一种新型高精度同步采样高阻接地故障指示器的制作方法

本实用新型涉及电力系统故障检测系统，尤其涉及一种新型高精度同步采样高阻接地故障指示器，用于智能电网高阻接地故障采样录波检测。

背景技术：

故障检测系统，是一种常年投入运行的自动记录设备，用于监测电力系统的运行状况，被喻为电力系统的“黑匣子”和电网安全运行的“心电图”。当电力系统发生故障时，故障录波器记录的数据可用于分析故障起因、监测继电保护和安全自动装置的操作以及观察故障发展的整个历程，是避免类似事故再次发生的重要依据。随着电力网络的扩大化、复杂化和区域网互联的发展，世界各国对电力系统的监测要求及其重视程度越来越高。

随着智能电网的逐步发展，智能电网故障检测系统将在各个区域电力系统实时监测点电流、温度等相关信息，发现线路运行中的潜在危险、保护电力系统的运行安全，这将有助于提高智能电网运行的可靠性。

35KV及以下配电网按中性点不接地方式运行，其主要优点是当系统发生单相瞬间接地故障时，可以自行熄灭电弧；发生单相永久接地时，负荷可以不必立即停电，因此国内35KV及以下配电网大部分都采用这种接地方式。

随着配电线路负荷快速增加和电缆线路的广泛应用，配电网中性点有效接地方式得到越来越多的应用。输电线路发生短路故障时将产生很大的故障电流,从而使保护装置能可靠动作切除故障。然而对于中性点有效接地配电线路，受送电走廊、绝缘子闪络、雷击、树枝划过电线等因素影响，容易发生弧光高阻接地故障。不同于短路故障，此类故障电流突变量小，甚至为零，常规过电流保护装置无法可靠检测，很少能获取到现场录波数据，而这种不易察觉的故障的存在可能会导致电力系统出现更严重的故障。

目前普遍采用的前后台模式传统微机型故障录波器，其后台PC机受自身机械强度的限制，可靠性低，难以长期运行；前置机集中进行数据的采集、计算、处理，任务繁重。这严重制约了传统故障录波器的应用与普及。

另一方面，电力系统中电网故障分析要求各微机装置的时间信息精确到1ms以内，电网相位测量对时钟精度的要求达到微妙级，行波测距和行波保护对时钟精度的要求则高达1μs，这些都对故障检测系统的设计提出了挑战。

技术实现要素：

针对上是技术问题之一，本实用新型提供了一种不同于传统微机型故障录波器的集中式结构，本项目所在的实验室设计了一种分布式低功耗电网故障录波器。该电网故障录波系统由五个模块化的智能检测终端组成，包括一个监测单元、一个数据汇集单元和三个传感器单元，三个传感器单元分别安装在需要监测的三相高压输电线上。传感器单元和数据汇集单元可以独立自行供电，在线监测记录高压输电线固定点的三相电流和时间温度等信息，并且能够对采集到的数据进行处理。监测单元直接由外接电源供电，在变电站内监测零序电压，监测到异常时向汇集单元发出异常数据召测指令，由汇集单元通过Lora交互传感器单元，再由传感器单元通过4G网络将异常数据上传到服务器。

