1 ZigBee技术和单相接地故障检测方法
1.1 ZigBee通信技术
无线传感器网络是基于IEEE802.15.4标准和ZigBee网络协议的无线传感器数据传输网络，这种网络是中短距离、大规模组网能力、低功耗的无线通信技术。在整个网络范围内，各节点之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从50m扩展到几千米。网络建立后还可以与现有的电力系统二次网络通过无线和串口通信。
利用无线传感器网络来采集高压架空线零序电流的优点为：
（1）每相电流采集器采用无线通信模块，能多节点多空间并行采集零序电流，系统较稳定。
（2）传统法不能再高压架空线上直接采集零序电流，本系统可以实现实时监测三相电路电流，故障定位更准确。
1.2 零序电流增量法定位原理
图1 配电网单相接地示意图
由零序电流增量法原理知，节点A注入电流
与消弧线圈的电流变化相同，消弧线圈电抗改变前，点B和点C的零序电流分别是：
1.3 系统整体结构和节点布置
基于ZigBee网络的10kv配电网单相接地定位结构如图3所示，系统主要由终端传感器结点，ZigBee模块，GPRS模块和监控手机组成，虚线为ZigBee组网途径。
图2 单相接地定位结构
沿线路在每个杆塔上安装ZigBee无线传感器网络中的电流互感器节点，电流互感器采样频率为2kHz，由此得到该相的电流波形。将采集到的三相电流通过无线的方式发送给协调器（可能会经过路由器转发，但最后在协调器中处理），协调器经过同步算法后将三相电流相加，得到零序电流波形，进而计算其有效值，考虑到实际的三相电路不完全对称，无线传输数据的时间误差，线路中可能存在较小的零序电流，协调器在计算出零序电流的有效值后进入判断函数，当零序电流超过阈值，协调器会声光报警并且将故障信号和地理位置通过GPRS网络发送到监控手机上，此时监控人员便会定位到具体接地线路在哪两个杆塔之间。
2 系统硬件节点设计
协调器起着连接终端和监控手机的作用，线路杆塔上的协调器和两侧的路由器及终端组成ZigBee网络，图3为协调器的硬件设计图。电源模块采用从锂电池和高压线路感应的方式。
图3 协调器硬件设计电路
终端采用CC2530为处理器，在外围电流监测环节上。电流传感器选用LCTA97C2开合式CT，等级精度为0.5级，线性范围为0～110%额定输入。对电网的交流电压进行实时测量，通过信号调理电路如图6所示。
监控中心为手机，以短信的方式来接收单相接地故障信息。
图4 采样信号调理电路 图5 终端硬件设计电路
3 系统软件设计
3.1 ZigBee网络程序设计
软件设计首先要建立ZigBee网络。协调器芯片首先进行初始化，再调用aplFormNetwork（）建立网络。协调器再随机选择一个PANID值作为本网络的标识，其他终端和路由器可以通过PANID值来加入该网络。终端节点上电后找到协调器并申请加入网络，同时将自己的64位MAC地址发送给协调器。协调器根据终端和路由器加入网络的先后顺序给终端分配16位短地址，此时ZigBee网络构建成功，各节点可以相互通信。
3.2 时钟同步研究
使用ZigBee无线传感器网络检测线路零序电流时，每相采集的电流信息必须同步才能计算出正确的零序电流，再加上无线数据包的传输延时，都会导致线路的零序电流采集出现误差。同步性在无线传感器网络故障定位中尤为重要。
目前，常用的同步机制有RBS和TPSN算法，以及时钟同步硬件电路。然而，电力系统中的ZiBee节点分布在电网线路上，此网络为一个平行带状分布，各节点距离较远，此时使用传统的时间同步算法容错性较差。基于此，本文将精确时钟协议PTP时间同步算法和时钟同步硬件电路应用到无线传感器网络中。该算法引入了偏移估计和斜率补偿，使终端、路由器、协调器以同一时钟进行通信，该算法非常适合ZigBee网络的时间同步问题。由此计算出的零序电流基本上不会出错。
由表1可知，将采集点的零序电流折算到同一电压下后，故障支路中s点前的零序电流改变较大（1.3560A），s点后的零序电流突变量几乎无变化（0.5mA），便得到故障点为s。由表2看出实际线路零序电流与有ZigBee无线传感器网络测得的电流基本一致，证明了本文设计的基于ZigBee零序电流增量法故障指示系统是可行的。
5 结论
本文开发设计了基于ZigBee通信技术的10kV配电网单相接地故障定位系统，编写了ZigBee无线传感器网络的软件程序，对ZigBee网络进行硬件设计，组建了ZigBee无线局域网检测线路零序电流；通过线路上的电流采集终端节点获得每相电流并通过路由器传输到协调器节点，计算出零序电流，并解决了时间同步问题，最后通过GPRS实现与远程监控手机通信。本文设计的单相接地故障定位系统，可以准确地对中性点经消弧线圈接地变电站出现的单相接地故障进行定位。
参考文献
[1]魏秋桐．无线传感器网络时钟同步协议研究[J].科技视界，2016，（8）.
[2]刘耀先．面向配电网故障检测的无线传感网络可靠路由方法[J].电网技术，2015，39（12）.
收稿日期：2018-01-11
作者简介：李永皓（1996-），男，河北河间人，中国矿业大学孙越崎学院学生，研究方向：电力电子与电力传动。
