一種多設備間數據同步合成檢測線路故障方法

李英春，吳納磊，徐少雄，賈海旭，張春豪

（石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050000)

國家電網公司對配電網的投資逐漸加大，目前暫態錄波型故障指示器，作為一種掛在架空線或電纜上的配電產品，以其實用性強、使用方便、故障識別和判斷、故障易識別性，使其在配電領域得到廣泛應用。三相線路上各掛一個采集單元，目前大家依據相電流和相電壓的暫態變化作為判據，分析判斷暫態故障（不同種類的接地故障），這種單相獨立判斷不準確、不全面。

三相線路上分別各掛一個采集單元，以電場方式采集電壓，很容易受到雨雪環境的干擾，電場的波動、負荷波動、某些接地故障的相電流變化微小等因素干擾的接地故障的識別和判斷。如高阻接地相電壓和相電流變化微小，單相獨立判斷容易判斷出錯；有些接地故障，故障點下游，相電壓和相電流變化微小。因此這種單相獨立判斷不準確、不全面，須提高故障識別率。

多設備間時間同步，三相采集單元的采樣數據通過大吞吐量無線傳輸給匯集單元，傳輸數據時帶時標；實時的采樣數據都匯集到匯集單元；匯集單元根據采樣數據矢量合成零序電流和零序電壓；根據接地故障暫態特性識別和判斷故障，在接地故障時，零序電流和零序電壓暫態特性明顯，判斷準確。這樣來提高故障識別率。

1 多設備間數據的同步采樣

故障指示器，三相采集單元和匯集單元之間通過數據的傳輸，使四臺設備絕對時間一致。

多設備間時間同步，大吞吐量無線傳輸，傳輸數據時帶時標；數據實時存儲計算；采樣數據矢量合成零序法；

單相獨立判斷不準確、不全面，高阻接地相電壓和相電流變化微小，單相獨立判斷容易判斷出錯。根據接地故障暫態特性，三相合成的零序電流和零序電場，在接地故障時，暫態特性明顯，判斷準確率高。

設備組成：匯集單元，A相采集單元、B相采集單元、C相采集單元，三相采集單元分別采集線路ABC三相的電壓和電流數據，采集數據傳輸給匯集單元，匯集單元將三相數據存儲，并同步合成零序，來進行暫態故障的分析和判斷。

設備之間應用無線模塊（433MHz）實現數據的收發。每個設備上有2個無線模塊（433MHz），無線模塊1用來數據的交互（包括對時），無線模塊2僅用來采樣數據實時的收發。

433MHz通信模塊，屬于微型模塊，占用空間很小，類似在電路板上增加一個芯片的位置，實際應用也是焊接到電路板子上。使用2個通信模塊，是為了功能分離，因為常規設備都是用一個模塊，但本方案增加一個，專門用來實時傳輸采樣數據，因為數據量大，不能用來兼顧其他功能。

如何實現采樣時間同步：對時穩定、ADC采樣同步處理。

匯集單元可通過外部服務器或GPS、北斗定時接收精準的時間源，沒有外部時間源時，匯集單元依據8025T時鐘芯片進行守時。匯集單元通過無線通訊，間隔周期為100ms，每次將當前的系統時間組幀進行廣播發送。三相采集單元接收到對時幀后，分別根據時間調整自己的系統時間和AD采樣用定時器，實現三相采集單元絕對時間偏差在20μs以內，三相采集單元的AD采樣用定時器步調基本一致，幾乎同時觸發采樣。

方法：系統時鐘調整方法和ADC采樣調整方法。

系統時鐘調整方法：匯集單元以間隔周期為100ms，每次將當前的系統時間組幀（最小單位μs）進行廣播發送，三個采集單元同時收到都要進行系統時鐘調整，以達到設備間絕對時間一致（在規定的誤差內）。采集單元第一次收到匯集單元下發的對時時間，直接進行系統時間調整。步驟如下：匯集單元下發的時標（最小單位μs）T1、數據通過無線空中傳輸延時（固定）T2、采集單元收到時間幀到解析完畢用的時間T3，采集單元將T1+T2+T3計算后的時間直接調整為自己的系統時間。接下來采集單元再受到對時幀，不直接進行系統時間調整，而是進行微調，通過調整ms中斷沿來修正系統時間。采集單元收到匯集單元下發的時間，T1+T2+T3計算后的時間Th，此時提取自己當前的系統時間Tc，時間偏差Δt=Tc-Th，Δt有正數也有負數。

