第３８卷第４期 电子器件 Ｖ０１．３８ Ｎｏ．４ ２０１５年８月 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ａｕｇ．２０１５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｆａｕｌｔ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ ＹＵＥ Ｒｅｎｃｈａｏ ，ＳＵＮ Ｊｉａｎｄｏｎｇ （ＮＡＲＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎａｍｉｎｇ ２１１１０６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｚｅｒｏ ｍｏｄｅｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ ｆａｕｌｔ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｔｒｏ— ｄｕｃｅｄ。ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｆａｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃ— ｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｅａｒｔｈ ｆａｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ．ｂｕｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ａｎｄ ｆａｕＩｔ ａｌａｒｍ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ ｔｏ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｒｍｉｎａ１ ｂｙ ｗａｙ ｏｆ ｒａｄｉｏ￣ｅｑｕｅｎｅｙ．Ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓ— ｓｉｏｎ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｍａｓｔｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｂｙ ＧＰＲＳ．ＳＯ ａｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌｉｎｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｌｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ；ｆａｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｚｅｒｏ ｍｏｄｅｌ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｐｏｗｅｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ；ＲＦ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ＥＥＡＣＣ：８１４０ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—９４９０．２０１５．０４．０２６ 新型配电网故障指示器的设计 岳仁超 ，孙建东 （国电南瑞科技股份有限公司，南京２１１１０６） 摘 要：介绍了暂态零模电流相似性在单相接地故障定位中的应用，在此基础上设计了一种具有测量和通信功能的新型配 电网故障指示器。该指示器不仅具有传统故障指示器的短路接地故障告警指示功能，还具有线路电流测量功能。测量数据 以及故障告警信息通过无线射频方式传送给数据传输终端，数据传输终端通过ＧＰＲＳ将数据传送到配网自动化主站，从而实 现配电线路的远程监测。 关键词：小电流接地；故障指示器；暂态零模电流；感应取电；射频通信 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－９４９０（２０１５）０４－０８４５－０４ 小电流接地系统单相接地故障的检测与定位一 性实现单相接地故障定位，为配电网的安全经济运 直是配电网运行的难点。统计表明，在小电流接地 行提供可靠的数据保障。 系统中，单相接地故障约占配电网故障的８０％以 上【１－２］。传统故障指示器单相接地故障定位的方法 １故障指示器故障检测原理 主要有：（１）首半波法；（２）五次谐波法；（３）稳态零 本文通过判断相邻故障指示器检测到的暂态零 序电流比较法；（４）零序电流突变法；（５）暂态无功 模电流相关系数 ，即判断两个波形的相似性来实 功率方向法；（６）信号注入法等 Ｊ。由于小电流接 现小电流接地系统单相接地故障的检测与定位。相 地系统自身的特点，以上各种方法存在适应范围不 邻两故障指示器暂态零模电流信号相关系数Ｐ计算 足、定位所需信号获取困难以及检测装置之间数据 公式如式（１）所示： 采集时间不同步等原因，使得小电流接地故障定位 问题尚未得到彻底解决。 ∑ （｜ｉ｝） 。Ⅳ（Ｊｊ｝） ＰＭＮｋ＝二＝＝ ＝ｌ针对上述现象，本文设计了一种具有测量、通信 二＝＝ ＝ （１） 功能的新型配电网故障指示器。