配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統

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(1.國網江蘇省電力公司 泰州供電公司，江蘇 泰州 225300；2.國網江蘇省電力公司 靖江市供電公司，江蘇 泰州 214500；3.國網江蘇省電力公司 泰州市姜堰區供電公司，江蘇 泰州 225500)

0 引言

配電網自動化遙測終端是集數據采集、數據傳輸、數據存儲為一體的多功能器件[1]，適用于太陽能發電監測等方面，能夠最大程度地減少太陽能發電的成本，降低施工難度，在氣象、水文水利、地質等行業已被廣泛應用[2]。配電網遙測終端是電力系統中重要設備之一，一旦發生故障，則會使電力系統的安全受到威脅[3]。遙測終端各組件易產生隱蔽故障，現有的故障檢測系統難以準確出隱蔽故障，而隱蔽故障均會引起整個配電系統產生故障，影響電力輸送[4]。相關專家學者對遙測終端隱蔽故障檢測系統進行研究，已有一定的有效成果，但傳統的故障檢測系統的檢測準確性較低、能耗較高，且實時性差，無法滿足隱蔽故障檢測需求[5]。為此提出改進設計配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統。依據系統硬件整體框架，對硬件電參數測量單元、電源單元等進行改進，優化軟件隱蔽故障檢測程序，完成遙測終端隱蔽故障檢測系統的設計。實驗證明，該系統檢測準確性高，能耗低，實時性好。

1 遙測終端隱蔽故障檢測系統硬件框架分析

配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統，主要是對配電網絡的遙測終端，電壓和電流以及溫度等參數錯誤進行檢測[6]。并通過無線網絡和檢測中心進行通訊，將參數實時地傳遞給檢測中心，并做出及時地處理。檢測系統的主要組成部分為：主控單元、電參數測量單元、蓄電池和充電單元、實時時鐘單元、溫度采集單元、接口電路單元、無線傳輸單元以及看門狗單元。則檢測系統硬件框架如圖1所示。

圖1 檢測系統硬件框架

其中主控單元采用的是8位單片機C8051F020，C8051F系列的單片機是集成模擬和數字信號綜合一體的高速單片機。該單片機兼容性高，具有內部的調試電路，利用4腳JTAG接口能夠實現全速非侵入式的調試，能夠很好地控制系統能耗。結合配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統硬件設計，需要單片機控制功能，選擇C8051F020作為檢測系統核心控制單元，其中有64個可編程I/O接口和64 KB的FLASH存儲器，能夠提高系統檢測的精度，滿足以后功能擴展需要。

硬件框架分析為配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統硬件部分的改進設計提供充足的理論依據，使系統硬件設計具有合理性。

2 遙測終端隱蔽故障檢測系統硬件搭建

依據配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統硬件框架分析，對系統硬件中的電參數測量單元、無線通訊單元、時鐘單元、溫度采集單元及電源單元五個主要組成部分進行改進設計，具體設計過程如下。

2.1 電參數測量單元

隱蔽故障檢測系統的電參數測量電路，是利用CS5463單一芯片設計而成，它摒棄了當前的濾波及放大和隔離、A/D轉換等電路中存在的設計復雜現象。CS5463作為一款高精度功率測量IC，可提高整個系統的檢測精度，能夠用在單相、多相多功能的電能表設計中。CS5463的內部集成了串行口和功率計算，電能和頻率之間的轉換等單元，可較精確地測量瞬時電壓和電流，計算瞬時功率等參數，同時具有相位補償和電壓下降檢測等功能，利用串行接口實現通訊。另外CS5463還具有數字濾波器等性能，用來實現相移的校準以及偏移的校準。其三相電參數的測量圖如圖2所示。

圖2 三相電參數的測量原理

CS5463可提供一種由信號采集，至存儲及調理濾波，一直到計算輸出集成化的解決方法，能夠簡化電路設計，提高系統穩定性。CS5463還能夠利用成本較低的互感器對電流進行測量，根據電壓互感器測量電壓，節省設計硬件的成本。

