一种暂态录波指示器的制作方法
本发明涉及供电线路故障检测技术领域，具体为一种暂态录波指示器。
背景技术：
配电网线路的两种主要形式是：铺设在地下的电缆线路和采用杆塔架设的架空线路。对于大城市特别是主城区的配电网线路，基本上以地下电缆为主，通常采用经小电阻接地方式，这样在发生单相接地故障时，可以产生较大的持续工频(50hz)故障相电流和工频零序电流，接地故障检测定位比较容易。对于大城市非主城区、中小城市、城乡结合部及广大农村、牧区的配电网线路，仍然以架空线配电网为主，通常采用不接地和经消弧线圈接地方式，当发生单相接地故障时，产生的持续工频故障相电流和工频零序电流幅度较小，这也是小电流接地方式名称的由来。
单相接地故障是小电流接地配电网所有故障中发生最频繁的一种，约占所有故障的50％～80％。在发生长时间单相接地故障后，必须尽快找到单相接地故障点，排除故障。否则接地故障产生的过电压，可以导致电缆爆炸、电压互感器pt烧毁、母线烧毁等电力系统事故。同时接地线路如果当作正常线路长期运行，会给当地居民、家畜安全带来极大的隐患。
如中国专利申请号为201510311336.4的架空线路故障定位监测系统及方法，系统包括故障指示器、集中器子站和主站，故障指示器包括mcu、电流互感器、电容分压器、信号检测电路、esam安全芯片和微功率无线子节点；集中器子站包括通信终端、微功率无线中心节点、gprs远程通信模块；主站包括gis系统、mis系统和监控端。方法包括以下步骤：采集并计算出电流和电压信号；判断短路故障通过七次谐波加首半波判断接地故障；标记故障地点并通知巡检人员。达到了判断准确，而且抗干扰能力强，安全性高，可以有效辅助电网维护工作，提升电网自动化水平。但是存在以下缺点：电流互感器在测量的线性度、带宽、暂态响应上性能不高，特别是在大电流时铁磁性材料会饱和；拾取配电网线路电流信号能力弱；测量电流精度低。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种暂态录波指示器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种暂态录波指示器，包括msp430fr697xpm/rgc、电流电场采集单元以及外部取电及内供电单元，所述电流电场采集单元包括电子电流采集器，该电子电流采集器的一端连接运放lmv611u(3，4)引脚，该运放lmv611u的(1，4)引脚间短接电阻r，且1引脚并接两个相同的运放lmv61u1；运放lmv61u1的(1，4)引脚间短接由电容r和电容c并联的rc电路，其1引脚分别通过i1、i2连接到msp430fr697xpm/rgc；
外部取电及内供电单元包括并联的稳压二极管z3及瞬变抑制二极管z4，其并联结点接msp430fr697xpm/rgc，同时还通过电阻r1、二极管d1、电阻r2连接至运放tlv3401u2的3引脚，运放tlv3401u2的3引脚还连接接地的电容c7、电阻r5，电阻r1的两端连接有mos管v1及与mos管v1串联的电阻r3，电阻r3与运放tlv3401u2的输出端连接；结并联点还连接有钳压二极管z2以及由二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5，该整流桥通过高导磁ct取电传感器连接架空线路。
优选的，还包括高精度系统时钟以及辅助系统时钟，该高精度系统时钟包括电容c4、电容c5及晶振iz1，电容c4、电容c5分别接到msp430fr697xpm/rgc，晶振iz1短接在电容c4、电容c5之间；辅助系统时钟包括电容c9、电容c10及晶振iz2，电容c9、电容c10分别接到msp430fr697xpm/rgc，晶振iz2短接在电容c9、电容c10之间。
