一種低功耗架空線型故障指示器及控制方法與流程

本發明涉及一種低功耗架空線型故障指示器及控制方法。

背景技術：

故障指示器是一種安裝在配電線路上，用于檢測架空線路接地和短路故障點的裝置。線路發生故障后，巡線工作人員根據故障指示器發出的報警顯示，迅速確定故障區段并查出故障點，具有通信功能的故障指示器還可實時的檢測線路的運行狀態和故障發生的地點，并將故障信息傳送至配電網運行管理中心，運行人員據此及時有效地做出處理，大大提高了供電可靠性和用戶的滿意度。

目前架空系統中安裝有專門的架空線型故障指示器，其由采集單元和匯集單元配套組成，為配合架空系統的絕緣特性，故障指示器未與系統設備電氣連接，其供電電源多為主電源與后備電源相配合的模式：采集單元后備電源多為內置鋰電池，而線路系統中的故障指示器的卡線結構可在運行過程中通過電磁感應吸收線路中的部分電能作為主電源供應故障指示器的電路系統消耗；匯集單元主電源為太陽能電池，后備電源為蓄電池。

電磁感應取電方式在線路正常運行時可為故障指示器提供毫安級別的工作電流，而在線路停電或負荷電流較小時，必須由內置電池提供電力。故障指示器的運行壽命要求一般在8到10年，如果電池電量提前耗盡，故障指示器將無法正常工作，甚至其壽命也將被提前結束。因此，故障指示器的節能與功耗控制技術直接影響著故障指示器的工作可靠性、穩定性及持久性。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明提供一種低功耗架空線型故障指示器及控制方法，能夠對各功能模塊進行節能降功耗控制，并結合線路負荷電流變化、電源供電情況和實時通信需求情況自動進行運行模式的調節，減少整體電能消耗，在保證故障指示器實現故障監測與告警功能的同時，延長故障指示器的工作時間。

為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現：

一種低功耗架空線型故障指示器，包括采集單元和匯集單元，所述采集單元包括第一MCU、第一無線通信芯片、采樣線圈和第一后備電池供電電路，第一MCU通過采樣線圈獲得并計算線路電流采樣值，所述匯集單元包括第二MCU、第二無線通信芯片、GPRS芯片、太陽能電池、第二后備電池供電電路，第二MCU通過串口與GPRS芯片通信，其特征在于：

所述采集單元還包括可喚醒第一MCU的定時器模塊和采樣越門檻判斷電路：當第一MCU休眠計時達到預設值時，定時器模塊喚醒第一MCU；當采樣線圈感應值越過硬件門檻時，采樣越門檻判斷電路喚醒第一MCU；第一MCU通過SPI接口與第一無線通信芯片進行通信數據交互并控制第一無線通信芯片的休眠與喚醒，第一無線通信芯片的輸出管腳與第一MCU的輸入管腳相連用于喚醒第一MCU；

所述第二MCU通過SPI接口與第二無線通信芯片進行通信數據交互并控制第二無線通信芯片的休眠與喚醒；第二無線通信芯片的輸出管腳與第二MCU的輸入管腳相連用于喚醒第二MCU；GPRS芯片與第二MCU相連進行通信數據交互并可喚醒對方。

優選，采集單元還包括可感測當前線路電流大小的取能線圈，采集單元定時監測取能線圈所提供的電源電壓，當電壓低于門檻值時，第一后備電池供電電路提供能量，同時，主進程中關閉錄波任務和在線升級任務。

一種低功耗架空線型故障指示器的控制方法，其特征在于：采集單元的控制方法包括如下策略：

(1)當采樣線圈感應值越過硬件門檻時，采樣越門檻判斷電路喚醒第一MCU進入故障預處理流程，并立即采集線路電流，進行計算；

(2)當第一MCU休眠計時達到預設值時，定時器模塊喚醒第一MCU進行線路電流的采集并計算；

(3)第一MCU通過與第一無線通信芯片的通信指令控制第一無線通信芯片的休眠與喚醒；

(4)當接收到無線報文時，第一無線通信芯片通過輸出管腳喚醒第一MCU；

(5)采集單元定時監測取能線圈所提供的電源電壓，當電壓低于門檻值時，第一后備電池供電電路提供能量，同時，主進程中關閉錄波任務和在線升級任務；否則，開放主進程中的所有任務。

優選：匯集單元的控制方法包括如下策略：

(a)第二MCU通過SPI接口與第二無線通信芯片進行通信數據交互并控制第二無線通信芯片的休眠與喚醒；

(b)當接收到無線報文時，第二無線通信芯片的輸出管腳喚醒第二MCU；

(c)第二MCU通過與GPRS芯片相連的硬件管腳進行通信數據交互并控制GPRS芯片的休眠與喚醒；

(d)當接收到GPRS報文時，GPRS芯片喚醒第二MCU；

(e)匯集單元的功能通過執行任務隊列的形式完成，第二MCU根據不同的狀態通過節能控制策略向任務隊列添加必要任務，以保證以最低的系統功耗滿足裝置運行功能的要求。

本發明的有益效果是：本發明提供了一種架空線型故障指示器的節能控制技術，該裝置和方法設計了一種整體節能控制技術，能夠對各功能模塊進行節能降功耗控制，并結合線路負荷電流變化、電源供電情況和實時通信需求情況自動進行運行模式的調節，避免故障指示器始終以全功率運行，降低整體電能消耗，在保證故障指示器實現故障監測與告警功能的同時，延長故障指示器工作時間。