2.2 無線通訊單元

利用GPRS/CDMA 1x網絡，實現遙測終端無線通訊的設計。其具有運行平穩，覆蓋率高等特點[7]。GPRS/CDMA 1x數據網絡中的信道，能夠提供UDP和TCO/IP連接，可用于和Internet網絡連接，完成數據傳輸。從開發的成本和開發的周期，與數據傳輸的可靠性方面考慮，直接選取技術已經成熟的公司，開發數據傳輸模塊。利用對國內各公司的DTU產品進行比較，選取HT-XDTU型的DTU終端設備。HT-XDTU作為HT-XDTU系列既可降低數據采集成本，又可兼顧穩定性的產品，達到降低開發周期和開發成本的目的。利用GPRS網絡能把和HT-XDTU連接的設備數據，傳送至Internet上的任意主機中，完成數據的透明傳輸。

2.3 時鐘單元

系統的時鐘單元為系統提供時間參考，方便記錄更多的運行數據。選擇的實時時鐘芯片為DALLAS公司的DS1302，該芯片的特征有：工作電壓的范圍為2.5 V至5.5 V，能夠應用雙電源進行供電，并具有一個主電源、一個副電源，且可以給副電源充電；該芯片提供秒至面等實時時間的信息，具有閏年的補償功能；芯片中有31個字節RAM，能夠用來存儲時間信息，利用電路接口和其他模塊通信；封裝小，成本低。DS1302和主控單元接口電路如圖3所示。

圖3 時鐘接口電路

圖3中，DS1302主電源的端口，接的是3.3 V電壓，備用電源的端口VCC1接的是鎳氫電池，該電池的電壓小于3.3 V，否則會由電池給DS1302供電，圖中的SCLK是串行時鐘輸入的引腳，I/O是雙向數據線，/RST是復位引腳，利用C8051F020來控制DS1302復位。

2.4 溫度采集單元

遙測終端檢測系統溫度采集單元，就是采集遙測終端運行時的溫度。將PT1000置于遙測終端中，其次將PT1000與溫度采集電路進行連接，為防止干擾或大能量沖擊，系統溫度采集部分利用線性光耦HCNR200進行隔離，隔離之后直接進入C8051F020的轉換單元實現轉換。

PT1000為鉑熱電阻，1000代表在0℃時，阻值是1000 Ω，它的阻值隨著溫度的上升呈勻速增長[8]。PT1000因為測量的準確性高且范圍大、穩定性好被應用在該系統中。PT1000的安裝有兩線制和三線制以及四線制這三種方式。其中使用兩線制方式時，PT1000電阻的變化值，和連接的導線電阻值一起組成傳感器輸出值。這種方式最適合于改進設計的溫度采集單元，因此采用兩線制的方式進行溫度采集模塊的設計。溫度采集電路如圖4所示。

圖4 溫度采集電路

圖4中，分別在PT1000與R1加上2.5 V的恒壓源，當溫度發生變化時，PT1000的阻值也隨之產生變化，在電壓分壓方面也會產生變化，根據信號調理電路檢測到的PT1000電壓，實現對電壓進行放大及濾波處理，通過HCNR200隔離電路，進入轉換器實行轉換，將溫度值與采集電壓值進行分段對應，獲得電壓換算的溫度值。

2.5 電源單元

進行遙測終端檢測系統設計時，在保障配電網遙測終端無法正常工作的情況下，需確保系統出現故障的情況下也能進行隱蔽故障檢測，并使工作時間長達24小時以上，這就需要對系統硬件中的電源單元進行改進設計。提出備用電源設計方案，選用小型鉛酸蓄電池作為系統備用電源，以便滿足配電網在斷電之后，檢測系統能夠正常運行24小時以上，持續檢測隱蔽故障情況。依據充電電路的相關需求，應盡量地延長鉛酸蓄電池的使用的壽命，仔細暴恐鉛酸蓄電池的充電過程。具體充電過程描述如下：

1)涓流充電。假設電池電壓低于設定閾值電壓，此時電池可能已經為深度放電狀態，也可能是電池內部出現了短路現象，這種情況下應采用小涓流電流進行充電，提升電池零容量時所對應的電壓值，涓電流充電方式可有效防止短路現象產生，避免鉛酸蓄電池中大量氣體的釋放；