优选的，还包括外设接口单元；该外设接口单元通过电阻r12连接于msp430fr697xpm/rgc，其包括uart口、i2c、spi及jatg接口。
优选的，还包括外设接口单元；该外设接口单元通过电阻r12连接于msp430fr697xpm/rgc，其包括uart口、i2c、spi及jatg接口。
优选的，所述mcu、同步主机以及同步从机均以msp430f6972芯片为控制核心。
优选的，所述mcu、同步主机以及同步从机均以msp430f6972芯片为控制核心。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)电流电场采集单元在线取电能力强，取电电流5a可正常工作；(2)外部取电及内供电单元的运放tlv3401与msp430fr697xpm/rgc配合，实现±1％的高精度测量电流；(3)同步rf单元在msp430fr697xpm/rgc的协调下进行工作，三相电的a、b、c每间隔5s与mcu、同步主机、同步从机进行同步对时，实现三相同步对时精度达±50μs；(4)实现了小电流接地系统接地故障，特别是瞬时性接地故障、复杂间歇性接地故障、高阻接地故障的准确定位；(5)复杂故障过程通过录波波形进行回溯反演，为故障分析提供了强有力的依据；(6)线路异常状态提前发出预警。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明msp430fr697xpm/rgc示意图；
图3为本发明电流电场采集单元电路图；
图4为本发明外部取电及内供电单元电路图；
图5为本发明msp430fr697xpm/rgc电路图；
图6为本发明零输入情况下电子式电流互感器输出信号图；
图7为本发明零输入情况下电子式电流互感器输出信号的直方图；
图8为本发明电子式电流互感器测量线性度；
图9为本发明电子式电流互感器典型测量误差；
图10为本发明线路状态监测、线路最大负荷电流小于100a比对结果图；
图11为本发明图10直方图；
图12为本发明线路状态监测、线路最大负荷电流100a～200a比对结果图；
图13为本发明图12直方图；
图14为本发明线路状态监测、线路最大负荷电流大于200a比对结果图；
图15为本发明图14直方图；
图16为本发明线路出现励磁涌流时的零序电流合成结果图；
图17为本发明线路出现励两相瞬时接地短路时的零序电流合成结果图；
图18为本发明线路出现多次弧光接地时的零序电流合成结果图；
图19为本发明小电流接地配电网单相接地故障过程图；
图20为本发明小电流接地配电网单相接地故障高频暂态零序电流信号分布规律图；
图21为本发明不接地架空线配电网单相接地故障定位实例图；
图22为本发明人工接地试验方案图；
图23图22沙冲变线路拓扑和人工接地试验定位结果图；
图24为图22第一次试验监测点1的故障瞬间前后的录波波形图；
图25为图22第一次试验监测点2的故障瞬间前后的录波波形图；
图26为图22第一次试验监测点3的故障瞬间前后的录波波形图；
图27为图22第一次试验监测点4的故障瞬间前后的录波波形图；
图28为图22第二次试验监测点1的故障瞬间前后的录波波形图；
图29为图22第二次试验监测点2的故障瞬间前后的录波波形图；
图30为图22第二次试验监测点3的故障瞬间前后的录波波形图；
图31为图22第二次试验监测点4的故障瞬间前后的录波波形图；
图32为本发明实际单相接地故障沙冲变线路拓扑和单相接地故障定位结果图；
图33为图32实际单相接地故障监测点1的故障瞬间前后的录波波形图；
图34为图32实际单相接地故障监测点1的故障瞬间前后的录波波形图；
图35为图32实际单相接地故障监测点1的故障瞬间前后的录波波形图；
