配电网单相接地故障处理，单相接地短路故障录波
chanong
|福州大学电气工程与自动化学院陈思敏、邱南翔研究员在《电气技术》杂志2018年第8期发表了介绍分布式配电网接地故障录波系统配置及软硬件设计的文章。写的。设备方法和实现。接地故障录波装置设计为电压型和电流型故障录波装置，可记录母线三相电压和零序电压，馈线三相电流和零序电流线，分别。
介绍了嵌入式模块设计方法、故障录波启动、故障数据采集与存储、GPRS通信等关键技术来实现接地故障录波功能。装置分布在10kV母线柜和各馈线出线柜内。电压和电流信号被采集并存储在本地。每条馈线上的电流故障录波装置通过RS485进行通信，并与母线上的电压故障录波装置进行交互。故障录波装置与主站通讯，现场接线方便、可靠。
随着配电网电路结构日益复杂，对主站故障信息采集能力的需求越来越大[1]。故障记录装置因其可以记录故障过程的完整信息而得到广泛应用。近年来，关于故障记录装置的相关研究也积极开展，文献[2]设计了一种依靠前端机数据采集、中间层数据传输、后端的集中式故障记录装置。集中管理和分析数据的机器。
文献[3]设计了一种基于高性能集成芯片的故障记录装置。这消除了对不间断后台机器的需求，并且比传统波形记录仪提供了更高的可靠性和灵活性。文献[4]介绍了一系列特高压电网故障录波系统，其设备联网运行，易于检测。现有文献中，对波形记录装置的系统配置、硬件配置、波形记录效率和可靠性等方面不断进行研究和改进[5-7]。
随着计算机硬件的不断发展，故障录波装置的存储容量、采样精度、采样速度、通信性能等方面仍有改进的空间。据运行统计，配电网发生单相接地故障的概率最高，约占所有故障的80%，且故障特征不明确，给输电线路选型带来困难[8-10] 。因此，通过开发一系列适用于配电网、反映单相接地故障的波形记录装置，可以有效提高供电的可靠性[11-12]。
日立开发了用于分布式配电网的单相接地故障录波装置，该装置具有高采样率、大数据存储容量以及能够轻松适应配电网现场设备状况的通信方式。为了适应配电网现场通信情况的不确定性，故障录波装置与上位机采用GPRS通信方式进行通信，并预留了以太网通信接口。故障录波装置开放性高，采用分布式安装方式，功能升级方便。与集中式故障记录仪相比，这种安装方法节省了二次电缆，并且更可靠，因为一条馈线上的记录仪故障不会影响其他设备。
1 系统配置
单相接地故障录波系统由10kV配电网、单相接地故障录波装置、通信模块和上位机组成。其中，单相接地故障录波装置分为电压型和电流型，两者之间采用RS485通信方式传输数据[16]。
在10kV母线板安装电压故障记录仪，从变压器低压侧星形绕组测量三相电压，从开角三角形绕组测量零序电压，安装电流。每个出线柜内安装分析仪式故障录波装置，测量电流互感器低压绕组的三相电流和零序电流。电压型故障录波装置通过GPRS通讯将各装置采集的数据集中上传至上位机。图1所示为单相接地故障录波系统的配置图。
图1 单相接地故障波形记录系统配置图
2 单相接地故障录波装置硬件设计
2.1 硬件模块设计
单相接地故障录波装置通过PCB的模块化设计，实现单相接地故障启动及故障数据采集、存储和上传。基于电压的故障录波装置由电压采集板、电压CPU板、通信板、主板四个模块组成，设计框图如图2(a)所示，实际效果图如图3所示。电流型故障录波装置由电流采集板、电流CPU板、主板三个模块组成，设计框图如图2(b)所示，实际效果图如图4所示。
图2 单相接地故障波形记录装置设计框图
图3 实际电压故障录波装置示意图
图4 当前故障记录装置实景图
采集板用于采集电网的电压和电流，采集转换后的电量通过滤波电路输入到CPU板上的采样芯片。 CPU板是波形记录仪的控制核心，用于发出故障发起和识别、故障数据存储和上传等重要指令。通信板是模块设计的重要组成部分，通信板上的MCU控制设备之间以及设备与上位机之间的通信。
CPU板与通讯板之间的数据传输通过RS485通讯方式完成，通讯板上的GPRS通讯模块与上位机进行通讯。主板上设计有电气路径，采集板、CPU板、通信板通过硬接线端子与主板连接，提供板与板之间的电路连接。
2.2 采集板和CPU板设计
电压采集板采用变比为200V/3.53V、型号为TR1101-4G的变压器采集母线的三相和零相电压。电流采集板采用变比为100A/3.53V的三相电流互感器，型号TR0101-4G，以及变比为40A/3.53V的零相电流互感器，型号TR01153。 -2G用于集中馈线，分别为三相电流和零相电流。
CPU板的硬件设计包括MCU、采样芯片、电源模块、晶振电路、复位电路、拨码开关、断电保持电路、状态显示电路、JLINK调试接口、外部存储器、RS485通信模块。图5所示为CPU板的硬件设计框图。
图5 CPU板硬件设计框图
