故障电流限制器中故障传感器的改进设计与实现

钱志

摘 要： 故障电流限制器电流迅速提升，会产生短路问题，需要通过故障传感器检测电流限制器中的短路故障，确保故障电流限制器的顺利运行。设计并实现故障电流限制器中的故障传感器，给出故障信号采集模块设计过程，通过引进LM293差分比较器的整形电路进行整形，再传递到MSC1210单片机进行变换，并通过故障诊断模块进行分析，将分析结果反馈到上位机中，对电流限制器的故障进行处理。给出了软件设计过程。实验结果表明，所设计的传感器可及时获取反映故障电流限制器的故障信息信号，故障信号采集效率和空间性能都较高。

关键词： 故障电流限制器； 故障传感器； 短路故障； 传感器改进

中图分类号： TN61?34； TM471 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0076?05

0 引 言

随着经济的快速增加，不同行业的电力需求不断增强，使得电力系统规模增强，对远距离、大规模输电系统的运行稳定性要求较高。电网规模的不断增加，导致电网短路容量大幅度提升，大大降低了电力系统的电能质量，通过故障电流限制器能够避免该问题的发生[1?2]。而故障电流限制器电流迅速提升，会产生短路问题，需要通过故障传感器检测电流限制器中的短路故障，确保故障电流限制器的顺利运行[3?5]。当前的故障检测方法都存在一定的缺陷，如文献[6]提出了依据SDG的故障传感器设计方法，其是一种依据图论模型的故障诊断方法，但是其适用于处理全局故障，无法及时进行局部故障的诊断和隔离，对其他部分产生严重威胁。文献[7]通过传感器实时检测故障电流限制器的变量值，合理部署监控变量的传感器，提高故障检测效率，但是该方法的耗能量较高。文献[8]分析了依据故障传递时间部署传感器的过程，实现故障电流限制器的故障诊断和管理，但是该方法未全面分析支路传播故障的性能干扰，具有一定的局限性。文献[9]通过FPSDG系统模型，集成定量信息，通过故障电流限制器的故障传播权重以及监控成本，获取故障传感器的分布优化设计方案，完成故障电流信号的检测。但是该方法对系统变量的量要求较高，局限性较强。为了提高故障电流限制器中故障信号的检测质量，设计并实现了故障电流限制器中的故障传感器，并对其故障采集和检测性能进行了改进。

1 故障电流限制器中故障传感器的改进设计和实现

1.1 故障传感器硬件系统结构设计

故障传感器硬件系统结构图如图1所示。从图1中可以看出，其通过故障信号采集模块输出检测信号、参考信号和电流信号，这些信号通过LM293差分比较器的整形电路进行整形，传递到MSC1210单片机进行变换，并通过故障诊断模块进行分析，并将分析结构反馈到上位机中，对电流限制器的故障进行处理。

故障传感器硬件电路的任何一个环节出现错误，传感器都不能正常读取电流信号值，这些错误也将呈现在上位机读取的数据中，分析这些数据特征，能够判断故障电流限制器是否处于故障状态中。

1.2 故障传感器中信号采集模块的设计

信号采集模块由电源、信号分离器、故障电流信号检测模型、故障电流信号检测单片机、故障电流信号整形电路以及故障显示器等构成，如图2所示。其中，故障传感器采用桥式电路，其输出同故障检测单片机的模拟输入端连接，完成差分式信号输入。故障检测单片机的通信接口端与故障电流信号检测模型连接，收发采集信息和命令，还与信号分离器的输入端连接，信号分离器的输出并联信号与故障显示控制器连接。

1.2.1 故障电流信号检测模型的设计

获得反映故障电流限制器中的故障的信号是故障检测的基础。电压信号能够从传感器的电容式电压互感器二次侧获取。基于罗柯夫斯基线圈构建故障电流信号检测模型，检测故障电流限制器中的故障电流信号。故障传感器采用罗柯夫斯基线圈检测故障电流限制器中的电流时，将其套装在故障电流限制器的外边，其对载流体所形成的体外电磁场波动、对载流体的电流进行检测。并将监测母线中的高电压和大电流，变换成二次侧的低电压以及小电流信号。电流会在周围形成波动的磁场，部署在电压输电线周围的检测器件，按照通过它的磁通量波动获取电动势，通过全电流定律及电磁感应定律获取罗柯夫斯基线圈感应电压e（t）为：

[e（t）=dφ（t）dt=-MdI（t）dt] （1）

式中：[φ（t）]表示磁链；M用于描述罗科夫斯基线圈互感；[I（t）]用于描述一次侧电流，故障电流限制器发生短路时，故障传感器中的罗柯夫斯基线圈输出的电压信号可描述短路电流的波动情况，反映首次一侧电流的变化率。

故障电流限制器中故障信号监测仿真原理图如图3所示。

图3 故障信号检测仿真原理图

图3（a）中的长圆柱体为一段高压导线，取其中的某段导体进行分析。图3（b）描述的是0.035 s 时故障传感器高压输电线路周围磁场排列情况，如果故障电流限制器中存在短路故障，则导线周围磁场随着电流波动而波动，此时故障传感器通过罗柯夫斯基线圈采集周围磁场的波动情况。如果故障电流限制器出现短路，则故障传感器中电线内的电流迅速提高，周围的罗柯夫斯基线圈按照磁密度波动形成感生电势，故障前感生电势为一正弦电压信号，当故障发生时，感生电势迅速提升，进而检测出过电压。