本实用新型的技术方案为：

一种新型高精度同步采样高阻接地故障指示器，包括：

三个传感器单元，用于当接收到数据汇集单元发送的异常数据召测指令后将在线监测的高压输电线固定点的三相电流和时间温度信息传输至云端服务器主站系统；

数据汇集单元，用于主动或当接收到所述监测单元发送的召测指令时，向所述传感器单元发送异常数据召测指令；

监测单元，用于采集检测变电站零序电压，当发现零序电压数据异常时向数据汇集单元发送异常数据召测指令。

进一步地，所述的传感器单元包括：

导线感应取电和能量管理电路，用于从三相电线上取电为4G模块及其外围电路、实时控制信号无线传输单元、STM32及其外围电路供电；

电流检测和数据采集电路，用于基于电流型互感器采集三相电电流；

本地数据存储单元，用于存储采样数据；

GPS授时模块和接口电路，用于输出一秒脉冲信号，所述秒脉冲信号作为采样计数基准，校正压控晶振作为时钟源的MCU的定时器时钟，实现高精度时间戳，确保采样精确同步；

STM32及其外围电路，通过电路连接导线感应取电和能量管理电路、电流检测和数据采集电路、本地数据存储单元、GPS授时模块和接口电路、近程LED故障指示、4G模块及其外围电路、无线传输单元，包括STM32单片机、连接所述STM32单片机作为时钟源的外部有源压控晶振；

近程LED故障指示，用于故障指示，可在本地看到；

4G模块及其外围电路，用于和云端服务器进行数据通信，传输在线监测的高压输电线固定点的三相电流和时间温度信息；

无线传输单元，用于传感器单元和汇集单元之间的实时通信，传输异常数据召测指令。

进一步地，所述的无线传输单元包括LoRa模块及其外围电路，用于传感器单元和汇集单元之间的无线实时通信，传输异常数据召测指令。进一步地，所述导线感应取电和能量管理电路从三相电线上取电，电压经转换后给超级电容充电，然后转换为3.8V为4G模块及其外围电路和实时控制信号无线传输单元供电，同时还转换为3.3V和5.0V分别为STM32单片机的MCU供电和ADC采集电路供电。

进一步地，所述的数据汇集单元包括：

STM32及其外围电路，通过电路连接太阳能取电和能量管理电路、近程LED故障指示、4G模块及其外围电路、无线传输单元，包括STM32单片机、连接所述STM32单片机作为时钟源的外部有源压控晶振；

太阳能取电和能量管理电路，采用太阳能取电和电池共同供电方式为STM32及其外围电路、4G模块及其外围电路、数据召测指令无线传输单元供电。

近程LED故障指示，用于故障指示，可在本地看到；

4G模块及其外围电路，用于和监测单元进行数据通信，接收所述监测单元发送的异常数据召测指令；

无线传输单元，用于传感器单元和汇集单元之间的实时通信，传输异常数据召测指令。

进一步地，所述的无线传输单元包括LoRa模块及其外围电路，用于传感器单元和汇集单元之间的无线实时通信，传输异常数据召测指令。

进一步地，所述的监测单元包括：

GPS授时模块和接口电路，用于输出一秒脉冲信号，所述秒脉冲信号作为采样计数基准，校正压控晶振作为时钟源的MCU的定时器时钟，实现高精度时间戳，确保采样精确同步；

STM32及其外围电路，包括STM32单片机、连接所述STM32单片机作为时钟源的外部有源压控晶振；

4G模块及其外围电路，用于向所述的数据汇集单元发送异常数据召测指令；

本地数据存储单元，用于存储零序电压采集数据时的时间戳，以备4G发送召测指令给汇集单元；

电源电路，用于为所述STM32及其外围电路、4G模块及其外围电路、本地数据存储单元和GPS授时模块和接口电路供电。

零序电压监测和数据采集电路，由ADC芯片采集变电站零序电压，采集芯片为主模式，MCU为从模式，以SPI实现信息交互，采用DMA模式存储数据。

进一步地，所述电源电路设计为12V转3.3V为STM32单片机的MCU供电，12V转3.8V为4G模块及其外围电路供电， 12V转5V为STM32单片机的ADC供电。

进一步地，所述外部有源压控晶振型号为TG5032CAN。

进一步地，所述的STM32单片机采用STM32L4+单片机，功耗低、性能高、速度快且存储量大。

相比现有技术，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型模块化的电网故障检测终端具有能耗低、体积小、通用性强、结构紧凑、环境适应性强等显著优点。再者，数据汇集单元可以主动或者在异常数据召测指令下通知传感器单元将故障信息上报给远程服务器，再由服务器对这些故障信息进行综合分析得出可信的结果，从而掌握电网的实际故障类型和波及范围，实现人机交互的协同工作。

