肖振锋，袁荣湘，邓翔天，刘晓蕾

（1.武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉430072；2.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072）

0 引言

智能电网是改变未来电力系统的电网发展模式。随着信息通信与计算机技术的不断进步与发展，只有具备更可靠、更安全、更智能化的智能故障监测装置才能持续提升智能电网的统筹性与先进性。当前的主流电力线路监控是采用基础型通信设施（如GPRS、Internet等）的远程监控装置，并利用微控器来进行数据流交换与传输，达到监控信息的目的。此类电力线路监控器比较适用于已经存在大量基础通信设施的地点，由于GPRS装置的大量存在可能导致传输费的提升，实践中发现该器件成本较高，通信方式不够灵活，不适合未覆盖公共网络但监控任务繁重的地区［1］。

在中低压配电系统中，电力线路通常数量多、分支多，而且运行方式相对较复杂，导致故障频繁发生。不仅如此，当电力线路发生故障后，故障点的排查非常费力费时，线路的维护工作量巨大。本文所提基于MSP430F169和多种通信方式的智能故障监测器不仅集电网监测、遥测、遥控、报警等功能于一体，而且在故障快速准确定位方面对提高供电可靠性和提升经济效益具有非常好的实践意义。

本文介绍的电力线路智能故障检测器以MSP-430F169微处理器为核心，利用ZigBee无线通信技术与GPRS通信技术的结合实现了更为广域、灵活、智能的远程监控需求，并在电源部分采用了太阳能电池板取能与常规电力线路取能相结合的方式。故障监测电路为增强电磁兼容性（EMC）防护能力，采用了合理的电路整体布局，其中线路敏感器件附加了静电释放（ESD）芯片进行保护，并针对浪涌电压添加了瞬态电压抑制二极管（TVS）等器件来保护电路，整个系统具有结构紧凑、安全性高、抗干扰能力强、故障定位准确等特点，能实时监测电网线路，检测多种线路故障，灵活迅速地实施报警，准确提供故障地点。

1 故障监测器硬件设计

本文介绍的智能故障监测器主要由1个主监测器和2个附属监测器构成，原理图如图1所示。在实际电网线路试验中是将3个监测器分别并列悬挂在同一线路的不同三相下进行调试运行。为了增强监测器的抗干扰性与通信方式的多样性，智能故障监测器的通信方式不同于常规线路监测器，而是采用了GPRS通信方式与ZigBee通信方式相结合的硬件设计方案。其中，主监测器配置GPRS模块和ZigBee模块，附属监测器则配置ZigBee模块，这样主监测器就能通过GSM信息传递方式与电网监控中心进行有效、直接的通信，同时附属的ZigBee模块在有限的短距离通信中也与主监测器和其他附属监测器进行迅速准确的通信。主监测器还能综合分析处理各相电能参数以及故障信息，使电网监控中心有可能更早地发现故障，解决问题。整个硬件系统由核心处理器 MSP430F169、GPRS通信模块、ZigBee通信接口模块、电源模块和声光报警模块等组成。

图1 智能监测器原理框图Fig.1 Schematic diagram of intelligent monitor

1.1 电源模块

为了给信号调理模块、核心处理器MSP430F169、ZigBee模块、GPRS模块进行有效且长期持续的供电，智能故障监测器采用了以闭式可开口互感器供电为主要供能方式、太阳能供电作为辅助供能方式的策略。互感器供电即是通过特制的互感器利用电磁感应效应从线路中获取电能对设备供电［2］，其中，线路互感器采用穿心开启式互感器，非常适合10 kV以下的电力线路，不仅能提供5 A直流电流与5 V直流电压，还能在连接好的电力线路上便捷拆装，具有防雷、防潮、性能稳定等优点。太阳能供电方式则是采用太阳能电池板利用光电效应将太阳能直接转换为电能对设备供电。具体原理框图如图2所示。

