一个无线的ASIC传感器在未接地的配电网络中定位接地故障概念的设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 17 页一个无线的ASIC传感器在未接地的配电网络中定位接地故障概念的设计 Mikael M. Nordman and Taneli Korhonen摘要 本文提出了一种新的概念，利用简单的无线传感器在一个未接地的配电网络中进行检测和定位故障。提出这个概念是基于连接到接收和发出的电力线的不同馈线和分支机构的分布式无线传感器。这个传感器措施仅是目前阶段在导线上特有的，与其他传感器是不同步的，也不需要配置水平触发。概念的新颖主要是在故障检测和定位故障上应用了电力配电系统方面和贝叶斯概率理论。这个概念的可行性和选择性，表现出了一些模拟科学计算机语言的电力系统环境。此外，新设计的无线专用集成电路传感器让故障管理概念成为现实。关键词 专用集成电路；配电；电力系统通信；电力系统建模；电力系统监测；无线传感器1 导言 在电力高压配电系统中（例如20千伏），存在不同的方法来接地。在北欧国家（例如芬兰），中性接地一般难以实现。现行的故障主要是由电流流经地球电容的方式。在其他国家，尤其是在欧洲大陆，往往采用补偿方式（即通常所说的消弧线圈系统）。采用补偿的目的是要消除补偿系统连接地球电容平等电感以便实现中性方式。因此，接地故障电流相应减少。在这种情况下，电感调谐到完全匹配系统的电容，故障电流将只包含一小部分有功部分。然而，在实践中，该网络是稍微抵于或略有过渡，一般在95 或105 之间 。牢固接地分布网络已经被美国采用。在这些网络中，单相接地故障电流随故障定位和故障电阻而变化。最常见的故障类型在不接地中性配电网络系统中是单相接地故障。一般来说，故障是由变电站的继电保护来检测的，其中出错是由零序电流，中性电压，以及这些相移违反配置设置产生的。故障定位是由分裂馈电区域和通过测试的发生故障部分而定的。这是一项费时的工作，特别是开关和手动操作。为了尽量减少故障管理时间，可以安装远程可读故障指示。有了这些，故障处可直接定位和可以迅速正确的切换开关。故障定位是至关重要的，因为短期中断的时间对用户来说是非常关键的。最常见的故障指示是短路指示。早期的设计包括一个控制系统（用导体周围磁场强度来区分负载和短路）和一个显示系统。显示系统可以使用机械特性（例如，显示故障转子方向），基于液体基础上（红颜色的故障方向），或使用发光二极管（ LED ）。有些组合短路和接地故障指示也在早期的设计中提出。举一个例子，有一个发光二极管，显示方向短路和检测烧坏的金属周围的相位，形成目前的总电流，表明可能有接地故障。在架空线路网络中，另一个原则也在使用，该指示是安装一些仪表在导体下面，用一个线圈来测量短路电流和磁场产生的零序电流，以确定接地故障。 无线传感器是一个有希望替代这些传统的故障指示器的传感器。无线传感器是一种小型装置，包含四个主要组成部分：一个传感接口；一个微控制器处理测定量；一种短距离无线接口传送处理过的数据；一个电子器去管理消耗电功率传感器。引起注意的是无线传感器的构造的成本，安装无线传感器不需要任何布线，这意味着系统和安装成本低和投资支付在很短的时间内可以实现。第一部分介绍了一种新在未接地中性系统配电网络定位接地故障的概念。故障定位的概念是基于两个部分：简单的无线传感器，利用概率的手段来测量线路电流在不同的网络分支机构和一个综合系统，以确定故障位置使用的数据取自传感器。概念的可行性及其应对高阻接地故障的测试与模拟数据，反映出科学计算机语言的电力系统环是可用的工具箱。 图.1 未接地配电网络的接地故障 图2. 图1的未接地网络接地故障的等效电路图 第二部分介绍了设计一个简单的无线传感器的应用，专用集成电路（ ASIC ）。设计进行了优化的故障定位的概念，为最大限度地减少能量消耗。不同的设计考虑传感器结构，再加上从几个模拟测试中得到结果。2 中性未接地网络在电力配电网络的中性未接地系统，单相接地故障原因，目前大部分取决于相接地电容相线。当故障发生时，该网络成为不对称的电容故障，其相电流是流向如图1。