同时，本实用新型根据全球定位系统（GPS）时钟信号和晶振时钟信号精度互补的特点，将晶振信号作为MCU的时钟源，利用GPS时钟校准MCU定时器产生的1Hz信号实现高精度时间戳，使系统对配电网线各点实现精确同步采样，相位测量的时钟精度达到微妙级，从而更准确的实现故障检测和定位。

附图说明

图1 为本实用新型实施例的传感器单元的结构图。

图2为本实用新型实施例的汇聚单元的结构图。

图3为本实用新型实施例的变电站监测单元结构图。

图4为本实用新型实施例的4G网络信息通信示意图图。

图5为本实用新型实施例的汇集单元与传感器单元的LoRa网络连接图。

图6为本实用新型实施例的高精度时钟信号的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

一种新型高精度同步采样高阻接地故障指示器，包括：

三个传感器单元，用于当接收到数据汇集单元发送的异常数据召测指令后将在线监测的高压输电线固定点的三相电流和时间温度信息传输至云端服务器主站；

数据汇集单元，用于主动或者当接收到所述监测单元发送的召测指令时，向所述传感器单元发送异常数据召测指令；

监测单元，用于采集变电站零序电压，发现异常时向数据汇集单元发送异常数据召测指令。

如图1所示，所述传感器单元包括STM32及其外围电路、GPS授时模块和接口电路、近程LED故障指示、4G模块及其外围电路、LoRa模块及其外围电路、本地数据存储、电流检测和数据采集电路、导线感应取电和能量管理电路等模块组成。

其中：

所述STM32及其外围电路通过电路连接导线感应取电和能量管理电路、电流检测和数据采集电路、本地数据存储单元、GPS授时模块和接口电路、近程LED故障指示、4G模块及其外围电路、无线传输单元，包括STM32单片机、连接所述STM32单片机作为时钟源的外部有源压控晶振；

所述GPS授时模块和接口电路用于校正压控晶振作为时钟源的MCU的定时器时钟，实现高精度时间戳，确保采样精确同步；

所述近程LED故障指示用于故障指示，亮度较低，可在本地看到；

所述4G模块及其外围电路用于和中央控制室的监控服务器进行数据通信；

所述LoRa模块及其外围电路用于传感器单元和汇集单元之间的通信，传输异常数据召测指令，LoRa配置为低功耗模式，实时传输的同时保证低功耗；

所述本地数据存储用于存储采样数据；

所述电流检测和数据采集电路用于采集电流，选择一个1A转电压的电流型互感器；

所述导线感应取电和能量管理电路用于从三相电线上取电，电压经转换后给超级电容充电，然后转换为3.8V为4G模块及其外围电路和实时控制信号无线传输单元供电，同时还转换为3.3V和5.0V分别为STM32单片机的MCU供电和ADC采集电路供电。

所述传感器单元具体实施方案详细说明如下：

第一步、初始化硬件设备。

所述导线感应取电和能量管理电路工作后，硬件平台上电，初始化串口和子系统硬件平台。硬件平台基于STM32L4+，使用外部压控晶振作为MCU时钟源，所述外部有源压控晶振型号为TG5032CAN。分别初始化串口1、2、3和低功耗串口1，串口1用来读取GPS的数据，串口2用来连接MAX232端口进行电脑调试或者读取数据，串口3用来读取和发送4G芯片的数据，低功耗串口1用来读取和发送LoRa模块的数据。最后分别进行SPI端口和各个端口和传感器配置的初始化。

第二步、GPS定时同步系统时间。

GPS模块并不是一直开启，MCU定时开启GPS模块，利用GPS的秒脉冲信号，和本地有源压控晶振分频的MCU定时器对时，根据对时误差调整定时器的分频因子，通过多次循环迭代控制，最终实现高精度时间戳，确保采样精确同步，校正完关闭GPS模块。

