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(cè)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(cè)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(wú)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(jiǎn)化維護(hù)作業(yè)。

對(duì)電網(wǎng)營(yíng)運(yùn)商來(lái)說(shuō)，故障指示器（Fault Indicator）可說(shuō)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(yíng)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(lèi)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(lèi)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(wú)線通信功能，以便維護(hù)人員可以遠(yuǎn)程透過(guò)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(zhǎng)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(jiàn)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(cè)數(shù)據(jù)和電源傳輸線路中的電流，以無(wú)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(guò)相同數(shù)據(jù)路徑來(lái)控制及執(zhí)行診斷。如地下纜線，故障指示器透過(guò)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(chēng)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(chǎng)。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(shuō)，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(shuō)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(lái)哪些優(yōu)勢(shì)。此外，本文也將一并介紹適合這類(lèi)應(yīng)用使用的能源采集與無(wú)線通信技術(shù)。

高整合MCU簡(jiǎn)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(jiàn)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(cè)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(jiǎn)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(lái)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(cè)。

完成處理后，故障指示器會(huì)透過(guò)無(wú)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(lái)加密數(shù)據(jù)。故障指示器測(cè)得故障狀況時(shí)，傳統(tǒng)的LED燈會(huì)亮起。