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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 零模網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Q0<0，说明是故障线路中故障点到母线上某区域的检测点；如果Q0>0，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。
5 仿真结果分析
下图为IAR在J_LINK下的在线仿真结果，从图5和图6的比较中可以看出，误差在5%内，满足配电线路故障数据检测的要求。
利用STM32F103ZE做FFT运算，从图形分析得到有以下优点：
（1）、快速傅里叶变换（FFT），应用于信号分析中，对复杂的时域信号进行处理以得到较为清晰的频域信号，在工程上的應用中，有着简单，精确，快速等特点，与控制芯片DSP相比，速度损失很小，但成本降低确极为明显，因此在故障检测电路对实时性要求高的情况的下将成为FFT计算的优先选择芯片。
（2）、STM32自带的DSP库属于全相位FFT库，一次性计算出幅值和相位角。
（3）、在傅里叶变换中要求变换的量只是整数周期，否则会降低变换后数据的准确性。由于算法所致，快速傅里叶变换存在假频现象，N组数据FFT后，对应得出N/2个频率量，另外N/2量实际是前面频率量的重复。
6 结语
本文建立小电流线路故障硬件模型装置，主从系统是由DSP与MCU组成的，能够很好地解决了装置对数据的处理能力以及智能控制的要求。本设计采用STM32库进行FFT运算，实现了跟踪测量输入信号的频率。根据实际频率计算采样周期的算法，在不增加硬件投资的条件下解决了同步采样的问题，MCU实现故障方向的实时检测和计算。与传统的DSP相比，实时性强，数据检测准确，性价比高，所以此种方法用在配电线路小电流检测系统值得推广和应用。
参考文献：
[1] 张慧芬，潘贞存，桑在中.基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统自动化，2004（8）.
[2] 季涛，薛永端，孙同景，等.配电线路行波故障测距初探[J].电力系统自动化，2015（8）.
[3] 王笃亭. 基于DSP的FFT算法在无功补偿控制器上的应用[J]. 现代电子技术，2010（12）.
[4] 王易平. 基于GTO的静止无功补偿装置研究[J]. 西安铁路职业技术学院学报，2010（2）.
[5] 吴仕宏. 智能低压无功补偿算法及控制策略的研究[C]. 纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会（CSAE 2009）论文集，2009.
[6] 许建安. 电力系统继电保护[M].中国水利水电出版社，2012.
[7] TI：TMS320F/C24x DSP Controllers CPU and Instruction Set[M].2011.
[8] Andrew Bateman，Lain Paterson-Stephens [M]. The DSP Handbook Algorithms，Application and design techniques.Person Education，2013.
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 零模網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Q0<0，说明是故障线路中故障点到母线上某区域的检测点；如果Q0>0，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。
5 仿真结果分析
下图为IAR在J_LINK下的在线仿真结果，从图5和图6的比较中可以看出，误差在5%内，满足配电线路故障数据检测的要求。
利用STM32F103ZE做FFT运算，从图形分析得到有以下优点：
（1）、快速傅里叶变换（FFT），应用于信号分析中，对复杂的时域信号进行处理以得到较为清晰的频域信号，在工程上的應用中，有着简单，精确，快速等特点，与控制芯片DSP相比，速度损失很小，但成本降低确极为明显，因此在故障检测电路对实时性要求高的情况的下将成为FFT计算的优先选择芯片。
（2）、STM32自带的DSP库属于全相位FFT库，一次性计算出幅值和相位角。
（3）、在傅里叶变换中要求变换的量只是整数周期，否则会降低变换后数据的准确性。由于算法所致，快速傅里叶变换存在假频现象，N组数据FFT后，对应得出N/2个频率量，另外N/2量实际是前面频率量的重复。
6 结语
本文建立小电流线路故障硬件模型装置，主从系统是由DSP与MCU组成的，能够很好地解决了装置对数据的处理能力以及智能控制的要求。本设计采用STM32库进行FFT运算，实现了跟踪测量输入信号的频率。根据实际频率计算采样周期的算法，在不增加硬件投资的条件下解决了同步采样的问题，MCU实现故障方向的实时检测和计算。与传统的DSP相比，实时性强，数据检测准确，性价比高，所以此种方法用在配电线路小电流检测系统值得推广和应用。
参考文献：
[1] 张慧芬，潘贞存，桑在中.基于注入法的小电流接地系统故障定位新方法[J].电力系统自动化，2004（8）.
[2] 季涛，薛永端，孙同景，等.配电线路行波故障测距初探[J].电力系统自动化，2015（8）.
[3] 王笃亭. 基于DSP的FFT算法在无功补偿控制器上的应用[J]. 现代电子技术，2010（12）.
[4] 王易平. 基于GTO的静止无功补偿装置研究[J]. 西安铁路职业技术学院学报，2010（2）.
[5] 吴仕宏. 智能低压无功补偿算法及控制策略的研究[C]. 纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会（CSAE 2009）论文集，2009.
[6] 许建安. 电力系统继电保护[M].中国水利水电出版社，2012.
[7] TI：TMS320F/C24x DSP Controllers CPU and Instruction Set[M].2011.
[8] Andrew Bateman，Lain Paterson-Stephens [M]. The DSP Handbook Algorithms，Application and design techniques.Person Education，2013.