第三步、读取电网三相电流并判断零序电流是否出现异常。

首先将零序电流转换为合适的电压，加在ADC采集输入端，ADC芯片为主模式，MCU为从模式，以SPI实现信号通信，采用DMA方式将数据保存在一个内部Flash的缓冲区中。电压信号的采集按12.8KHz采集，即一秒采集12.8K个数据，每个数据为2字节。一个正弦波为20ms， 一个波 256个数据，占用512字节，具体包括：

步骤1：内部Flash划分512字节缓冲区存储数据；

步骤2：设置DMA半传输中断和传输结束中断；

步骤3：开始采集时，记录其实时刻T1，传输一半即256字节时，记录时间戳T2，此时采集128个数据；

步骤4：对步骤3的128个数据进行处理，判断零序电压是否发生异常；

步骤5：若步骤4中有异常发生，将对应的时间戳记录下来，并将该时刻的采集信息保存在内部Flash中，同时开启4G工作，将指令发送至故障录波系统的主站服务器；

步骤6：传输结束时同样进行数据异常判断；

步骤7：重复步骤3到步骤6

第四步、接收异常数据召测指令

传感器单元的LoRa模块接收到来自数据汇集单元的数据召测指令，MCU从信号中读出异常发生时间并从本地数据存储模块中读出对应时间的采集数据，同时开启4G模块工作，将数据发送至故障录波系统的主站服务器，完成后关闭4G模块。

第五步、LED故障显示。

如图2所示，汇集单元包括STM32及其外围电路、远程LED故障指示、4G模块及其外围电路、LoRa模块及其外围电路、太阳能取电和能量管理电路。

所述STM32及其外围电路通过电路连接太阳能取电和能量管理电路、近程LED故障指示、4G模块及其外围电路、无线传输单元，包括STM32单片机、连接所述STM32单片机作为时钟源的外部有源压控晶振；

所述远程LED故障指示用于故障指示，功能与传感器单元的近程LED故障指示一样，但亮度更大，传输距离远；

所述4G模块及其外围电路用于和监测单元进行数据通信，接收所述监测单元发送的异常数据召测指令；

所述LoRa模块及其外围电路用于传感器单元和汇集单元之间的无线实时通信，传输异常数据召测指令。

所述太阳能取电和能量管理电路用于供电，汇集单元采用太阳能取电和电池共同供电，能量充足，经能量管理电路产生3.8V为4G模块和LoRa模块供电，同时还转换为3.3V为MCU供电。

所述汇集单元具体实施方案详细说明如下：

第一步、初始化硬件设备。

太阳能取电和能量管理电路工作后，硬件平台上电，初始化串口和子系统硬件平台。硬件平台基于STM32L4+，使用外部有源压控晶振作为MCU的时钟源，所述外部有源压控晶振型号为TG5032CAN。分别初始化串口1或者低功耗串口1、串口2、串口3，串口2用来连接MAX232端口进行电脑调试或者读取数据，串口3用来读取和发送4G芯片的数据，串口1或者低功耗串口1用来读取和发送LoRa模块的数据。最后分别进行各个端口和传感器配置的初始化。

第二步、汇集单元的4G模块在完成初始化之后一直保持开启状态，可以接收监测单元的4G异常数据召测指令，然后通过LoRa模块发送异常数据召测指令到传感器单元。

如图3所示，所述监测单元包括GPS授时模块和接口电路、STM32及其外围电路、4G模块及其外围电路、本地数据存储单元、零序电压监测和数据采集电路、电源电路等模块。

所述GPS授时模块和接口电路用于输出一秒脉冲信号，所述秒脉冲信号作为采样计数基准，校正压控晶振作为时钟源的MCU的定时器时钟，实现高精度时间戳，确保采样精确同步；

