基于CC430單片機(jī)的故障指示器設(shè)計研究

摘 要： 介紹了基于CC430單片機(jī)系統(tǒng)的故障指示器設(shè)計方案，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，查找故障點(diǎn)費(fèi)時費(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)計方法。前兩者為采用不同檢測方法的傳統(tǒng)設(shè)計方案，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，該相的電流隨時間變化， 如圖1所示。

圖1中，在t0時刻發(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)過一段時間(t1-t0)后，過流(速斷)保護(hù)動作，因保護(hù)跳閘電流在t1時刻降為0。如果該饋線裝置帶重合閘，則通過時間(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，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，變電站保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，此時導(dǎo)線中的電流I=0 A。
(3) 從發(fā)生故障時開始，到變電站保護(hù)動作，線路停電，這段時間為突變電流時間。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)以上條件同時滿足時，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)實際實驗分析，選用的判據(jù)條件如下：
(1)當(dāng)線路發(fā)生單相接地時，故障點(diǎn)流過的接地電流大小等于電網(wǎng)正常運(yùn)行時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)接地時間。一般廠家規(guī)定連續(xù)接地時間?駐T>0.5 s。
(3)單相接地時會產(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)計使用CC430f5137型號單片機(jī)，此款單片機(jī)具有48個引腳、12 bit ADC、32 KB+512 B的Flash存儲器以及2 KB RAM；同時具有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,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