1.2.2 故障电流信号检测单片机模块设计

MSC1210单片机进行信号变换的模块设计中，如图4所示。可以看出，故障电流信号检测模型获取的电流信号，通过差分形式输入到MSC1210单片机的模拟信号输入端AIN0，AIN1进行A/D变换，再通过总线收发器反馈到监控主机中，进行相关的分析。MSC1210单片机复位通过MAX812芯片进行控制，A/D转换参考电源采用抵压差线性稳压器LP2591，通过高精度电阻网络分压成2.5 V后向总体单片机供能。单片机中的数字芯片以及模拟电路独立供电，并对电源进行稳压加滤波电路。

1.2.3 故障电流信号整形电路的设计

故障电流信号检测单片机对故障电流限制器的电流信号进行A/D变换后，应采用LM293差分比较器的整形电路对故障电流限制器的实际电流信号进行整形，过滤干扰对速度采集信号的干扰，增强电流信号的精度，如图5所示。图5中，C21是隔直耦合电容，R15和R18是隔离电阻抑制共模干扰，D1和D2对输入脉冲进行低电压约束，并增强信号电平，用肖特基二极管MMSZ4688保护LM2903比较器。

2 故障诊断软件构成

2.1 故障传感器节点检测的软件流程设计

通过传感器节点检测软件实现故障传感器的优化分布，提高故障信号的检测效率。详细的设计流程如图6所示。检测节点对网关节点进行检测过程中，若可准确接收数据，则说明网关节点运行正常，否则需要排查网关节点可能出现的故障，如无线通信模块损坏以及故障电流过高等。检测节点采集网关节点以及传感器节点中的数据后，对数据进行判断。当网关节点的检测数据中，某一传感器节点i的网络连通性为0，则需另外检测这一传感器节点。转换检测节点的位置，如果可接收到传感器节点i的数据，则说明网关节点同传感器节点i间的路径上存在阴影效应，需要对路径上的环境进行调整，并变换传感器节点i的位置，直至节点i可以准确连接到网络上。若检测节点无法接收到传感器节点i的数据，则表示传感器节点存在硬故障。

2.2 传感器故障诊断的软件流程设计

完成故障传感器节点的检测后，通过故障诊断对节点进行分析，获取故障信息。故障预诊断软件是通过LabWindows/CVI编写的上位机程序实现的。总体程序设计由串口配置、数据诊断以及波形诊断构成。故障电流限制器中故障传感器的故障诊断软件的诊断流程设计如图7所示。

通过串口配置，塑造故障传感器同上位机间的联系，串口配置包括COM口和波特率，奇偶校验位以及数据位等设置，若配置错误，则进行报错，需要重新进行配置。若配置错误，则不可读数，故障定位为通信电路出现故障。若串口配置正确且通信电路不存在故障，则故障传感器和上位机能够进行正常的串口通信。完成串口配置后，故障传感器实时向上位机传递检测信号值、参考信号值以及电流信号值。前两项值是单片机A/D转换获取的数字量，通过单片机程序算法处理后获取的，而电流信号值是通过前两项值运算得到的。这些数据描述了故障传感器的平稳性、信号大小、传感器是否出现故障等信息。当传感器预热平稳时，在界面中呈现出获取的三项值、以及这些值的最大值和最小值，依据这些数据进行分析，分析故障电流限制器中的故障传感器是否处于故障状态。

分析上一步数据诊断结果，若故障电流限制器中的故障传感器存在故障，则连续采集通过信号调理电路后反馈到单片机A/D转换的数字量，并利用这些数字量绘

制模拟波形，再次诊断故障传感器中的故障。将模拟信号波形，显示到主界面中，可以更加直观地看出波形是否正常。

3 实验分析

实验采用本文设计的故障传感器，检测某故障电流限制器中的电流故障，并对检测过程进行瞬态有限元运算。实验对检测过程进行时间离散化处理，每隔 0.1 ms 求解一次解析解，总体求解时间为0.04 s，形成电流故障的时间为0.02 s，图8描述了故障电流限制器中的电流电压波动曲线。

仿真实验中的故障电流限制器中输电线路电源电压为10.63 V，分析图8可得，在20 ms时故障电流限制器出现短路故障，输电线路电流快速提升，电压快速降低到0.7 kV左右。

分析图9（a）和图9（b）可得，故障传感器感应到的故障电流限制器的电压和电流及其变化率在故障发生时存在显著波动。故障电流限制器出现短路故障时，故障传感器通过获取的感应电压和感应电流迅速升高。图9（a）、图9（b）在短路故障发生时，传感器感应到的故障电流限制器的电压快速提升。从数据上可以看出在20 ms时刻，电压为-4.17 V，在20.3 ms，则迅速调成-4 968.5 V。分析图9（c）、图9（d）中的故障传感器的感应电流和感应电流变化率曲线可得，当故障电流限制器出现短路故障后，故障传感器的感应电流和感应电压变化率快速提升，从数据上可以看出在20 ms

时为-0.068 V，而20.1 ms则快速变成-12.2045 V，20.2 ms为-24.867 3 V。

通过仿真实验结果可以看出，本文设计的故障传感器可及时获取反映故障电流限制器的故障信息信号，为信号处理和排除故障提供依据，确保故障电流限制器的正常运行。

4 结 论

本文设计并实现了故障电流限制器中的故障传感器，其通过故障信号采集模块输出检测信号、参考信号和电流信号，这些信号通过LM293差分比较器的整形电路进行整形，传递到MSC1210单片机进行变换，并通过故障诊断模块进行分析，并将分析结果反馈到上位机中，对电流限制器的故障进行处理。传感器采用罗柯夫斯基线圈检测模型获取故障电流限制器中的故障电流。通过传感器节点检测软件实现故障传感器的优化分布，提高故障信号的检测效率，并采用故障预诊断软件对传感器节点的故障进行诊断。实验结果说明，所设计的传感器可及时获取反映故障电流限制器的故障信息信号，故障信号采集效率和空间性能都较高。

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