基于STM32的同杆双回线故障测距装置设计*

2018-09-11邢江涛陈宇晨

传感器与微系统 2018年9期

邢江涛，陈宇晨

(上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 201620)

0 引言

同杆双回线的输电方式因其显著的经济效益、系统运行的安全性和可靠性高，已经得到越来越多的应用。但在现场运行中,双回线故障是无法逃避的问题，且故障非常复杂，而故障定位对迅速隔离故障与及时恢复系统供电具有重要意义[1～4]，因此，成为了双回线输电模式研究的重中之重。

目前在故障测距研究方面2种主要的方法是单端量法和双端量法，其中双端量法是将线路两端所测电气量相结合计算故障距离。在测距算法上，目前应用最多的为工频法和行波法。本文提出了一种结合双端量工频法和六序分量法的模型，并设计了相应的硬件系统。

1 基本原理

同杆双回线不仅存在相间互感，两回线之间也存在互感。因此，要想简化计算必须在计算方面将相间互感和线间互感简化，在数学计算方面并不考虑互感问题，而六序分量法可以很好地解决这一问题。

1.1 六序分量法

核心是通过解耦变换将存在相间互感和线间互感的电气量关系变成两向(正向T、反向F)六序(正序、负序、零序)互不影响的电气量，最终每一相的电压和电流均可由六序分量来表示[5]，六序中的每一序都满足欧姆定律，无须考虑互感问题，即

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式中i=0，1，2分别为零序、正序和负序。

在电力系统中，无论发生什么类型的故障，不论是故障相还是非故障相，均有正序电压、正序电流。根据装置所测电流电压的值，计算出相应的正序电流、正序电压和。并将计算结果应用到测距模型中。

1.2 工频法

工频法是在电力系统运行和输电线路相关参数已知的基础上，依据故障时测距装置所测得的电气量(电压、电流)，计算所需特征量，依据输电线路距离长度和特征量的关系，继而确定故障位置[6]。图1为双端电源系统的同杆双回线单回线故障输电模式示意。

图1 同杆双回线单回线故障示意

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1.3 双端量测距法

本文采用双端电压、电流法，即使用输电线路两端的电压、电流数据进行计算。本文选用不同步的测距方法，其原理为：当某一点发生故障时通过两端的电气量分别计算故障点时的电流和电压。理论上计算的电流向量和电压向量应该相等，但因为数据的不同步性，故分别算出的障点处电压、电流向量的相角可能不同，但其幅值必然相同，利用这一等式关系即可求出故障距离。其测距原理为

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2 计算流程

在对称分量法中，电压和电流的正序分量由发电机为整个系统提供，因此，不论线路发生何种故障，其电压和电流中一定含有正序分量，上述原理同样适用于六序分量法。利用这一特性，根据式(1)可计算出线路两端的正序电压和正序电流。故障点处的电压和电流同样含有正序分量，利用分布参数长线模型，可计算得到两个含有故障距离参数的向量。两相量的幅值必然相等，联立方程求解，得出最终的故障距离，计算过程如图2。

3 硬件设计

设计的故障测距装置主要利用电压、电流传感器对电压和电流进行实时监控，将小的电压、电流信号传至ARM开发板进行数据处理，最终的数据结果通过LCD模块显示并保存在SD卡中。硬件部分主要包括电源电路、信号调理电路、ARM开发板(STM32F107VCT6)[7]、LCD显示电路和SD卡存储电路，结构示意如图3。采用模块化集成的设计方案，对不同等级的电压、电流进行相关配置，可有效减少设计工作量。

图2 计算流程

图3 硬件结构

3.1 电源电路

测距装置硬件电路的主要电压等级为3.3，+5，-5 V，硬件装置的外部电源由开关电源提供，输入到系统电压为±15 V，装置内部的电源电路将±15 V电压分别转换为3.3，+5，-5 V。其中3.3 V主要是为STM32F107VCT6开发板提供工作电压[8]，+5 V和-5 V则主要为其他外围电路提供工作电压，电源电路如图4所示。

图4 电源电路

3.2 调理电路

图5和图6分别为硬件装置的电压、电流采样电路。调理电路可实现将输电线路两端的电气特征量相量按一定比例缩小，经过一系列变换将大电流、大电压的信号转化为小电流、小电压的信号输入到STM32F107VCT6的AD采样通道，要求通入开发板ADC管脚的电压在0～3.3 V。调理电路主要有互感器电路、放大电路、加法器电路和滤波电路。交流电压互感器采用TV1013电流型互感器，交流电流互感器采用TA1015互感器，两种互感器将所测电压相量。

变换成毫安(mA)级电流再耦合到二次侧。调理电路的后面四个部分放大电路、加法器电路和滤波电路均采用低成本的LM324四路运算放大电路，实现将二次侧信号变换成满足开发板ADC通道要求的信号。