图36为图32实际单相接地故障监测点1的故障瞬间前后的录波波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～36，本发明提供一种技术方案：
一种暂态录波指示器，包括msp430fr697xpm/rgc、电流电场采集单元以及外部取电及内供电单元，所述电流电场采集单元包括电子电流采集器，该电子电流采集器的一端连接运放lmv611u(3，4)引脚，另一端取电，该运放lmv611u的(1，4)引脚间短接电阻r，且1引脚并接两个相同的运放lmv61u1；运放lmv61u1的(1，4)引脚间短接由电容r和电容c并联的rc电路，其1引脚分别通过i1、i2连接到msp430fr697xpm/rgc，运放lmv611u、运放lmv61u1的2引脚均接地，5引脚均分别通过三个相同规格的电容c接地；
外部取电及内供电单元包括并联的稳压二极管z3及瞬变抑制二极管z4，其另一端分别接地，其并联结点接msp430fr697xpm/rgc，同时还通过电阻r1、二极管d1、电阻r2连接至运放tlv3401u2的3引脚，运放tlv3401u2的3引脚还连接接地的电容c7、电阻r5，电阻r1的两端连接有mos管v1及与mos管v1串联的电阻r3，运放tlv3401u2的2引脚接地，4引脚接msp430fr697xpm/rgc的v_ref端，5引脚通过电容c6接地，电阻r3与运放tlv3401u2的输出端连接，mos管v1的一端接地；结并联点还连接有钳压二极管z2以及由二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5，钳压二极管z2的一端接地，整流桥的一端接地，该整流桥通过高导磁ct取电传感器连接架空线路。
还包括高精度系统时钟以及辅助系统时钟，该高精度系统时钟包括电容c4、电容c5及晶振iz1，电容c4、电容c5分别接到msp430fr697xpm/rgc，晶振iz1短接在电容c4、电容c5之间；辅助系统时钟包括电容c9、电容c10及晶振iz2，电容c9、电容c10分别接到msp430fr697xpm/rgc，晶振iz2短接在电容c9、电容c10之间。
还包括同步rf单元，该同步rf单元连接于msp430fr697xpm/rgc，其包括mcu，该mcu与同步主机串口通信连接，同步主机无线通信连接同步从机，同步从机与mcu串口通信连接。
还包括外设接口单元；该外设接口单元通过电阻r12连接于msp430fr697xpm/rgc，其包括uart口、i2c、spi及jatg接口。
所述mcu、同步主机以及同步从机均以msp430f6972芯片为控制核心。
电流电场采集单元在线取电能力强，取电电流5a可正常工作；外部取电及内供电单元的运放tlv3401与msp430fr697xpm/rgc配合，实现±1％的高精度测量电流；同步rf单元在msp430fr697xpm/rgc的协调下进行工作，三相电的a、b、c每间隔5s与mcu、同步主机、同步从机进行同步对时，实现三相同步对时精度达±50μs；实现了小电流接地系统接地故障，特别是瞬时性接地故障、复杂间歇性接地故障、高阻接地故障的准确定位；复杂故障过程通过录波波形进行回溯反演，为故障分析提供了强有力的依据；线路异常状态提前发出预警。
电流电场采集单元，中央处理单元即msp430fr697xpm/rgc，同步rf单元，高精度系统时钟通过外外部取电及内供电单元提供电源，高精度系统时钟为中央处理单元提供稳定的工作时序和精度的时钟，电流电场采集单元及同步rf单元在中央处理单元的协调下进行工作，三相交流电a，b，c三相每间隔5s与mcu、同步主机、同步从机进行同步对时同步对时。电流电场采集单元采取到电流电场数据传输给中央处理单元，经中央处理单元分析，整理后通过rf同步单元传输到mcu。
