CN115825638A

CN115825638A - 一种配电网单相接地故障综合判断系统及方法

Info

Publication number: CN115825638A
Application number: CN202211098078.2A
Authority: CN
Inventors: 莫日松; 顾亚新; 王茂英; 闫秀章
Original assignee: Beijing Haochuang Ruitong Electrical Equipment Co ltd
Current assignee: Beijing Haochuang Ruitong Electrical Equipment Co ltd
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2023-03-21
Anticipated expiration: 2042-09-08
Also published as: CN115825638B

Abstract

本发明公开了一种配电网单相接地故障综合判断系统及方法，其中配电网单相接地故障综合判断系统的判断方法包括：取零序电流和零序电压判断，以相电压作为零序电压比较的一个基准，按照零序电压和零序电流的突变确定接地时刻；根据零序电压变化特点确定是否为瞬时接地，如果是瞬时接地，则按照零序电流的变化比例判断接地；如果非瞬时接地，如果有效高次谐波含量少，则按照基波相位判断；否则按照有效高次谐波相位判断。本发明提高FTU对单相接地故障判断的正确率。

Description

一种配电网单相接地故障综合判断系统及方法

技术领域

本发明涉及配电网自动化技术，具体涉及一种基于零序电压、零序电流和线电压的配电网单相接地故障综合判断系统及方法。

背景技术

目前，在我国10kV配电网主要是非有效接地系统，这种配电网在发生单相接地故障时接地电流小，可以带复合运行一段时间，因此提高了系统的供电可靠性；但是，单相接地故障由于电流很小，也带来了故障位置难以确定的问题；如果单相接地后不能及时找到故障点，排除故障很有可能造成更大的事故，比如：单相接地后，正常相对地电压升高，非接地的另外两相的对地绝缘被的薄弱环节击穿造成相间短路；或者长时间的弧光接地得不到及时解决造成火灾事故。因此，近年来国家电网对配电网单相接地故障判断的时效性和准确性要求越来越高。

在当前我国配电网普遍采用FTU实现配电网解决单相接地故障的判断，单相接地故障判断的方法便成了FTU中的核心算法；目前最广泛的是利用“暂态功率方向”实现配电网单相接地故障的判断，该方法有如下缺点：

1.对零序电流特别小的情况容易造成误动，如果零序电流很小的情况下，零序电流的相位不稳定，计算出的暂态功率方向作为单相接地故障的动作条件就会造成误动。

2.不能适应瞬时性接地故障的情况，在瞬时性接地故障的情况下，零序电流和零序电压的相位关系不稳定，会造成接地故障的误动或拒动。

3.对于无效高次谐波含量比较高的接地情况，判断不准确；弧光接地、空载线路合闸情等情况下，零序电流中会出线很多15次谐波以上的杂波，而由于配电网自身特点及FTU的硬件特性，这些无效高次谐波在零序电压上不会呈现相应的有规律的对应变化，这种情况下应用暂态功率方向判断也会造成误动或拒动。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种配电网单相接地故障综合判断系统及方法，提高FTU对单相接地故障判断的正确率。

根据本发明的一个方面，提供了一种配电网单相接地故障综合判断系统，包括：

主板模块，用于FTU的核心模块，完成FTU的全部计算功能，主单片机完成模块供电电路、模拟量采集、开关量采集、控制输出、FTU功能算法、网络通信及串口通信功能；

传感器及电源接入模块，用于传入一次模拟信号，接收一次系统的大电压和大电流信号，并通过电压互感器和电流互感器实现电气隔离，并将大电压、电流信号变换为后边检测电路识别的小信号，通过滤波放大等电路，将信号变换为后边AD转换电路可识别的电压信号；并为电源模块引入外边220V电源信号，并且要实现两路电源互为备用；

显示模块，用于运行状态显示、电池投退控制、按钮复位控制、远方/就地运行方式切换、保护投/退切换；对外接口有4G模块接口及调试脉冲接口；

直流小板，用于实现FTU直流部分的电压电流的测量；

残压小板，用于在FTU失电的情况下，当一次线路单侧来电的初期，实现对线路电压的判断；这种情况下，残压小板要能够利用自身的备用电池判断线路来点情况是否符合残压闭锁条件，一旦检测到残压闭锁条件，则记录此状态，当FTU主板启动后，可以读取此状态，按照闭锁情况做出反应，实现FA逻辑中的残压闭锁功能。

进一步地，所述主板模块包括：

核心板模块，用于系统控制，包括主单片机STM32H743IIT6及外围电路；

网口模块，用于网络接口，主要包括网口芯片W5100S、静电保护器TPD4S009DBVR及网络隔离变压器HX1188NL，所述网口芯片W5100S分别电性连接静电保护器TPD4S009DBVR和网络隔离变压器HX1188NL，网口芯片W5100S连接主单片机SPI1接口，网络隔离变压器HX1188NL连接网络接口RJ45；

主板电源模块，用于主板供电，主要包括隔离降压电路和电源接口电路，所述隔离降压电路主要包括电源模块URB2405YMD-10WR3和电源模块AMS111703.3，电源模块URB2405YMD-10WR3输入端连接电源输入端，其输出端连接电源模块AMS111703.3输入端；

AD转换模块，用于AD转换，主要包括AD芯片AD7606及外围电路；

通信模块，用于主单片机与外围电路的通信，主要包括主板与线损模块通信电路、调试接口和4G模块接口电路、显示面板部分通信接口；

开关量输出模块，用于实现分合闸控制，用于控制机构上的断路器分闸或合闸；

开关量输入电路，用于实现机构及FTU内部开关量状态的检测，FTU通过开关量输入回路感知设备的工作状态，并接受操作人员的控制命令；

GPS和蓝牙模块电路，GPS电路用于实现定位和对时，蓝牙模块用于实现手持设备的调试和配置FTU。

更进一步地，所述传感器及电源接入模块包括：

电流互感器电路，用于测量相电流和零序电流，包括相电流互感器D1的电路和零序电流互感器D2的电路；

电流信号放大电路，用于电流信号放大，包括运放LM324组成的放大器；

电压测量电路，用于测量相电压和线电压，包括电压互感器及外围电路；

零序电压测量电路，用于测量零序电压，包括零序电压互感器及外围电路；

电压信号放大电路，用于电压信号放大，包括运放LM324组成的放大器电路；

电源接入电路，用于电源接入；

残压小板接口，用于实现与FTU传感器板通信和电源接口，以及与传感器板上线路电压的接口。

更进一步地，所述显示模块包括：

显示面板单片机电路，用于显示面板显示及提供人机操作界面，主要包括GD32F103C8T6单片机及外围电路；

显示面板电源电路，用于显示面板供电，包括电源芯片VR1及其电路；

人机接口电路，用于人机接口控制，包括按键及显示电路；

其他面板接口，用于标准化FTU需要的对外网口、4G模块接口、控制按钮接口、控制工作状态的拨动旋钮接口、状态显示接口以及与主板的接口。

更进一步地，所述直流小板主要包括GD32F303单片机电路。

更进一步地，所述残压小板包括：

单片机电路，用于残压小板控制；

通信及电源接口，用于残压小板通信及电源连接；包括隔离芯片PI121U31和接口，隔离芯片PI121U31用于残压小板与FTU主板部分的隔离；

残压小板电源电路，用于残压小板供电；

线路电压采集电路，用于通过两个电流型电压互感器实现线路电压的采集，从而判断残压闭锁条件；包括电压互感器PTA1、PTC1及互感器电路；

线路来电唤醒电路，用于残压小板在电池供电的情况下，需要工作在低功耗模式，当线路来电后唤醒单片机实现残压条件的检测，唤醒电路的核心时一个低功耗的电压比较器RS8901，其输入端来自测量电路中互感器的输出VAO和VCO，保证两侧来电均能唤醒；包括电池D3、互感器RS8901及外围电路。

