分布式配电网单相接地故障录波装置研制
福州大学电气工程与自动化学院的研究人员陈思敏、邱南翔等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文，介绍了一种分布式配电网接地故障录波装置的系统构成及软硬件设计方法与实现。接地故障录波装置设计为电压型和电流型故障录波装置，可分别实现对母线三相电压和零序电压以及馈线三相电流和零序电流的接地故障录波。
文中介绍了接地故障录波功能实现过程中的关键技术，如嵌入式模块化设计方法、故障录波的起动、故障数据采集及存储、GPRS通信等。装置分散安装于10kV母线柜和各馈线出线柜中，电压电流信号就地采集存储，各馈线的电流型故障录波装置通过RS485通信，与母线的电压型故障录波装置交互数据，再由电压型故障录波装置与主站通信，现场接线简单，可靠性高。
由于配电网线路结构日益复杂，主站对于故障信息的采集能力提出了更高要求[1]。故障录波装置因能够记录故障过程的完整信息而得到广泛应用。近年来，故障录波装置的相关研究一直在深入进行，文献[2]设计了一种集中式故障录波装置，依靠前置机采集数据，中间层传输数据，后台机集中管理分析数据。
文献[3]设计了一套基于高性能集成芯片的故障录波装置，并免去不间断运行的后台机，可靠性、灵活性较传统录波器高。文献[4]介绍了一套超（特）高压电网故障录波系统，系统的装置组网运行且便于检测。已有文献就录波装置的系统构成、硬件配置、录波效率与可靠性等方面不断进行研究和改进[5-7]。
随着计算机硬件水平的不断发展，故障录波装置在存储容量、采样精度、采样速度与通信性能上仍具提升空间。运行统计表明，配电网中发生单相接地故障的概率最高，约占总故障的80%，且故障特征不明显，选线困难[8-10]。因此，研究出一套适用于配电网，并反映单相接地故障的录波装置能有效提高供电可靠性[11-12]。
本文研制了一种分布式配电网单相接地故障录波装置，采样速率高，数据存储容量大，通信方式易于满足配电网现场的设施条件。为适应配电网现场通信条件的不确定性，故障录波装置采用GPRS通信方式与上位机通信，并预留有以太网通信接口。故障录波装置采用分布式安装方式，开放性强，易实现功能升级。相较于集中式故障录波装置，这种安装方式节省了二次电缆，且单条馈线上录波装置的故障不会波及其他装置，可靠性高。
1 系统构成
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、通信模块以及上位机构成。其中单相接地故障录波装置分为电压型和电流型，二者之间以RS485通信方式传输数据[16]。
在10kV母线柜中安装一台电压型故障录波装置，从电压互感器低压侧星形绕组处测取三相电压，开口三角形绕组处测取零序电压；在各出线柜中安装一台电流型故障录波装置，从电流互感器低压侧绕组测取三相、零序电流。电压型故障录波装置通过GPRS通信方式，集中上传各装置所采集到的数据至上位机。单相接地故障录波系统构成图如图1所示。
图1 单相接地故障录波系统构成图
2 单相接地故障录波装置的硬件设计
2.1 硬件模块化设计
单相接地故障录波装置通过PCB的模块化设计，实现单相接地故障起动以及故障数据的采集、存储与上传。电压型故障录波装置设计为电压采集板、电压CPU板、通信板和母板4个模块，设计框图如图2（a）所示，实物图如图3所示。电流型故障录波装置设计为电流采集板、电流CPU板和母板3个模块，设计框图如图2（b）所示，实物图如图4所示。
图2 单相接地故障录波装置设计框图
图3 电压型故障录波装置实物图
图4 电流型故障录波装置实物图
采集板用于配电网电压量、电流量的采集，采集变换后的电气量经滤波电路输入CPU板上的采样芯片。CPU板是录波装置的控制核心，用于下发故障起动与判别、故障数据存储与上传等关键指令。通信板是模块化设计中的关键部分，通信板上的MCU调控装置间以及装置与上位机间的通信。
CPU板与通信板间经RS485通信方式传输数据，并由通信板上的GPRS通信模块与上位机进行数据交互。母板上设计有电通路，采集板、CPU板与通信板通过哈丁端子插于母板上实现板间电路连通。
2.2 采集板与CPU板设计
电压采集板采用变比为200V/3.53V、型号为TR1101-4G的电压互感器，用于采集母线三相电压、零序电压。电流采集板采用变比为100A/3.53V、型号为TR0101-4G的三相电流互感器与变比为40A/ 3.53V、型号为TR01153-2G的零序电流互感器，分别用于采集馈线上的三相电流与零序电流。
CPU板硬件设计包含MCU、采样芯片、电源模块、晶振电路、复位电路、拨码开关、掉电保持电路、状态指示电路、JLINK调试接口、外部存储器与RS485通信模块。CPU板硬件设计框图如图5所示。
图5 CPU板硬件设计框图