为了更好地拾取配电网线路电流信号，线路状态监测器采用电子式电流互感器测量电流即为高导磁ct取电传感器。电子式电流互感器具有低噪声、高线性度、高精度和高带宽的特点。
为了能准确记录配电网线路上的暂态电流信号，线路状态监测器采用4khz采样率对线路电流信号进行采集，可以记录带宽在2khz以内的信号。
为了能记录下故障发生瞬时前后的线路电流和线路对地电场波形，线路状态监测器采用电流突变和电场突变作为触发条件，启动录波。
为了能在架空线上获得零序电流，线路状态监测器通过三相之间进行高精度同步对时，通过时间精确同步的三相电流信号直接叠加来生成零序电流，时间同步误差可以控制在±50us以内，三相相角误差在±0.9°。
线路状态监测器电源部分包括自取电主电源和备用电池两部分组成，通过电源管理进行切换。自取电主电源由取电ct和功率控制部分组成，用于从线路电流产生的磁场中获取能量；传统的ct取电存在以下问题：
(1)线路电流小时取电ct取到的功率不够；
(2)线路电流大时取电ct饱和，输出电压高，取电条件恶劣；
(3)短路大电流时取电ct容易损坏。
线路状态监测器自取电主电源采用如下方式解决上述问题：
(1)设计特制的取电ct，从线路电流产生的磁场中获取能量的能力强、效率高，而且体积更小；
(2)线路电流小时，通过功率控制可取到足够的功率，仅需10安培线路电流，就可以支持配电网线路状态监测器全功能正常工作；
(3)线路电流大时，通过功率控制可使取电ct不饱和，改善取电条件，仍然能够取到充足的能源；
(4)短路大电流时，通过功率控制可迅速停止取电，避免取电ct在巨大电流冲击下损坏。
当自取电主电源取电功率足够时，线路状态监测器使用自取电主电源作为供电电源；当自取电主电源取电功率不够时，线路状态监测器使用备用电池作为供电电源作为补充，备用电池正常工作电压3.6v，容量达到8ah，可以供配电网线路状态监测器工作三个月。
当待测电流为零时，对于电子式电流互感器来说，最理想情况下输出应该也为零，但实际上由于电子式电流互感器本身的噪声和adc固有的量化噪声，电子式电流互感器输出不为零，这个零输入情况下输出信号决定了电子式电流互感器对电流的分辨能力。
参阅图6显示了一个典型的零输入情况下电子式电流互感器输出信号。在本实施例后续部分，如无特殊说明，对于电流信号，图上横轴为采样点序号，采样率为4khz，纵轴为电流值，单位为a。
零输入情况下电子式电流互感器输出信号的原始采样值做直方图分析，参阅图7，可以发现原始采样值的分布呈现近似正态分布，为一近似零均值正态分布，这说明电子式电流互感器本身的噪声和adc固有的量化噪声，接近白噪声。零输入情况下电子式电流互感器输出信号的方差为0.28a左右，这一数值反映了配电网在线录波监测器电子式电流互感器出色的电流分辨能力。
使用配电网在线录波监测器的电子式电流互感器，测量如下电流值交流电流：20a，25a，30a，200a，300a，400a，500a，600a，700a，一个典型的测量值和真实值之间的关系参阅图8，相应的测量误差参阅图9。可以发现电子式电流互感器具有较高的测量线性度，而且精度等级可以达到1级。
将线路状态监测器安装在架空线柱上开关附近，用电子式电流互感器线路电流有效值测量结果和柱上开关内电流互感器测量结果比对，结果如下：
1.线路最大负荷电流小于100a；在国网北京平谷供电公司山东庄站北屯路2号杆前安装的线路状态监测器和山东庄站北屯224开关负荷电流测量值比对结果参阅图10。山东庄站北屯路2号杆线路状态监测器(图10中②处线)和开关电流测量结果基本趋势保持同步，误差分布为正态分布，平均误差为1.1a，造成这一随机误差的原因是因为两者的测量时间同步误差在秒级。以y轴原点为参考：接近值30的线为山东庄站北屯路2号杆线路，接近值20的线为山东庄站北屯224开关。