故障指示器的工作運行方式可進行靈活調整和優化，節能降耗，減少對內置電池消耗，延長裝置工作壽命；因為故障指示器工作電流小，這樣架空線路負荷電流較小時也可帶動故障指示器正常工作，使得故障指示器對各種不同負荷電流的架空線路的適應性較強。

附圖說明

圖1是本發明采集單元部分硬件電路示意圖；

圖2是本發明采集單元節能控制流程圖；

圖3是本發明匯集單元部分硬件電路示意圖；

圖4是本發明匯集單元任務隊列管理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例對本發明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發明的限定。

一種低功耗架空線型故障指示器，如圖1和3所示，包括采集單元和匯集單元，現有設計中，所述采集單元包括第一MCU、第一無線通信芯片、采樣線圈和第一后備電池供電電路，第一MCU通過采樣線圈獲得并計算線路電流采樣值，所述匯集單元包括第二MCU、第二無線通信芯片、GPRS芯片、太陽能電池、第二后備電池供電電路，第二MCU通過串口與GPRS芯片通信。

本發明中，所述采集單元還包括可喚醒第一MCU的定時器模塊和采樣越門檻判斷電路：采集單元在兩種情況下會被觸發喚醒以采集線路電流，第一種情況是采樣線圈所感應的值越過硬件過流門檻，第二種情況是第一MCU休眠計時達到預設值，也即：當第一MCU休眠計時達到預設值時，說明第一MCU休眠時間較長，定時器模塊喚醒第一MCU，啟動電流采集，以保證電流數據的連貫性以及故障判斷的準確性。當第一MCU未休眠時，也將定時采集線路電流并計算；當采樣線圈感應值越過硬件門檻時，可以判斷為當前線路電流過大，采樣越門檻判斷電路喚醒第一MCU，進入故障預處理流程，并立即采集線路電流，進行計算。此時第一無線通信芯片仍被保持在休眠狀態。

采集單元的默認運行模式可設為最低能耗模式，在最低能耗模式下，第一無線通信芯片、第一MCU芯片全部進入低功耗休眠，當第一MCU判斷當前沒有待處理的任務時，自行控制整機進入最低能耗模式。

采集單元在采樣計算模式下進行快速離散傅里葉轉換(DFT)計算，并根據計算結果判斷線路當前是否處于故障狀態：如在故障狀態，則喚醒第一無線通信芯片，發送故障信息報文；如無故障則重新進入最低能耗模式。

第一MCU通過SPI接口與第一無線通信芯片進行通信數據交互并控制第一無線通信芯片的休眠與喚醒，第一無線通信芯片的輸出管腳與第一MCU的輸入管腳相連用于喚醒第一MCU。

所述第二MCU通過SPI接口與第二無線通信芯片進行通信數據交互并控制第二無線通信芯片的休眠與喚醒；第二無線通信芯片的輸出管腳與第二MCU的輸入管腳相連用于喚醒第二MCU；GPRS芯片與第二MCU相連進行通信數據交互并可喚醒對方。

優選，第二MCU內置的計時器以設定的時間間隔(默認10秒)通過硬件管腳喚醒第二MCU進入工作狀態。

優選，采集單元還包括可感測當前線路電流大小的取能線圈，取能線圈主要作用是為裝置提供電能，感測電流大小是其特性。采集單元定時監測取能線圈所提供的電源電壓，以便根據電源情況對自身軟件任務進行節能調控，如圖2所示，取能線圈所提供的電壓代表了當前線路電流所能提供的主電源能量大小，當電壓低于門檻值時，說明主電源電力不足，此時第一后備電池供電電路(比如，后備鋰電池)將提供能量，以保證采集單元正常工作，由于后備鋰電池的電量有限，如果此時不采取節能控制，后備鋰電池能量耗光將導致采集單元壽命減短。

故，節能控制的方式是：以每秒為間隔監測主電源電壓V_coil,如果低于門檻值時，則在主進程中關閉非必要的任務，包括錄波任務(WaveRecord_Task)和在線升級任務(Update_Task)；

當檢測到主電源電壓≥門檻值時，則在主進程中重新開放錄波任務(WaveRecord_Task)和在線升級任務(Update_Task)。

為了進一步降低功耗，各器件選用具備低功耗性能的芯片，具體為：第一MCU和第二MCU的型號為MSP430，GPRS芯片型號為M72‐D，第一無線通信芯片和第二無線通信芯片的型號為CC1120。通過節能控制設計將幾個模塊有機結合起來，形成一個盡最大程度節能的故障指示器。