根据本发明的又一个方面，提供了一种配电网单相接地故障综合判断系统的判断方法，包括：

取零序电流和零序电压判断，以相电压作为零序电压比较的一个基准，按照零序电压和零序电流的突变确定接地时刻；

根据零序电压变化特点确定是否为瞬时接地，如果是瞬时接地，则按照零序电流的变化比例判断接地；

如果非瞬时接地，如果有效高次谐波含量少，则按照基波相位判断；

否则按照有效高次谐波相位判断。

进一步地，所述配电网单相接地故障综合判断方法，还包括：

基波判断

中性点不接地系统，直接接地或经电阻接地，整个接地回路呈现容性或阻性，故障线路电压超前电流0°～90°，非故障线路电压滞后于电流0°～90°；

中性点经消弧线圈接地，在欠补偿情况下与不接地判断相同，在过补偿情况下故障线路和非故障线路零序电压均之后于零序电流，不能按基波判断，只能判断高次谐波情况；

对于高次谐波，接地回路呈现容性，故障线路电压超前电流0°～90°，非故障线路电压滞后电流0°～90°；在有效高次谐波含量比较高的情况下，用暂态功率方向判断；

对于暂态接地故障，由于接地阻抗不稳定，零序电压和零序电流之间相位关系也不稳定，按照零序电压的突变比例判断接地故障；

对于空载线路合闸容易误报假接地的情况，根据空载线路正常线路空载线路合闸时，利用电容充电电流占比较大的规律，采用零序电流直流量闭锁接地故障动作技术；达到空载线路合闸不误动的效果；

为防止在零序电压或零序电流较小时，利用暂态功率方向判断造成的误判，对零序电流和零序电压中不同谐波含量进行区别对待，根据不同的谐波含量采用不同的判断方法，提高接地故障判断的准确度；

单相接地故障判断过程

计算故障前零序电压均方根值，确定起判电压：用故障前特征周期数据计算故障前零序电压的直流量ZhiLiu_V，取1ms为时间段，计算零序电压的突变值TB_V，突变电压值大于起判电压QP_V的时刻为零序电压突变时刻startX；

确定电压突变时刻：用故障前特征周期数据计算故障前零序电压的直流量ZhiLiu_V，取1ms为时间段，计算零序电压的突变值TB_V，突变电压值大于起判电压QP_V的时刻为零序电压突变时刻startX；

确定电流突变时刻：取零序电流0.5周波开始的1个周波数据作为故障前特征周期数据，计算正常情况下零序电流数值ZC_I，按正常值的4倍确定突变起判电流QP_I＝4*ZC_I；取1ms为计算时间段，按照零序电流突变值TB_I大于起判电压确定零序电流突变时刻startX_I；

判断电压和电流突变时刻同步性：零序电压与零序电流突变时刻如果同步，则以电压突变时刻作为故障时刻startX，进行后续判断；

如果不同步，看电流突变时刻后是否还有一个周期的波形，如果有，则变更电压突变时刻为电流突变时刻startX＝start_I，以新的突变时刻startX作为故障时刻进行后续判断；

如果电流突变时刻到波形结束不够1个周期，则认为界内无接地故障，接地故障判断结束；

瞬时性接地故障判断：取零序电压故障点后1个周期的数据，据本周期数据重新计算直流量；再计算零序电压故障后首半周期均方根sbzqJFG和次半周期的均方根值cbzqJFG，通过两个均方根值比较判断是否为瞬时接地故障；

如果sbzqJFG>cbzqJFG*1.5，则认为是瞬时接地故障，瞬时接地故障情况下，仅考虑零序电流突变比例DLBHBL,DLBHBL＝TZ_I/ZC_I，如果DLBHBL>4则认为有瞬时接地故障，否则认为无瞬时接地故障，接地故障判断结束；

判断零序电流半周期突变比例：取故障点后半个周期计算均方根得到突变后半周期电流TBHBZQ_I，如果小于正常值ZC_I的2倍，则认为无故障，接地判断结束；

故障后半个周期内的零序电流值应超过正常情况零序电流的2倍，否则认为无单相接地故障；

如果TBHBZQ_I>＝ZC_I*2，则根据零序电压和零序电流相位关系判断接地故障；

根据零序电流及零序电压的基波和高次谐波进行故障判断：

首先看有效高次谐波是否明显，以暂态功率方向判断为主，暂态功率过小则按基波相位判断。

更进一步地，所述根据零序电流及零序电压的基波和高次谐波进行故障判断包括：

计算零序电流和零序电压的0～26次谐波，计算各次谐波的幅值和相位角，幅值为当前谐波与基波幅值的比值；

计算零序电压故障后第一个周期均方根值TBHU0JFG，计算A相电压故障后第一个周期均方根TBHUAJFG，计算接地后零序电压比例JDU0_BL＝TBHU0JFG/TBHUAJFG；

计算高次谐波含量

电流5～15次谐波为有效高次谐波，计算有效高次谐波总含量YXGCHL；

电流16～26次谐波为无效高次谐波，计算无效高次谐波总含量WXGCHL；

对电流计算总高次谐波含量ZGCXBHL＝YXGCHL+WXGCHL，高次谐波含量比，有效高次谐波含量与无效高次谐波含量的比例，GCXBHLB＝YXGCHL/WXGCHL；

按零序电压确定特征谐波次数

特征谐波次数Utzxb_CS默认为1；查看零序电压3～6次谐波的幅值，找出最大幅值的谐波，该幅值为特征谐波幅值Utzxb_FZ，如果零序电压比例JDU0_BL>0.01，且零序电压特征谐波幅值Utzxb_FZ>0.1，则特征谐波次数变为3～6次谐波中最大幅值谐波对应的谐波次数；

计算特征次数谐波Utzxb_CS对应的零序电压与零序电流的相位差Utzxb_XWC；

确定接地判断相位差PD_XWC，如果特征谐波次数为1，则PD_XWC为零序电压与零序电流基波的相位差，如果否则为特征谐波相位差；

确定接地故障相位差上下限，接地故障回路为阻性或感性回路，非接地故障回路为容性回路；配电网有多条出线的情况下，非故障线路零序电压滞后于零序电流0～90°，故障线路零序电压超前零序电流0～90°；考虑高阻接地及弧光接地等复杂接地情况，当特征谐波次数为1时，故障线路相位差范围取30°～225°；当特征谐波次数大于1时，考虑高次谐波中容性电流占比大于基波的情况，故障线路相位差范围取30°～180°；

根据高次谐波含量ZGCXBHL分情况判断接地故障

如果总高次谐波含量ZGCXBHL小于3，根据特征谐波相位差判断是否发生了接地故障；第一步：根据总高次谐波含量重新确认特征谐波，如果总高次谐波含量小于1，则强制令特征谐波次数回到基波，并改变相应的相位差判断范围；第二部：根据特征谐波对应的相位差是否在接地故障相位差范围内，特征谐波相位差在故障相位差范围内，则判断为接地故障，否则无接地故障；

如果总高次谐波含量ZGCXBHL大于3，高次谐波含量比GCXBHLB低于1.8，且有效高次谐波含量低于4，则说明无效高次谐波占比较大，认为是空载线路合闸，按判断相位差PD_XWC进行故障判断；如果相位差不在故障范围内，则认为无接地故障；如果相位差在故障范围内，避免空载线路合闸误动的情况，还需要判断零序电流的直流量I0_ZL；如果I0_ZL<1则，认为发生了接地故障；如果I0_ZL>＝1则无接地故障；

如果总高次谐波含量ZGCXBHL大于3，有效高次谐波含量比GCXBHLB>＝1.8或有效高次谐波含量高于4，则说明有效高次谐波占比大，计算故障后半周期内高次谐波暂态功率方向系数ZTGL；暂态功率方向系数大于0.2，则认为界内有接地故障，否则无接地故障。

更进一步地，所述配电网单相接地故障综合判断方法，还包括：

暂态功率方向系数ZTGL计算方法：

取故障后1个周期的采样数据，滤除0～4次谐波，再去除直流部分；

设置暂态功率方向值ZTGLFX＝0，对滤波后的采样数据取前半个周期值进行计算，比较电流波形过零点时电压波形采样值正还是负，电压为正则电压超前电流，ZTGLFX加1；电压如果时负值，则为滞后，ZTGLFX减1，最后的结果除以过零点次数M，则为最后的暂态功率方向系数ZTGL＝ZTGLFX/M。

