結合Sub-GHz/能量采集技術(shù) 電力線(xiàn)故障指示器智慧升級

故障指示器是一種用于高架和地下輸配電纜線(xiàn)的裝置，可偵測及指示故障狀況。對電力公司而言，這種可以持續監測電力線(xiàn)路狀況的裝置一直是電網(wǎng)維運的好幫手。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)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)化維護作業(yè)。

對電網(wǎng)營(yíng)運商來(lái)說(shuō)，故障指示器（Fault Indicator）可說(shuō)是監控電力纜線(xiàn)狀況，降低維運成本的好幫手。這種安裝在架空電線(xiàn)或地下電力輸配纜在線(xiàn)的裝置，典型外觀(guān)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 )中的故障區段，有利于降低營(yíng)運成本，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的故障診斷程序，提高安全性，減少設備損壞的機率。

故障指示器智慧化趨勢成形

由于這類(lèi)裝置通常安裝在電線(xiàn)桿上或地下電纜管道中，且主要是以電池供電，因此這類(lèi)系統必須以極低的功耗運作，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)維護的成本。此外，隨著(zhù)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(xiàn)通信功能，以便維護人員可以遠程透過(guò)手持式裝置接收安裝在電線(xiàn)桿或埋在地下的故障指示器所發(fā)出的訊號，再也不用爬上電線(xiàn)桿或鉆進(jìn)地下。若故障指示器支持Sub-GHz等長(cháng)距離聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，還可建構出智能型故障指示系統（圖2），讓電力維護人員直接從中央監控整個(gè)區域電網(wǎng)的狀況。

圖2　智能型故障指示器系統

見(jiàn)圖2，故障指示器裝設在架空電線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的接線(xiàn)處，溫度量測數據和電源傳輸線(xiàn)路中的電流，以無(wú)線(xiàn)方式傳送到電線(xiàn)桿上裝設的遠程終端裝置。遠程終端裝置（Remote Terminal Units， RTUs） RTU）利用GSM調制解調器將數據傳送到行動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，再將實(shí)時(shí)信息轉傳到主要工作站，主要工作站亦可透過(guò)相同數據路徑來(lái)控制及執行診斷。如地下纜線(xiàn)，故障指示器透過(guò)RS-485等有線(xiàn)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優(yōu)點(diǎn)。第一，可從主要工作站遠程監控故障狀況，電力公司人員不必為了找出故障位置而親自到現場(chǎng)。智能型故障指示器還能持續監控溫度與電流，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定要求，定期對故障指示器執行診斷，確保一切運作正常。

由于故障指示器是采用電池供電且安裝在電線(xiàn)上，因此主要系統必須在耗電量極低的條件下運作。如何選出合適的微控制器，是最重要的一項決定。除了傳統的控制導向功能，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)系統的功耗。

換句話(huà)說(shuō)，故障指示器的好壞，絕大多數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搭配鐵電隨機存取內存（FRAM），能為故障指示器應用帶來(lái)哪些優(yōu)勢。此外，本文也將一并介紹適合這類(lèi)應用使用的能源采集與無(wú)線(xiàn)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塊圖請見(jiàn)圖3。電流傳感器將產(chǎn)生模擬電壓，其與電線(xiàn)的電流成正比。此電壓訊號由運算放大器進(jìn)行調節（放大及濾波），而運算放大器的輸出則由模擬轉數字轉換器（ADC）取樣至MCU，接著(zhù)再對ADC的數字串流執行數據分析。如圖3所示，運算放大器的輸出將導向至MCU的比較器，假如輸入量超出預設閾值，比較器將產(chǎn)生旗標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塊圖

電流量測的分析可從時(shí)域或頻域進(jìn)行。假如電線(xiàn)的電流波形與正弦波相去甚遠，且波形的不規律性已形成顧慮，此時(shí)執行頻譜分析將成為評估線(xiàn)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線(xiàn)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算放大器一并實(shí)作。頻譜分析結果將用以判斷電線(xiàn)電流是否正常。

電線(xiàn)溫度也是攸關(guān)電線(xiàn)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(guò)無(wú)線(xiàn)鏈接將輸出數據傳送至RTU。為了達到需要的傳輸距離，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(xiàn)，則可采用RS485接口，但MCU可能必須按照系統的安全要求來(lái)加密數據。故障指示器測得故障狀況時(shí)，傳統的LED燈會(huì )亮起。