图2 电源模块原理框图Fig.2 Schematic diagram of power supply module

由于线路故障时很可能导致主供电方式的瘫痪，因此故障监测器还设计了掉电检测电路。当线路故障、主供电方式无法正常运行时，掉电检测电路控制切换开关迅速地闭合，利用太阳能与锂电池相结合的方式对DC/DC模块进行持续有效供电，而当线路故障检修完毕并恢复正常时再控制切换开关断开，使用电磁感应方式进行供电。过电压保护电路是针对线路出现大电流的突发情况，保证DC/DC模块输入电压一直稳定在其正常工作电压范围内。智能故障监测器的防雷保护电路则是为了应对线路出现雷击或者短路大电流的情况，保护后续电路不受损害，即在电路并接多个TVS，进而达到限制冲击电压的目的。为使电源整体电路具有很好的EMC抗干扰能力，将模拟信号部分、高速数字电路部分以及噪声源DC/DC电源合理灵活地分开，使相互间的信号耦合达到最小。

由于线路取能方式与太阳能取能方式所得到的电压并不一定是系统所需要的恒定直流电压与电流，因此智能故障监测器还采用了转换率较高的DC/DC芯片MAX1951，其能输出高达2 A的电流，也能够由2.6～5.5 V的输入电压产生0.8 V至输入电压的输出电压，非常适合对MSP430F169、SIM300、ZigBee进行供电。

1.2 MSP430F169核心处理器

智能故障监测器采用的核心处理器为美国德州仪器（TI）公司生产的高集成度单芯片系统（SOC）中的MSP430F169芯片，其主要特点如下。

a.低功耗。电压范围为1.8～3.6 V低电压，RAM数据保持方式仅耗电0.1 μA，活动模式下耗电250 μA/MIPS（每秒百万条指令数），I/O输入端口漏电流最大为50 nA。

b.强大的处理能力。MSP430系列单片机采用流行的精简指令集（RISC）结构，一个时钟周期能执行一条指令，8 MHz晶振工作时指令速度能达到8 MIPS。

c.丰富的片上外围模块。MSP430系列单片机结合了TI公司的高性能模拟技术，均集成了丰富的片内外设，具体到MSP430F169单片机有如下功能模块：看门狗（WDT）、模拟比较器 A、定时器 A（Timer A）、定时器 B（Timer B）、通用连续同步/非同步通信接口 0 和 1（USART0，USART1）、硬件乘法器、液晶驱动器、12位ADC、基本定时器等。

d.系统稳定性高。MSP430系列单片机均为工业级器件，运行温度为-40～+85℃，运行稳定、可靠性高，能完全满足民用和工业环境应用。

e.方便高效的开发环境。MSP430系列单片机内部包含联合测试行动小组（JTAG）调试接口和可电擦写的FLASH存储器，可通过JTAG接口下载程序到FLASH内，再由JTAG接口控制程序运行，读取片内CPU状态、存储器内容等信息供设计者调试，整个开发（编译、调试）可在同一个软件集成环境中进行［5］。

为使核心处理器更稳定，并具备一定存储能力，智能故障监测器还配置了带4 KByte的具备串行外设接口（SPI）特性的EEPROM的CPU监控器X5043，其将上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和串行EEPROM存储器集成在一个封装之内，这不仅降低了成本，还提高了系统工作的可靠性，使电源和振荡器能更稳定地工作。为了实现MSP430F169与上位机的通信，系统配置了较为廉价的低电压ISL83485芯片来进行RS-485/RS-422通信，具备最高2.5Mbit/s的传输速率［6］。

1.3 无线通信模块

智能故障监测器的无线通信模块采用GPRS通信模块与ZigBee通信模块相结合的方式。主监测模块上配置有GPRS通信模块与ZigBee模块，附属监测模块上则只配置ZigBee模块，这样每个监测器不仅能在一定的距离内进行有效的通信，而且当线路出现故障时，附属监测器就能及时将信息发给主监测器，主监测器经过一定的信息处理后立即触发报警机制并由GSM通信将线路故障信息迅速地传递给供电监控部门［7］。因此合理地配置多种通信模块，实现智能组网，不仅不影响通信速度以及通信质量，反而大幅降低了设计成本并增强了硬件电路的功能可靠性。