本发明的优点：

本发明的系统和方法，增加了对零序电压变化明显，而零序电流变化不明显的情况的判断，减少了界外接地误动的可能性；

在间歇性接地的情况下，第一次零序电压变化，而零序电流变化不明显的情况下，增加了对零序电流在录波期间第二次突变点的判断，减小了间歇性接地故障拒动的可能性；

对瞬时性接地故障情况，采用零序电流均方根方式计算零序电流图变量，根据图变量比例确定是否界内发生了瞬时性接地故障，减少了瞬时性接地拒动的可能性；

对持续性接地故障零序电流变化特别小的情况，采用零序电流突变后半周期均方根与故障前零序电流比较的形式判断，减少了界外接地故障误动的可能性；

对类似空载线路合闸的情况，用有效高次谐波与无效高次谐波含量进行区分，增加了零序电流直流量闭锁判断，减小了空载线路合闸误动的可能性；

增加了对零序电压3、4、5、6次谐波占比的判断，根据各次谐波含量比例确定用哪次谐进行角度差的判断，减小了在零序电压谐波含量较低的情况下，利用谐波角度差判断接地误判的可能性；

对接地后暂态功率方向的判断，采用零序电压与零序电流比点，实现相位判断的方法，减小了暂态功率计算的工作量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明的配电网单相接地故障综合判断系统电路原理框图；

图2是本发明的网口模块电路原理图；

图3是本发明的主板电源电路原理图；

图4是本发明的电源接口电路原理图；

图5是本发明的主板与直流小板接口原理图；

图6是本发明的FTU模数转换模块原理图；

图7是本发明的主板与线损模块通信电路原理图；

图8是本发明的调试接口和4G模块接口电路原理图；

图9是本发明的显示面板部分通信接口原理图；

图10是本发明的开关量输出及反馈电路原理图；

图11是本发明的开关量输入电路原理图；

图12是本发明的GPS模块电路原理图；

图13是本发明的蓝牙模块电路原理图；

图14是本发明的相电流互感器和零序电流互感器接线原理图；

图15是本发明的零序电流放大电路原理图；

图16是本发明的相(线)电压测量电路原理图；

图17是本发明的零序电压互感器接线电路原理图；

图18是本发明的电压信号放大电路原理图；

图19是本发明的电源接入电路原理图；

图20是本发明的残压小板接口电路原理图；

图21是本发明的显示面板单片机部分电路原理图；

图22是本发明的显示面板部分电源电路原理图；

图23是本发明的显示面板部分人机接口电路原理图；

图24是本发明的显示面板与主板的通信接口电路原理图；

图25是本发明的直流小板单片机部分电路原理图；

图26是本发明的残压小板单片机电路原理图；

图27是本发明的残压小板通信及电源接口电路原理图；

图28是本发明的残压小板电源电路原理图；

图29是本发明的残压小板线路电压采集电路原理图；

图30是本发明的线路来电唤醒电路原理图；

图31是本发明的接地故障零序电压波形图；

图32是本发明的接地故障零序电流波形图；

图33是本发明的某界外发生接地故障FTU测得零压、零流波形图；

图34是本发明的某瞬时性接地故障时零序电压的波形图；

图35是本发明的某瞬时性接地故障零序电流波形图；

图36是本发明的FTU接地算法第一流程图；

图37是本发明的FTU接地算法第二流程图；

图38是本发明的FTU接地算法第三流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明将算法应用到符合国网一二次融合标准的FTU设计中，通过高精度的电流、电压采样电路，实现线路各相电流、零序电流、线电压及零序电压的采样；在零序电压突变的触发下，自动实现电压和电流的采样录波，采样频率为6400(每个工频周期采样128个点)，录波文件包括4路电流和3路电压，故障前记录4个周波，故障后记录8个周波；零序电压突变触发的录波完成后，FTU自动对录波数据进行分析，确定FTU所在的线路是否发生了单相接地故障，计算完成后根据FTU设定发出报警或跳闸信号。

FTU实现单相接地故障判断的过程

在实际应用中，FTU和柱上断路器配合使用，接受柱上断路器及配套传感器发来的线路电压、线路电流、断路器开关状态等信息；当线路发生单相接地故障后，配电网零序电压升高；FTU利用零序电压突变启动录波，录波完成后，单相接地故障分析程序启动，对所录波形进行分析，实现对接地故障的判断，如果判断到本FTU负荷侧发生了接地故障，则该FTU发出报警或跳闸信号；报警信号发送给调度中心，由调度中心进行后续的故障处理；跳闸信号直接控制配套的柱上断路器，跳开故障线路。

FTU电路板说明

一、FTU功能总体设计

本产品参照“国家电网12千伏一二次融合柱上断路器及配电自动化终端(FTU)标准化设计方案(2021版)”设计，具体为“电磁式”柱上断路器的罩式馈线终端，总体要求如下：

1.终端采用可扩展设计，电源采用专用电源模块，220V交流供电，铅酸电池作为后备电源。

2.具有网络通信和串口通信功能不少于两个网口，两个串口；可通过无线通信模块(4G模块)进行远程数据交互；与主站通信的数据传输规约应符合DL/T634标准的101/104标准。

3.终端采用平台化硬件设计并适应边缘计算构架。

4.采用内嵌国密算法的安全芯片，实现与主站数据的加密传输。

5.整机功耗不大于30VA。

二、电路板模块及分工

1.模块设计

整个FTU包括三个大模块：主板模块、传感器及电源接入模块、显示模块。还不包括CPU核心板模块、直流采样模块、加密模块、残压判断模块、显示屏模块等几个小的模块版，FTU电源来自专用电源模块，FTU功率计算采用专用的功率计算模块(线损模块)，各模块关系如图1所示。

2.各模块功能参考图2至图30

1)主板模块：

主板模块是FTU的核心模块，完成FTU的全部计算功能，主单片机采用“STM32H743IIT6”，开发初步采用正点原子官网的核心板；该单片机工作主频可以达到480MHz，能够满足FTU的运算和控制要求；完成功能有：模块供电电路、模拟量采集、开关量采集、控制输出、FTU功能算法、网络通信、串口通信等，包括一下几个部分：

(1)核心板接口：完成与STMM32H743核心板的连接。

(2)网络通信接口：需要设计两个网口，采用两个W5100S网口芯片，网口芯片与主单片机间采用SPI接口通信，为保证通信安全可靠，网络芯片与外接网口间采用HX1188NL网络隔离变压器接口芯片，网口采用标准的RJ45接口。

(3)模块供电电路：主板模块供电和FTU操作输出电源均来自专用电源模块的24V电源，核心板和其他元器件部分需要3.3V和5V供电，合闸、分闸及储能等输出部分需要24V直流输出，各个通信接口需要为了达到抗干扰要求需要采用隔离电源，因此，模块供电电路由将24V变为5V的隔离电源部分、5V到3.3V的降压电源部分和5V到5V的隔离电源组成。

(4)模拟量采集电路：本装置模拟量采集选用16位的8路同步AD芯片实现，为了实现与主单片机的高速通信，AD芯片与主控单片机间采用FMC总线实现并行通信，AD输入的范围选±5V，各个传感器测量输出值经过运算放大器将信号放大到AD匹配的量程范围；8路模拟量输入实现IA、IB、IC、I0、UA、UB、UC、U0的模拟量到数字量的转换，对于电磁型柱开的FTU，UB不需要测，可以用该模拟量通道辅助实现小幅值零序电流的高精度测量。该电路部分运算放大器需要-5V电源，因此模拟量采集电路中需要设计一个-5V电源电路，本电路中采用5V到5V的隔离电源实现。

(5)通信接口电路：核心单片机需要与外围设备通信，该通信主要是通过串口实现，通信的外设有：线损模块、外部调试串口、4G模块通信串口、显示模块接口、直流采样板通信接口、GPS通信接口、蓝牙通信接口；共用到了7个串口，除了GPS通信接口和蓝牙通信接口外的其他5个串口都需要通过PI121U31实现通信隔离，同时为配合隔离芯片工作，需要用到5V到5V的隔离电源，主板上串口通信部分共用了3个5V/5V隔离电源芯片。调试串口、4G模块串口和线损模块串口都需要232接口电平，因此这3个串口需要用到SP232接口芯片。

(6)控制输出电路：FTU需要控制柱上开关实现分闸和合闸操作，这部分需要继电器控制24V输出，设计中主单片机控制光电耦合器，再通过光电耦合器控制继电器实现合闸和分闸信号的输出，为了实现输出控制的安全可靠，还需要设计相应的闭锁和反馈电路；要求能够实现组合逻辑控制输出，防止复位或电压波动等情况出现误动，该功能通过与非门实现；还要能够实现开出回路的自检、机构线圈的自检等功能；按照新型标准化FTU的要求，要能够实现合分闸电流、电压的检测，因此需要设计相应的模拟量测量电路。