2)大電流充電。經上述過程，電池電壓已經超過涓流充電閾值電壓，電池需采用大電流進行充電，并對主要電能進行恢復；

3)過充電。大電流的充電后，需對電池進行過充電，該過程能夠確保蓄電池在短時間內，電量充滿；

4)浮充電。為使蓄電池電量充足，需將電池調至浮充電狀態，此時要設定電池充電電壓為一個恒定的值，充電電路向蓄電池提供充電電流，以便維持電壓恒定，采用這種充電電流補償電壓的方式，可有效防止電池漏電造成的電量減少問題產生。

有負載接入電路后，充電電路負責提供負載所需電流。此時蓄電池的電流維持在浮充電電流階段，直到電池電壓低至充電閾值電壓90%。當電池電壓小于浮充電壓的90%時，鉛酸蓄電池轉變為充電狀態。在充電電路設計中，采用UC2906鉛酸蓄電池控制芯片。它起到電壓控制和邏輯控制的作用，此外還能夠在充電過程中對溫度進行補償控制。給出系統電源電路如圖5所示。

圖5 系統電源電路

圖5中電源電路的設計采用電阻分壓電路完成。對比分壓電阻電路的輸出電壓和溫度補償電壓，確定浮充電壓值、過充電壓值和涓流電閾值電壓值。UC2906的電流差分電路只要負責將成“過充電”狀態轉換到浮充電的工作狀態，該過程不需要單片機進行控制，芯片會自動實現全部控制[9]。

2.6 看門狗電路

為了防止干擾而導致的主控單元死機，使整個系統癱瘓，需要內置看門狗。看門狗的芯片采用的是MAX706低電平的復位芯片。主要功能包括多復位，即上電、斷電和手動復位，對供電電壓進行檢測，此外還起到看門狗保護的作用。

綜上所述，通過對電參數測量單元、無線通訊單元、時鐘單元、溫度采集單元及電源單元進行改進，完成配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統硬件部分的設計，為系統軟件設計奠定良好的硬件基礎。

3 遙測終端隱蔽故障檢測系統軟件開發

在遙測終端檢測系統軟件開發過程中，需對數據采集和隱蔽故障檢測功能進行優化。采用單片機控制軟件對數據采集和隱蔽故障檢測功能進行設計，選用C51語言作為編程語言，Keil uvision2編譯環境，同時采用UCE-5調試器實現在線調試。給出系統軟件檢測流程如圖6所示。

圖6 系統軟件檢測流程圖

由圖6可知，配電網遙測終端隱蔽故障檢測的主要步驟為：

1)配置交叉端口；

2)外部讀取存儲器節點編號，并配置閾值信息；

3)初始化系統時鐘，該功能主要通過控制主程序以及各功能芯片實現；

4)采集電網參數，將電壓電流數據與設定的閾值進行比較；如果電壓和電流數據和閾值進行比較的結果是超限，那么進入故障處理程序，并立即把目前的配電網遙測終端參數進行存儲，繼續循環對配電網遙測終端參數進行采集，申請數據的傳輸，將配電網遙測終端參數實時地通過GPRS傳至檢測中心，以確保數據采集實時性，一直到接收停止命令。假設沒有超限，則采集下相數據，并繼續比較；讀取遙測終端信息，當采樣次數到達預定值后，將采集到的參數，和目前時間輸入至Flash存儲器內保存，實現各功能中斷信號觸發；

5)等待中斷，當程序檢測到中斷，則會跳轉至數據采集的中斷子程序，子程序通過接口向CS5463內部寄存器輸入命令，把電壓及電流數據傳入寄存器；

6)關閉中斷，判斷終端類型中斷入口，進入相應中斷子程序；

在以上步驟中，步驟4)中采集電網參數，將電壓電流數據與設定的閾值進行比較。傳統系統往往直接對采集到的電壓電流數據做判斷，而所提改進系統將其與閾值進行比較，可以有效提高隱蔽故障檢測的準確性。只需對比較結果進行判斷，也降低了系統的能耗。根據以上步驟，完善系統硬件電參數測量單元、溫度采集單元、電源單元等組件，改進開發軟件的數據采集、隱蔽故障檢測等功能，完成配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統的設計。

4 實驗分析

為了驗證改進設計的配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統的性能，需要進行一次相關性實驗。實驗平臺為LabVIEW，實驗參數源于某大型配電站。將分別對檢測系統的實時性、能耗控制、準確性進行實驗，觀察配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統的可行性。