1.3.1 GPRS通信模块

GPRS通信模块主要是为了实现主监测模块与供电监控部门之间的通信，并可与先进的地理信息系统（GIS）共同进行故障定位。本文选用SIMCOM公司生产的SIM300芯片，支持GSM与GPRS双模式无线通信模块，具备语音、数据传输、短信息、传真业务的通信功能，拥有4种语音编码方式（FR/EFR/HR/ES）和 4 种数据传输模式（CS-1、CS-2、CS-3、CS-4），并能工作在EGSM900、DCS1800、PCS1900这3种频率段。SIM300凭借其体积小、重量轻、价格低廉、接口简单、使用方便等特点，广泛应用于智能远程监控、野外数据采集等领域中［8］。选择SIM300的主要原因是其集成了TCP/IP协议栈，有利于产品开发，且其功能强大、性能稳定、可靠性好。本文中的GPRS通信模块主要是为了实现各个主监测模块与供电监控中心进行迅速而有效的通信。

在实际设计中，SIM300芯片采用全串口方式与核心处理器MSP430F169进行数据通信，连接电路时要注意发送数据（TXD）与接收数据（RXD）方向的正确性，原理图也应标明正确的I/O口方向。GPRS通信模块的电源接入也做了特殊处理，不仅提供了2 A以上的电流，还在电源管脚上并行放置了1个100μF的低ESR钽电容和1个10 μF的瓷片电容，很好地降低了电源的干扰从而避免模块故障的频发。针对敏感性器件的EMC防护，手机SIM卡与人相接触后会产生一定的静电干扰，GPRS通信模块还额外加入了价格低廉、防护能力高的瞬态过电压保护芯片ESD6V1W5［9］，使通信模块的EMC防护能力达到一个较好的水平。在电路板布局中发现，ESD6V1W5应尽量靠近SIM300，最小化所有的导电回路，以达到较高的保护水准。模块还配置了LED灯作为网络状态指示灯，由SIM300的NETLED引脚驱动。

1.3.2 ZigBee通信模块

ZigBee通信模块是为了完成主监测模块与附属模块的通信以及附属模块与附属模块之间的通信而进行配置的。本文选用的是DIGI公司生产的XBee模块，是一款超小型但功能完善的ZigBee收发器（即接收器/发射器）。XBee模块体积小、功耗低，室外传输距离最大能达到1.5 km，接口简单、易于使用，并具备在工业环境中防水、防雷、防冲击的性能［10］，非常适用于智能家居、远程控制、无线抄表、无线监测等诸多领域。XBee模块与蓝牙模块相比，在电池寿命、单点覆盖距离、安全性与使用难易度上都具有非常大的优势，文中采用XBee模块主要是完成电力线路中各个故障监测器1.5 km范围之内的远程数据通信。XBee模块通过UART接口直接与MSP430F169控制器相连，DI引脚作为UART的信号输入与微控器的TXD相连，DO引脚作为UART数据输出与微控器的RXD相连。XBee是半双工器件，因此还需连接RTS（请求发送）与CTS（清除发送）引脚，即设置发送数据时不接收数据，接收数据时不发送数据。在实践中，为了避免模块无法迅速处理接收的缓冲数据，可利用CTS引脚来避免发送接收缓冲溢出的问题［11］。需要注意的是，XBee模块的电源电压必须经电容退耦合，并尽量靠近电源的引脚。Xbee模块的通信原理框图如图3所示。

图3 XBee模块通信原理框图Fig.3 Schematic diagram of XBee communication module

1.3.3 故障定位技术

故障监测器的探头分别安装在各线路分支部分的分支线上，通过取能线圈取能或太阳能取电方式获得工作电源后，采用测量线圈监测线路电流，当电力线路出现短路或者接地故障发生时，故障监测器就能迅速地检测到短路故障电流或者特定的信号电流，此时，主监测模块就能通过无线自组网技术获得相邻线路的故障电流信息。调度中心或相关检修部门在接收到主监测模块的报警后，采用自动定位分析软件根据各通信节点上报的故障监测信息，利用相应的故障定位算法就能定位出故障所在区段。

故障监测器还配置了特殊的、高亮度LED来进行故障线路的现场报警与提示，能在电力线路发生故障时闪烁强烈的红光。实验证明，故障监测器在夜晚能在约240 m的范围内被裸眼准确观测到。