(7)GPS/BD定位电路：该部部分实现设备的定位和GPS/北斗对时，采用L26C模块实现此功能，GPS模块需要设计秒脉冲连接主单片机，该部分蓝牙模块我们选用了移远通信的L26C模块，与主单片机之间通过串口通信。

(8)蓝牙模块：蓝牙模块是实现就地无线维护功能的模块，需要具有加密码功能，本设计中选用智芯微电子的SC1475A4模块，该模块与主单片机之间也是通过串口通信。

(9)开关量输入电路：FTU开关量输入分位四类，第一类是开关本体上的开关量输入，包括分位、合位、未储能和低气压闭锁等四个状态开入；第二类是面板控制旋钮的输入，包括自动、手动分闸、手动合闸(复位)三个开入；第三类是面板的开入，包括按钮复位、远方就地切换、保护投退等三个开入；第四类是开出部分的反馈，包括控制回路反馈、合闸线圈回路断线反馈和分闸线圈断线反馈等，共13个开入信号。电源模块的电源状态及活化状态等的反馈由直流小板检测，并通过串口送给主单片机。

(10)其他辅助电路：包括时钟电路、加密小板接口电路、温湿度测量电路、看门狗电路、声音报警电路等。为了获得高精度时钟，本装置时钟电路采用的是8025T时钟芯片。看门狗电路采用STWD100NY芯片，温湿度测量采用SHT30芯片，声音报警采用蜂鸣器实现。

(11)直流采样小板接：直流采样小板是附着与主板的一个单独电路板，该板子功能是通过一个单独的单片机测量24V直流部分的电压和电流信号，通过串口将这些信号送给主控单片机，选用一个GD32F303单片机实现这部分的控制和计算功能；这部分的供电采用一个5V/5V的隔离电源从主控单片机侧提供，与主控单片机间通过通信隔离芯片实现，防止对主控单片机造成干扰。直流小板部分除了测量所有直流量外，还要实现电源模块的状态检测和工作装配配置。

2)传感器及电源接入模块

传感器及电源接入模块的第一个功能是传入一次模拟信号，是接收一次系统的大电压和大电流信号，并通过电压互感器和电流互感器实现电气隔离，并将大电压、电流信号变换为后边检测电路识别的小信号，通过滤波放大等电路，将信号变换为后边AD转换电路可识别的电压信号。

该板的第二个功能是为电源模块引入外边220V电源信号，并且要实现两路电源互为备用。

该板主要包括以下电路：

(1)传感器部分：

传感器包括3个相电流传感器，该传感器选用5(100)/2.5mA的互感器，要求测量范围0～50A，适用于一次侧600/5A一次电流互感器的情况；一个零序互感器，该互感器选用1(10A)/2.5mA的互感器，便于测量小电流的情况，要求测量范围0～10A，适用于一次100/1A互感器情况。相电压互感器2个(A相和C相)，采用2mA/2mA的电流型电压互感器，适用于100V输出一次电压互感器情况；零序电压互感器采用10V/3.53V该阻抗电压互感器，输入阻抗要达到2M欧以上，适用于一次为电子式零序电压互感器情况。

(2)放大器部分：

放大器部分的作用是将传感器输出的电压信号转换为后边电路匹配的电压信号，另外实现互感器的阻抗匹配，因为电流互感器的负载要求不能大于20欧，如果不采用运算放大器，则互感器二次侧信号很弱，AD转换会有比较大的误差；设计中选用的运放是2片LM324芯片，可以实现8路的运放；由于对于电磁式柱开的FTU，B相电压不需要测量，为了实现小零序电流的准确测量，零序电流测量电路用了2级运放，用了两个模拟量输入通道，详情参见后边的电路图。

(3)电源接入部分：

电源接入的功能是实现两路电源的切换，柱上开关分别从两侧取电，一侧用AB，另外一侧用BC，不论哪侧有电FTU都需要正常供电；这部分电路设计一个继电器实现供电切换，如果BC测无电则切换到AB侧取电，一旦BC侧来电则通过继电器切换到BC侧取电。

(4)残压小板：

在传感器与电源接入板上设计一个残压测量小板，当FTU失去电源时，残压小板在其自身后备电池的供电下工作，检测故障后残压情况，实现故障的残压闭锁功能；残压闭锁可以通过测量100V测电压实现，也可以通过测量220V测电压实现。

3)显示模块

本装置采用1.54寸12864OLED显示屏，因为显示部分的工作量比较大，还需要按钮和指示灯的状态显示，因此，在这部分设计了单独的(GD32F103)单片机来控制；显示屏需要一个单独的小板，以便显示屏位置与FTU壳体配合。

显示部分除了基本的显示及按钮功能之外，还要满足FTU显示面板的其他功能，包括：运行状态显示、电池投退控制、按钮复位控制、远方/就地运行方式切换、保护投/退切换；对外接口有4G模块接口(网口2和串口2)、调试脉冲接口(串口1和线损模块接口)、还要留出硬压板跳线的位置。

显示部分设计要注意各个元件的位置，要与显示面板匹配，布局要符合标准化FTU的要求。

3)电源模块和线损模块

电源模块选用南京信达的XDP-27300A模块，不同厂家电源模块接口有区别，组装时要注意接口的顺序定义。

线损模块选用厦门四信的F-PIC100线损模块。

三、各模块详细设计

1.主板设计

主板以STM32H743单片机为核心，设计相应的外围电路实现整个FTU的主要功能，主板分为一下模块：

(1)核心板模块

(2)网口模块

(3)电源模块

(4)AD转换模块

(5)通信模块

(6)开关量输出模块

(7)开关量输入模块

(8)GPS控制模块

(9)蓝牙通信模块

(10)温湿度检测模块

(11)加密处理模块

(12)实时时钟模块

(13)看门狗电路模块

(14)状态显示模块

1)核心板模块

FTU核心板主单片机为STM32H743IIT6，与FTU主板间接口为两个2*30的端子。核心板采用5V供电，由其上边的3.3V线性稳压电源转换为3.3V为单片机及其他芯片提供电源，核心板上除了电源电路、复位电路、晶振电路之外，还扩展了RAM和ROM，扩展电路芯片及型号如下：

表1.核心板外围资源

序号	类型	型号	容量(Byte)
				1	SDRAM	W9825G6KH	32M
2	NAND FLASH	MT29F4G08	512M
				3	EEPROM	AT24C02	256
4	SPI FLASH	W25Q256	32M

主单片机STM32H743IIT6有丰富的内部资源和很高的运算性能，内如FLASH有2048KB，内部SRAM有1024KB，工作主频为400MHz，选用主频晶振为25MHz。

2)网口模块

FTU要求设计2个网口，我们采用W5100S实现10M/100M网口功能，该芯片与W5500相比，优点是具有极性自适应功能。该芯片具有硬件TCP/IP协议栈，具有高速SPI接口，方便与单片机通信。

本设计中需要两个网口，因此用到了两片W5100S，两部分电路相同。

该电路实现了网口1功能，网口芯片W5100S与单片机采用3.3V供电，但是需要数字电源和模拟电源，在本设计中为了保证模拟电源稳定，高频通信信号不影响其他电路，在电源部分采用了一个4.7uH电感实现模拟电源与数字电源的隔离。

图中+3.3V为数字电源，+3.3VA0为模拟电源。

W5100S与单片机SPI1接口连接实现通信，SPI接口的上拉电阻作用是防止高频通信时发生震荡，提高数据通信的稳定性；该芯片的RSTn管脚功能是复位W5100S芯片，单片机通过I/O口控制该管脚实现控制网口的工作。

中间HX1188NL芯片是一个网络隔离变压器，它实现网口与内部芯片的隔离，网络通信为差分信号有两个根入线RX和两根输出线TX；隔离变压器线路侧匹配电阻为75欧，隔离变压器芯片侧匹配阻抗为49.9欧。

图中最右侧接口为标准的RJ45网线接口，下方芯片为一个保护二极管芯片，其它部分为辅助电路。

3)电源模块

FTU的电源由标准电源模块供电，本设计中选用的标准电源模块是南京信达尚品的XDP-27300A电源模块；但是电源模块输出电压为24V，不能直接用于单片机及外围电路供电，电源模块部分电路实现功能如下：

