摘要：据国家电路部门统计，我国110kV以上线路电压等级输电总长度近106km，线路经过复杂地形，故而故障在所难免。介绍了一种基于物联网的高压输配电线路故障检测系统和用于无线远程传输的GPRS技术。并可实现远程报警和自动定位功能，使故障点能在1分钟内及时通知控制中心和管理人员。整个系统的终端节点和网关节点的能量采用高压传输线电磁线圈的互感自拔技术。
关键词：物联网技术；故障监测；实时监测；互感自取电技术；
一、智能故障监测系统整体架构
基于无线通讯技术的高压线故障监测系统主要采用了3个层次两个网络，3个层次分别为：远程监控中心、网关结点、检测终端结点。2个网络分别为ZigBee短距离无线通信网络和GPRS通信网络。其中检测终端结点通过ZigBee网络与网关结点联系起来，网关结点接收检测终端结点传过来的线路状态数据；而网关结点则通过GPRS通信网络将接收到的线路状态数据发送到监控中心的主机上；工作人员便可据此定位故障地点。整个系统的架构如图1所示。
二、终端结点和网关结点的硬件设计
1.检测终端结点的体系结构
系统是由网关与终端所构成的智能检测单元组成的，结构框图如图2所示：其中网关内还设有GPRS无线通讯模块，能够与远程监控中心通讯。网关与检测终端间通过以CC2530作为控制核心的无线射频模块相互通讯，通过采样线路的电流和电压变化，实时监测输电线路运行情况，根据各种状况下电压和电流的变化特征，分析得出线路运行情况，来检测输电线路的瞬时性故障，保证了终端检测的实时性和可靠性。系统的结构框图如图2所示。
（1）系统的电源处理设计
电源处理装置通过电源线圈获得感应电流经整流后，通过限压限流保护电路输入到DC-DC升降压模块，输出的稳定电压为CC2530芯片供电和对锂电池进行充电，还能在网关中为后续的DC-DC升压提供输入。网关同时包含DC-DC升压模块和GPRS模块，输入经DC-DC升压后变成稳定的电压供给GPRS模块使用。本装置电源线圈采用多片硅钢片冲压而成的铁芯，在铁芯上缠绕电源线圈，通过电磁感应原理，在电源线圈输出端得到交流电压和电流供给后续电子器件能量。为了保护DC-DC模块，须把整流电压限制在指定的范围内，此时需要限压限流电路来限制过大的能量输出，也就是进行能量泄放。
（2）前端升降压电路设计
DC-DC升降压模块采用TOP61200芯片，输入电压范围为0.3～6V，效率高。它可以按照输入电压的大小自动转换成升压模式或者是降压模式。通过调整分压电阻的大小可以设定输入低电压锁存，且有输出短路保护。原理图如图所示。
其中C2采用5F的超级电容，主要作用是在DC-DC稳压芯片供给电能充足的情况下，将一部分多余的电能储存到超级电容里。这个电路还具有自锁功能，只要CC2530工作，ＥＮ就让它处于低电平，芯片的ＥＮ管脚就始终处在高电平。这样它就能在高压线路上处于断路的同时，也能由VBT提供TOP61200输入而工作。VBT为1节锂电池1.5V电压。此外，当电能充足时，由于VIN的电位比VBT高，所以大部分能量就从VIN取得。D2、D3、D4、D5均采用肖特基二极管，它的优点是低功耗、大电流、是一种超高速半导体器件。其反向恢复时间极短，正向导通压降低。为了使在最小母线电流20A情况下系统能自供电并正常工作，需要在此电流下确定输出功率最大，通过调试R8上的阻值，确定功率变化曲线在母线电流20A时随R8上的阻值变化如图所示。
2.检测终端结点的母线电流互感采样
模块母线电流互感采样电路是在原有的铁芯上缠绕采样线圈2150圈，为防止瞬间感应电压过大，保护后续电路，两端接瞬态抑制二极管。其中RS为采样电阻，其流过的电流值约为母线电流值的千分之一。场效应管Q4控制采样线圈的通断。精密高边电流检测放大器LMP8645接入RS1两端，其中电阻RG1控制其放大倍数。它可以根据采样电阻RS1中的电流值输出相应的电压值。
3.检测终端结点的在线电流计算
检测终端结点要对线路的状态进行判断就必须先测得母线的电流值。通过对电流互感采样模块输出波形使用傅里叶变换进行采样值处理，根据奈奎斯特时域采样定理：当时间信号函数f（t）的最高频率分量为F时，采样频率F和最高频率分量F满足:
F＞2F
高压输电线上电流大小的频率分量值为50HZ，故采样频率必须大于100HZ，这里设置采样频率500HZ，并采样10个点来进行运算。
4.检测终端结点的ZigBee无线通信模块
ZigBee无线通信模块内主要采用2.4GHZ公共频段射频芯片CC2530。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，尤其适用于低功耗要求的系统。在本系统中，CC2530除了用来进行ZigBee网络间数据通信外，还控制着母线电流互感采样模块和电流互感取电模块的开关。
三、检测终端和网关结点的软件设计
1.检测终端结点和网关结点的流程图
在测量故障时，本程序采用了实时在线监测高压输电线三相固定点上的电压和电流的变化，由于五次谐波分量对电网的质量影响比较大，可以通过对半波整流后的电流波形进行傅立叶变换，采用在线路发生故障时候五次谐波的有效值大小占基波有效值大小的百分比，来判断高压架空线路在该点是否存在接地故障。通过测量母线电流在20-140A情况下发生接地故障时，五次谐波的电压幅值是线路正常时五次谐波电压幅值的1／3～1／5，并且此时间持续20s，则可判定线路发生接地故障。而当采集到母线上的电流大于正常运行时电流的95％时，可判定线路处于短路故障。CC2530运行的主要流程图如图所示，它主要用来监测母线上的电流变化，根据电流的变化来判断线路状态以及控制备用电源模块的充放电，并且将线路的故障信息通过ZigBee网络发送至网关。
2.实验数据分析
用高压故障模拟试验台来进行产品的验证，线上电流调节范围为0-200A，在高压故障模拟试验台上对系统进行线上电流测试，并在自主研发的终端故障检测软件进行实验分析。接地故障在开启试验台的瞬间，断路故障在断开试验台时，通过不断调节高压故障模拟试验台上的电流，数据充分说明在20-140A条件下，终端软件上能正确反映线路的实际情况（断路部分为高压故障试验台断电情况下测得），定位故障点的位置，并能在设定的时间内发送GPRS数据。
结束语
近年来,各种类型的高压线路故障检测方案层出不穷,性能也有自己的优点和缺点,本文基于当前判断的高压线路瞬时故障和永久性故障原理进行研究和分析,以及对各种瞬态故障和永久性故障的识别方案进行比较,从而结合确定故障的性质,研制了一种高压线路故障检测装置。根据现有的实验条件，进行了仿真实验，完成了系统的软件设计和硬件制作，并对各模块电路进行了测试。综上所述，通过对测试结果的分析，验证了系统总体方案设计的可行性和可靠性。
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