基于STM32的变电所配电线路小电流故障检测研究

基于STM32的变电所配电线路小电流故障检测研究

摘要：在电力系统变电所中，变电所配电网小电流接地系统的故障无法及时定位监测，严重影响供电的安全性、可靠性、用户满意度以及供电企业的管理效率。小电流接地故障数据的实时检测等效电路模型的建立、高速数据采集系统的设计是本设计的主要任务。本文采用ST公司最新推出的STM32F103ZE为CPU， AD采样滤波进行处理的数据，通过DSP自带的库进行FFT运算，MCU实现故障方向的计算。同时DSP芯片在数值运算上的高效性，代替了传统的CPU+DSP的处理模式，简化了硬件设计、提高了系统的稳定性、可靠性、经济性。

关键词：电力系统；变电所；CPU；DSP；FFT 中图分类号TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0241-02

The Research on the Small Current Fault Detection of Variable Distribution Line Based on STM32 WANG Ping 1， LI Dui-yuan2

（1.The Instiute of Mechanical and Electrical Engineering of Anhui JianZhu University， Hefei 230601， China； 2. Anhui Communications Vocational of Technical College， Hefei

230001， China）

Abstract： In the substation of power system， the fault of the small curren about ground system of the substation distribution can not be located and monitored in time， which seriously affects the safety， reliability， customer satisfaction and the management efficiency of the enterprise power supply. It is the main task of this design to establish an equivalent circuit model and high-speed data acquisition system for the real-time detection of low data current about ground fault. This paper using STM32F103ZE， the data is used to process by AD sampling filter ， FFT operation is carried out by DSP library and MCU calculation is realized. Meanwhile， the efficiency of DSP chip in numerical operation replaced the traditional processing mode of CPU + DSP， simplified the hardware design and improved the stability， reliability and economy of the system.）

Key words： power system； substation； CPU； DSP； FFT

1 零模?W络等效电路法的模型建立

针对目前变电所配电网小电流接地系统的故障无法及时定位监测，严重影响供电的安全性、可靠性、用户满意度以及供电企业的管理效率。小电流接地系统发生单相接地故

障时，会产生幅值比正常稳态值大几十倍的暂态电流，对于暂态电流的故障选线，要求灵敏度非常高。如果采用零模网络等效电路法，可以排除故障线路，简化检测方法。零模网络等效电路图如图1所示。在此电路模型中，在SFB频段内，故障线路中的故障点与健全线路的检测点到负荷段检测点在线检测到的功率就是该点到负荷段的可以看作是等效电容吸收的无功功率，如图所示故障点到母线段某检测点检测到的功率可以看作为健全线路等效电容吸收的无功功率。如果Q00，说明是健全线路和故障线路某故障点至负荷段的检测点。本文采用这样的等效模型方法，利用线路故障的特征可以确定故障区域段。

采用此方法，只需要在检测点处检测线路自身的故障暂态电压、电流数据就可判断故障数据，不需要检测其他节点的信息，而且不需要额外加注别的信号。 2 检测控制装置的设计

配电线路故障检测电压采用ST公司最新推出的STM32F103ZE为CPU，传统的无功补偿控制器采用普通ARM7作为CPU，速度慢，可靠性不高，本文选择的CPU采用其自带的DSP库进行FFT（快速傅里叶变换）运算，DSP芯片在数值运算上的高效性，快速性，可靠性，可以精确的测量故障线路的电压电流信号，颠覆了传统的CPU+DSP的处理模式，简化了硬件设计、提高了系统的稳

定性、节约了成本。

利用STM32F103ZE芯片自带的AD转换采样三相电压、三相电流等模拟信号，通过DSP自带的快速傅里叶变换（FFT），计算出有功功率、无功功率、功率因数、电压畸变率和电流畸变率等参数，从而实现对配电线路故障的实时监测和监控。

方式一：当DI母联断开（off），为两个单主变独立运行；此时，主控制器根据DI主变的（off，on）状态决定补偿对象（主变1或主变2），根据分别采集主变1、2 的CT和PT，计算各自的P、Q，进行检测控制； 方式二：当DI母联闭合（on），且DI主变中之一为“off”，为单一主变运行（其中一个主变投运，另一台停运）；此时装置仅取采集主变1或2 的CT和PT，计算负荷总P、Q；

方式三：当DI母联闭合（on），且DI主变均为“on”，为双主变并列运行；此时装置仅取采集主变1和2 的CT和PT，计算各自主变的P、Q。 3 主控电路硬件的设计

硬件电路设计主要由四个部分组成：检测、控制、执行和电源。检测电路对电网参数进行实时监测，并完成数据信号的A/D转换；控制单元由STM32F103ZE芯片完成对采样值的计算，根据数据来做出投切决策，输出投切指令；执行单元接收投切指令后通过与过零信号与运算，控制接触器的

投切。硬件结构如图3所示。 4 检测电路算法的实现

考虑到检测的对象为工频（f=50Hz），频率变化不是很快，利用CPU的高级定时器（TIM1和TIM8）来测量系统频率前一周期内过零信号间的时间值，然后根据一个周期内采样点数N，适时计算出每一采样间隔计数值TS，以TS为周期进行采样，即可实现采样频率的适时跟踪【1】。 对周期为T的被测信号在一个周期内于[t0]，[t1]，…[ti]，…，[tN-1]时刻采样N个点，令[t0]=0，如果有【3】[ΔT=N×TS-T=0]和 [Δti=ti-i×TS=0，i=0，1，...，N-1]同时成立，则称采样为理想同步采样，[TS]为采样周期。此时第[i]次采样点的采样时刻为[ti]=[i×T/N]。

这种软件跟踪技术简称为软件锁相环，实现过程简单，适时性比较高，并且应用的范围不受限制，增加的工作量非常小。这样可代替硬件电路倍频技术，简化了硬件电路设计。 采用三相功率源产生如图4的F（t） 输入波形，加直流分量，使采样值大于零，不影响FFT对基波、谐波的计算。利用TBB模拟采样板进行AD转换，将采样数据存入lBUFIN[NPT]作为FFT的输入项。

F（t） = 200 + （200 * sin（pi * 10.0/180.0 + 100 * pi * t） + （200 * sin（pi * 30.0 / 180.0 + 200 * pi * t）， 其中pi= 3.14159265358979。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w1cv.html