(1)隔离和降压电路

该部分的功能是将标准电源模块电压变换为单片机需要的电压，并实现隔离。具体电路如图3所示。

图中主要用到了金升阳公司的URB2405YMD-10WR3模块，该模块可以将24V电压降压为5V输出，并且实现两侧的隔离；隔离电压为1.5KV，模块额定功率为10W，可以满足FTU的工作要求；在FTU主板上部分芯片电路需要5V电压，还有大部分芯片和电路需要3.3V电压，因此，在5V输出有加了一个AMS111703.3将5V电压降压为3.3V，该芯片可以实现800mA的输出，能够满足FTU主板上3.3V电路供电的需要。

在主电源模块左侧设计了保护电路，期中R108是一个56V压敏电阻，其作用是防止雷击浪涌电压；T1是一个共模电感，它可以有效降低工模干扰对电源模块的冲击，后边的两个电容起滤波作用；输入回路串两个电阻R1和R5作用是消除冲击干扰对电源模块的影响；最右侧的发光二极管D+3.3V的作用是指示电源工作是否正常。

(2)电源接口电路

该部分的功能是实现电池、法拉电容、标准电源模块等的接口，接口如图4所示。

FTU中除了采用电源模块作为主供电电源之外，还用24V蓄电池作为后备电源，图中P5就是与电池模块的接口，在正常情况下，该接口接通外部电池，给电池充电；当主电源失电时，电池输出电能给维持FTU的工作。

在标准化FTU的要求中，FTU面板上的调试接口处有24V电源的输出，图中P24就是实现了24V电源的面板电源输出功能，该接口通过连线接到显示面板，实现24V电源输出。

在以上两个接口的入口处并联了一个56V的压敏电阻，实现外部雷击浪涌电压的抑制，保护内部电路。

在标准化FTU设计要求中，除了蓄电池作为后备之外，还要求在主电源失电并且蓄电池断开的情况下能够工作实现一次的跳闸操作，为满足此功能，电路板上还需要设计一个超级电容，图中P_FLDR接口就为是接超级电容设计的，本设计中可以接24V/1.5F的超级电容，正常情况下通过R23和R24为超级电容充电，在其他电源失去时，超级电容通过D39二极管放电输出，为FTU提供电源。

其中，3(COM)接口在不引出的情况下为电源负端，10口接铅酸电池，实现铅酸电池的充电并接收电池电能的反送电。

电源模块的+24V输出和负端(地)之间并联了一个56V压敏电阻，其作用是防止雷击浪涌电压对内部电路的影响。

(3)实现直流部分的电压电流测量。

在标准化FTU设计要求中，要求测量直流部分的电压、充电电流、合分闸电流、储能电流等数据，在本设计中这些量的测量用了一个单独的“直流小板”实现这些参数的测量功能，主板上设计了与直流小板的接口如图5所示。

直流小板要能够与主单片机之间进行通信，实现将采样录波数据传送给主控单片机，上图中P3就是实现与主控单片机通信的功能，其各个接口功能如下：

直流小板还要能够控制电源模块，实现电源模块的启、停，以及是电池活化等功能，还要能够实现读取电源模块状态。

(4)直流小板电路

直流小板采用GD32F303单片机为核心的测量控制电路，实现了10路模拟量采样，4路的开出控制，3路的状态采集；通过串口与主控单片机通信，还有接受主控单片机的启动录波控制和复位控制，与主控单片机直接采用PI121U31实现电气隔离。直流小板模块供电来自主板上的线损模块通信电路输出的5V电压，在直流小板上需要转换为3.3V共小板使用。

4)AD转换模块

AD转换模块是FTU主板的核心部分，FTU的绝大部分功能都需要在精确的电流电压采样基础上实现，本设计中FTU的模数转换电路采用8路16位同步AD芯片AD7606为核心完成，电路如图6所示。

AD7606采用5V供电，可以实现±5V或±10V的输入量的AD转换，实现8路同步采样，分辨率为16位。

图中右上角的L4实现AD7605的5V模拟电源与数字电源的隔离，防止数字信号对模数转换的影响；图中AD7606的8脚(RANGE)连接到地，表示设置测量范围为±5V；6脚接地表示采用并行通信形式，本设计中采用16位并行通信读取AD结果，保证告诉采样。

左下角的P_V_I是AD7606采集模拟量的输入接口，共输入8路模拟量，同时该接口中16和18脚用于“残压闭锁小板”通信；传感器和残压闭锁小板都在传感器与电源接入板上。在传感器与电源接入板上设计了运算放大器，运算放大器芯片需要±5V电源，因此，在此接口上有+5V电源和-5V电源。

5)通信模块

通信模块的功能是实现主单片机与外围电路的通信，主控单片机需要完成的通信功能如下：

(1)与线损模块通信。

(2)与直流小板通信。

(3)与GPS模块通信。

(4)与蓝牙模块通信。

(5)与残压小板通信。

(6)与显示面板通信。

(7)与GPS模块通信。

(8)与面板调试接口通信。

与线损模块通信电路如图7所示。

主板与线损模块通信实现线路功率等数据的读取，线损模块的电压为24V，为了防止干扰主控单片机，需要实现电气隔离。

图中GL4是通信隔离芯片PI121U31，它实现TTL电平的串口通信隔离；线损模块通信接口为RSC232电平，因此用了SP232芯片将TTL电平转换为232接口电平；为了实现线损模块侧的芯片供电，采用了XL7005A将线损模块侧24V电源降压为5V，同时这个电源还为直流小板部分供电。

调试和4G模块通信接口电路如图8所示。

按标准化FTU要求，面板上需要一个RS232调试接口，与4G模块通信也需要一个串口，上图电路就是完成这两部分通信功能，电气隔离芯片仍然采用PI121U31，供电采用主板的5V经过DC/DC隔离电源F0505S实现。RSC232接口处用双向瞬态抑制二极管SMA18CA进行入口保护。

显示面板部分接口如图9所示。

FTU的显示面板实现参数和测量值的显示，并实现配置和控制等功能，与主板之间通过串口通信，主单片机通过串口4实现了与显示面板的数据通信，隔离方案与4G模块部分相同，显示面板和主板都采用TTL电平通信，因此不需要232接口芯片。

6)开关量输出模块

开关量输出模块主要功能是实现分合闸控制，用于控制机构上的断路器分闸或合闸，机构操作电源为24V，因此开关量输出部分需要输出电源；这部分设计的要点是要保证可靠性，电路如图10所示。

图中两个主继电器K2和K4分别实现合闸、分闸输出功能，另外两个辅助继电器K1和K3分别实现输出闭锁和输出允许功能，他们都是24V供电的继电器。

为了实现输出控制的组合逻辑，防止在复位或电源电压波动时继电器的误动，图中，通过74HC132与非门和三极管Q6实现了复合控制逻辑。

合闸的控制逻辑是：

(1)闭锁继电器不动作。

(2)允许继电器动作。

(3)合闸继电器动作输出。

分闸的控制逻辑是：

(1)闭锁继电器不动作。

(2)允许继电器动作。

(3)分闸继电器动作输出。

在运行中主程序定期循环自检，一旦发现FTU工作不正常的情况，则闭锁继电器动作，防止误输出。

在允许继电器不动作的情况下，可以通过“光耦及继电器反馈”电路实现对光耦及继电器回路的自检。

图中“合闸回路断线反馈”和“分闸回路断线反馈”电路的作用是检测机构上的分合闸回路是否有断线的情况。

图中左上角的4个分压电阻是实现分闸和合闸输出电压的检测，实现分合闸录波功能。

7)开关量输入电路

开关量输入电路的作用是实现机构及FTU内部开关量状态的检测，FTU通过开关量输入回路感知设备的工作状态，并接受操作人员的控制命令。

开关量输入电路处理了3类开关量：

(1)台体的状态：分位输入、合位输入、未储能输入、低气压闭锁输入。

(2)面板控制状态：手动复位、远方就地切换、保护投退切换。

(3)旋转控制按钮：手动控制分闸、手动控制自动、手动控制合闸或复位。

(4)开出回路反馈：合闸线圈断线反馈、分闸线圈断线反馈、控制继电器部分反馈。

共13个开关输入量，图中用了两个74H245实现开入与单片机IO口的接口，通过该芯片，用单片机9个IO口可以实现16路开入量读取；图中台体的开入部分由于接到了外部端子，为了进一步提高抗浪涌干扰的能力，用了一个24V/24V的隔离芯片实现对台体开入部分的24V输出。

