摘 要： 介紹了基于CC430單片機(jī)系統(tǒng)的故障指示器設(shè)計(jì)方案，該指示器能準(zhǔn)確指示故障類型和故障地點(diǎn)，并可將故障情況通過無線通信模塊發(fā)送到監(jiān)測中心，便于對電網(wǎng)進(jìn)行控制。本方案選用了集成有CC1101無線射頻模塊的CC430f5137型號單片機(jī)，無需使用專用的無線通信芯片，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的集成度。該指示器具有體積小、重量輕、報(bào)警清晰、使用壽命長、成本低及免維護(hù)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： CC430；單片機(jī)；故障指示器；無線通信模塊；電網(wǎng)
國內(nèi)配電網(wǎng)線路分支多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)生短路、接地等故障時(shí)，查找故障點(diǎn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。故障指示器是安裝在架空線路、電力電纜和變電站內(nèi)用于指示故障線路，定位故障區(qū)域的裝置[1]。當(dāng)線路發(fā)生短路或接地故障后，故障線路從變電站出口到故障點(diǎn)的所有故障指示器均閃光或翻牌指示，故障點(diǎn)后的指示器不動作[2]。巡線人員便可據(jù)此迅速確定故障區(qū)段。
為了提高配電系統(tǒng)的可靠性，及時(shí)全面地掌握配電網(wǎng)的故障信息，迅速確定并隔離故障區(qū)段，故障指示器除了能夠準(zhǔn)確可靠地指示故障外，還要能夠及時(shí)傳送故障信號。目前采用不同原理、不同材料開發(fā)出來的故障指示器種類繁多。
參考文獻(xiàn)[3]提出利用線路零序電流幅值大小的方法來設(shè)計(jì)方案，參考文獻(xiàn)[4]中提出了一種基于電流和電壓瞬變量檢測的故障指示器研究新方法。參考文獻(xiàn)[2]則提出了基于GPRS的設(shè)計(jì)方法。前兩者為采用不同檢測方法的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，不具備無線通信功能；第三種則通過使用Wavecom公司的GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)無線通信功能。
故障指示器正在逐漸從傳統(tǒng)的故障指示方法向智能化方向發(fā)展。
1 故障指示判據(jù)
通過對短路及接地故障的原理和故障指示器應(yīng)用現(xiàn)狀的分析研究，以及對各生產(chǎn)廠家所給的產(chǎn)品性能說明的總結(jié)分析，得到故障指示判據(jù)如下。
1.1 短路故障判據(jù)[4-5]
若導(dǎo)線某相與另一相發(fā)生相間短路，變電站內(nèi)保護(hù)裝置動作，則再此過程中，該相的電流隨時(shí)間變化， 如圖1所示。
圖1中，在t0時(shí)刻發(fā)生相間短路故障，該相電流立刻由正常工作電流I0陡升到短路電流IS，經(jīng)過一段時(shí)間(t1-t0)后，過流(速斷)保護(hù)動作，因保護(hù)跳閘電流在t1時(shí)刻降為0。如果該饋線裝置帶重合閘，則通過時(shí)間(t2-t1)后重合閘動作，若重合閘成功，則電流恢復(fù)I0，故障消失；若經(jīng)過時(shí)間(t4-t3)后電流又重新降為0，則說明故障未消除，重合閘失敗。
短路故障判據(jù)可總結(jié)為以下幾條：
(1) 當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)線中的電流會突然升高，它的大小與回路中的阻抗有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，不同廠家對突變電流的規(guī)定各不相同，不同線路的突變電流值也不相同，可根據(jù)線路實(shí)際情況而定。一般規(guī)定為It≥100:160 A。It為突變電流。
(2) 當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，變電站保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，此時(shí)導(dǎo)線中的電流I=0 A。
(3) 從發(fā)生故障時(shí)開始，到變電站保護(hù)動作，線路停電，這段時(shí)間為突變電流時(shí)間。為了提高指示器的動作準(zhǔn)確度,需要其與變電站保護(hù)動作配合。不同廠家規(guī)定的突變電流時(shí)間的寬度也有不同。一般規(guī)定為：10:60 ms≤?駐T≤1.5:4 s。
當(dāng)以上條件同時(shí)滿足時(shí)，指示器才判斷線路發(fā)生短路故障。
1.2 接地故障判據(jù)
故障指示器檢測單相接地故障的原理主要有五次諧波法、電流突變法、首半波法、零序電流法及信號注入法等[4-7]。筆者根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)分析，選用的判據(jù)條件如下：
(1)當(dāng)線路發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)流過的接地電流大小等于電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)單相對地電容電流的3倍。接地電流的大小與網(wǎng)絡(luò)電壓、頻率、線路結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)線路總長等諸多因素有關(guān)。一般規(guī)定接地電容電流為Ic=2~5 A。
