步性，故分別算出的障點處電壓、電流向量的相角可能不同，但其幅值必然相同，利用這一等式關系即可求出故障距離。其測距原理為

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2 計算流程

在對稱分量法中，電壓和電流的正序分量由發電機為整個系統提供，因此，不論線路發生何種故障，其電壓和電流中一定含有正序分量，上述原理同樣適用于六序分量法。利用這一特性，根據式(1)可計算出線路兩端的正序電壓和正序電流。故障點處的電壓和電流同樣含有正序分量，利用分布參數長線模型，可計算得到兩個含有故障距離參數的向量。兩相量的幅值必然相等，聯立方程求解，得出最終的故障距離，計算過程如圖2。

3 硬件設計

設計的故障測距裝置主要利用電壓、電流傳感器對電壓和電流進行實時監控，將小的電壓、電流信號傳至ARM開發板進行數據處理，最終的數據結果通過LCD模塊顯示并保存在SD卡中。硬件部分主要包括電源電路、信號調理電路、ARM開發板(STM32F107VCT6)[7]、LCD顯示電路和SD卡存儲電路，結構示意如圖3。采用模塊化集成的設計方案，對不同等級的電壓、電流進行相關配置，可有效減少設計工作量。

圖2 計算流程

圖3 硬件結構

3.1 電源電路

測距裝置硬件電路的主要電壓等級為3.3，+5，-5 V，硬件裝置的外部電源由開關電源提供，輸入到系統電壓為±15 V，裝置內部的電源電路將±15 V電壓分別轉換為3.3，+5，-5 V。其中3.3 V主要是為STM32F107VCT6開發板提供工作電壓[8]，+5 V和-5 V則主要為其他外圍電路提供工作電壓，電源電路如圖4所示。

圖4 電源電路

3.2 調理電路

圖5和圖6分別為硬件裝置的電壓、電流采樣電路。調理電路可實現將輸電線路兩端的電氣特征量相量按一定比例縮小，經過一系列變換將大電流、大電壓的信號轉化為小電流、小電壓的信號輸入到STM32F107VCT6的AD采樣通道，要求通入開發板ADC管腳的電壓在0～3.3 V。調理電路主要有互感器電路、放大電路、加法器電路和濾波電路。交流電壓互感器采用TV1013電流型互感器，交流電流互感器采用TA1015互感器，兩種互感器將所測電壓相量。

變換成毫安(mA)級電流再耦合到二次側。調理電路的后面四個部分放大電路、加法器電路和濾波電路均采用低成本的LM324四路運算放大電路，實現將二次側信號變換成滿足開發板ADC通道要求的信號。

圖5 電壓采樣電路

圖6 電流采樣電路

3.3 LCD電路

液晶顯示屏采用AT45DB161D的TFT顯示屏，是128×64的點陣圖形液晶芯片，具有6條控制線、9條數據線，該顯示屏與STM32F107VCT6直接相連，顯示最終的測量結果。TFT LCD顯示屏模塊的控制器為ILI9320，控制器自帶顯存，大小為172 820B，對應關系為565方式,如圖7。

圖7 LCD顯示電路

3.4 其他電路

1)SD存儲電路:為防止數據的丟失，每一次的計算結果都將存儲在SD卡中，本文選擇16 GBminiSD卡與開發板直接相連，電路連接比較簡單，不予贅述。

2)參考電源電路:為整個電路提供穩定的1.5 V的參考電壓，該電路使用的芯片是TLV431基準電壓源芯片，通過調節電位器改變輸出電壓為STM32—F107VCT6的ADC提供基準電壓，電路如圖8。

4 軟件設計

主要功能有數據采集、計算、顯示和存儲，為保證每個任務可以獨自工作、實時無誤，在STM32F107VCT6中移植了μCOS—II操作系統[9]。根據上述功能對實時性要求的不同，對其程序進行優先級的排序。

系統的主程序包括硬件電路初始化、數據采集及模數轉換程序、故障測距程序(包括計算及結果判斷)、LCD顯示和數據存儲。

圖8 參考電源電路

5 實驗結果分析

實驗以300 km的輸電線路模型為例，以50 km為一個檢測點，在每個檢測點設置故障，等比例數據計算。以m端為原點觀察計算結果，如表1所示。

表1 實驗數據

可以發現，所有測距結果的相對誤差均小于1 %，且絕對誤差均在1 km以內?？紤]到實驗測量模型與現實電力系統模型等比例縮放的差別，實驗測量結果會有一定的誤差，但可以接受。

6 結 論

實驗結果證明設計的測距裝置具一定的實際參考意義，可應用到實際的工程應用當中。