电源模块将220V的交流电源转换为3.3V、5V和2.5V，供给MCU以及采样芯片。外部晶振源选用8MHz。复位电路选用芯片IMP706，由引脚RST实现复位，引脚WDI实现硬件看门狗。以拨码开关的不同拨码状态表示为二进制数值，用于给录波装置赋不同的地址标识。
掉电保持电路中以3.6V纽扣电池作为MCU的备用电源。状态指示电路包括电源接通、故障起动、数据采集与数据通信4种状态；JLINK调试接口用于MCU的程序烧写与调试。外部存储器选用SST26VF032B，用于存储母线电压、馈线电流数据，具有四线SPI接口、非易失电、擦除能力高等优点，弥补了MCU片内数据存储空间有限的缺陷。
故障录波装置利用环形缓冲区的原理将数据存入外部存储器，通过移动读指针和写指针实现电压、电流数据的读取和写入。MCU选用32位单片机STM32F407，采样芯片选用14位分辨率的AD7607。MCU基于SPI通信，通过片选、地址线、时钟线和数据线与采样芯片进行数据交互。采样芯片内置8路采样通道，其中4路用于采集电压量，另4路用于采集电流量，采样速度达200ksps。
单相接地故障录波装置采集到的电气量从采样芯片的引脚V1—V8输入，引脚DOUTB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与MCU的引脚SPI1_SCK相连。过采样模式引脚OS[2:0]组合状态设为000，采用最大采样速度200ksps。MCU的引脚PC4与CONVST A、CONVST B短接，控制同步采样开始。
采样芯片输出繁忙引脚BUSY与MCU的FSMC_D6相连，当CONVST A和CONVST B均达到上升沿后变为逻辑高电平，转换过程开始，并保持输出高电平。当转换过程结束后，BUSY产生下降沿，转换数据可供读取。AD7607采样频率为10kHz，一个周波采集200个点，采样精度高。
故障发生后，录波装置记录故障发生前一个周波的数据以及故障发生后4个周波的数据，单个电气量共采集1000个点。MCU与采样芯片的电路连接示意图如图6所示。
图6 MCU与采样芯片电路连接示意图
2.3 通信板设计（略）
通信板的硬件设计与CPU板基本一致，但增设了GPRS通信模块。以下具体介绍RS485通信模块与GPRS通信模块。
3 故障录波装置的软件设计
3.1 故障起动与录波（略）
图9 单相接地故障录波装置程序流程图
3.2 通信规约设计
RS485通信模块采用串口型Modbus通信协议[19]，GPRS通信模块采用TCP/IP型的Modbus通信协议。
1）RS485通信以“信息帧”方式发生，每帧一字节，并按照1位起始位，8位数据，1位停止位构成异步串行通信。“信息帧”的格式见表1，包括地址域、功能码域、数据域、校验域。地址域为BCD码格式，用于从机校验自身地址与报文地址域相符时响应报文；功能码域指示了具体的通信内容，包括链路测试、在线确认、对时和上传数据；数据域高位在前，低位在后。对于异常响应不予处理。
表1 RS485的“信息帧”格式
2）GPRS通信模块打开通信接口。当单相接地故障发生后，电压型故障录波装置主动向上位机请求连接，通信模块定时发送链路测试、对时报文，等待接收并解析报文，获取故障电压、电流数据。GPRS通信模块的功能码见表2。
表2 GPRS通信模块的功能码
3.3 RS485通信程序设计
RS485通信总线上为一机对多机的通信。RS485通信程序流程图如图10所示。常态下通信模式初始化为等待接收状态。主机在RS485通信总线上发起通信，并依次传送报文给从机，等待从机的应答报文。当从机的地址与报文中的地址相符时，从机响应报文。响应后，从机的RS485模块设为发送状态，将数据存放至RS485_TX_BUF缓存区，数据利用循环函数发出。
当MCU读取该缓存区数据长度为0时，完成数据上传，置发送标志位为1，并重新更改为等待接收状态。RS485通信总线接收到数据后，主机进入中断处理函数，将数据存放至RS485_RX_ BUF缓存区里，经10ms延时判断数据接收完毕，完成数据接收。
图10 RS485通信程序流程图
4 实验结果（略）
本文针对单相接地故障，设计了一套应用于中压配电网，且分散安装于开关柜中的单相接地故障录波装置，详细介绍了录波装置的系统构架、硬件模块化设计方法、PCB板的具体电路连接方法、故障起动与录波过程以及相关的通信规约等。
馈线上的电流型故障录波装置通过RS485通信方式将故障的电流数据上传给安装在母线上的电压型故障录波装置，后者通过GPRS通信方式将故障的电压、电流数据一并发送给上位机，构成了完整的单相接地故障录波系统。
本套故障录波装置在实验室配电网物理仿真系统中以A相接地故障为例，通过了功能测试，反应速度快，性能稳定，且存储容量、采样精度、采样速度与通信性能都达到预期目标。可将本套分布式配电网单相接地故障录波装置进一步结合上位机波形分析处理技术，实现单相接地故障选线。