基于STM32的變電所配電線路小電流故障檢測研究

汪萍 李隊員

摘要：在電力系統(tǒng)變電所中，變電所配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)的故障無法及時定位監(jiān)測，嚴(yán)重影響供電的安全性、可靠性、用戶滿意度以及供電企業(yè)的管理效率。小電流接地故障數(shù)據(jù)的實時檢測等效電路模型的建立、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計是本設(shè)計的主要任務(wù)。本文采用ST公司最新推出的STM32F103ZE為CPU， AD采樣濾波進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)，通過DSP自帶的庫進(jìn)行FFT運算，MCU實現(xiàn)故障方向的計算。同時DSP芯片在數(shù)值運算上的高效性，代替了傳統(tǒng)的CPU+DSP的處理模式，簡化了硬件設(shè)計、提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；變電所；CPU；DSP；FFT

中圖分類號TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）13-0241-02

The Research on the Small Current Fault Detection of Variable Distribution Line Based on STM32

WANG Ping 1， LI Dui-yuan2

（1.The Instiute of Mechanical and Electrical Engineering of Anhui JianZhu University， Hefei 230601， China； 2. Anhui Communications Vocational of Technical College， Hefei 230001， China）

Abstract： In the substation of power system， the fault of the small curren about ground system of the substation distribution can not be located and monitored in time， which seriously affects the safety， reliability， customer satisfaction and the management efficiency of the enterprise power supply. It is the main task of this design to establish an equivalent circuit model and high-speed data acquisition system for the real-time detection of low data current about ground fault. This paper using STM32F103ZE， the data is used to process by AD sampling filter ， FFT operation is carried out by DSP library and MCU calculation is realized. Meanwhile， the efficiency of DSP chip in numerical operation replaced the traditional processing mode of CPU + DSP， simplified the hardware design and improved the stability， reliability and economy of the system.）

Key words： power system； substation； CPU； DSP； FFT

1 零模網(wǎng)絡(luò)等效電路法的模型建立

針對目前變電所配電網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)的故障無法及時定位監(jiān)測，嚴(yán)重影響供電的安全性、可靠性、用戶滿意度以及供電企業(yè)的管理效率。小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，會產(chǎn)生幅值比正常穩(wěn)態(tài)值大幾十倍的暫態(tài)電流，對于暫態(tài)電流的故障選線，要求靈敏度非常高。如果采用零模網(wǎng)絡(luò)等效電路法，可以排除故障線路，簡化檢測方法。零模網(wǎng)絡(luò)等效電路圖如圖1所示。在此電路模型中，在SFB頻段內(nèi)，故障線路中的故障點與健全線路的檢測點到負(fù)荷段檢測點在線檢測到的功率就是該點到負(fù)荷段的可以看作是等效電容吸收的無功功率，如圖所示故障點到母線段某檢測點檢測到的功率可以看作為健全線路等效電容吸收的無功功率。如果Q0<0，說明是故障線路中故障點到母線上某區(qū)域的檢測點；如果Q0>0，說明是健全線路和故障線路某故障點至負(fù)荷段的檢測點。本文采用這樣的等效模型方法，利用線路故障的特征可以確定故障區(qū)域段。

采用此方法，只需要在檢測點處檢測線路自身的故障暫態(tài)電壓、電流數(shù)據(jù)就可判斷故障數(shù)據(jù)，不需要檢測其他節(jié)點的信息，而且不需要額外加注別的信號。

2 檢測控制裝置的設(shè)計

配電線路故障檢測電壓采用ST公司最新推出的STM32F103ZE為CPU，傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償控制器采用普通ARM7作為CPU，速度慢，可靠性不高，本文選擇的CPU采用其自帶的DSP庫進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換）運算，DSP芯片在數(shù)值運算上的高效性，快速性，可靠性，可以精確的測量故障線路的電壓電流信號，顛覆了傳統(tǒng)的CPU+DSP的處理模式，簡化了硬件設(shè)計、提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)約了成本。

利用STM32F103ZE芯片自帶的AD轉(zhuǎn)換采樣三相電壓、三相電流等模擬信號，通過DSP自帶的快速傅里葉變換（FFT），計算出有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓畸變率和電流畸變率等參數(shù)，從而實現(xiàn)對配電線路故障的實時監(jiān)測和監(jiān)控。

方式一：當(dāng)DI母聯(lián)斷開（off），為兩個單主變獨立運行；此時，主控制器根據(jù)DI主變的（off，on）狀態(tài)決定補(bǔ)償對象（主變1或主變2），根據(jù)分別采集主變1、2 的CT和PT，計算各自的P、Q，進(jìn)行檢測控制；

方式二：當(dāng)DI母聯(lián)閉合（on），且DI主變中之一為“off”，為單一主變運行（其中一個主變投運，另一臺停運）；此時裝置僅取采集主變1或2 的CT和PT，計算負(fù)荷總P、Q；

方式三：當(dāng)DI母聯(lián)閉合（on），且DI主變均為“on”，為雙主變并列運行；此時裝置僅取采集主變1和2 的CT和PT，計算各自主變的P、Q。