2 故障监测器软件设计

针对MSP430微控器，本文采用了IAR System公司的C编译器IAR Embedded Workbench for MSP430 v4.11B。IAR嵌入式工作平台给多样化的MSP430目标处理器提供了强有力的开发环境，具备简单实用的文本编辑器以及带有MSP430特性的编译器、汇编器、连接器和调试器［13］。

本文介绍的故障监测器采取的软件设计流程图如图4所示。总体思路如下：程序开始运行，首先初始化MSP430微控器（包含数据采集模块的初始化设置）、GPRS模块、ZigBee模块；完成初始化后，考虑到节能以及功耗问题，系统进入LPM3低功耗模式，数据采集模块开始周期性地对线路电流信号进行实时迅速的采样；当监测到故障信号时，立即唤醒CPU，使微控器进入正常工作状态，利用故障分析子程序对采集的故障信号进行分析与处理，再将分析结果传递给主监测模块，然后主监测模块根据故障综合分析程序，综合判断各相故障，初步得出线路故障类型［14］。此时，各监测模块立刻采取声光报警模式，同时主监测模块迅速地将故障相关信息及分析结果发给供电监测中心，当监测模块接收到供电监测中心的回复后自动检测线路的电源供给方式。如果线路没有停电事故，则立即清除标志位并重新开始进行数据采样，等待可能发生的新的故障；如果线路发生停电事故，则接通太阳能电源与电池进行循环供电，当监测到线路恢复正常用电时，切断太阳能，利用线路上的电能进行供电［15］。

图4 系统软件流程图Fig.4 Flowchart of system software

3 故障监测原理

本文介绍的故障监测器主要从短路故障与单相接地故障两方面进行检测。电力系统的短路故障指的是能引起电流急剧增大、电压大幅下降，进而导致电气设备损坏的相与相或相与地之间的短接。当线路发生短路故障时，一般会出现较大的电流突变或者线路停电事故，智能故障监测器很容易识别与判断此种短路故障。文中介绍的故障监测器采用了过电流法来识别与监测电力线路短路故障，即当检测电流超过预先整定的某个数值时，故障监测器迅速在线路现场报警并远程传送故障信号与故障信息。

然而配电线路所发生的故障中绝大部分是单相接地故障。由于单相接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，不影响电力系统正常工作，这样能够提高供电的持续性和可靠性。但是小电流接地系统运行方式多样，线路结构多变，故障情况复杂，单相接地故障电流仅为线路对地电容电流或消弧线圈补偿后的残流，数值非常小，故障特征不明显，因而故障点查找起来非常复杂。文中主要采用的是零序电流检测法，即是利用线路零序电流的幅值及相位特征来进行电力线路故障区的监测。监测原理为：中性点不接地系统发生永久性单相接地故障时，非接地线路的零序电流等于该线路三相对地电容电流的相量和，方向从母线流向线路；而接地线路的零序电流等于所有非故障线路零序电流的相量和，方向从线路流向母线。这样，故障监测器就能利用零序电流的方向和幅值的变化来对故障线路进行监测［16］。

零序电流检测法理论上是可行的，但是一般零序电流互感器精度低。当一次侧零序电流在5 A以下时，变比误差可达10%以上，角误差达20°以上。当一次零序电流小于1 A时，二次侧基本无电流输出，无法保证接地检测的准确度。为此，所设计的监测器采用了5次谐波法。采用中性点经消弧线圈接地，当发生单相接地故障时，由于零序阻抗趋于无穷大，3次与3次整倍数的谐波很难通过，所以接地电流中基本不包含3次与3次整倍数的高次谐波，这样在发生单相故障时5次谐波分量就比较明显，此时对线路电流进行5次谐波采样，就能判断出线路发生接地故障。

4 结语

本文介绍的智能远程故障监测器采用了当今主流的功能较强大的MSP430F169微处理器，经由一些低廉高效的外围电路相连接后，能很好地采集与处理实时线路信息，通过监测电力线路的电流变化来识别线路故障，并采用先进的无线自组网技术来进行故障自动定位；电源采用多种供电方式在不同场合交替使用的设计方案，提高了系统稳定性与可靠性；各通信模块之间利用通信效率高且非常安全的ZigBee通信传递方式，其中的主模块与供电监控中心采用GPRS通信。经初步试验后，智能远程故障监测器能达到设计要求。