该故障指示器采用 ＾／∑ （ ）∑ （｜ｉ｝） 独特的交流采样和无线通讯技术，实现对配电网线 式中： 和 为相邻两个故障指示器的暂态零模电 路运行状态实时在线监测；通过暂态零模电流相似 流采样信号；Ｍ、Ｎ代表故障指示器的编号；ｋ表示采 收稿日期：２０１４一ｏ９一ｌ８ 修改日期：２０１４—１０一ｌ７ 电 子 器件 第３８卷 样序列；Ｋ为暂态零模电流信号的数据长度。 相关系数Ｐ反映了两个相邻检测点暂态零模电 流波形的相似程度。对于故障区段两侧故障指示器 检测到的暂态零模电流波形相似度很低，相关系数 Ｐ接近０；对于非故障区段两侧故障指示器检测到的 暂态零模电流波形相似度很高，相关系数Ｐ接近于 １。依据此原理，依次计算故障线路各区段两侧暂态 零模电流波形的相关系数并与设定的阈值进行比 较，即可判断故障所在区段。 当线路发生单相接地故障后，各故障指示器将 采集到的暂态零模电流信号上送至主站，主站首先 比较出线开关与第１个故障指示器采集的暂态零模 电流波形，如果Ｐ＜ （０为阈值，取值在０．４—０．７之 间，ｐ＜Ｏ．４为低度相关，０．４＜ｐ＜０．７为显著相关，Ｐ＞ ０．７为高度相关），则确定故障区段；如果ｐ＞Ｏ，则为 非故障区段，继续比较第１个故障指示器与第２个 故障指示器检测到的暂态零模电流波形，依此类推， 直至找到故障区段为止。 ２故障指示器软硬件设计 ２．１电源电路设计 故障指示器建设不需要更换设备、不停电、不安装 ＰｒＩ１、ｃＴ，从而使得故障指示器的供电电源难以按常规办 法解决。目前故障指示器的取电方式有太阳能电池取 电、感应线圈取电和后备电池供电３种方式。考虑到 太阳能电池板的维护问题，本设计采用感应取电＋锂电 池的方式供电。在线路电流达到ｌ５ Ａ以上时，装置依 靠感应取电供电，在线路电流较小时，采用大容量锂电 池供电。电源电路设计原理图如图１所示 。 图１ 感应取电供电电路 图中，￡ 为取电线圈；ＴＶＳ１限制取电线圈输出 的冲击电压，从而保护电源电路；Ｃ 用来消除差模 干扰；Ｄ 、Ｄ：、Ｄ，、Ｄ 构成全波整流桥电路，将取电线 圈感应的能量转换直流电；Ｃ 用来消除直流脉动信 号；Ｃ 、Ｃ 用来消除共模干扰；Ｄ 为稳压管，限制过 电压，避免ＤＣ－ＤＣ模块受损坏。 ２．２电流测量电路设计 该故障指示器线路电流测量采用特制感应线 圈、信号调理电路以及射频同步电路来保证电流测 量精度。 信号调理电路主要分为低通滤波和程控增益放 大两部分。为了消除感应线圈产生的高次谐波，在 信号输人端设计了二阶有源低通滤波电路。因为量 程范围较大，为了最大限度利用ＡＤ性能，将整个量 程划分为０—１００ Ａ、１００ Ａ～５００ Ａ、５００ Ａ～１ ０００ Ａ、 １ ０００ Ａ一１ ５００ Ａ ４段，分段给予不同的增益放大， 放大电路采用同相比例放大电路，具有输入阻抗高， 输出阻抗低的优点。 射频同步电路中，通信终端定时发送广播报文， 故障指示器在收到广播报文后同步采样，利用中断 及时响应可以使得３相近似同步采样。 测量电路如图２所示。￡ 为感应线圈，Ｒ 、Ｃ。与 Ｒ：、Ｃ：构成二阶Ｒｃ滤波电路，Ｒ 、 、 、 、 构成 同相比例放大电路。处理器通过判断输入信号的大 小，发出控制信号到译码器，由译码器控制模拟开关， 从而控制反馈电阻，达到控制放大倍数的目的。 图２电流测量电路 ２．３无线通信电路设计 无线通信模块采用芯片ＮＲＦ９０５，芯片内置频率 合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模 块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置，具有 低功耗、可靠性高的优点。天线可放置在ＰＣＢ板上， 发射功率最大为＋１０ ｄＢ，传输距离可达５０ Ｉｎ以上 引。 由ＮＲＦ９０５组成的无线通信接口电路如图３所示。 ＰｏＷ ＵＰ ＴＲＸ ＣＥ ＴＸ ＥＮ ＣＳＮ ＳＣＫ 吕 ＭＯＳＩ ＭＩＳＯ ＡＭ ＤＲ ＣＤ 图３ ＮＲＦｇ０５接口电路 第４期 岳仁超，孙建东：新型配电网故障指示器的设计 ８４７ ＰＷＲ—ＵＰ为模块上电使能；ＴＲＸ—ＣＥ为工作 模式选择，决定无线模块工作在接收状态或发送 状态；ＴＸ—ＥＮ为接收使能，决定无线模块是否进行 数据接收；ＣＳＮ为ＳＰＩ使能；ＳＣＫ为无线模块时钟 信号；ＭＯＳＩ、ＭＩＳＯ为单片机与无线模块进行数据 传输端口；ＡＭ为地址匹配信号；ＤＲ为数据准备状 态；ＣＤ为载波监测，监测是否有数据传到无线模 块。以上各信号分别与单片机相连，在单片机的 控制下，通过ＳＰＩ口完成测量数据的读入读出，通 过ＮＲＦ９０５的发送和接收模块实现数据的无线 传输。 ２．４故障显示电路设计 故障指示器通过白天翻牌、夜间闪光的方式指 示故障，翻牌显示电路如图４所示。正常情况下， ＲＥＤ、ＷＨＴ分别为低电平，当线路发送故障时，单片 机给ＲＥＤ一个高电平脉冲，故障指示器翻牌；当线 路恢复正常后，单片机给ＷＨＴ一个高电平脉冲，故 障指示器复归。 电 磁 铁 线 圈 图４故障指示器翻牌显示电路 故障指示器闪光显示电路如图５所示。正常情 况下，ＬＥＤ为低电平；当线路发送故障时，单片机给 ＬＥＤ交替发送高低电平脉冲，发光二极管闪烁显示 故障。 ｌ Ｒ ｕ Ｄ Ｔ Ｌ—一＿Ｊ ＶＣＣ ｌ Ｒ５ Ｄ， ｌ 图５故障指示器发光显示电路 ２．５软件设计 故障指示器软件设计主要包括系统初始化、数 据采集、故障判断、数据传输、故障显示等，主程序流 程图如图６所示。 图６主程序流程图 ３ 实验数据 该新型故障指示器的电流测量范围为３ Ａ～ １ ５００ Ａ，在３ Ａ一１００ Ａ范围内，测量精度为±３ Ａ； 在１００ Ａ一１ ５００ Ａ范围内，测量精度为－－－３％。实验 数据如表１所示。 表１