將每次的時間偏差做累加，SUMΔt=Δt1+Δt2+…+Δtn，對時n次，求出偏差平均值，AVERAGE=SUMΔt/n。偏差平均值AVERAGE，平攤到每毫秒中進行修正，這里n最大取值10，始終代表當前時間前最近的10次對時。這樣三相采集單元和匯集單元之間時間相對穩定，不會有大的調整。

圖1 三相絕對時間一致、采樣時間同步流程圖

ADC采樣調整方法：采集單元接收到對時，時間穩定后，每20ms調整一次ADC觸發采樣的計數器，調整時將計數器與毫秒沿對齊。這樣三相采集單元采樣步調基本一致，如圖1所示。

2 多設備間數據的實時傳送

采樣數據傳輸方法：電流和電壓每周波（20ms）采樣128點，自己進行計算和判斷，每周波等間隔篩選出32個采樣點，上傳匯集單元，篩選序號1、5、9…125。

采樣點數據的選擇，因為采集單元每周波采樣點的個數有區別，有80、100、128、256等，以128舉例，每周波128個采樣點沒必要全部傳給匯集單元，需要1/4數量就可以。因為設置采樣模式是等時間采樣，每4個點抽取一個采樣點。1、2、3、4中抽1；5、6、7、8中抽5。為了后面零序的合成，每組中取得位置要一致。

這樣每周波抽取采樣點僅占1/4，極大地減少了數據的傳輸量，主要是得到零序數據，能完成暫態突變的檢測，不影響故障判斷。如果檢測出故障，匯集單元可廣播指令，讓3個采集單元按照故障時刻形成錄波數據（滿點采樣）上傳匯集單元。采集單元具有一定的采樣數據緩存，可根據匯集單元的時刻鎖定采樣點。本功能由主通信模塊來完成。

滿足對時穩定、ADC采樣同步后，進行采樣數據組幀傳輸。

滿足對時穩定、ADC采樣同步后，在整秒后的第一個觸發的采樣點作為需要上傳的第一個采樣點。

組幀：每幀包含48個采樣點（電流24個采樣點，電場24個采樣點，每個采樣點用兩個字節），時標7個字節（時標是本幀中第一個采樣點觸發時的時標），相別區分標識1個字節。一幀共104個字節。無線模塊發送速率200kbit/s，5ms內可發送125個字節。

傳輸周期：A相采集單元在整秒后計時到5ms向外發送數據，B相采集單元在整秒后計時到10ms向外發送數據，C相采集單元在整秒后計時到15ms向外發送數據，以后按照ABC三相的順序分別以5s間隔，向外發送數據，如圖2所示。

圖2 三相采集單元分時系發送數據

3 匯集單元數據接收和解析

匯集單元分時隙依次收到ABC三相的數據后，判斷三相數據都收到了，多數據進行解析，如果三相數據中時標滿足對齊要求，將數據存儲，這樣匯集單元中，就拿到了3個線路的電流和電壓實時的、同步的采樣數據。

匯集單元合成零序電流和電壓：

采樣的基準值是0，采樣點的值為有符號型，有正負特性。

匯集單元將拿到的三相同步的采樣點，進行矢量計算，合成了零序電流和零序電壓的采樣點，同樣是每周波32個采樣點。

4 根據零序數據進行故障判斷

根據合成的零序電流和零序電壓的采樣點數據，計算零序電流和零序電壓的有效值，當檢測到零序電流有效值值突變時，分析零序電流和零序電壓的暫態特征，判斷是否為接地故障。如果是接地故障，再根據零序電流和零序電壓的暫態時刻的變化趨勢，判斷設備處于故障點上游還是下游。

判斷接地故障最有效的方法，就是判斷零序電流和零序電壓的暫態特征，本方案解決了雨雪天氣等環境對電場的影響和負荷波動對電流的影響，能準確、及時、有效地判斷出接地故障，采樣數據合成流程如圖3所示。

圖3 采樣數據合成流程圖

5 結論

故障指示器作為一種線路架空設備，由匯集單元、三相采集單元組成，本方案通過多個設備間時間同步，三相采集單元的采樣數據通過大吞吐量無線通信方式，分時隙、實時地傳輸給匯集單元，匯集單元將三相數據存儲，并同步合成零序，根據零序電流和零序電壓暫態特性，準確地判斷接地故障，將故障結果上傳主站，極大地提高了接地故障的識別率，提高了產品的故障判斷性能，為配電網線路及時、有效、準確地定位故障點提供了可靠信息。