結(jié)合Sub-GHz/能量采集技術(shù) 電力線故障指示器智慧升級(jí)

故障指示器是一種用于高架和地下輸配電纜線的裝置，可偵測及指示故障狀況。對(duì)電力公司而言，這種可以持續(xù)監(jiān)測電力線路狀況的裝置一直是電網(wǎng)維運(yùn)的好幫手。隨著無線通信及能量采集技術(shù)變得更加成熟，整合這兩種技術(shù)的故障指示器能進(jìn)一步簡化維護(hù)作業(yè)。

對(duì)電網(wǎng)營運(yùn)商來說，故障指示器（Fault Indicator）可說是監(jiān)控電力纜線狀況，降低維運(yùn)成本的好幫手。這種安裝在架空電線或地下電力輸配纜在線的裝置，典型外觀通常如圖1所示。

圖1　架空故障指示器范例

故障指示器底部有發(fā)光二極管（LED），當(dāng)發(fā)生過電流狀況時(shí)，LED便會(huì)亮起，讓維修人員得以從遠(yuǎn)方看見故障發(fā)生，并判斷故障點(diǎn)，大幅減少查找故障所需的時(shí)間，也讓工程人員的工作變得輕松許多。經(jīng)過正確安裝故障指示器，可以顯示信息以找出網(wǎng)絡(luò)中的故障區(qū)段，有利于降低營運(yùn)成本，同時(shí)減少服務(wù)中斷的情形。此外，該裝置還能幫助避免危險(xiǎn)的故障診斷程序，提高安全性，減少設(shè)備損壞的機(jī)率。

故障指示器智慧化趨勢(shì)成形

由于這類裝置通常安裝在電線桿上或地下電纜管道中，且主要是以電池供電，因此這類系統(tǒng)必須以極低的功耗運(yùn)作，否則電力公司便必須經(jīng)常派人去換電池，反而增加電網(wǎng)維護(hù)的成本。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、智慧城市等概念興起，故障指示器已經(jīng)變得更有「智慧」。

智能型故障指示器常常還具有無線通信功能，以便維護(hù)人員可以遠(yuǎn)程透過手持式裝置接收安裝在電線桿或埋在地下的故障指示器所發(fā)出的訊號(hào)，再也不用爬上電線桿或鉆進(jìn)地下。若故障指示器支持Sub-GHz等長距離聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，還可建構(gòu)出智能型故障指示系統(tǒng)（圖2），讓電力維護(hù)人員直接從中央監(jiān)控整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的狀況。

圖2　智能型故障指示器系統(tǒng)

見圖2，故障指示器裝設(shè)在架空電線網(wǎng)絡(luò)的接線處，溫度量測數(shù)據(jù)和電源傳輸線路中的電流，以無線方式傳送到電線桿上裝設(shè)的遠(yuǎn)程終端裝置。遠(yuǎn)程終端裝置（Remote Terminal Units， RTUs） RTU）利用GSM調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送到行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，再將實(shí)時(shí)信息轉(zhuǎn)傳到主要工作站，主要工作站亦可透過相同數(shù)據(jù)路徑來控制及執(zhí)行診斷。如地下纜線，故障指示器透過RS-485等有線網(wǎng)絡(luò)連接至 RTU。

智能型故障指示器由于能隨時(shí)連接至主要工作站，因此也稱為「連網(wǎng)」故障指示器。隨時(shí)連接主要工作站有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。第一，可從主要工作站遠(yuǎn)程監(jiān)控故障狀況，電力公司人員不必為了找出故障位置而親自到現(xiàn)場。智能型故障指示器還能持續(xù)監(jiān)控溫度與電流，讓主要工作站的控制員實(shí)時(shí)得知輸配電網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。有了這些額外信息，電力公司便能迅速找出故障位置，將停電時(shí)間降至最低，甚至在故障發(fā)生前搶先采取行動(dòng)。此外，主要工作站人員可以按規(guī)定要求，定期對(duì)故障指示器執(zhí)行診斷，確保一切運(yùn)作正常。

由于故障指示器是采用電池供電且安裝在電線上，因此主要系統(tǒng)必須在耗電量極低的條件下運(yùn)作。如何選出合適的微控制器，是最重要的一項(xiàng)決定。除了傳統(tǒng)的控制導(dǎo)向功能，MCU的高整合度模擬電路亦有助于縮小外部模擬前端電路的尺寸，同時(shí)大幅降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。

換句話說，故障指示器的好壞，絕大多數(shù)取決于故障指示器所選用的MCU。本文將以德州儀器（TI）的MSP430微控制器為例，說明低功耗MCU搭配鐵電隨機(jī)存取內(nèi)存（FRAM），能為故障指示器應(yīng)用帶來哪些優(yōu)勢(shì)。此外，本文也將一并介紹適合這類應(yīng)用使用的能源采集與無線通信技術(shù)。

