一种多设备间数据同步合成检测线路故障方法

李英春，吴纳磊，徐少雄，贾海旭，张春豪

（石家庄科林电气股份有限公司，河北 石家庄 050000)

国家电网公司对配电网的投资逐渐加大，目前暂态录波型故障指示器，作为一种挂在架空线或电缆上的配电产品，以其实用性强、使用方便、故障识别和判断、故障易识别性，使其在配电领域得到广泛应用。三相线路上各挂一个采集单元，目前大家依据相电流和相电压的暂态变化作为判据，分析判断暂态故障（不同种类的接地故障），这种单相独立判断不准确、不全面。

三相线路上分别各挂一个采集单元，以电场方式采集电压，很容易受到雨雪环境的干扰，电场的波动、负荷波动、某些接地故障的相电流变化微小等因素干扰的接地故障的识别和判断。如高阻接地相电压和相电流变化微小，单相独立判断容易判断出错；有些接地故障，故障点下游，相电压和相电流变化微小。因此这种单相独立判断不准确、不全面，须提高故障识别率。

多设备间时间同步，三相采集单元的采样数据通过大吞吐量无线传输给汇集单元，传输数据时带时标；实时的采样数据都汇集到汇集单元；汇集单元根据采样数据矢量合成零序电流和零序电压；根据接地故障暂态特性识别和判断故障，在接地故障时，零序电流和零序电压暂态特性明显，判断准确。这样来提高故障识别率。

1 多设备间数据的同步采样

故障指示器，三相采集单元和汇集单元之间通过数据的传输，使四台设备绝对时间一致。

多设备间时间同步，大吞吐量无线传输，传输数据时带时标；数据实时存储计算；采样数据矢量合成零序法；

单相独立判断不准确、不全面，高阻接地相电压和相电流变化微小，单相独立判断容易判断出错。根据接地故障暂态特性，三相合成的零序电流和零序电场，在接地故障时，暂态特性明显，判断准确率高。

设备组成：汇集单元，A相采集单元、B相采集单元、C相采集单元，三相采集单元分别采集线路ABC三相的电压和电流数据，采集数据传输给汇集单元，汇集单元将三相数据存储，并同步合成零序，来进行暂态故障的分析和判断。

设备之间应用无线模块（433MHz）实现数据的收发。每个设备上有2个无线模块（433MHz），无线模块1用来数据的交互（包括对时），无线模块2仅用来采样数据实时的收发。

433MHz通信模块，属于微型模块，占用空间很小，类似在电路板上增加一个芯片的位置，实际应用也是焊接到电路板子上。使用2个通信模块，是为了功能分离，因为常规设备都是用一个模块，但本方案增加一个，专门用来实时传输采样数据，因为数据量大，不能用来兼顾其他功能。

如何实现采样时间同步：对时稳定、ADC采样同步处理。

汇集单元可通过外部服务器或GPS、北斗定时接收精准的时间源，没有外部时间源时，汇集单元依据8025T时钟芯片进行守时。汇集单元通过无线通讯，间隔周期为100ms，每次将当前的系统时间组帧进行广播发送。三相采集单元接收到对时帧后，分别根据时间调整自己的系统时间和AD采样用定时器，实现三相采集单元绝对时间偏差在20μs以内，三相采集单元的AD采样用定时器步调基本一致，几乎同时触发采样。

方法：系统时钟调整方法和ADC采样调整方法。

系统时钟调整方法：汇集单元以间隔周期为100ms，每次将当前的系统时间组帧（最小单位μs）进行广播发送，三个采集单元同时收到都要进行系统时钟调整，以达到设备间绝对时间一致（在规定的误差内）。采集单元第一次收到汇集单元下发的对时时间，直接进行系统时间调整。步骤如下：汇集单元下发的时标（最小单位μs）T1、数据通过无线空中传输延时（固定）T2、采集单元收到时间帧到解析完毕用的时间T3，采集单元将T1+T2+T3计算后的时间直接调整为自己的系统时间。接下来采集单元再受到对时帧，不直接进行系统时间调整，而是进行微调，通过调整ms中断沿来修正系统时间。采集单元收到汇集单元下发的时间，T1+T2+T3计算后的时间Th，此时提取自己当前的系统时间Tc，时间偏差Δt=Tc-Th，Δt有正数也有负数。

