鄭新才，惠沛先，張 申

ZHENG Xin-cai，HUI Pei-xian，ZHANG Shen

（商丘供電公司，商丘 476000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對配電網(wǎng)安全運(yùn)行的要求越來越高，配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測日益受到現(xiàn)場的關(guān)注。目前我國大部分中低壓電網(wǎng)，特別是10KV配電網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行管理水平、監(jiān)控手段比較低；在發(fā)生故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行故障定位隔離故障區(qū)段、恢復(fù)正常線路區(qū)段的供電，對配電網(wǎng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。配電網(wǎng)接地和短路故障的定位有很多方法，目前比較經(jīng)濟(jì)也是比較準(zhǔn)確的方法是沿線路懸掛常規(guī)故障指示器，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)故障點(diǎn)電源測線路上的故障指示器翻紅；變電站的工作人員發(fā)現(xiàn)有故障時(shí)，沿線路查看故障指示器狀態(tài)，從而確定故障點(diǎn)；這種常規(guī)故障指示器雖然能夠比較準(zhǔn)確指示出故障區(qū)段，但是需要工作人員沿線查看指示器翻牌狀態(tài)，工人勞動強(qiáng)度較大，尤其對于一些山區(qū)的配電線路，沿線查看指示器狀態(tài)是一件非常辛苦的事情。

基于以上情況我們設(shè)計(jì)了一種具有無線通信功能的多功能故障指示器MFI（Multifunction Fault Indicator），這種新型故障指示器不但能夠通過翻牌指示故障區(qū)段，還能夠通過無線通信的方式將故障狀態(tài)發(fā)送給附近的數(shù)據(jù)接收終端DTU（Data Terminal Unit），該數(shù)據(jù)終端通過GPRS聯(lián)網(wǎng)方式將線路故障信息及時(shí)發(fā)送給監(jiān)控中心，使工作人員在監(jiān)控中心就能夠了解具體是那個(gè)區(qū)段發(fā)生了故障；能夠大大提高縮短故障修復(fù)的時(shí)間和減少工人的勞動強(qiáng)度；并且在這種新型故障指示器中我們還設(shè)計(jì)了線路電流實(shí)時(shí)測量功能和測量線路溫度的功能。

1 MFI的功能及實(shí)現(xiàn)原理

多功能配電網(wǎng)故障指示器從結(jié)構(gòu)上可分為七個(gè)主要模塊，即單片機(jī)模塊、電源模塊、線路短路及接地故障測量模塊、線路電流測量模塊、線路溫度測量模塊、翻牌驅(qū)動模塊、通信模塊等。圖1為其原理框圖。

圖1 多功能故障指示器原理框圖

該多功能故障指示器以AVR單片機(jī)Atmega8L為核心，該單片機(jī)具有低功耗功能，在待機(jī)模式下其工作電流小于10μA；該單片機(jī)本身具有10位A/D轉(zhuǎn)換器和512字節(jié)的EEPROM，可以簡化整個(gè)裝置的電路設(shè)計(jì)。該裝置通過大容量干電池和線路感應(yīng)電流配合供電，在正常情況下每隔半小時(shí)測量一次線路電流和導(dǎo)線溫度，然后通過通信模塊將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給附近的數(shù)據(jù)傳輸終端DTU；當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),線路短路及接地故障測量模塊及時(shí)測量到接地故障，并向單片機(jī)發(fā)出中斷信號，單片機(jī)響應(yīng)中斷、判斷故障類型，然后單片機(jī)組織故障信息，并通過通信模塊將故障信息發(fā)送給附近的DTU；數(shù)據(jù)傳輸終端DTU具有GPRS通信功能，能夠?qū)⑹盏降木€路正常測量信息和故障信息發(fā)往監(jiān)控中心，這樣，使工作人員在監(jiān)控中心就能夠了解整個(gè)配電網(wǎng)的工作狀況。

2 MFI的軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 線路電流和溫度測量模塊

線路電流測量模塊是用于測量10KV配電線路負(fù)荷電流，使用戶能夠?qū)崟r(shí)了解各處線路電流值，便于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障隱患，測量線路電流的方法是在故障指示器中放置一電磁感應(yīng)線圈，其感應(yīng)輸出電壓與線路電流成正比，用Atmega8L內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器將該線圈輸出感應(yīng)電壓變成離散的數(shù)字量，通過半周期積分算法計(jì)算出線路的負(fù)荷電流值，電流檢測部分電路原理圖如圖2所示。

