多功能配电网故障指示器研制

郑新才，惠沛先，张 申

ZHENG Xin-cai，HUI Pei-xian，ZHANG Shen

（商丘供电公司，商丘 476000）

0 引言

随着我国经济的发展，人们对配电网安全运行的要求越来越高，配电网的实时监测日益受到现场的关注。目前我国大部分中低压电网，特别是10KV配电网络，运行管理水平、监控手段比较低；在发生故障时及时进行故障定位隔离故障区段、恢复正常线路区段的供电，对配电网安全运行至关重要。配电网接地和短路故障的定位有很多方法，目前比较经济也是比较准确的方法是沿线路悬挂常规故障指示器，当发生故障时故障点电源测线路上的故障指示器翻红；变电站的工作人员发现有故障时，沿线路查看故障指示器状态，从而确定故障点；这种常规故障指示器虽然能够比较准确指示出故障区段，但是需要工作人员沿线查看指示器翻牌状态，工人劳动强度较大，尤其对于一些山区的配电线路，沿线查看指示器状态是一件非常辛苦的事情。

基于以上情况我们设计了一种具有无线通信功能的多功能故障指示器MFI（Multifunction Fault Indicator），这种新型故障指示器不但能够通过翻牌指示故障区段，还能够通过无线通信的方式将故障状态发送给附近的数据接收终端DTU（Data Terminal Unit），该数据终端通过GPRS联网方式将线路故障信息及时发送给监控中心，使工作人员在监控中心就能够了解具体是那个区段发生了故障；能够大大提高缩短故障修复的时间和减少工人的劳动强度；并且在这种新型故障指示器中我们还设计了线路电流实时测量功能和测量线路温度的功能。

1 MFI的功能及实现原理

多功能配电网故障指示器从结构上可分为七个主要模块，即单片机模块、电源模块、线路短路及接地故障测量模块、线路电流测量模块、线路温度测量模块、翻牌驱动模块、通信模块等。图1为其原理框图。

图1 多功能故障指示器原理框图

该多功能故障指示器以AVR单片机Atmega8L为核心，该单片机具有低功耗功能，在待机模式下其工作电流小于10µA；该单片机本身具有10位A/D转换器和512字节的EEPROM，可以简化整个装置的电路设计。该装置通过大容量干电池和线路感应电流配合供电，在正常情况下每隔半小时测量一次线路电流和导线温度，然后通过通信模块将测量数据发送给附近的数据传输终端DTU；当线路发生故障时,线路短路及接地故障测量模块及时测量到接地故障，并向单片机发出中断信号，单片机响应中断、判断故障类型，然后单片机组织故障信息，并通过通信模块将故障信息发送给附近的DTU；数据传输终端DTU具有GPRS通信功能，能够将收到的线路正常测量信息和故障信息发往监控中心，这样，使工作人员在监控中心就能够了解整个配电网的工作状况。

2 MFI的软硬件实现

2.1 线路电流和温度测量模块

线路电流测量模块是用于测量10KV配电线路负荷电流，使用户能够实时了解各处线路电流值，便于用户及时发现和排除故障隐患，测量线路电流的方法是在故障指示器中放置一电磁感应线圈，其感应输出电压与线路电流成正比，用Atmega8L内部的10位A/D转换器将该线圈输出感应电压变成离散的数字量，通过半周期积分算法计算出线路的负荷电流值，电流检测部分电路原理图如图2所示。

图中左边部分是AVR单片机ATmega32L的部分管脚，该单片机本身内部有一个10位高速A/D转换器，有8个模拟量输入通道，测量线路电流采用的是0通道ADC0，A/D转换基准电压采用单片机内部2.56V基准，AREF管脚对地并接0.1µF 电容是为了使基准电压更加稳定，AVCC管脚接A/D转换电源，其通过10µH 电感接到VCC，该管脚对地并接0.1µF 电容也是为了A/D转换器电源电压更加稳定，减小转换误差。

L2是感应线圈，其输出电压与线路电流成正比，输出并接一个0.1µF 电容是为了滤除高频干扰信号，并接一个1K电阻是为了使其输入到单片机ADC0管脚电压更加稳定，且能保证在线路电流低于600A情况下输入到单片机ADC0管脚电压低于2.56V基准电压；D10是一个肖特基二极管，其正向导通电压为0.2V，接这个二极管是为了使输入到ADC0管脚的负电压不超过0.2V，从而保护单片机，采用半周期积分算法计算线路电流，所以只需要对正半波的电压进行转换，负半波由二极管D10短路。

单线温度的测量电路比较简单，我们采用的是单总线测温芯片DS18B20，将其安装于多功能故障指示器卡线处紧贴导线的位置，其数据线连接到单片机I/O口PC1,用这个管脚完成启动温度转换和读取温度转换结果的功能。

2.2 无线通信及其他模块

图2 电流和温度检测部分原理图

无线通信模块是用于完成无线发送和接收，因为故障指示器和数据接收终端间距离小于10m，所以传输距离不要求很远，但一定要具有功耗低、抗干扰性好的特点。本装置选用的以NRF24L01为核心的2.4GHz无线通信模块，该模块天线就做在PCB板上，体积小、功耗低，特别适合于嵌入式系统使用，该模块工作电压为1.9V～3.6V，本装置中采用单片机的两个I/O管脚给无线通信模块供电，以实现在无通信要求情况下，无线通信模块耗电为0。

我们设计的多功能故障指示器的线路短路及接地故障检测模块和翻牌驱动模块电路与常规故障指示器相同，限于篇幅，本文不再详细介绍。

3 抗干扰措施

多功能故障指示器悬挂在10KV架空线路上，运行过程中会受到外界环境和输电线路的严重干扰，为使本装置能够长时间可靠工作,必须在硬件设计和软件设计等方面综合应用各种抗干扰措施。要抑制、清除干扰必须抓住形成干扰的三要素：干扰源、耦合通道和接收设备。

3.1 硬件抗干扰设计

该装置主要干扰是来自输电线路，通过电源的耦合电感回路影响单片机工作，如前面图1所示，在这部分设计中应用1µF 电容C1滤除高频干扰，1KΩ电感对干扰信号进行阻挡，应用5.1V稳压二极管消除过高电压，应用滤波稳压电容C1稳定电源电压；另外，在单片机的电源输入端，我们还应用了π型滤波电路来消除输入到单片机的干扰。

除了在电源输入回路中采取了抗干扰措施外，在PCB板布线、元器件的排布等方面都对抗扰功能进行了设计。

3.2 软件抗干扰设计

单片机系统的抗干扰不能完全依靠硬件来解决,软件设计上也必须要考虑抗干扰的问题,常用的软件抗干扰技术有：软件陷阱、指令冗余、软件“看门狗”、数字滤波等。

在多功能故障指示器的软件设计中，我们应用了看门狗技术，ATmega8L有8KB的程序存储空间，控制计算程序并没有占满整个程序存储空间，没有用到的程序存储器空间我们称为空白区域，在空白区域每隔一段地址我们就加入一个软件陷阱，使程序由于干扰意外跳到无程序区域时，运行软件陷阱程序，又能够回到主程序继续运行。

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