结合Sub-GHz能量采集技术 电力线故障指示器智慧升级

故障指示器是一种用于高架和地下输配电缆线的装置，可侦测及指示故障状况。对电力公司而言，这种可以持续监测电力线路状况的装置一直是电网维运的好帮手。随着无线通信及能量采集技术变得更加成熟，整合这两种技术的故障指示器能进一步简化维护作业。

对电网营运商来说，故障指示器（Fault Indicator）可说是监控电力缆线状况，降低维运成本的好帮手。这种安装在架空电线或地下电力输配缆在线的装置，典型外观通常如图1所示。

图1　架空故障指示器范例

故障指示器底部有发光二极管（LED），当发生过电流状况时，LED便会亮起，让维修人员得以从远方看见故障发生，并判断故障点，大幅减少查找故障所需的时间，也让工程人员的工作变得轻松许多。经过正确安装故障指示器，可以显示信息以找出网络中的故障区段，有利于降低营运成本，同时减少服务中断的情形。此外，该装置还能帮助避免危险的故障诊断程序，提高安全性，减少设备损坏的机率。

故障指示器智慧化趋势成形

由于这类装置通常安装在电线杆上或地下电缆管道中，且主要是以电池供电，因此这类系统必须以极低的功耗运作，否则电力公司便必须经常派人去换电池，反而增加电网维护的成本。此外，随着物联网（IoT）、智慧城市等概念兴起，故障指示器已经变得更有「智慧」。

智能型故障指示器常常还具有无线通信功能，以便维护人员可以远程透过手持式装置接收安装在电线杆或埋在地下的故障指示器所发出的讯号，再也不用爬上电线杆或钻进地下。若故障指示器支持Sub-GHz等长距离联网技术，还可建构出智能型故障指示系统（图2），让电力维护人员直接从中央监控整个区域电网的状况。

图2　智能型故障指示器系统

见图2，故障指示器装设在架空电线网络的接线处，温度量测数据和电源传输线路中的电流，以无线方式传送到电线杆上装设的远程终端装置。远程终端装置（Remote Terminal Units， RTUs） RTU）利用GSM调制解调器将数据传送到行动网络，再将实时信息转传到主要工作站，主要工作站亦可透过相同数据路径来控制及执行诊断。如地下缆线，故障指示器透过RS-485等有线网络连接至 RTU。

智能型故障指示器由于能随时连接至主要工作站，因此也称为「连网」故障指示器。随时连接主要工作站有几项优点。第一，可从主要工作站远程监控故障状况，电力公司人员不必为了找出故障位置而亲自到现场。智能型故障指示器还能持续监控温度与电流，让主要工作站的控制员实时得知输配电网络的状态。有了这些额外信息，电力公司便能迅速找出故障位置，将停电时间降至最低，甚至在故障发生前抢先采取行动。此外，主要工作站人员可以按规定要求，定期对故障指示器执行诊断，确保一切运作正常。

由于故障指示器是采用电池供电且安装在电线上，因此主要系统必须在耗电量极低的条件下运作。如何选出合适的微控制器，是最重要的一项决定。除了传统的控制导向功能，MCU的高整合度模拟电路亦有助于缩小外部模拟前端电路的尺寸，同时大幅降低整个系统的功耗。

换句话说，故障指示器的好坏，绝大多数取决于故障指示器所选用的MCU。本文将以德州仪器（TI）的MSP430微控制器为例，说明低功耗MCU搭配铁电随机存取内存（FRAM），能为故障指示器应用带来哪些优势。此外，本文也将一并介绍适合这类应用使用的能源采集与无线通信技术。

高整合MCU简化基本功能实作

采用TI MSP430 FRAM微控制器的智能型故障指示器功能区块图请见图3。电流传感器将产生模拟电压，其与电线的电流成正比。此电压讯号由运算放大器进行调节（放大及滤波），而运算放大器的输出则由模拟转数字转换器（ADC）取样至MCU，接着再对ADC的数字串流执行数据分析。如图3所示，运算放大器的输出将导向至MCU的比较器，假如输入量超出预设阈值，比较器将产生旗标并传送至微控制器的CPU。

图3　采用 MSP430 FRAM MCU 的智能型故障指示器功能区块图

电流量测的分析可从时域或频域进行。假如电线的电流波形与正弦波相去甚远，且波形的不规律性已形成顾虑，此时执行频谱分析将成为评估线路状态的简易方式。

如果所需的最高频率为100Hz，则必须每隔五毫秒对线路电流取样。64点的快速傅立叶变换 （FFT）可提供0∼100Hz、分辨率为3Hz的频谱。MSP430微控制器CPU以16MHz的频率来执行一次FFT，所需的时间约为一毫秒。为了消除高频噪声所造成的混迭（Aliasing），低通滤波器必须与运算放大器一并实作。频谱分析结果将用以判断电线电流是否正常。

电线温度也是攸关电线健全状况的重要资料。温度传感器的输出通常为电压，可以由MCU上的 ADC直接感测。

完成处理后，故障指示器会透过无线链接将输出数据传送至RTU。为了达到需要的传输距离，并将功耗降到最低，通常会选用Sub-GHz连接技术。若故障指示器安装在接地在线，则可采用RS485接口，但MCU可能必须按照系统的安全要求来加密数据。故障指示器测得故障状况时，传统的LED灯会亮起。