应用戴维南的理论，该系统可以简化为等效图2，线阻抗被忽视，因为它们比总电容小很多（等于相电压）。故障电流可以得到如下： 其中R是故障电阻和IC为故障电流时， 故障电阻为0时. IC得到网络的频率在哪里和Ce是每个阶段的总电容。架空线，接地故障电流的零故障电阻可近似如下：其中U是在千伏线路电压，和L是在公里总长度的架空电缆在网络中的一部分。因此，在20千伏架空未接地网络中，故障电流约为0.07 A /公里。为了便于比较，在补偿网络中（如补偿线圈将设在平行于地球电容如图2 ），故障电流是小电阻故障（ 2 并且概率50 被认为是一个明确的故障指示。这由一个深灰色的色彩标志。当k 50 ，案件标有浅灰色的颜色。在这里，有选择性的（ 6） ，在下一页的底部显示出的，被认为是有限的，但由（8）计算的概率指示出现故障的区。如果白色被使用，没有任何办法可以找到正确的故障区。还有两个特殊情况下被明显的标出（表一的4200 kW区，和表三的275W kW区）。在这些案件中K2 ，但是，贝叶斯方法一直无法明确验证出它的结果（小故障电流在计算K值可以给出高度的偏差）。一般来说，故障电阻高达约75 kW 定位故障概念是正确的。在较高的故障电阻，故障电流分量变得太小，无法保证可行的选择性。一种更高选择性将需要更先进的传感器，需要有更精确和校准的传感器。考虑到传感器被认为是非常简单和 便宜的，结果是正确的（传感器用于这些测试，模拟了一些简单的传感器出现不准确的选择和时间来执行任务） 。图6 记录了芬兰1994-1996年期间的故障电阻的 分布和一些20 kV未接地架空配电网络的故障。这结果也应该比较图6，上图显示的故障电阻分布情况和一些芬兰在1994-1996 1 年期间在20 kV未接地架空配电网络的故障。可以指出，拟议的故障定位的概念，应用简单的传感器将在这网络检测到大约75 的故障。基于贝叶斯定理概率方法给出了比唯一使用（6）计算的值更好的性能比较的情况下。选择性有利于高故障电阻和概率方法在计算中消除噪音这清楚地表明其优势。然而，当故障电阻变大（ 50 kW ） ，故障电流是如此之小，测量原理引起的噪声特别的影响可靠性。模拟数字转换的量化误差，假定稳定的基本频率（样品采取四分之一基本频率时期后零交叉检测），以及过滤的能力过滤高次谐波降低了计算和结果的准确性。系统的概率方法不会删除这些因素的影响。6 在电力系统中的 无线传感器ASIC以前开发的用于电力系统的无线传感器，已成为产品元件（ COTS ）。通常情况下，这些传感器有一个小微控制器与一个内置模拟数字转换器，短程无线电，有免授权频段（在欧洲 433 MHz和868 MHz，在美国为900兆赫），随着不懈的努力研究，设计有滤波的无源器件，信号放大器，与系统电源管理。现代最常见的小型传感器的执行技术是COTS ，现场可编程门阵列（ FPGA ）和ASIC 。这些在表四都作出了比较。COTS传感器带来的好处是有低廉的价格，快速的更新周期，灵活性和较低的功耗。表四 选择传感器实现技术重要因素的比较COTSFPGAASIC费用低的中等高的消耗功率低的高的低的可靠性低的中等高的型号大小大中等小的表五 ASIC传感器功耗的影响因素技术耗电量传感器结构45%电源电压32%低功率合成15%时钟门控8%图7 为电力系统 建筑开发的ASIC传感器。传感器的缺点是尺寸的大小，从而影响到电力系统一体化的组成部分，和可靠性，尤其是在恶劣条件下。基于FPGA的解决方案是相当灵活，但具有很高的功率消耗。无线传感器应具有能耗不超过数百微瓦，而基于FPGA的执行的能耗为几毫瓦。 FPGA的实现还必须有外部模拟元件这降低了可靠性。基于ASIC的传感器是有兴趣的，因为它们非常小，具有高可靠性（有最少的外部元件数量） ，以及非常低的功耗，可以最大限度地减少了一些设计方法（表五） 。ASIC的缺点是设计成本高，和潜在市场的全面的信息，在可以开始大型产品发展前是必须可用。图8 功能的采样与保持区块A.设计在这个项目中，无线传感器的故障定位的概念在ASIC 被执行， 使用超高速集成电路硬件语言描述模拟和混合信号扩展（ VHDL语言描述）工具（ IEEE标准。 