一种应用于暂态录波型故障指示器的433MHz无线通信方法论文_朱月亮

摘要：近年来随着暂态录波型故障指示器在配电网中的广泛应用，为快速、准确地实现配电网各类短路和接地故障的定位提供了支持与保障。依据国家电网公司的最新技术规范和检测大纲，对于暂态录波型故障指示器的功能和性能要求越来越高。本文介绍了暂态录波型故障指示器的特点与应用需求，通过对每个采集单元、汇集单元划分各自的通信时隙，报文发送只在各自的时隙内传输，可避免同一套故指内的报文冲突，同时可以减少相互间的通信报文，降低采集单元自身的功耗。

关键字：暂态录波型故障指示器；433MHz无线通信；划分时隙传输

0引言

配网是城市和农村供电的载体，配网的稳定性和安全性，直接关系到各个公司和千家万户的供电安全，具有重要的经济价值和社会意义。近些年国家为配网投入了大量资金进行城网和农网改造，故障指示器作为配电故障定位手段之一，得到了广泛的应用。

暂态录波型故障指示器通过增加录波功能，记录并上传故障时的电网运行细节信息，相比暂态特征型故障指示器能有效提升对单相接地故障判断准确率，而又不像外施信号型故障指示器需要额外增加信号注入装置，因此近年来受到了国家电网的大力推行。

暂态录波型故障指示器的采集单元是直接安装在架空线路上。当发生故障时，汇集单元收到同一组的三个采集单元的数据后，合成带有零序暂态电流的录波数据并上送主站。只有波形数据能准确反映出实际故障波形的特征信息，才能通过各种先进的故障定位算法准备判别故障，这就对三相采集单元提出了很高的同步精度要求。国家标准规定：“汇集单元应能将 3 只采集单元上送的故障信息、波形，合成为一个波形文件并标注时间参数上送给主站，时标误差小于 100μ s”。由于采集单元又是采用 TA 取电并辅以超级电容作为主供电源，后备电源为非充电电池，对低功耗要求非常高，国家标准规定：“在电池单独供电时，在非通信工作状态下工作电流应不大于 80µA”。为了满足超低功耗以及出于成本方面考虑，采集单元一般不会配置独立的时钟芯片，而是采用普通时钟晶振来维持本地时钟，由于晶振精度不高，随着时间的推移会出现晶振相位随机偏移现象，引起各个采集单元的时间产生偏差。同时考虑到433MHz无线技术具有无线信号的穿透性强、能够传播得更远、成本较低等优势，因此受到大部分故障指示器厂家使用。但是受433MHz无线通讯传输速率不高，半双工的传输方式等因素影响，在设计需要满足暂态录波型故障指示器这种高同步精度和超低功耗场景时，大多数厂家都很难实现。因此设计能够满足暂态录波型故障指示器最新要求的低能耗、高精度的时间同步机制对保证暂态录波型故障指示器的单相故障准确判别和可靠定位有着重要现实意义。

1基本设计思路

时隙传输的前提是要在采集/汇集之间实现对时，对时后才能按时隙工作。采集主动定时10秒会发起一次对时请求，由第一组的A相先发起，接着第一组的B相11秒发起，C相12秒，因为对时是广播发送，若A相请求完毕，汇集会广播对时报文，则后续B相无需发起对时请求。对时成功后，汇集不再周期发送心跳或召唤遥信遥测，周期心跳由采集发起，汇集发送的大部分报文使用广播，给所有采集，因为运行过程中大部分数据召唤是针对所有采集的，可减少数据交互数量。所有定值以汇集为准，通过调试工具所修改的定值会下发到汇集，由汇集跟采集进行定值同步。采集与汇集之间通过心跳时传输的CRC来进行定值一致性判断，若不一致则发起定值同步。故障录波时，采集单元缓冲至少5秒的采样数据，当故障发生后至少要等待8周波后再启动433MHz通讯进行故障通知。录波过程中所有报文，汇集均是广播发送，召唤录波数据的报文分别包含A/B/C三相。当三相采集单元的录波报文全部传输完毕后，汇集单元再进行数据对齐，实现波形的同步性。

2时隙传输划分原理

图1

图2

如图1所示为433MHz通讯时隙示意图。由于433MHz通讯是半双工方式，按时隙通讯的方式可以避免多个采集单元和汇集单元通讯过程中的冲突。由于每套故障指示器最多支持3组采集单元，每组有分为3相，因此至少10个时隙。按433MHz采用100Kbps的通讯速率，64字节最大要5ms传输时间，为放宽余量，每个设备使用15ms时隙进行监听或发送。在各自的时隙中，各个设备完成各自的报文发送，各个采集单元在汇集时隙处于监听模式，等待接收汇集报文，汇集单元除发送报文外，一直处于监听状态。