将每次的时间偏差做累加，SUMΔt=Δt1+Δt2+…+Δtn，对时n次，求出偏差平均值，AVERAGE=SUMΔt/n。偏差平均值AVERAGE，平摊到每毫秒中进行修正，这里n最大取值10，始终代表当前时间前最近的10次对时。这样三相采集单元和汇集单元之间时间相对稳定，不会有大的调整。

图1 三相绝对时间一致、采样时间同步流程图

ADC采样调整方法：采集单元接收到对时，时间稳定后，每20ms调整一次ADC触发采样的计数器，调整时将计数器与毫秒沿对齐。这样三相采集单元采样步调基本一致，如图1所示。

2 多设备间数据的实时传送

采样数据传输方法：电流和电压每周波（20ms）采样128点，自己进行计算和判断，每周波等间隔筛选出32个采样点，上传汇集单元，筛选序号1、5、9…125。

采样点数据的选择，因为采集单元每周波采样点的个数有区别，有80、100、128、256等，以128举例，每周波128个采样点没必要全部传给汇集单元，需要1/4数量就可以。因为设置采样模式是等时间采样，每4个点抽取一个采样点。1、2、3、4中抽1；5、6、7、8中抽5。为了后面零序的合成，每组中取得位置要一致。

这样每周波抽取采样点仅占1/4，极大地减少了数据的传输量，主要是得到零序数据，能完成暂态突变的检测，不影响故障判断。如果检测出故障，汇集单元可广播指令，让3个采集单元按照故障时刻形成录波数据（满点采样）上传汇集单元。采集单元具有一定的采样数据缓存，可根据汇集单元的时刻锁定采样点。本功能由主通信模块来完成。

满足对时稳定、ADC采样同步后，进行采样数据组帧传输。

满足对时稳定、ADC采样同步后，在整秒后的第一个触发的采样点作为需要上传的第一个采样点。

组帧：每帧包含48个采样点（电流24个采样点，电场24个采样点，每个采样点用两个字节），时标7个字节（时标是本帧中第一个采样点触发时的时标），相别区分标识1个字节。一帧共104个字节。无线模块发送速率200kbit/s，5ms内可发送125个字节。

传输周期：A相采集单元在整秒后计时到5ms向外发送数据，B相采集单元在整秒后计时到10ms向外发送数据，C相采集单元在整秒后计时到15ms向外发送数据，以后按照ABC三相的顺序分别以5s间隔，向外发送数据，如图2所示。

图2 三相采集单元分时系发送数据

3 汇集单元数据接收和解析

汇集单元分时隙依次收到ABC三相的数据后，判断三相数据都收到了，多数据进行解析，如果三相数据中时标满足对齐要求，将数据存储，这样汇集单元中，就拿到了3个线路的电流和电压实时的、同步的采样数据。

汇集单元合成零序电流和电压：

采样的基准值是0，采样点的值为有符号型，有正负特性。

汇集单元将拿到的三相同步的采样点，进行矢量计算，合成了零序电流和零序电压的采样点，同样是每周波32个采样点。

4 根据零序数据进行故障判断

根据合成的零序电流和零序电压的采样点数据，计算零序电流和零序电压的有效值，当检测到零序电流有效值值突变时，分析零序电流和零序电压的暂态特征，判断是否为接地故障。如果是接地故障，再根据零序电流和零序电压的暂态时刻的变化趋势，判断设备处于故障点上游还是下游。

判断接地故障最有效的方法，就是判断零序电流和零序电压的暂态特征，本方案解决了雨雪天气等环境对电场的影响和负荷波动对电流的影响，能准确、及时、有效地判断出接地故障，采样数据合成流程如图3所示。

图3 采样数据合成流程图

5 结论

故障指示器作为一种线路架空设备，由汇集单元、三相采集单元组成，本方案通过多个设备间时间同步，三相采集单元的采样数据通过大吞吐量无线通信方式，分时隙、实时地传输给汇集单元，汇集单元将三相数据存储，并同步合成零序，根据零序电流和零序电压暂态特性，准确地判断接地故障，将故障结果上传主站，极大地提高了接地故障的识别率，提高了产品的故障判断性能，为配电网线路及时、有效、准确地定位故障点提供了可靠信息。