电源模块将220V交流电转换为3.3V、5V、2.5V供电给MCU和采样芯片。外部晶振源为8MHz。复位电路采用IMP706芯片，RST端实现复位，WDI端实现硬件看门狗。拨码开关的不同拨码状态以二进制值表示，用于给波形记录设备分配不同的地址标识。
掉电保持电路中使用3.6V纽扣电池作为MCU的备用电源。状态显示电路包括上电、故障启动、数据采集、数据通信四种状态，JLINK调试接口用于对MCU进行程序编程和调试。外部存储器为SST26VF032B，用于存储母线电压和馈线电流数据，具有4线SPI接口、非易失性功耗、高可擦除性的优点，弥补了数据存储空间有限的缺点。它位于MCU 芯片上。
故障录波装置利用环形缓冲区的原理将数据存储在外部存储器中，通过移动读指针和写指针来实现电压和电流数据的读写。 MCU采用32位微控制器STM32F407，采样芯片采用14位分辨率的AD7607。 MCU基于SPI通信，通过片选、地址线、时钟线、数据线与采样芯片进行通信。采样芯片内置8个采样通道，其中4个用于采集电压，其余4个用于采集电流，采样率为200ksps。
单相接地故障录波装置采集的电量从采样芯片的V1V8端子输入，从DOUTB端子输出。采样芯片的片选引脚CS使能串行输出数据帧，串行时钟输入引脚SCLK连接到MCU引脚SPI1_SCK。过采样模式引脚OS[2:0]的组合状态设置为000，最大采样率为200ksps。将MCU 端子PC4 与CONVST A 和CONVST B 短接，以控制同步采样的启动。
采样芯片输出忙引脚BUSY 连接到MCU 的FSMC_D6，当CONVST A 和CONVST B 都达到上升沿时变为逻辑高电平，启动转换过程并保持输出高电平。一旦转换过程完成，BUSY 就会产生一个下降沿，并且可以读取转换数据。 AD7607的采样频率为10kHz，一个周期采集200个点，采样精度高。
故障发生后，波形记录装置记录故障前1个周期和故障后4个周期的数据，总共采集1000个单个电量。图6为MCU与采样芯片之间的电路连接图。
图6 MCU与采样芯片电路连接示意图
2.3 通讯板设计（略）
通信板的硬件设计与CPU板基本相同，但增加了GPRS通信模块。我们将详细介绍RS485通信模块和GPRS通信模块。
3 故障录波装置软件设计
3.1 故障启动及波形记录（略）
图9 单相接地故障录波装置程序流程图
3.2 通信协议设计
RS485通信模块采用串行Modbus通信协议[19]，GPRS通信模块采用TCP/IP Modbus通信协议。
1）RS485通信采用“信息帧”的形式，每帧为1字节，由基于1个起始位、8个数据位和1个停止位的异步串行通信组成。 “信息帧”的格式如表1所示，包括地址字段、功能码字段、数据字段和校验字段。地址字段为BCD码格式，用于从机确认其地址与报文地址字段匹配时响应报文，功能码字段用于具体指令，如链路测试、在线确认、等表示通讯内容。时间同步和数据上传；数据字段高位在前，低位在后。不处理异常响应。
表1 RS485“信息帧”格式
2) GPRS通讯模块打开通讯接口。当发生单相接地故障时，电压故障录波装置主动向上位机请求连接，通信模块定期发送链路测试和同步报文并等待报文接收和分析，检测故障电压并获取电流数据。表2为GPRS通信模块的功能码。
表2 GPRS通讯模块功能码
3.3 RS485通讯程序设计
RS485通讯总线是机器对机器的通讯。图10为RS485通讯程序流程图。正常情况下，通信模式初始化为接收等待状态。主机在RS485通信总线上发起通信，依次向从机发送消息，等待从机的响应消息。如果从机的地址与消息中的地址匹配，则从机响应该消息。响应后，从RS485模块进入发送状态，将数据存储在RS485_TX_BUF缓冲区中，并使用循环功能发送数据。
当缓冲区中的数据长度变为0时，MCU完成数据上传，将发送标志位设置为1，并返回等待状态。当RS485通信总线接收到数据时，主机进入中断处理函数，将数据存储到RS485_RX_BUF缓冲区中，延时10ms后判断数据接收完成，完成数据接收。
图10 RS485通讯程序流程图
4 实验结果（略）
结论本文设计了一种用于中压配电网、分布式安装在配电盘内的单相接地故障波形记录仪，并介绍了其系统架构和硬件模块设计。方法、PCB板的具体电路连接方法、故障激活和波形记录流程以及相关的通信协议。
馈线上的电流型故障录波装置通过RS485通信将故障电流数据上传至安装在母线上的电压型故障录波装置，后者通过GPRS通信将故障电压和电流数据发送至上位设备。构成完整的单相接地故障录波系统。
该故障录波装置在实验室配电网物理模拟系统中通过了以A相接地故障为例的功能测试，响应速度快、性能稳定、存储容量优良、采样精度高、具有采样功能。速度。沟通绩效和实现预期目标。该分布式配电网单相接地故障波形记录装置可进一步与上位机波形分析处理技术相结合，实现单相接地故障选线。