圖中左邊部分是AVR單片機(jī)ATmega32L的部分管腳，該單片機(jī)本身內(nèi)部有一個(gè)10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，有8個(gè)模擬量輸入通道，測量線路電流采用的是0通道ADC0，A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓采用單片機(jī)內(nèi)部2.56V基準(zhǔn)，AREF管腳對地并接0.1μF 電容是為了使基準(zhǔn)電壓更加穩(wěn)定，AVCC管腳接A/D轉(zhuǎn)換電源，其通過10μH 電感接到VCC，該管腳對地并接0.1μF 電容也是為了A/D轉(zhuǎn)換器電源電壓更加穩(wěn)定，減小轉(zhuǎn)換誤差。

L2是感應(yīng)線圈，其輸出電壓與線路電流成正比，輸出并接一個(gè)0.1μF 電容是為了濾除高頻干擾信號，并接一個(gè)1K電阻是為了使其輸入到單片機(jī)ADC0管腳電壓更加穩(wěn)定，且能保證在線路電流低于600A情況下輸入到單片機(jī)ADC0管腳電壓低于2.56V基準(zhǔn)電壓；D10是一個(gè)肖特基二極管，其正向?qū)妷簽?.2V，接這個(gè)二極管是為了使輸入到ADC0管腳的負(fù)電壓不超過0.2V，從而保護(hù)單片機(jī)，采用半周期積分算法計(jì)算線路電流，所以只需要對正半波的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，負(fù)半波由二極管D10短路。

單線溫度的測量電路比較簡單，我們采用的是單總線測溫芯片DS18B20，將其安裝于多功能故障指示器卡線處緊貼導(dǎo)線的位置，其數(shù)據(jù)線連接到單片機(jī)I/O口PC1,用這個(gè)管腳完成啟動溫度轉(zhuǎn)換和讀取溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果的功能。

2.2 無線通信及其他模塊

圖2 電流和溫度檢測部分原理圖

無線通信模塊是用于完成無線發(fā)送和接收，因?yàn)楣收现甘酒骱蛿?shù)據(jù)接收終端間距離小于10m，所以傳輸距離不要求很遠(yuǎn)，但一定要具有功耗低、抗干擾性好的特點(diǎn)。本裝置選用的以NRF24L01為核心的2.4GHz無線通信模塊，該模塊天線就做在PCB板上，體積小、功耗低，特別適合于嵌入式系統(tǒng)使用，該模塊工作電壓為1.9V～3.6V，本裝置中采用單片機(jī)的兩個(gè)I/O管腳給無線通信模塊供電，以實(shí)現(xiàn)在無通信要求情況下，無線通信模塊耗電為0。

我們設(shè)計(jì)的多功能故障指示器的線路短路及接地故障檢測模塊和翻牌驅(qū)動模塊電路與常規(guī)故障指示器相同，限于篇幅，本文不再詳細(xì)介紹。

3 抗干擾措施

多功能故障指示器懸掛在10KV架空線路上，運(yùn)行過程中會受到外界環(huán)境和輸電線路的嚴(yán)重干擾，為使本裝置能夠長時(shí)間可靠工作,必須在硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面綜合應(yīng)用各種抗干擾措施。要抑制、清除干擾必須抓住形成干擾的三要素：干擾源、耦合通道和接收設(shè)備。

3.1 硬件抗干擾設(shè)計(jì)

該裝置主要干擾是來自輸電線路，通過電源的耦合電感回路影響單片機(jī)工作，如前面圖1所示，在這部分設(shè)計(jì)中應(yīng)用1μF 電容C1濾除高頻干擾，1KΩ電感對干擾信號進(jìn)行阻擋，應(yīng)用5.1V穩(wěn)壓二極管消除過高電壓，應(yīng)用濾波穩(wěn)壓電容C1穩(wěn)定電源電壓；另外，在單片機(jī)的電源輸入端，我們還應(yīng)用了π型濾波電路來消除輸入到單片機(jī)的干擾。

除了在電源輸入回路中采取了抗干擾措施外，在PCB板布線、元器件的排布等方面都對抗擾功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3.2 軟件抗干擾設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾不能完全依靠硬件來解決,軟件設(shè)計(jì)上也必須要考慮抗干擾的問題,常用的軟件抗干擾技術(shù)有：軟件陷阱、指令冗余、軟件“看門狗”、數(shù)字濾波等。

在多功能故障指示器的軟件設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)用了看門狗技術(shù)，ATmega8L有8KB的程序存儲空間，控制計(jì)算程序并沒有占滿整個(gè)程序存儲空間，沒有用到的程序存儲器空間我們稱為空白區(qū)域，在空白區(qū)域每隔一段地址我們就加入一個(gè)軟件陷阱，使程序由于干擾意外跳到無程序區(qū)域時(shí)，運(yùn)行軟件陷阱程序，又能夠回到主程序繼續(xù)運(yùn)行。

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