相應的，一種低功耗架空線型故障指示器的控制方法，其中：

采集單元的控制方法包括如下策略：

(1)當采樣線圈感應值越過硬件門檻時，采樣越門檻判斷電路喚醒第一MCU進入故障預處理流程，并立即采集線路電流，進行計算；

(2)當第一MCU休眠計時達到預設值時，定時器模塊喚醒第一MCU進行線路電流的采集并計算；

(3)第一MCU通過與第一無線通信芯片的通信指令控制第一無線通信芯片的休眠與喚醒；

(5)當接收到無線報文時，第一無線通信芯片通過輸出管腳喚醒第一MCU；

(5)采集單元定時監測取能線圈所提供的電源電壓，當電壓低于門檻值時，第一后備電池供電電路提供能量，同時，主進程中關閉錄波任務和在線升級任務；否則，開放主進程中的所有任務。

匯集單元的控制方法包括如下策略：

(a)第二MCU通過SPI接口與第二無線通信芯片進行通信數據交互并控制第二無線通信芯片的休眠與喚醒；

(b)當接收到無線報文時，第二無線通信芯片的輸出管腳喚醒第二MCU；

(c)第二MCU通過與GPRS芯片相連的硬件管腳進行通信數據交互并控制GPRS芯片的休眠與喚醒；

(d)當接收到GPRS報文時，GPRS芯片喚醒第二MCU；

(e)匯集單元的功能通過執行任務隊列的形式完成，第二MCU根據不同的狀態通過節能控制策略向任務隊列添加必要任務，以保證以最低的系統功耗滿足裝置運行功能的要求。

匯集單元的功能包括：

1、采樣計算任務(Measure_Task)

該任務只在第二MCU被喚醒的狀態下運行。

2、無線通信任務(Wireless_Task)

該任務在當第二無線通信芯片接收到采集單元發出的信息，或GPRS所接收主站下行報文中包含對采集單元的控制信息時，運行該任務進行處理。

3、GPRS通信任務(GPRS_Task)

當GPRS芯片接收到主站發出的信息，或匯集單元有信息需要上送主站時，運行該任務。

4、系統管理任務(SysManager_Task)

該任務只在第二MCU被喚醒的狀態下運行。

5、故障事件及錄波存儲管理任務(FaultRecord_Task)

該任務在采集單元上送報文中包含故障告警信息時被運行。

第二MCU中的一個內置的低功耗計時器以設定的時間間隔(默認10秒)通過硬件管腳喚醒第二MCU進入工作狀態，第二MCU被喚醒后將采樣計算任務(Measure_Task)與系統管理任務(SysManager_Task)加入任務隊列并執行，以保證及時獲取電池電壓數據，以及維護裝置自身運行狀態。

當第二無線通信芯片接收到采集單元發出的信息時，會通過硬件管腳喚醒第二MCU進入工作狀態，第二MCU被喚醒后將無線通信任務Wireless_Task加入任務隊列并執行；

當GPRS芯片接收到主站發出的信息時，會通過硬件管腳喚醒第二MCU進入工作狀態，第二MCU被喚醒后將GPRS通信任務GPRS_Task加入任務隊列并執行；

其中，值得注意的是，各個任務之間并不是獨立的，而是相互關聯的：

若在處理采集單元信息的無線通信任務中發現上送報文中包含故障告警信息，則第二MCU將自動在任務隊列中加入故障事件及錄波存儲管理任務；

若在處理采集主站信息的GPRS通信任務中發現主站下行報文中包含對采集單元的控制信息，則第二MCU將自動在任務隊列中加入無線通信任務；

若在故障事件及錄波存儲管理任務中發現當前有新的故障告警信息需要上送主站，將自動在任務隊列中加入GPRS通信任務；

如圖4所示，匯集單元開機處于全功能模式，任務隊列中包含所有任務，用于完成裝置自檢、收集并管理采集單元信息、與主站建立GPRS無線通道的初始化工作。匯集單元在初始化完成后，自行控制整機進入最低能耗模式。在最低能耗模式下，第二無線通信芯片、GPRS芯片、第二MCU芯片全部進入低功耗休眠。運行在最低能耗模式下的匯集單元，可被接收到主站下行報文的GPRS芯片通過硬件觸發喚醒，并在任務隊列中加入GPRS通信任務。運行在最低能耗模式下的匯集單元，可被接收到采集單元上行報文的無線芯片通過硬件觸發喚醒，并在任務隊列中加入無線通信任務。運行在最低能耗模式下的匯集單元，可被MCU內部低功耗定時器觸發喚醒，并在任務隊列中加入采樣計算、系統管理任務。在任務隊列執行過程中，有需要被調用的任務將被加入到任務隊列中，而執行完成的任務將被從任務隊列中刪除。當任務隊列中沒有未執行任務時，第二MCU立即控制各芯片進入休眠，然后第二MCU本身也進入休眠模式，進入最低能耗模式，等待下次被喚醒。

對故障指示器使用該節能控制技術的前后工作電流及功耗進行測量，對比結果如表1所示(電流單位：mA)：

表1對比結果

從對比結果可以看出，該節能控制技術的實現可以使故障指示器在不同工作模式下功耗降低為原功耗的8.8％～50％之間，實現了有效的節能降耗。

以上僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。