3周期心跳报文机制

如图2所示为周期心跳过程示意图。心跳由采集单元主动发起，处于有流状态下的采集单元会周期性的在同一个时隙周期内主动发送心跳报文，汇集单元收到采集心跳报文后，在下一个时隙周期的汇集单元发送时隙发送广播对时报文，报文内包含当前时隙内收到的汇集单元心跳的确认返回。

ABC三相采集发起心跳的时刻根据最近一次汇集单元对时时间进行推算，确保各个采集单元在同一个时隙周期内发送心跳报文，减少汇集单元回复的报文帧数。处于休眠状态的采集单元不发起心跳请求，汇集单元不判断是否周期收到心跳报文。

若采集单元发送心跳后，未能收到同步对时报文或收到的同步对时报文不包含本采集单元的肯定应答，则在间隔3个时隙周期后再发送心跳报文，重复3次若依然未收到应答，则结束本周期的心跳，下周起继续发送。若长时间(5分钟),未收到汇集单元的返回，则认为采集单元失步及掉线，后续周期发送请求组网报文。

4遥信、遥测变化上送机制

图3

如图3所示为遥信、遥测变化主动上送过程示意图。采集单元处于有流状态下，遥信变化或遥测变化超过设定的阈值时，则触发主动上送，主动上送报文格式与周期心跳格式一致，但不包含参数CRC。

5采集单元从无流进入有流的切换机制

图4

如图4所示为采集单元从无流模式下进入有流模式的过程示意图。采集单元初始上电或从无流状态切换到有流状态是，处于未对时状态，此时采集单元周期发送对时请求报文，并要求立即回复，一旦收到汇集单元发送的对时报文，则恢复对时状态。考虑汇集单元可能处于断电状态，在失步请求同步过程的前5秒，每500ms发送一次请求对时报文，5秒后若依然未收到返回则将请求周期变成 5-10秒。

6三相同步录波机制

图5

如图5所示为同步录波过程示意图。故障录波过程同样遵循按时隙通讯，为确保故障信息的及时上送，需在录波数据传输前先完成遥信及故障电流从采集单元发送到汇集单元。故障触发后，采集单元先进行录波数据缓存，至少延时8个周波，待录波数据准备完成并且判断出故障类型及故障电流后，在最近的发送时隙内向汇集单元发送故障请求报文。汇集单元收到故障请求报文后，在最近的发送时隙广播发送同步录波报文，利用该报文实现采集单元的同步对时。采集单元收到故障同步对时报文后，停止录波缓冲区数据缓冲。采集单元收到故障同步对时报文后，在最近的发送时隙内返回故障信息报文，故障信息包含故障类型、遥信状态、故障电流。汇集单元确认所有采集单元均同步对时后，开始发送召唤录波数据报文，召唤录波数据报文为广播发送，每帧报文中分别包含A/B/C三相要召唤的录波点偏移量，待所有数据召唤完成后，采集单元录波结束，重新开始录波缓冲区循环缓冲。通过对波形数据压缩，当前采集单元96点/周波的采样率，13周波数据发送，最多可压缩至26帧报文，最快可在5秒内完成录波。

图6

如图6所示为同步录波过程逻辑图。录波故障相还需包含diff值。若汇集单元未在一个时隙周期内收到所有采集单元的故障信息返回，则在下个时隙周期内继续发送故障同步对时，直到一个时隙内收到所有采集单元故障信息返回。若超过最大重发次数，还有采集单元未返回状态，则以最后一次同步为准，未同步的采集单元默认录波数据为0，召唤时也不进行召唤。汇集确认所有采集单元均同步对时后，开始发送召唤录波数据报文，召唤录波数据报文为广播发送，每帧报文中分别包含A/B/C三相要召唤的录波点偏移量，待所有数据召唤完成后，采集单元录波结束，重新开始录波缓冲区循环缓冲。

7结论

本文提出的基于433MHz无线通信方法，可以实现暂态录波型故障指示器对于同步采样和低功耗的需求，考虑了周期心跳、遥信/遥测主动上送、无流到有流模式的切换、三相同步录波等机制，该方法原理简单，操作简便，具有良好的实用性。

论文作者:朱月亮

论文发表刊物:《电力设备》2019年第21期

论文发表时间:2020/3/16

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