分別采用傳統系統和改進系統對遙測終端的隱蔽故障情況進行檢測，測試兩種不同系統的能耗控制情況，對比兩種系統的能耗控制結果如表1所示：

表1 兩種不同系統所用能耗對比結果

分析表1可知，采用傳統系統對遙測終端的隱蔽故障情況進行檢測，其檢測所用能耗隨時間的增加大幅度增長，起始能耗為70 W，所用能耗平均值約為110 W。采用改進系統對遙測終端的隱蔽故障情況進行檢測，其檢測所用能耗隨時間的增加，增長幅度較小，起始能耗為30 W，所用能耗平均值約為75 W。對比傳統系統和改進系統的實驗結果可得，改進系統的起始能耗小于傳統系統起始能耗的一半，且改進系統的使用能耗遠遠小于傳統系統的所用能耗，充分說明改進系統的檢測能耗更低，這是因為改進系統利用C8051F020作為主單元控制芯片，C8051F系列的單片機是集成模擬，和數字信號綜合一體的高速單片機。其中的4腳JTAG接口能夠實現全速非侵入式的調試，從而提高系統能耗控制效果。

檢測準確性是配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統的重要性能指標，分別采用傳統系統和改進系統對電流和電壓的檢測準確性進行實驗，測得兩種不同系統電流、電壓檢測準確性對比結果如7所示。

圖7 兩種不同系統檢測準確性對比結果

分析圖7實驗結果，圖7(a)為兩種不同系統電流檢測準確性對比結果，傳統系統的電流檢測值大部分偏離實際電流值，其電流檢測準確性較低。改進系統的電流檢測值基本與實際電流檢測值基本保持一致。圖7(b)為兩種不同系統電壓檢測準確性對比結果，傳統系統的電壓檢測值大部分偏離實際電壓值，其電壓檢測準確性較低。改進系統的電壓檢測值基本與實際電壓檢測值基本保持一致。對比傳統系統和改進系統的電流電壓檢測準確性，改進系統的電流、電壓檢測準確性遠遠高于傳統系統的電流、電壓檢測準確性，充分說明改進系統的檢測準確性跟高，具有一定的可行性。

實時性指的是，規定時間內，系統反應能力。將下圖內的各種形狀當作遙測終端正在運行的各項參數，圓形為遙測終端的隱蔽故障數據，分別利用傳統檢測系統和改進檢測系統對遙測終端的隱蔽故障情況進行檢測，測試兩種不同系統采集隱蔽故障數據的反應時間。對比兩種不同系統的實驗結果如表2所示：

表2 兩種不同系統檢測實時性

分析表2可得，采用傳統系統對遙測終端隱蔽故障情況進行檢測，其采集隱蔽故障數據用時隨著隱蔽故障點數量的增加大幅度上升，隱蔽故障點數量為1個時，所用時間為5 s，采集隱蔽故障數據的平均用時約為11 s。采用改進系統對遙測終端隱蔽故障情況進行檢測，其采集隱蔽故障數據用時隨著隱蔽故障點數量的增加變化幅度較小，隱蔽故障點數量為1個時，所用時間為1 s，采集隱蔽故障數據的平均用時約為3 s。對比傳統系統和改進系統的采集隱蔽故障數據用時可得，改進系統的起始用時遠遠小于傳統系統的其實用時，改進系統的平均采集隱蔽故障數據用時也遠遠小于傳統系統的平均用時，說明改進系統的采集隱蔽故障數據用時更少，檢測實時性更好，驗證了系統的實用性。

綜合以上實驗結果，改進設計的配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統的檢測準確性高、能耗低、檢測實時性好，具有一定的有效性和實用性。

5 結束語

網絡化與信息化的不斷發展，使得配電網遙測終端隱蔽故障檢測系統的設計已經被廣泛研究。提出設計的配電網自動化遙測終端隱蔽故障檢測系統，在改進溫度采集單元、電源單元等硬件設備，優化隱蔽故障檢測程序等軟件功能之后，有效解決了傳統系統存在的檢測準確性低，運行能耗高，實時性差等問題。實驗證明，該系統具有檢測準確性高，能耗低，實時性好的特點，充分滿足遙測終端隱蔽故障檢測的需求。下一步的研究工作會在隱蔽故障點準確位置方面進行為更好地服務大眾的正常用電提供幫助。