1076.1-1999 ）和硬件语言描述。该架构在图。 7中展示出来 ，有以下区块。 RSIM -模拟器块模拟传感器测量的负载电流（只用于传感器功能的试验） 。 V_AMP ，电压放大器放大输入信号它的一个因素为1000 。低通滤波器，低通滤波器实施6极巴特沃斯。 ZCD -零交叉检测器，用来检测零交叉负载电流。这个区块是用来触发采样负载电流峰值。采样和保持，采样与保持块 用来采样信号并保持它为从模拟到数字的转换。 A / D转换，模拟数字转换（由系统时钟的时钟块来执行）。 MEM1 ，这个区块缓冲在一段时间所收集的样本 并分析样品来检测零负荷，从而检测有可能的故障。如果假设有故障，那可能值送进发送块。当缓冲区已满，数据传递到MEM2块进行处理。 MEM2 ，这个区块使统计分析数据（平均每10分钟的最低和最高值） 。当10分钟期已结束，处理过的数据传递到发送块。发送，这个区块是一个无线电收发器接口。它执行对某一收发器类型的通信协议。传感器的结构非常简单，只包含几个信息区块。有可能根据表五的因素尽量减少耗电量 ，因此非常有限。例如，低电源电压 会降低能耗，但门开关频率将同时会比较慢。因此，在执行任务时时间消耗会增加和更多的能源在这个任务中会被消耗 。一个在速度和电源电压水平的折中方法必须建立。在拟议的传感器设计，调节电源电压水平将产生非常有限的作用。此外，建筑因素（主要是并行处理任务）不能尽量减少电力消耗。该传感器只包含几个区块和大多数这些不能并行运行（见图。 7的序列区块 ） 。B 模拟由于ASIC的开发所涉费用高昂，传感器没有在真正的平台执行。功能已被模拟验证。模拟方法的主要限制的是，先进的传感器的耗电量无法加以核实。图9 MEM1块的功能然而，由于上一节中的考虑，该传感器的结构非常简单，优化结构，最大限度地减少能量消耗不是相关的任务。采样与保持区块的主要功能在图8中显示图。上半部分的数字的信号是即将来临的模拟信号（放大电压信号，并过滤掉，这是电源线负载电流的响应） 。异步时钟信号的区块由输出前块（零交叉检测器）提供，每20毫秒触发采样任务以此一次。从输出信号，可见，该区块在采样时间内保持信号电平 。输入信号幅度保持稳定，输出信号水平被认为是非常小的变化。图9给出了MEM1块功能的一个例子 。为了说明不同的任务，缓冲区大小设置为6和一个介于0和9随机的数字是作为输入。 A的值小于2被解释为电网出现故障（一负载电流接近零） 。异步时钟信号（时钟mem1 ）由模拟数字转换器模块提供（输入时钟是测试系统的输入时钟） 。模拟信号块准备和故障信号被激活时，触发输入低于值2 。内存位置t40 ， t80 ， t960 ，和T1000，分别在 40毫秒， 80毫秒， 960毫秒， 1秒提供采样输入信号的模拟7 结论使用无线传感器其中最大的问题，传感器中的故障探测器在配电网络会消耗能源。使用电池作为电源在恶劣环境是不可行的，以前的解决方案 通常都使用了铁芯卷绕围绕导线。这些解决方案已被高度关注，因此强度和导体的机械特性的影响，他们一直重视（特别是在大风和冬季的条件） 。为了尽量减少传感器的能源消费，取样量的数量和采样频率必须很低，传感器必须有一个非常简单的机械和逻辑结构。不准确的收集到的数据对更高的系统的水平利用智能方法。本文首先提出了一个新的概念，利用简单的无线传感器在未接地的配电网络定位接地故障位置 。这个概念是基于测量负载电流，传感器在不同的网络在接地故障之前和期间采取定位。在网络控制中心结合这些测量，已给出故障电流组成部分的流向，就可以找到故障位置（即定位了传感器之间的故障） 。为了提高概念的性能，它用基于贝叶斯定理的概率的方法已经扩大了。用测试系统模拟开发MATLAB模拟电力系统概念的可行性。故障的故障电阻高达75 k可以被找到。其次，这一概念将在初步研究的真正配电网中测试。这将提供概念更全面的可行性。本文还介绍了无线传感器在为提议故障定位的概念ASIC的架构。 ASIC的传感器通常要小得多，并比以前为电力系统开发的无线传感器消耗更少的能量。提出的结构表明，无线传感器测量 数量的电源线和检测故障可