8)GPS和蓝牙模块电路

GPS电路功能是实现定位和对时，设计中用的模块为移远公司的L26C模块，该模块具有GPS/BD双模定位对时功能，采用串口与主控单片机通信，为了降低功耗和提高电路的工作可靠性，设计了对期电源的控制电路，采用开关三极管AO3041实现对带模块供电控制。

蓝牙模块选用的是智芯公司的SC1475A4蓝牙模块，该模块具有国家电网要有的具有加密功能的蓝牙通信功能，该模块主要用于实现手持设备的调试和配置FTU。

9)其他电路模块

主板上除了以上模块外，还有RTC时钟电路、加密小板接口、温湿度测量电路、看门狗电路、声音提示电路等。

2.传感器及电源接入板

FTU的主要功能就是测量准确测量线路的电压电流，根据电压电流数值实现各种保护和相关控制，传感器及电源接入板的作用是将一次互感器输出的大电流和电压转换为小信号，为后边电路实现模数转换提供前提条件。

1)电流互感器接线

图14中左侧为相电流互感器，采用的是5(100)/2.5mA穿心型互感器，适用于一次侧为600/5互感器的情况，一次侧流过5A电流时，二次侧输出2.5mA电流，二次侧两端接到后边的运算放大器，由运算放大器将电流信号转换为电压信号，这样可以降低互感器的输出负载，提高测量的精度。

图15中D1和D2是一个双向二极管，其作用时保护运算放大器，防止输入电压过高孙环放大器；互感器二次侧两端分别用并联的电阻和电容接地，其作用一个时滤波抵抗共模干扰，第二时提高采集电路抗共模干扰能力。

零序电流互感器变比为1(20)/2.5mA，与相电流互感器变比不同，这是因为量程不同，零序电流互感器接的一次互感器变比为600/1，额定值1A，最大测量值为10A，采用变比小一些可以提高零序电流的测量精度。

2)电流信号放大电路

零序电流放大电路的作用是通过适当的反馈电阻将电流互感器输出的电流信号转换为合适的电压信号，相电流额定输入为5A，最大测量值为50A；零序电流额定值1A，最大测量值10A，在相电流输入最大值时，二次侧电流为25mA；本设计中要求输入到后级AD电路的电压范围为±5V，据此可以计算出反馈电阻，公式如下：

因此，在上述运算放大电路中反馈电阻取140欧，零序电流在输入最大值时，互感器输出电流也是25mA，一次反馈电阻与相电流的相同。

3)相(线)电压测量电路

对于电磁式FTU仅需要测量UAB和UCB电压，一次侧电压互感器输出额定值为100V，因此需要用一个中间电压互感器将该电压信号降低，本设计中选用的时2mA/2mA的电流型电压互感器；该互感器一次侧串一个100k电阻，这样将100V电压变换为1mA的电流，该电流会按照1:1的比例变换到二次侧；在二次侧接线和前面的电流互感器接线相同。

4)零序电压测量电路

FTU零序电压互感器的一次侧为电子式零序电压互感器，一次输入为相电压时二次输出值为6.5V，因此选用了10V/3.53V的高输入阻抗电压互感器，设计时按一次零序电压不超过相电压考虑，因此二次最大值为：6.5*3.53/10＝2.29(V)。

按这个电压，二次侧不需要在进行放大，但是为了阻抗匹配，降低AD转换部分的负载的影响，在零序电压互感器后也接了运算放大器。

电压互感器输出端接了一个8.5V的双向TVS管，其作用是防止再有强干扰情况下的过高输出对后边电路的影响。

5)电压信号放大电路

在电压信号放大电路中，实现了A相电压(实际为UAB)和C相电压(实际为UCB)的放大，电压测量范围最大值设置为200V，及测电压的电流互感器最大输出电流为2mA，因此，为了保证变换后电压不超过±5V，反馈电阻计算如下：

因此，在设计中我们选用了1.6k欧的反馈电阻。

对于零序电压的测量，上图中用了放大倍数为1被的单运放差动放大的形式，输入电阻和反馈电阻都是1k欧。

上图中的第四个运放(I4+、I4-、O4)实现了零序电流电压的二次放大，这部分电路的输入电压为前面零序电压放大输出值，其构成了一个10倍的反向运算放大器，再次放大的目的是满足FTU测量小零序电流的要求，实现更加可靠的单项接地故障检测功能。采用这种电路情况下，当一次侧零序电流为1A时，这里的输出I0X对应电压为：

此电压对应的AD转换结果为：

数字量化误差不超过(1/458.7)≈0.2％，能够保证比较高的测量精度。

6)电源接入电路

电源接入电路的功能是实现两侧电源的互为备用，FTU的A相和C相电压分别接到开关的两侧，保证FTU只要一侧有电压就可以获得电能。

图19中右下角端子为外接端子，1、4接外部电源(一次侧电压互感器)的N端，3接外部电源的A相输出，3接外部电源的C相输出；左侧端口为输出端口，接到标准电源模块；中间的220V交流继电器实现两侧电源的切换。

当UA有电时，继电器线圈得电，继电器输出触点1、4分别接通3和6，则输出端口P1接通A相电源；当UA失电时，继电器线圈不动作，则继电器接通C相电源，从而实现了电源切换。

7)残压小板接口

残压小板实现残压闭锁功能，当FTU失电的情况下，一侧来电的情况下，可以进行来电初期的线路电压检测，判断是否符合残压闭锁功能。

残压闭锁小板有两路电源，一路来自传感器板过来的5V电源，另外一路来自3.6V备用电池，实现当主电源失电时3.6V电源无缝接入。

残压小板有两个接口，P1实现与FTU传感器板通信和电源接口，P2实现与传感器板上线路电压(电压互感器、220V电源)的接口。

3.显示面板

显示面板的作用时提供人机操作界面，同时完成标准化FTU需要的各种接口，该电路板采用的单片机是GD32F103C8T6，与主控单片机之间通过串口实现数据传输；电源来自主板上的5V/5V的隔离电源，显示面板电路主要包括一以下部分：

1)单片机部分

单片机选用型号为GD32F103C8T6，采用8MHz外部晶振，工作主频为72MHz，图中右下角的接口为烧录口，左上角的显示二极管的作用是显示单片机的工作状态，设计时单片机各个电源管脚附近都并接了电容，提高单片机工作电源的稳定性，提高抗干扰能力。

2)电源电路

显示面板有主板的5V/5V隔离电源供电，但是单片机要求供电为3.3V，因此这里用AMS1117-3.3实现降压供电。

3)人机接口

人机接口电路包括工作状态指示二极管、操作按钮和显示平，本设计中显示屏采用的是中景园的1.53英寸OLED显示屏。

4)其他面板接口

其他接口包括标准化FTU需要的对外网口、4G模块接口、控制按钮接口、控制工作状态的拨动旋钮接口、状态显示接口以及与主板的接口等，图24为显示面板与主板的通信接口：

显示面板与主板的通信接口的管脚排布与前面图9中，主板向下的接口是相同的，他们之间通过端子插接的形式连接。

4.直流小板

直流小板的作用是实现FTU直流部分的电压电流的测量，该部分选用GD32F303单片机实现，电路如图25所示。

1)单片机部分

单片机选择为GD32F303CGT6，该单片机具有较大的内部RAM，能够满足通信过程中的缓存要求。用到了单片机的10路AD，实现相应直流量的测量；通过单片机的串口1实现与主控单片机的通信。

5.残压小板

残压小板的功能时在FTU失电的情况下，当一次线路单侧来电的初期，实现对线路电压的判断；这种情况下，残压小板要能够利用自身的备用电池判断线路来点情况是否符合残压闭锁条件，一旦检测到残压闭锁条件，则记录此状态，当FTU主板启动后，可以读取此状态，按照闭锁情况做出反应，实现FA逻辑中的残压闭锁功能。