2.线路最大负荷电流100a～200a；在国网北京平谷供电公司峪口站西营路2号杆前安装的线路状态监测器和峪口站西营215开关的负荷电流测量值比对结果参阅图11。峪口站西营路2号杆前线路状态监测器(即图12中①处线)和开关电流测量结果基本趋势保持同步，误差分布为正态分布，平均误差为1.1a。以y轴原点为参考：接近值100的线为峪口站西营215开关，接近值110的线为峪口站西营路2号杆前线路。
3.线路最大负荷电流大于200a；
在国网北京平谷供电公司金海湖站独乐河路2号杆前安装的线路状态监测器和金海湖站独乐河213开关的负荷电流测量值比对结果参阅图12。金海湖站独乐河路2号杆前线路状态监测器(即图14中①处线)和开关电流测量结果基本趋势保持同步，误差分布为正态分布，平均误差为-1.9a。以y轴原点为参考：接近值60的线为金海湖站独乐河213开关，接近值80的线为金海湖站独乐河路2号杆前线路。
通过上述测试结果，可以发现电子式电流互感器对现场线路电流的测量精度和实验室测试结果接近。
三相线路状态监测器合成零序电流结果，进一步展示了三相电子式电流互感器的一致性以及三相线路状态监测器时间同步精度，测试如下：
1.线路出现励磁涌流时的零序电流合成结果；
参阅图16，图中沿x轴方向0～50值区间段，靠近x轴、x轴之上、x轴之下分别代表a、b、c三相电流，沿着x轴方向线为3倍零序电流3i0，横轴为采样点序号，采样率4khz，纵轴为电流，单位为a。可以发现尽管线路上出现了波形严重畸变的励磁涌流，但是由于是不接地配电网，零序电流应该仍然近似为0。
2.线路出现两相瞬时接地短路时的零序电流合成结果；
参阅图17(意义及参数同图16)，图中沿x轴方向0值，x轴之下、x轴之上远离0值、x轴之上靠近0值分别代表a、b、c三相电流，可以发现当线路正常时，由于是不接地配电网，零序电流为0，但是当线路出现两相瞬时接地短路时，零序电流不为0，出现了明显的异常，而随后两相接地短路消失之后，零序电流又重新恢复为0。
3.线路出现两相瞬时接地短路时的零序电流合成结果；
参阅图18(意义及参数同图16)，图中沿x轴方向0值，x轴之上远离0值、x轴之下、x轴之上靠近0值分别代表a、b、c三相电流，可以发现当线路正常时，由于是不接地配电网，零序电流为0，但是当线路出现多次弧光接地时，每次发生线路由于非接地相过电压导致绝缘击穿产生弧光放电时，零序电流不为0，出现了明显的异常，弧光放电消失之后，由于是不接地配电网，线路上有一很小的工频零序电流。
通过上述零序电流波形实例，说明三相线路状态监测器可以通过高度一致性的电子式电流互感器和高精度时间同步，获得架空线的零序电流。
小电流接地配电网单相接地故障过程中的零序电压和零序电流信号参阅图19。具体过程如下：
(1)在单相接地故障发生前，零序电压u0和零序电流i0为0；
(2)在故障发生瞬间，由于接地相的相地电压跌落和非接地相的相地电压上升，会产生一个幅度不为0的工频零序电压，同时还会产生一个幅度为it的暂态高频零序电流，持续时间很短，一般不超过20ms；
(3)经过大约20ms的暂态过程之后，系统进入稳态过程，相对于暂态高频零序电流幅度it，稳态工频零序电流幅度is很小。
通过上述单相接地故障具体过程，可以知道为了准确检测定位小电流接地配电网单相接地故障，最好是利用暂态高频零序电流信号。同时根据理论分析和现场录波结果发现，小电流接地配电网单相接地过程中产生的高频暂态零序电流信号，具有参阅图20的分布规律：
(1)非故障线路和故障线路的高频暂态零序电流信号不同；
(2)故障线路上故障点前和故障点后的高频暂态零序电流信号不同。
智能化配电网架空线路状态监测系统就是依据上述规律进行单相接地故障检测定位，具体过程如下：
1.监测点线路状态监测器触发录波；
