基于獨(dú)立供電雙CPU的新型故障指示器設(shè)計(jì)

劉貴華++梁開棟++李杏彬

摘 要：隨著我國智能電網(wǎng)的建設(shè)，大部分配電線路都配有故障指示器，故障指示器在監(jiān)測(cè)配電線路的同時(shí)，本身自己也存在一些缺陷與問題，并缺乏有效的自檢方法。針對(duì)目前配電線路故障指示器的特點(diǎn)及問題，介紹了一種獨(dú)立供電雙CPU系統(tǒng)的故障指示器。兩個(gè)CPU獨(dú)立供電，其中第一個(gè)CPU系統(tǒng)完成故障指示器的檢測(cè)、故障報(bào)警等具體功能，正由于此功能特點(diǎn)導(dǎo)致其功耗大，容易出現(xiàn)離線、死機(jī)，在供電欠壓時(shí)容易誤檢測(cè)等問題。而第二個(gè)CPU系統(tǒng)則使用獨(dú)立電源供電，采用定時(shí)檢測(cè)、低功耗機(jī)制，在完成對(duì)第一個(gè)CPU系統(tǒng)自身狀態(tài)檢測(cè)以及其電源檢測(cè)的同時(shí)，還可以在第一個(gè)CPU系統(tǒng)不工作時(shí)，主動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過無線形式實(shí)時(shí)通知檢修人員，做到提前預(yù)警與維護(hù)。

關(guān)鍵詞：故障指示器 獨(dú)立供電 雙CPU 故障自檢 低功耗 無線 提前預(yù)警

中圖分類號(hào)：TU85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（c）-0088-03

當(dāng)前我國正在加快建設(shè)智能電網(wǎng)，而配電網(wǎng)領(lǐng)域又是智能電網(wǎng)的開發(fā)重點(diǎn)，其中電纜故障指示器和配電管理系統(tǒng)是配電自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在配電系統(tǒng)中，特別是大量使用環(huán)網(wǎng)負(fù)荷開關(guān)的系統(tǒng)中，如果下一級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中發(fā)生了短路故障或接地故障，上一級(jí)的供電系統(tǒng)必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分?jǐn)啵苑乐拱l(fā)生重大事故。通過使用電纜故障指示器，可以標(biāo)出發(fā)生故障的具體位置部分。維修人員可以根據(jù)此指示器的報(bào)警信號(hào)迅速找到發(fā)生故障的區(qū)段，分?jǐn)嚅_故障區(qū)段，從而及時(shí)恢復(fù)無故障區(qū)段的供電，可節(jié)約大量的工作時(shí)間，減少停電時(shí)間和停電范圍。同時(shí)電纜故障指示器具有投資省、綜合效益高的特點(diǎn)，在生產(chǎn)實(shí)際中大部分配電線路都配有故障指示器。

1 常規(guī)故障指示器問題分析

故障指示器是一種安裝在電力電纜線路、高壓開關(guān)柜、架空線、電纜分接箱等變配電系統(tǒng)中，能夠做到智能檢測(cè)、實(shí)時(shí)判斷、顯示并傳遞故障信號(hào)和發(fā)送遠(yuǎn)程指示預(yù)警信號(hào)，同時(shí)能夠自動(dòng)復(fù)位，用于指示故障電流通路的獨(dú)立智能電氣設(shè)備。針對(duì)故障指示器自身的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合的限制，用戶在使用過程中，也發(fā)現(xiàn)了故障指示器自身存在很多缺陷問題，比如福建省龍巖市供電局在近幾年間，發(fā)現(xiàn)使用的故障指示器存在批量的誤檢測(cè)、離線、死機(jī)等問題。造成這些問題的原因多于故障指示器供電狀態(tài)有關(guān)。

當(dāng)前故障指示器傳感器部分多采用電池供電和導(dǎo)線CT取電互補(bǔ)的供電方式，同時(shí)又是單一CPU運(yùn)行工作。當(dāng)如惡劣天氣造成導(dǎo)線舞動(dòng)或人為原因，致使開口的卡扣式CT沒有有效閉合時(shí)，CT取電效率下降，或CT本身故障破損，最終導(dǎo)致CT不工作，無法及時(shí)給電池充電。當(dāng)電池欠壓時(shí)，單一的CPU系統(tǒng)工作在無序狀態(tài)，造成誤檢測(cè)。當(dāng)電池電量耗盡后，故障指示器傳感器死機(jī)，既無法采集數(shù)據(jù)，也無法發(fā)送信號(hào)，處于離線狀態(tài)。