残压小板采用HC32L110C4PA单片机为核心，包括以下电路：

1)单片机电路

为了便于焊接和维修，单片机部分做成了一个独立小板，采用插针与残压小板连接，上图中时插针接口的定义，图26中发光二极管显示其工作状态；单片机利用内部的基准电压实现AD模数转换，同时也可以判断电源时来自主板的5V电源，还是来自与3.6V的电池，当电源来自5V电源时，通过该指示灯闪烁可以判定其工作状态；当电源来自3.6V电池时，该指示灯熄灭，从而节约电池电能。

单片机用到了一个串行通信接口、一个中断唤醒接口和两个AD采样接口。

2)通信及电源接口

残压小板从传感器板获得5V电源，也可以通过自备3.6V电池获得电源，由于残压小板尺寸受限，因此电池也放在了传感器板上，因此，该接口中也接入了电池电压。

图27中隔离芯片PI121U31实现残压小板与FTU主板部分的隔离，从而提高抗干扰能力。

3)电源电路

该电路实现主板来的5V电源和小板内部电源的隔离，还实现两路电源的切换，隔离采用的时5V隔离电源模块，输出5V电压；本设计中单片机供电是宽范围的，5V～3V电压都可以工作。

右侧的二极管实现两路的电源的互为备用，二极管为肖特基二极管，工作压降0.3V，当有5V电源时D2导通，D1截止，这时不消耗电池能量；当5V电源消失时，3.6V工作；单片机可以通过采集电源电压判断电源来自何方。

4)线路电压采集电路

通过两个电流型电压互感器实现线路电压的采集，从而判断残压闭锁条件，因为这里要求电路简单，而对采集精度要求不高，因此其二次侧设计与传感器板电压采集不同，没有用运算放大器；另外，单片机的AD要求只能输入正电压，因此在传感器二次侧用电源电压VCC对传感器输出电压进行了偏移操作，当传感器输出电压幅值不高于电源电压时，输出到单片机AD管脚的电压为0～VCC之间，保证单片机可以实现正确的模数转换。

图中互感器二次侧电阻为510欧，当一次电压100V时，二次电流为1mA，电压为0.51V，幅值范围为-0.72V到+0.72V之间，可以保证到单片机管脚电压在0到VCC之间。

5)线路来电唤醒电路

残压小板在电池供电的情况下，需要工作在低功耗模式，当线路来电后唤醒单片机实现残压条件的检测，唤醒电路的核心时一个低功耗的电压比较器RS8901，其输入端来自测量电路中互感器的输出VAO和VCO，保证两侧来电均能唤醒；D3时一个双向二极管，其作用时防止比较器输入端电压过高；R10和R11分压中间点接到比较器的同相输入端，比较电压为VCC*(100/2000)＝VCC/20；当电源电压3V时，比较器反相端电压达到0.075V就实现比较器的反转，实现唤醒；比较器的O端为输出端通过R7实现上拉，当比较器反相端电压低时，输出为高电平，一旦反相端电压超过比较电压(如0.15V)则输出低电平，唤醒单片机工作。

1.本方案基本思路

据零序电压变化特点确定是否为瞬时接地，如果是瞬时接地，则按照零序电流的变化比例判断接地；

如果非瞬时接地，则看有效高次谐波情况，如果有效高次谐波含量少，则按照基波相位判断；

否则按照有效高次谐波相位判断。

2.基波判断原理

中性点不接地系统，直接接地或经电阻接地，整个接地回路呈现容性或阻性，故障线路电压超前电流0°～90°。非故障线路电压滞后于电流0°～90°(相当于超前270°～359°)。

中性点经消弧线圈接地，在欠补偿情况下与不接地判断相同，在过补偿情况下故障线路和非故障线路零序电压均之后于零序电流，不能按基波判断，只能判断高次谐波情况。

对于高次谐波，接地回路呈现容性，故障线路电压超前电流0～90°，非故障线路电压滞后电流0～90°。在有效高次谐波含量比较高的情况下，用暂态功率方向判断。

对于暂态接地故障，由于接地阻抗不稳定，零序电压和零序电流之间相位关系也不稳定，可以按照零序电压的突变比例判断接地故障。

对于空载线路合闸容易误报假接地的情况，根据空载线路正常线路空载线路合闸时，利用电容充电电流占比较大的规律，采用零序电流直流量闭锁接地故障动作技术；达到空载线路合闸不误动的效果。

为防止在零序电压或零序电流较小时，利用暂态功率方向判断造成的误判，对零序电流和零序电压中不同谐波含量进行区别对待，根据不同的谐波含量采用不同的判断方法，提高接地故障判断的准确度。

3.单相接地故障判断过程

图36至图38为FTU接地算法流程图。

参考图36至图38，配电网发生单相接地故障后，整个电网会几乎同时出线零序电压，FTU监测到零序电压变化，会启动录波过程，记录故障点(电压突变时刻)前后的采样数据，一般是故障前4个周期、故障后8个周期，单相接地算法就是对录波数据进行分析计算；如果接地故障在该FTU后边(负荷侧)则FTU发出接地故障报警或跳闸动作。FTU对录波数据的处理过程如下：

(1)计算故障前零序电压均方根值，确定起判电压

取零序电压0.5～1.5周波之间的数据为故障前特征周期数据，用故障前特征周期数据计算正常情况下电压数值ZC_V。按该值的5倍确定起判电压QP_V＝5*ZC_V。

某典型的单相接地故障零序电压波形如图31所示。

该图中，竖线对应的是故障时刻，左侧为故障前零序电压波形，右侧为故障后零序电压波形，正常情况下零序电压计算值ZC_V＝0，但起判电压不能取0，而取最小值QP_V＝0.1V。

(2)确定电压突变时刻(突变时刻采样点序号)

用故障前特征周期数据计算故障前零序电压的直流量ZhiLiu_V，取1ms为时间段，计算零序电压的突变值TB_V，突变电压值大于起判电压QP_V的时刻为零序电压突变时刻startX。

在前面零序电压波形曲线中，从第0个采样点开始，取1ms的数据，根据该波形曲线的配置文件，该波形采样速率为6400，即每两个点之间的采样间隔为156微秒，1ms对应的采样点数为6.4，计算中取正数7；从第0个点开始连续取7个采样数据计算均方根(对应线路零序电压有效值)，当计算到电压图变量超过0.1V了，则认为找到了电压突变时刻。

(3)确定电流突变时刻

同电压突变时刻计算方法相似，取零序电流0.5周波开始的1个周波数据作为故障前特征周期数据，计算正常情况下零序电流数值ZC_I，按正常值的4倍确定突变起判电流QP_I＝4*ZC_I；取1ms为计算时间段，按照零序电流突变值TB_I大于起判电压确定零序电流突变时刻startX_I。

图32为某典型单相接地故障时零序电流的波形：

依据与零序电压类似的算法，可以找到零序电流的突变时刻，如上图中竖线的位置。

(4)判断电压和电流突变时刻同步性

正常情况下，零序电压与零序电流突变时刻应该是接近的，(零序电流突变时刻会超前几百微秒)，如果同步(相差间隔小于半个周期)，则以电压突变时刻作为故障时刻startX，进行后续判断。

如果不同步，看电流突变时刻后是否还有一个周期的波形，如果有，则变更电压突变时刻为电流突变时刻startX＝start_I，以新的突变时刻startX作为故障时刻进行后续判断。

如果电流突变时刻到波形结束不够1个周期了，说明零序电流突变不明显，则认为界内无接地故障，接地故障判断结束。

图33为某界外接地故障时，FTU录到的零序电流IZ和零序电压UZ数据。

由于不能找到电流突变时刻，则说明零序电流基本没有变化，则认为该FTU后边无单相接地故障。

(5)瞬时性接地故障判断

取零序电压故障点后1个周期的数据，据本周期数据重新计算直流量；再计算零序电压故障后首半周期均方根sbzqJFG和次半周期的均方根值cbzqJFG，通过两个均方根值比较判断是否为瞬时接地故障。

如果sbzqJFG>cbzqJFG*1.5，则认为是瞬时接地故障，瞬时接地故障情况下，仅考虑零序电流突变比例DLBHBL(按电压突变时刻后1ms计算突变特征电流TZ_I),DLBHBL＝TZ_I/ZC_I，如果DLBHBL>4则认为有瞬时接地故障，否则认为无瞬时接地故障，接地故障判断结束。