延長(cháng)裝置運作時(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(xiàn)或地下纜線(xiàn)。安裝后的檢修作業(yè)十分不易，因此長(cháng)久的電池續航力至為關(guān)鍵?？刹扇身棿胧﹣?lái)徹底減少電池耗電。

首先，設計人員應善加利用微控制器的低功耗模式。線(xiàn)路電流取樣的周期間以及無(wú)需處理數據時(shí)，MCU皆可切換為低功耗模式，此時(shí)也應該關(guān)閉運算放大器，以節省電力。MSP430 FRAM MCU在待機模式下的電流消耗為0.4∼1uA。

其次，設計人員可以視情況導入能源采集功能。圖3的區塊圖顯示兩種可能的能源采集來(lái)源：太陽(yáng)能板及電源傳輸線(xiàn)（透過(guò)電流傳感器）。這類(lèi)電源管理裝置經(jīng)過(guò)特別設計，可擷取各種高輸出阻抗直流（DC）來(lái)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擷取電力而出現過(guò)度充電。同時(shí)，這個(gè)設計也整合高效率的奈米電源降壓轉換器，可為目標系統提供第二個(gè)輸電軌道。

以更低功耗完成運算任務(wù)

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

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MSP430FR58/59xx FRAM MCU 系列能為智能型故障指示器應用帶來(lái)下列優(yōu)勢。

．16位RISC架構，最高16MHz頻率，以及經(jīng)過(guò)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/解密數據并檢查數據完整性。

．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，旗艦級裝置MSP430FR5994 MCU更搭載訊號處理模塊專(zhuān)用的低功耗加速器（LEA），提供進(jìn)階的數字訊號處理（DSP）能力，適合于超低功耗的應用領(lǐng)域。

用于處理訊號的低功耗加速器（LEA）是TI的專(zhuān)有技術(shù)，可有效執行向量式計算與訊號調節。最常見(jiàn)的LEA運作包含FFT、有限脈沖反應濾波器（FIR）、無(wú)限脈沖反應濾波器（IIR）矩陣乘法等。

LEA模塊完全獨立于CPU，可在CPU處于低功率模式時(shí)運作。LEA外圍裝置耗電量?jì)H67uA/MHz，大約比CPU少30%。除了省電外，執行某些復雜算法時(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)的復雜FFT。同樣的運算任務(wù)交由內含DSP鏈接庫的CPU執行，則需大約34，960次循環(huán)。換算下來(lái)，LEA模塊只需MSP430 MCU CPU耗電量的6%，便能完成128點(diǎn)的復雜FFT。對于需要大量數學(xué)運算的應用而言，LEA模塊具備極明顯的優(yōu)勢。

能源采集電源管理

TI提供多款可從太陽(yáng)能板和其它來(lái)源獲取能源的IC。bq25570裝置經(jīng)過(guò)特別設計，可有效率地擷取光電（太陽(yáng)能）或熱電發(fā)電機（Thermal Electric Generators， TEG）等各種高輸出阻抗直流電來(lái)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(lái)源中斷。電池管理功能則確?？沙潆婋姵夭灰驍X取電力而過(guò)充電，避免系統負載使電壓升降，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換器，可針對電源與運作需求嚴苛的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )等系統提供第二個(gè)電源通道。

Energy Harvester BoosterPack外掛模塊參考設計是一款采用bq25570的評估模塊，可從各種電流來(lái)源或內建太陽(yáng)能電池獲取能源。此設計為高整合度的電源管理解決方案，非常適合超低功耗的應用。

Sub-GHz/RS485收發(fā)器滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，專(zhuān)為講究成本效益的無(wú)線(xiàn)系統所需的高效能、超低功耗和低電壓運作所設計。

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)及醫療（ISM）應用，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(kāi)發(fā)工具包搭配運作，也可透過(guò)SmartRF應用軟件使其發(fā)揮獨立模塊的功用。CC1190裝置是一款無(wú)線(xiàn)范圍延伸器，模塊配備整合式PCB板載天線(xiàn)，在美國的運作頻段為902∼928MHz，在歐洲則是869∼870MHz ISM頻段。

智能型故障指示器裝設于接地線(xiàn)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)助設計人員評估裝置效能，加速開(kāi)發(fā)和分析采用RS485 SN65HVD7x 系列收發(fā)器的數據傳輸系統。

（本文作者皆任職于TI）