高整合MCU簡化基本功能實(shí)作

采用TI MSP430 FRAM微控制器的智能型故障指示器功能區(qū)塊圖請(qǐng)見圖3。電流傳感器將產(chǎn)生模擬電壓，其與電線的電流成正比。此電壓訊號(hào)由運(yùn)算放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)（放大及濾波），而運(yùn)算放大器的輸出則由模擬轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）取樣至MCU，接著再對(duì)ADC的數(shù)字串流執(zhí)行數(shù)據(jù)分析。如圖3所示，運(yùn)算放大器的輸出將導(dǎo)向至MCU的比較器，假如輸入量超出預(yù)設(shè)閾值，比較器將產(chǎn)生旗標(biāo)并傳送至微控制器的CPU。

圖3　采用 MSP430 FRAM MCU 的智能型故障指示器功能區(qū)塊圖

電流量測的分析可從時(shí)域或頻域進(jìn)行。假如電線的電流波形與正弦波相去甚遠(yuǎn)，且波形的不規(guī)律性已形成顧慮，此時(shí)執(zhí)行頻譜分析將成為評(píng)估線路狀態(tài)的簡易方式。

如果所需的最高頻率為100Hz，則必須每隔五毫秒對(duì)線路電流取樣。64點(diǎn)的快速傅立葉變換 （FFT）可提供0∼100Hz、分辨率為3Hz的頻譜。MSP430微控制器CPU以16MHz的頻率來執(zhí)行一次FFT，所需的時(shí)間約為一毫秒。為了消除高頻噪聲所造成的混迭（Aliasing），低通濾波器必須與運(yùn)算放大器一并實(shí)作。頻譜分析結(jié)果將用以判斷電線電流是否正常。

電線溫度也是攸關(guān)電線健全狀況的重要資料。溫度傳感器的輸出通常為電壓，可以由MCU上的 ADC直接感測。

完成處理后，故障指示器會(huì)透過無線鏈接將輸出數(shù)據(jù)傳送至RTU。為了達(dá)到需要的傳輸距離，并將功耗降到最低，通常會(huì)選用Sub-GHz連接技術(shù)。若故障指示器安裝在接地在線，則可采用RS485接口，但MCU可能必須按照系統(tǒng)的安全要求來加密數(shù)據(jù)。故障指示器測得故障狀況時(shí)，傳統(tǒng)的LED燈會(huì)亮起。

延長裝置運(yùn)作時(shí)間　低功耗/能源采集雙管齊下

故障指示器是由電池供電的裝置，安裝于高架電力線或地下纜線。安裝后的檢修作業(yè)十分不易，因此長久的電池續(xù)航力至為關(guān)鍵?？刹扇身?xiàng)措施來徹底減少電池耗電。

首先，設(shè)計(jì)人員應(yīng)善加利用微控制器的低功耗模式。線路電流取樣的周期間以及無需處理數(shù)據(jù)時(shí)，MCU皆可切換為低功耗模式，此時(shí)也應(yīng)該關(guān)閉運(yùn)算放大器，以節(jié)省電力。MSP430 FRAM MCU在待機(jī)模式下的電流消耗為0.4∼1uA。

其次，設(shè)計(jì)人員可以視情況導(dǎo)入能源采集功能。圖3的區(qū)塊圖顯示兩種可能的能源采集來源：太陽能板及電源傳輸線（透過電流傳感器）。這類電源管理裝置經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，可擷取各種高輸出阻抗直流（DC）來源所產(chǎn)生的電力，范圍介于微瓦（μW）至毫瓦（mW）之間。電池管理功能則可確保蓄電池不因從能源采集系統(tǒng)擷取電力而出現(xiàn)過度充電。同時(shí)，這個(gè)設(shè)計(jì)也整合高效率的奈米電源降壓轉(zhuǎn)換器，可為目標(biāo)系統(tǒng)提供第二個(gè)輸電軌道。

以更低功耗完成運(yùn)算任務(wù)

MSP430超低功耗FRAM MCU是故障指示器應(yīng)用的理想選擇，因其整合了特別嵌入的FRAM 及完整的超低功耗系統(tǒng)架構(gòu)，能讓創(chuàng)新業(yè)者以更低的能源預(yù)算達(dá)到更高效能。FRAM技術(shù)結(jié)合了 SRAM的速度、彈性與耐用性，加上Flash的穩(wěn)定度與可靠度，且功耗大幅降低。

簡單來說，MSP430FR58/59xx FRAM MCU 系列能為智能型故障指示器應(yīng)用帶來下列優(yōu)勢(shì)。

．16位RISC架構(gòu)，最高16MHz頻率，以及經(jīng)過優(yōu)化的超低功耗模式。在主動(dòng)模式下，功耗約100μA/MHz；在待機(jī)模式下，靜態(tài)電流約在0.4∼1uA之間。