某瞬时性接地故障时零序电压的波形图如图34所示。

瞬时性接地的特点是接地点接通后又瞬间断开，此时，零序电流也是出线瞬间的波动，如图35所示。

这种情况下，按照零序电流图变量的大小即可判断是否发生了接地故障。

如果不符合瞬时接地故障条件，则按照零序电流大小，以及零序电压和零序电流的相位关系判断是否发生了接地故障。

(6)判断零序电流半周期突变比例

取故障点后半个周期计算均方根得到突变后半周期电流TBHBZQ_I，如果小于正常值ZC_I的2倍，则认为无故障，接地判断结束。

由于不是瞬时性接地故障，则故障后半个周期内的零序电流值应超过正常情况零序电流的2倍，否则认为无单相接地故障。

如果TBHBZQ_I>＝ZC_I*2，则根据零序电压和零序电流相位关系判断接地故障。

(7)据零序电流及零序电压的基波和高次谐波进行故障判断

首先看有效高次谐波是否明显，以暂态功率方向(实际计算中比较零序电压和零序电流有效高次谐波分量相位)判断为主，暂态功率过小则按基波相位判断。

取突变点后1个周期零序电压和零序电流，以及A相电压进行计算。

A.计算零序电流和零序电压的0～26次谐波，计算各次谐波的幅值和相位角，幅值为当前谐波与基波幅值的比值(标幺值)。

B.计算零序电压故障后第一个周期均方根值TBHU0JFG，计算A相电压故障后第一个周期均方根TBHUAJFG，计算接地后零序电压比例JDU0_BL＝TBHU0JFG/TBHUAJFG。

C.计算高次谐波含量

电流5～15次谐波为有效高次谐波，计算有效高次谐波总含量YXGCHL。

电流16～26次谐波为无效高次谐波，计算无效高次谐波总含量WXGCHL。

对电流计算总高次谐波含量ZGCXBHL＝YXGCHL+WXGCHL，高次谐波含量比，有效高次谐波含量与无效高次谐波含量的比例，GCXBHLB＝YXGCHL/WXGCHL。

D.按零序电压确定特征谐波次数

特征谐波次数Utzxb_CS默认为1；查看零序电压3～6次谐波的幅值，找出最大幅值的谐波，该幅值为特征谐波幅值Utzxb_FZ，如果零序电压比例JDU0_BL>0.01，且零序电压特征谐波幅值Utzxb_FZ>0.1，则特征谐波次数变为3～6次谐波中最大幅值谐波对应的谐波次数。

E.计算特征次数谐波Utzxb_CS对应的零序电压与零序电流的相位差Utzxb_XWC。

F.确定接地判断相位差PD_XWC，如果特征谐波次数为1，则PD_XWC为零序电压与零序电流基波的相位差，如果否则为特征谐波相位差。

G.确定接地故障相位差(零序电压与零序电流相位差)上下限，接地故障回路为阻性或感性回路，非接地故障回路为容性回路；配电网有多条出线的情况下，非故障线路零序电压滞后于零序电流0～90°，故障线路零序电压超前零序电流0～90°；考虑高阻接地及弧光接地等复杂接地情况，当特征谐波次数为1时，故障线路相位差范围取30°～225°；当特征谐波次数大于1时，考虑高次谐波中容性电流占比大于基波的情况，故障线路相位差范围取30°～180°。

H.根据高次谐波含量ZGCXBHL分情况判断接地故障

如果总高次谐波含量ZGCXBHL小于3，根据特征谐波相位差判断是否发生了接地故障；第一步：根据总高次谐波含量重新确认特征谐波，如果总高次谐波含量小于1，则强制令特征谐波次数回到基波(1次)，并改变相应的相位差判断范围；第二部：根据特征谐波对应的相位差是否在接地故障相位差范围内，特征谐波相位差在故障相位差范围内，则判断为接地故障，否则无接地故障。

如果总高次谐波含量ZGCXBHL大于3，高次谐波含量比GCXBHLB低于1.8，且有效高次谐波含量低于4，则说明无效高次谐波占比较大，认为是空载线路合闸，按判断相位差PD_XWC进行故障判断；如果相位差不在故障范围内，则认为无接地故障；如果相位差在故障范围内，避免空载线路合闸误动的情况，还需要判断零序电流的直流量I0_ZL(标幺值)；如果I0_ZL<1则，认为发生了接地故障；如果I0_ZL>＝1则无接地故障。

如果总高次谐波含量ZGCXBHL大于3，有效高次谐波含量比GCXBHLB>＝1.8或有效高次谐波含量高于4，则说明有效高次谐波占比大，计算故障后半周期内高次谐波(电压和电流滤掉0～4次谐波剩下的为高次谐波)暂态功率方向系数ZTGL。暂态功率方向系数大于0.2，则认为界内有接地故障，否则无接地故障。

暂态功率方向系数ZTGL计算方法：

取故障后1个周期的采样数据，滤除0～4次谐波，再去除直流部分。

举例：图31和图32分别是某接地故障录波波形的零序电压和零序电流波形，对其分析结果如下：

对于零序电流和零序电压前26次谐波的分析计算结果如下：

表2.某单相接地故障零序电压、零序电流谐波分析表

(1)根据零序电压波形数据确定了零序电压接地故障发生时刻，对应的采样点为522。根据零序电流波形数据确定零序电流突变时刻对应采样点为539点，该波形每周期采样数据为80，因此，突变时刻差不超过半个周期，符合接地后电流电压几乎同时变化的要求。

(2)零序电压首半波均方根值0.14，次半波均方根值0.16，不符合瞬时接地特点！按零序电压和零序电流相位判断。

(3)突变后半周期电流均方根为：0.0012，正常电流值为：0.0005，半周期零流变化超过2倍，符合接地后零序电流变化较大的特点。

(4)零流有效高次谐波含量(5～15次)1.2040，零序电流无效高次谐波含量(16～26次)0.4530，总高次谐波含量：1.6570，高次谐波含量比(5～15次)/(16～26次)：2.6578。

(5)高次谐波不明显，而且零序电压3、4、5、6次谐波的幅值都小于0.1，因此，特征谐波次数为1，据基波电压电流相位差(30～225)判断。

基波零序电压、零序电流相位差：

相位差小于0，加360变到0～360°的区间：

该角度在0～225°范围内，判断结果为：界内(有)接地故障。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种配电网单相接地故障综合判断系统，其特征在于，包括：

直流小板，用于实现FTU直流部分的电压电流的测量；

2.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障综合判断系统，其特征在于，所述主板模块包括：

AD转换模块，用于AD转换，主要包括AD芯片AD7606及外围电路；

3.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障综合判断系统，其特征在于，所述传感器及电源接入模块包括：

电源接入电路，用于电源接入；

4.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障综合判断系统，其特征在于，所述显示模块包括：

人机接口电路，用于人机接口控制，包括按键及显示电路；

5.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障综合判断系统，其特征在于，所述直流小板主要包括GD32F303单片机电路。

6.根据权利要求1所述的配电网单相接地故障综合判断系统，其特征在于，所述残压小板包括：

单片机电路，用于残压小板控制；

残压小板电源电路，用于残压小板供电；

7.一种如权利要求1所述的配电网单相接地故障综合判断系统的判断方法，其特征在于，包括：

否则按照有效高次谐波相位判断。

8.根据权利要求7所述的配电网单相接地故障综合判断方法，其特征在于，还包括：

基波判断

单相接地故障判断过程

根据零序电流及零序电压的基波和高次谐波进行故障判断：

9.根据权利要求8所述的配电网单相接地故障综合判断方法，其特征在于，所述根据零序电流及零序电压的基波和高次谐波进行故障判断包括：

计算高次谐波含量

按零序电压确定特征谐波次数

确定接地故障相位差上下限，接地故障回路为阻性或感性回路，非接地故障回路为容性回路；配电网有多条出线的情况下，非故障线路零序电压滞后于零序电流0°～90°，故障线路零序电压超前零序电流0°～90°；考虑高阻接地及弧光接地等复杂接地情况，当特征谐波次数为1时，故障线路相位差范围取30°～225°；当特征谐波次数大于1时，考虑高次谐波中容性电流占比大于基波的情况，故障线路相位差范围取30°～180°；

根据高次谐波含量ZGCXBHL分情况判断接地故障

10.根据权利要求7所述的配电网单相接地故障综合判断方法，其特征在于，还包括：

暂态功率方向系数ZTGL计算方法：