3 主控電路硬件的設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要由四個部分組成：檢測、控制、執(zhí)行和電源。檢測電路對電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，并完成數(shù)據(jù)信號的A/D轉(zhuǎn)換；控制單元由STM32F103ZE芯片完成對采樣值的計算，根據(jù)數(shù)據(jù)來做出投切決策，輸出投切指令；執(zhí)行單元接收投切指令后通過與過零信號與運算，控制接觸器的投切。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 檢測電路算法的實現(xiàn)

考慮到檢測的對象為工頻（f=50Hz），頻率變化不是很快，利用CPU的高級定時器（TIM1和TIM8）來測量系統(tǒng)頻率前一周期內(nèi)過零信號間的時間值，然后根據(jù)一個周期內(nèi)采樣點數(shù)N，適時計算出每一采樣間隔計數(shù)值TS，以TS為周期進(jìn)行采樣，即可實現(xiàn)采樣頻率的適時跟蹤【1】。

對周期為T的被測信號在一個周期內(nèi)于[t0]，[t1]，…[ti]，…，[tN-1]時刻采樣N個點，令[t0]=0，如果有【3】[ΔT=N×TS-T=0]和 [Δti=ti-i×TS=0，i=0，1，...，N-1]同時成立，則稱采樣為理想同步采樣，[TS]為采樣周期。此時第[i]次采樣點的采樣時刻為[ti]=[i×T/N]。

這種軟件跟蹤技術(shù)簡稱為軟件鎖相環(huán)，實現(xiàn)過程簡單，適時性比較高，并且應(yīng)用的范圍不受限制，增加的工作量非常小。這樣可代替硬件電路倍頻技術(shù)，簡化了硬件電路設(shè)計。

采用三相功率源產(chǎn)生如圖4的F（t） 輸入波形，加直流分量，使采樣值大于零，不影響FFT對基波、諧波的計算。利用TBB模擬采樣板進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將采樣數(shù)據(jù)存入lBUFIN[NPT]作為FFT的輸入項。

F（t） = 200 + （200 * sin（pi * 10.0/180.0 + 100 * pi * t） + （200 * sin（pi * 30.0 / 180.0 + 200 * pi * t），

其中pi= 3.14159265358979。

5 仿真結(jié)果分析

下圖為IAR在J_LINK下的在線仿真結(jié)果，從圖5和圖6的比較中可以看出，誤差在5%內(nèi)，滿足配電線路故障數(shù)據(jù)檢測的要求。

利用STM32F103ZE做FFT運算，從圖形分析得到有以下優(yōu)點：

（1）、快速傅里葉變換（FFT），應(yīng)用于信號分析中，對復(fù)雜的時域信號進(jìn)行處理以得到較為清晰的頻域信號，在工程上的應(yīng)用中，有著簡單，精確，快速等特點，與控制芯片DSP相比，速度損失很小，但成本降低確極為明顯，因此在故障檢測電路對實時性要求高的情況的下將成為FFT計算的優(yōu)先選擇芯片。

（2）、STM32自帶的DSP庫屬于全相位FFT庫，一次性計算出幅值和相位角。

（3）、在傅里葉變換中要求變換的量只是整數(shù)周期，否則會降低變換后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于算法所致，快速傅里葉變換存在假頻現(xiàn)象，N組數(shù)據(jù)FFT后，對應(yīng)得出N/2個頻率量，另外N/2量實際是前面頻率量的重復(fù)。

6 結(jié)語

本文建立小電流線路故障硬件模型裝置，主從系統(tǒng)是由DSP與MCU組成的，能夠很好地解決了裝置對數(shù)據(jù)的處理能力以及智能控制的要求。本設(shè)計采用STM32庫進(jìn)行FFT運算，實現(xiàn)了跟蹤測量輸入信號的頻率。根據(jù)實際頻率計算采樣周期的算法，在不增加硬件投資的條件下解決了同步采樣的問題，MCU實現(xiàn)故障方向的實時檢測和計算。與傳統(tǒng)的DSP相比，實時性強(qiáng)，數(shù)據(jù)檢測準(zhǔn)確，性價比高，所以此種方法用在配電線路小電流檢測系統(tǒng)值得推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張慧芬，潘貞存，桑在中.基于注入法的小電流接地系統(tǒng)故障定位新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2004（8）.

[2] 季濤，薛永端，孫同景，等.配電線路行波故障測距初探[J].電力系統(tǒng)自動化，2015（8）.

[3] 王篤亭. 基于DSP的FFT算法在無功補(bǔ)償控制器上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（12）.

[4] 王易平. 基于GTO的靜止無功補(bǔ)償裝置研究[J]. 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010（2）.

[5] 吳仕宏. 智能低壓無功補(bǔ)償算法及控制策略的研究[C]. 紀(jì)念中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會成立30周年暨中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會（CSAE 2009）論文集，2009.

[6] 許建安. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].中國水利水電出版社，2012.

[7] TI：TMS320F/C24x DSP Controllers CPU and Instruction Set[M].2011.

[8] Andrew Bateman，Lain Paterson-Stephens [M]. The DSP Handbook Algorithms，Application and design techniques.Person Education，2013.