．最高256KB的FRAM。

．整合高效能模擬，例如模擬比較器、12位ADC等故障指示器應(yīng)用所需要的模擬功能。

．128/256位AES和16/32位CRC加速器，可加密/解密數(shù)據(jù)并檢查數(shù)據(jù)完整性。

．多組UART/SPI/I2C端口可供通訊使用。

除了FRAM MCU系列的通用功能以外，旗艦級(jí)裝置MSP430FR5994 MCU更搭載訊號(hào)處理模塊專用的低功耗加速器（LEA），提供進(jìn)階的數(shù)字訊號(hào)處理（DSP）能力，適合于超低功耗的應(yīng)用領(lǐng)域。

用于處理訊號(hào)的低功耗加速器（LEA）是TI的專有技術(shù)，可有效執(zhí)行向量式計(jì)算與訊號(hào)調(diào)節(jié)。最常見的LEA運(yùn)作包含F(xiàn)FT、有限脈沖反應(yīng)濾波器（FIR）、無限脈沖反應(yīng)濾波器（IIR）矩陣乘法等。

LEA模塊完全獨(dú)立于CPU，可在CPU處于低功率模式時(shí)運(yùn)作。LEA外圍裝置耗電量僅67uA/MHz，大約比CPU少30%。除了省電外，執(zhí)行某些復(fù)雜算法時(shí)，LEA的效率也比CPU更高。例如，LEA模塊只需3，060次循環(huán)便能完成128點(diǎn)的復(fù)雜FFT。同樣的運(yùn)算任務(wù)交由內(nèi)含DSP鏈接庫的CPU執(zhí)行，則需大約34，960次循環(huán)。換算下來，LEA模塊只需MSP430 MCU CPU耗電量的6%，便能完成128點(diǎn)的復(fù)雜FFT。對(duì)于需要大量數(shù)學(xué)運(yùn)算的應(yīng)用而言，LEA模塊具備極明顯的優(yōu)勢(shì)。

能源采集電源管理

TI提供多款可從太陽能板和其它來源獲取能源的IC。bq25570裝置經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，可有效率地?cái)X取光電（太陽能）或熱電發(fā)電機(jī)（Thermal Electric Generators， TEG）等各種高輸出阻抗直流電來源所產(chǎn)生的電力，范圍介于微瓦（μW）至毫瓦（mW）不等，且不會(huì)使這些來源中斷。電池管理功能則確?？沙潆婋姵夭灰驍X取電力而過充電，避免系統(tǒng)負(fù)載使電壓升降，以致超出安全極限。除了高效率的升壓充電器，bq25570亦整合高效率的奈米電源降壓轉(zhuǎn)換器，可針對(duì)電源與運(yùn)作需求嚴(yán)苛的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)提供第二個(gè)電源通道。

Energy Harvester BoosterPack外掛模塊參考設(shè)計(jì)是一款采用bq25570的評(píng)估模塊，可從各種電流來源或內(nèi)建太陽能電池獲取能源。此設(shè)計(jì)為高整合度的電源管理解決方案，非常適合超低功耗的應(yīng)用。

Sub-GHz/RS485收發(fā)器滿足通訊需求

TI提供的Sub-GHz解決方案包含完全整合的單芯片無線電收發(fā)器，專為講究成本效益的無線系統(tǒng)所需的高效能、超低功耗和低電壓運(yùn)作所設(shè)計(jì)。

本解決方案已整合所有濾波器，可免去高成本的外接式表面聲波（SAW）和中頻（IF）濾波器。此裝置主要用于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療（ISM）應(yīng)用，以及頻段介于164∼192MHz、274∼320MHz、410∼480MHz和820∼960MHz的短距裝置。

采用TI Sub-GHz CC1120 RF收發(fā)器的CC1120-CC1190 BoosterPack外掛模式能與 MSP430 MCU LauchPad開發(fā)工具包搭配運(yùn)作，也可透過SmartRF應(yīng)用軟件使其發(fā)揮獨(dú)立模塊的功用。CC1190裝置是一款無線范圍延伸器，模塊配備整合式PCB板載天線，在美國的運(yùn)作頻段為902∼928MHz，在歐洲則是869∼870MHz ISM頻段。

智能型故障指示器裝設(shè)于接地線時(shí)，通常使用RS485鏈路與發(fā)送器裝置進(jìn)行通訊。SN65HVD72EVM可協(xié)助設(shè)計(jì)人員評(píng)估裝置效能，加速開發(fā)和分析采用RS485 SN65HVD7x 系列收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

（本文作者皆任職于TI）