(2)為了避開瞬間接地，導(dǎo)致誤動作，指示器還考慮了連續(xù)接地時(shí)間。一般廠家規(guī)定連續(xù)接地時(shí)間?駐T>0.5 s。
(3)單相接地時(shí)會產(chǎn)生電弧，并產(chǎn)生高次諧波，其中五次諧波較為明顯，故采用檢測電流信號中五次諧波做為故障判據(jù)。一般規(guī)定五次諧波幅值I5>35 mA。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)部分引入了單片機(jī)，利用其強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算功能提高故障指示器性能。選擇單片機(jī)主要考慮以下問題：低功耗、電磁兼容性以及故障判據(jù)算法的編程實(shí)現(xiàn)。
本文選用CC430系列單片機(jī)做為控制CPU。CC430單片機(jī)充分利用TI公司業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的射頻專業(yè)技術(shù)和超低功耗MSP430TM微處理器，提供低于1 GHz的強(qiáng)勁的RF協(xié)議/應(yīng)用處理器。本設(shè)計(jì)使用CC430f5137型號單片機(jī)，此款單片機(jī)具有48個(gè)引腳、12 bit ADC、32 KB+512 B的Flash存儲器以及2 KB RAM；同時(shí)具有CC1101射頻內(nèi)核的射頻收發(fā)器?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。
當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),單片機(jī)由休眠狀態(tài)被激活,單片機(jī)通過對由數(shù)據(jù)采樣模塊采集的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷是否出現(xiàn)故障。若確定發(fā)生故障，則將故障種類通過無線通信模塊發(fā)送到監(jiān)控中心，同時(shí)進(jìn)行閃燈或者翻拍動作。
2.2 基于CC1101內(nèi)核的無線射頻模塊
系統(tǒng)的無線通信模塊使用CC430單片機(jī)自帶的基于CC1101無線射頻模塊。該模塊具有以下特點(diǎn)[8]：
(1)頻帶分為300 MHz~348 MHz、389 MHz~464 MHz和779 MHz~928 MHz；
(2) 可編程速率0.8 KB~500 KB;
(3) 高靈敏度(1.2 KB,868 MHz, 1%誤包率條件下為-110 dBm)；
(4) 卓越的接收機(jī)選擇性和阻塞性能；
(5)所有支持頻率下高達(dá)+10 dBm的可編程輸出功率等。
此模塊能夠滿足故障指示器對于無線通信部分的要求，實(shí)現(xiàn)故障信息的實(shí)時(shí)發(fā)送。同時(shí)，此模塊有專用的通信指令集，便于編程使用。
由此，本方案可以省去外部專用無線通信芯片，減少指示器制作成本，提高其集成度。
2.3 故障顯示
故障指示器通過夜間閃燈或者白天翻牌動作來指示故障，巡線人員通過指示來查找故障點(diǎn)。
故障指示閃燈硬件原理圖如圖3所示。圖中VDD為接電源正極，LAMP接單片機(jī)引腳。當(dāng)系統(tǒng)判斷線路發(fā)生故障，發(fā)命令將LAMP口等時(shí)間間隔的循環(huán)置高電平與低電平，外部發(fā)光二極管閃爍，指示故障。
故障指示翻牌動作硬件原理圖如圖4所示。圖中VDD為接電源正極，LEFT與RIGHT分別接單片機(jī)引腳。正常情況下，LEFT與RIGHT引腳置為高電平。當(dāng)指示器判斷線路發(fā)生故障時(shí)，兩個(gè)引腳均置低電平，電磁鐵線圈工作，翻動指示牌。
2.4 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)程序部分主要包括數(shù)據(jù)采樣、故障判據(jù)、故障顯示等部分的C語言程序編寫。主程序流程圖如圖5所示。
3 測試方案
目前在實(shí)驗(yàn)室的測試方法是制作兩個(gè)樣機(jī)，將其中一個(gè)作為無線信號接收裝置，用于測試無線通信功能。
當(dāng)測試用樣機(jī)檢測到短路或接地故障時(shí)，通過無線通信模塊將故障信息發(fā)送到信號接收裝置，同時(shí)故障指示器閃燈/翻牌。當(dāng)故障顯示超過一定時(shí)間(每個(gè)廠家規(guī)定不同)，系統(tǒng)復(fù)位。
樣機(jī)完成前期測試，符合設(shè)計(jì)要求。
本文提出基于CC430單片機(jī)的故障指示器，不僅具有傳統(tǒng)指示器的故障顯示功能，能夠較為準(zhǔn)確地指示故障的發(fā)生類型和發(fā)生地點(diǎn)，同時(shí)增加了無線通信功能，使其能適應(yīng)目前配電網(wǎng)智能控制的要求，滿足市場的要求。
本設(shè)計(jì)方案省去了外圍無線通信芯片，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了產(chǎn)品的成本；同時(shí)減小了產(chǎn)品的體積，更便于使用。
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