而故障指示器監(jiān)測(cè)單元多采用電池供電與太陽能電池板發(fā)電互補(bǔ)的供電方式，同時(shí)也多是單一CPU運(yùn)行工作。在遭遇連續(xù)陰雨天氣時(shí)太陽能電池板無法有效連續(xù)發(fā)電。或者由于空氣中顆粒污染等原因，致使太陽能電池板上粉塵堆積較多，太陽能電池板發(fā)電效率下降，無法有效足量的給電池充電。同時(shí)，太陽能電池板隨著長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，本身也會(huì)有損耗。這些都會(huì)造成電池?zé)o法長(zhǎng)期穩(wěn)定供電，甚至電池電量耗盡，致使監(jiān)測(cè)單元死機(jī)，乃至整個(gè)故障指示器系統(tǒng)處于死機(jī)、離線狀態(tài)。當(dāng)真正線路故障時(shí)，卻又無法報(bào)警，造成電網(wǎng)故障，帶來損失。

2 整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

針對(duì)目前配電線路故障指示器的特點(diǎn)及問題，特此設(shè)計(jì)一種獨(dú)立供電的雙CPU系統(tǒng)故障指示器，其系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

故障指示器系統(tǒng)包含傳感器及監(jiān)測(cè)單元，均采用雙CPU機(jī)制，且每個(gè)CPU均獨(dú)立供電，獨(dú)立發(fā)送信號(hào)。監(jiān)測(cè)單元通過短距離無線組網(wǎng)方式接收傳感器發(fā)出的故障點(diǎn)號(hào)、負(fù)荷電流、非電量等信息。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，傳感器檢測(cè)到此故障信號(hào)，并通過無線形式實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)單元?jiǎng)t將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判斷后，通過GPRS/GSM向配網(wǎng)主站發(fā)送遠(yuǎn)程子站狀態(tài)、指示器狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)等，運(yùn)維人員可以借助此報(bào)警顯示信號(hào)，迅速而又準(zhǔn)確地判別故障發(fā)生的區(qū)段及當(dāng)前線路的運(yùn)行狀態(tài)，找出具體的故障點(diǎn)，有效的排除故障，縮短停電時(shí)間，縮小停電區(qū)域，確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

其主要功能實(shí)現(xiàn)如下：

實(shí)時(shí)檢測(cè)。故障指示器的傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)荷電流、設(shè)備狀態(tài)、非電量（如溫度、位置等）。

智能判斷。故障指示器監(jiān)測(cè)單元接收到傳感器的采樣數(shù)據(jù)后，通過一定的邏輯運(yùn)算，判斷是否達(dá)到或超過電流整定值 ，并確定是否產(chǎn)生報(bào)警指示信號(hào)（指示燈快閃）及動(dòng)作出口等。同時(shí)還可判斷是過負(fù)荷電流和短路故障或接地故障，還或是線路停電等狀態(tài)，確保動(dòng)作的準(zhǔn)確度。

閉鎖邏輯。當(dāng)線路在送電狀態(tài)時(shí)，短時(shí)閉鎖故障保護(hù)邏輯及動(dòng)作出口，防止故障指示器誤動(dòng)作；當(dāng)線路正常運(yùn)行后，閉鎖故障保護(hù)邏輯自動(dòng)解除。

供電方式靈活。內(nèi)置電池的同時(shí)，還可以進(jìn)行導(dǎo)線的CT取電，監(jiān)測(cè)單元還帶有太陽能電池板，具備光伏發(fā)電的功能。

無線通信。故障指示器的傳感器與監(jiān)測(cè)單元間通過短距離無線組網(wǎng)，而監(jiān)測(cè)單元?jiǎng)t通過GPRS/GSM向配網(wǎng)主站發(fā)送遠(yuǎn)程子站狀態(tài)、故障預(yù)警信號(hào)等信息。

戶外安裝。一般故障指示器的傳感器及監(jiān)測(cè)單元均可安裝在架空線等戶外環(huán)境下，采用特殊的外殼材料和防護(hù)層來保證不同天氣條件下的長(zhǎng)期穩(wěn)定在線運(yùn)行。

故障指示。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，則使高亮度LED 閃爍、翻牌指示，這樣的組合顯示可以確保在白天和黑夜都能準(zhǔn)確地看到故障報(bào)警信號(hào)。

自動(dòng)復(fù)位。故障發(fā)生后，如果斷電，在恢復(fù)供電后故障指示器可及時(shí)自動(dòng)復(fù)位，無需人工干預(yù)。

帶電安裝與拆卸。故障指示器傳感器采用有效的卡線結(jié)構(gòu)，可帶電進(jìn)行安裝與拆卸，方便運(yùn)維人員的使用。

雙信號(hào)獨(dú)立發(fā)送。CPU1完成故障指示器的主要功能，并發(fā)送信號(hào)，但是功耗大。CPU2定時(shí)監(jiān)測(cè)CPU1的運(yùn)行狀況，以及對(duì)CPU1的電池電量監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)才獨(dú)立發(fā)送信號(hào)，功耗低。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 故障指示器傳感器

故障指示器傳感器硬件模塊設(shè)計(jì)，主要有CT取電電路模塊、CPU1供電電路模塊、線路交流采集模塊，CPU1無線通信模塊、故障指示模塊、CPU2供電電路模塊、CPU2無線通信模塊。