单相接地故障发生时，接地相的相地电压跌落，导致相地电场也会跌落，非接地相的相地电压升高，导致相地电场也会升高，同时接地相和非接地相上会产生高频暂态电流，这些异常变化可以触发线路状态监测器录波。
2.获取各个监测点高频暂态零序电流信号
每个监测点的三相线路状态监测器时间是同步的，这样可以通过处理得到各个监测点的零序电流信号，进一步还可以得到高频暂态零序电流信号。
3.网络化分析高频暂态零序电流信号
参阅图20的高频暂态零序电流信号在配电网线路上的分布规律，就可以进行单相接地故障的检测定位，定位出故障点位于哪两个监测点之间的区段。
在国网北京平谷供电公司安装的智能化配电网架空线路状态监测系统，在平谷大华山站刘店路成功地定位了一次由于绝缘子失效产生的接地故障。该线路采用不接地方式，线路上一共安装了7套设备，在接地故障发生瞬间，7套设备记录下了故障瞬间前后的波形。参阅图21中，每一个监测点的波形上部为零序电流，下部为三相电场，a、b、c三相，通过参阅图18可以清楚地发现，c相电场发生跌落，接地相为c相，同时监测点2～7的零序电流相似，而和监测点1不相似，可以定位接地故障发生在监测点1～2之间，后经过巡线确认。
在南网贵州贵阳城南供电局安装的智能化配电网架空线路状态监测系统，进行了两次人工接地试验，用来测试系统对于经消弧线圈接地架空线配电网单相接地故障定位的原理是否可行，在随后的运行过程中，再次成功定位一次单相接地故障，并指导运维班组找到接地故障点排除接地故障。
1.第一次次人工接地试验
参阅图22人工接地试验在贵阳市城南供电局沙冲变沙调线上进行，使用沙调线26支线c相线路作为接地线。沙调线26支上负荷较少，接地试验过程中所有负荷通过刀闸切除，使用26支8号杆上安装的柱上开关，进行人工接地和切除。第一次人工接地试验在沙调线26支10号杆上使用
整个沙冲变线路拓扑参阅图23，系统包括了20个监测点，人工接地点在监测点2、3之间，选择了监测点1～4的波形，参阅图24～27，用来说明系统单相接地故障检测定位原理。
每个监测点录波波形上半部分为电流波形，下半部分为归一化电场，横轴是采样点序号，采样率4khz，电流波形纵轴单位为a，其中，图24，(a)以y轴原点为参考，0值线为零序，靠近50值线为c相，靠近80值线为a相，靠近-100值线为b相；其中，图25，(b)以y轴原点为参考，0值线为零序，靠近0值线为c相，靠近80值线为a相，靠近-100值线为b相；其中，图26，(c)以y轴原点为参考，0值线为零序，靠近0值线为a相，靠近20值线为b相，靠近-40值线为c相；其中，图27，(d)以y轴原点为参考，0值线为零序，靠近1000值线为c相，靠近150值线为b相，靠近-220值线为a相。图24～27清楚地显示了高频暂态零序电流在线路上的分布规律：
(1)监测点1和监测点2位于故障路径上，两者录波波形非常相似；
(2)监测点2和监测点3分别位于故障点前后，两者录波波形差异非常大；
(3)监测点1和监测点4分别位于故障线路和非故障线路上，两者录波波形差异非常大。
2.第二次人工接地试验
第二次人工接地试验在沙调线26支10号杆上使用
3.第三次实际单相接地故障
第三次实际单相接地故障定位结果参阅图32，单相接地故障接地点在监测点2、3之间，智能化配电网架空线路状态监测系统发送短信给运维班组，经实地巡线确认故障点定位成功，引发单相接地故障的原因是用户变压器绝缘损坏导致单相接地。
参阅图33～36显示了图32中监测点1～4的录波波形，说明实际线路单相接地故障过程中，高频暂态零序电流在线路上的分布规律和原理一致。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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