所述STM32及其外围电路包括STM32单片机、连接所述STM32单片机作为时钟源的外部有源压控晶振；

所述4G模块及其外围电路用于向所述的数据汇集单元发送异常数据召测指令；

所述本地数据存储单元用于存储零序电压检测异常时的时间戳信息等；

所述零序电压监测和数据采集电路，由ADC芯片采集检测零序电压，采集芯片为主模式，MCU为从模式，以SPI实现信息交互，采用DMA模式存储数据。

电源电路：用于为所述STM32及其外围电路、4G模块及其外围电路、本地数据存储单元和GPS授时模块和接口电路供电，具体设计12V转3.3V供MCU供电，12V转3.8V供4G模块供电， 12V转5V供ADC供电。

所述监测单元的具体实施方案详细说明如下：

第一步、硬件设计

所有STM32L4+芯片都使用外部有源压控晶振作为时钟源。

第二步、初始化硬件设备。

对硬件平台上电，初始化串口和子系统硬件平台。硬件平台基于STM32L4+，首先配置系统时钟，使用外部压控晶振作为HSE的旁路模式输入。分别初始化串口1、2、3，串口1用来读取GPS的信息，串口2用来连接MAX232端口进行电脑调试或者读取数据，串口3用来读取4G芯片的信息。最后分别进行SPI端口和其余各端口和传感器配置的初始化。

第三步、GPS定时同步系统时间。

GPS模块并不是一直开启，MCU定时开启GPS模块，利用GPS的秒脉冲信号，和本地有源压控晶振分频的MCU定时器对时，根据对时误差调整定时器的分频因子，通过多次循环迭代控制，最终实现高精度时间戳，确保采样精确，校正完关闭GPS模块。

第四步、检测并判断变电站零序电压是否出现异常。

首先将零序电压转换为合适的电压，加在ADC输入端，ADC芯片为主模式， MCU为从模式，以SPI实现信息连接，采用DMA的方式将数据保存在内部Flash的一个缓冲区中。电压信号按12.8KHz频率采集，即一秒采集12.8K个数据，每个数据为2字节。一个正弦波为20ms， 一个波 256个数据，占用512字节。

步骤1：内部Flash划分512字节缓冲区存储数据；

步骤2：设置DMA半传输中断和传输结束中断；

步骤3：开始采集时，记录其实时刻T1，传输一半即256字节时，记录时间戳T2，此时采集128个数据；

步骤4：对步骤3的128个数据进行处理，判断零序电压是否发生异常；

步骤5：若步骤4中有异常发生，将对应的时间戳记录下来，形成一条异常数据召测指令。将指令保存在内部Flash中，同时开启4G工作，将召测指令发送至汇集单元；

步骤6：传输结束时同样进行数据异常判断；

步骤7：重复步骤3到步骤6。

下面结合图6分析说明本实用新型中高精度时间戳实现步骤：

第一步、外部有源晶振的时钟信号作为STM32L4+芯片的高速外部时钟HSE的输入，HSE采用by-pass模式；第二步、MCU内部定时器TIM进行时钟分频，分频后的时钟信号作为芯片的低速外部时钟LSE的输入，LSE采用by-pass模式；第三步、LSE分频后作为RTC的时钟源，产生年月日时分秒信号；芯片内部低功耗定时器LPTIM的时钟源也选为LSE，进行时钟分频以产生1Hz的信号；第四步、利用GPS的秒脉冲时钟信号读取MCU的内部低功耗计数器产生的1Hz时钟信号并记录，下次秒脉冲时再读取计数值，将其与理论计算值相比较，得到当前1Hz信号的频率误差，根据当前的频率误差调整分频因子，反复迭代直至1Hz信号准确；

第五步、由内部计数器对校正后的1Hz信号计数，计数器的输出即为亚秒级时间，最后与第三步RTC产生的信号相结合，实现高精度时间戳。

本实用新型提供了一种基于高性能低功耗STM32L4+的组合检测系统，用于智能电网高阻接地故障采样录波检测，尤其是涉及组合系统中各单元装置高精度时间信息的精确实现，电网相位测量的时钟精度可以达到微秒级，以及模块化的电网故障检测终端具有功耗低、体积小、通用性强、结构紧凑、研制周期短、环境适应性强等特点。

本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。