內(nèi)置的CT取電電路，將高壓轉(zhuǎn)換后分別給CPU1和CPU2的供電電池充電，CPU1的供電電池單獨(dú)給CPU1供電，CPU1主要完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與運(yùn)算，并將信號(hào)通過無線形式發(fā)送給監(jiān)測(cè)單元，同時(shí)接收監(jiān)測(cè)單元的指令確定是否驅(qū)動(dòng)故障指示模塊，使能LED 閃爍與翻牌。CPU2的供電電池單獨(dú)給CPU2供電，CPU2采用低功耗的MSP430些列單片機(jī)，為了降低功耗，定時(shí)監(jiān)測(cè)CPU1的運(yùn)行狀態(tài)，以及CPU1的電池電量。CPU2的無線通信模塊平時(shí)處于休眠狀態(tài)，只有CPU1出現(xiàn)異?；駽PU1電池欠壓時(shí)才主動(dòng)發(fā)送無線信號(hào)。

3.2 故障指示器監(jiān)測(cè)單元

故障指示器監(jiān)測(cè)單元硬件模塊設(shè)計(jì)，主要有太陽能電池板發(fā)電電路模塊、CPU1供電電路模塊、CPU1與主站GPRS/GSM通信模塊、CPU1與傳感器無線通信模塊、出口動(dòng)作模塊、CPU2供電電路模塊、CPU2與主站GPRS/GSM通信模塊、CPU2與傳感器無線通信模塊、人機(jī)交互模塊。

太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為有效的電能后分別給CPU1和CPU2的供電電池充電，CPU1的供電電池單獨(dú)給CPU1供電，CPU1與傳感器無線通信模塊接收來自傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯判斷后，確定是否驅(qū)動(dòng)出口動(dòng)作模塊，并將數(shù)據(jù)及預(yù)警信號(hào)通過GPRS/GSM模塊發(fā)送給主站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)或運(yùn)維人員手機(jī)上。CPU2的供電電池單獨(dú)給CPU2供電，CPU2采用低功耗的MSP430些列單片機(jī)，為了降低功耗，定時(shí)監(jiān)測(cè)CPU1的運(yùn)行狀態(tài)，以及CPU1的電池電量，同時(shí)CPU2只接收來自“傳感器CPU1”的無線信號(hào)，平時(shí)處于休眠狀態(tài)，只有出現(xiàn)異常時(shí)才主動(dòng)通過GPRS/GSM模塊將信號(hào)發(fā)送給主站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)或運(yùn)維人員。CPU2的GPRS/GSM模塊平時(shí)也處于休眠狀態(tài)，降低功耗。人機(jī)交互模塊可以方便調(diào)試人員查看數(shù)據(jù)、狀態(tài)以及修改定值等。

4 軟件設(shè)計(jì)

故障指示器傳感器與監(jiān)測(cè)單元的軟件流程圖分別如圖2、圖3所示。

故障指示器傳感器CPU1軟件從參數(shù)初始化后，循環(huán)進(jìn)行自身狀態(tài)發(fā)送給CPU2、線路數(shù)據(jù)采集、邏輯判斷、數(shù)據(jù)無線發(fā)送給監(jiān)測(cè)單元、接收監(jiān)測(cè)單元指令并確認(rèn)是否驅(qū)動(dòng)報(bào)警。CPU2軟件從參數(shù)初始化后，啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)讀取CPU1的電池電量、CPU1狀態(tài)并判斷是否異常，當(dāng)異常時(shí)啟動(dòng)無線發(fā)送。其他時(shí)間則進(jìn)入低功耗模式，增加工作壽命。

故障指示器監(jiān)測(cè)單元CPU1軟件從參數(shù)初始化后，循環(huán)進(jìn)行、人機(jī)交互查詢、邏輯判斷、自身狀態(tài)發(fā)送給CPU2、接收傳感器信號(hào)并確認(rèn)是否驅(qū)動(dòng)報(bào)警，同時(shí)通過GPRS/GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)及報(bào)警信號(hào)給主站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)或運(yùn)維人員。CPU2軟件從參數(shù)初始化后，啟動(dòng)定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)讀取CPU1的電池電量、CPU1狀態(tài)、接收“傳感器CPU2”信號(hào)，并判斷是否異常，當(dāng)異常時(shí)啟動(dòng)GPRS/GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。其他時(shí)間則進(jìn)入低功耗模式，增加工作壽命。

5 結(jié)語

采用獨(dú)立供電的雙CPU新型故障指示器，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的常規(guī)故障指示器的全部功能外，同時(shí)還具有自檢功能、低功耗、壽命長(zhǎng)、維護(hù)量小的優(yōu)點(diǎn)，有效的解決了誤檢測(cè)、離線、死機(jī)等問題。在方便運(yùn)行維護(hù)人員的巡檢與使用的同時(shí)，也可提高配網(wǎng)自動(dòng)化的水平，為電力行業(yè)節(jié)約成本，減少資源浪費(fèi)，保證電網(wǎng)正常運(yùn)行，推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和很大的實(shí)用價(jià)值。

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