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。

延长装置运作时间　低功耗/能源采集双管齐下

故障指示器是由电池供电的装置，安装于高架电力线或地下缆线。安装后的检修作业十分不易，因此长久的电池续航力至为关键。可采取两项措施来彻底减少电池耗电。

首先，设计人员应善加利用微控制器的低功耗模式。线路电流取样的周期间以及无需处理数据时，MCU皆可切换为低功耗模式，此时也应该关闭运算放大器，以节省电力。MSP430 FRAM MCU在待机模式下的电流消耗为0.4∼1uA。

其次，设计人员可以视情况导入能源采集功能。图3的区块图显示两种可能的能源采集来源：太阳能板及电源传输线（透过电流传感器）。这类电源管理装置经过特别设计，可撷取各种高输出阻抗直流（DC）来源所产生的电力，范围介于微瓦（μW）至毫瓦（mW）之间。电池管理功能则可确保蓄电池不因从能源采集系统撷取电力而出现过度充电。同时，这个设计也整合高效率的奈米电源降压转换器，可为目标系统提供第二个输电轨道。

以更低功耗完成运算任务

MSP430超低功耗FRAM MCU是故障指示器应用的理想选择，因其整合了特别嵌入的FRAM 及完整的超低功耗系统架构，能让创新业者以更低的能源预算达到更高效能。FRAM技术结合了 SRAM的速度、弹性与耐用性，加上Flash的稳定度与可靠度，且功耗大幅降低。

简单来说，MSP430FR58/59xx FRAM MCU 系列能为智能型故障指示器应用带来下列优势。

．16位RISC架构，最高16MHz频率，以及经过优化的超低功耗模式。在主动模式下，功耗约100μA/MHz；在待机模式下，静态电流约在0.4∼1uA之间。

．最高256KB的FRAM。

．整合高效能模拟，例如模拟比较器、12位ADC等故障指示器应用所需要的模拟功能。

．128/256位AES和16/32位CRC加速器，可加密/解密数据并检查数据完整性。

．多组UART/SPI/I2C端口可供通讯使用。

除了FRAM MCU系列的通用功能以外，旗舰级装置MSP430FR5994 MCU更搭载讯号处理模块专用的低功耗加速器（LEA），提供进阶的数字讯号处理（DSP）能力，适合于超低功耗的应用领域。

用于处理讯号的低功耗加速器（LEA）是TI的专有技术，可有效执行向量式计算与讯号调节。最常见的LEA运作包含FFT、有限脉冲反应滤波器（FIR）、无限脉冲反应滤波器（IIR）矩阵乘法等。

LEA模块完全独立于CPU，可在CPU处于低功率模式时运作。LEA外围装置耗电量仅67uA/MHz，大约比CPU少30%。除了省电外，执行某些复杂算法时，LEA的效率也比CPU更高。例如，LEA模块只需3，060次循环便能完成128点的复杂FFT。同样的运算任务交由内含DSP链接库的CPU执行，则需大约34，960次循环。换算下来，LEA模块只需MSP430 MCU CPU耗电量的6%，便能完成128点的复杂FFT。对于需要大量数学运算的应用而言，LEA模块具备极明显的优势。

能源采集电源管理

TI提供多款可从太阳能板和其它来源获取能源的IC。bq25570装置经过特别设计，可有效率地撷取光电（太阳能）或热电发电机（Thermal Electric Generators， TEG）等各种高输出阻抗直流电来源所产生的电力，范围介于微瓦（μW）至毫瓦（mW）不等，且不会使这些来源中断。电池管理功能则确保可充电电池不因撷取电力而过充电，避免系统负载使电压升降，以致超出安全极限。除了高效率的升压充电器，bq25570亦整合高效率的奈米电源降压转换器，可针对电源与运作需求严苛的无线传感器网络等系统提供第二个电源通道。

Energy Harvester BoosterPack外挂模块参考设计是一款采用bq25570的评估模块，可从各种电流来源或内建太阳能电池获取能源。此设计为高整合度的电源管理解决方案，非常适合超低功耗的应用。

Sub-GHz/RS485收发器满足通讯需求

TI提供的Sub-GHz解决方案包含完全整合的单芯片无线电收发器，专为讲究成本效益的无线系统所需的高效能、超低功耗和低电压运作所设计。

本解决方案已整合所有滤波器，可免去高成本的外接式表面声波（SAW）和中频（IF）滤波器。此装置主要用于工业、科学及医疗（ISM）应用，以及频段介于164∼192MHz、274∼320MHz、410∼480MHz和820∼960MHz的短距装置。

采用TI Sub-GHz CC1120 RF收发器的CC1120-CC1190 BoosterPack外挂模式能与 MSP430 MCU LauchPad开发工具包搭配运作，也可透过SmartRF应用软件使其发挥独立模块的功用。CC1190装置是一款无线范围延伸器，模块配备整合式PCB板载天线，在美国的运作频段为902∼928MHz，在欧洲则是869∼870MHz ISM频段。

智能型故障指示器装设于接地线时，通常使用RS485链路与发送器装置进行通讯。SN65HVD72EVM可协助设计人员评估装置效能，加速开发和分析采用RS485 SN65HVD7x 系列收发器的数据传输系统。

（本文作者皆任职于TI）