引言
我国10kV的电力系统大多采用中性点不接地系统或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统。单相接地是电力系统最常见的故障，由于接地电流小等原因检测起来困难很多。该类型故障的定位一直是困扰电力部门线路维护人员的难题。故障指示器是目前应用较多的一种产品，当供电线路有短路或接地故障发生时，安装在架空线上的故障指示器的传感器检测出电流电压突变信号。故障指示器内部CPU对信号进行分析比较运算后，进行翻牌显示(转红)，达到设定时间能自动复位，恢复初始指示状态。工作人员通过报警指示信号，能够迅速准确地找到电力线路故障位置而及时排除。然而，在应用过程中，发现部分故障指示器不能正确动作，甚至误动作。究其原因，是由于故障指示器动作值整定不合理，整定值太高，发生故障时指示器不动作;整定值太低，指示器误动作。因此，为研究发生故障时电力线路中的故障参数，更加准确地设定故障指示器的整定值，需要研制一套电力线路数据采集系统，收集输电线路正常工作时和发生故障时的参数。本系统的应用，将有助于了解线路的实际运行情况，提高故障指示器的动作准确性，便于分析故障时的参数。
本文设计一种电力线路数据采集系统，运用无线射频芯片将电力线路参数值传输给计算机终端处理，实现对电力线路电参数的数据采集。
1电力线路数据采集系统组成
电力线路数据采集系统分为两个部分：(1)安装在电力线路上的电量采集发射单元，包含电压、电流互感器、单片机和无线通信接口。(2)放置在电力线路附近的监测计算机、无线通信单元。
在电力线路上需要监测的点安装电量采集发射单元，通过其中的电压电流互感器采集波形，所有的电量采集单元通过无线通信接口与监测计算机进行数据通信（见图1）。
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1.1主要器件
微处理器选用Microchip公司的PIC16LF818单片机，是一种带1.75K字节闪存(FLASH)的低电压、高性能的8位单片机。PIC16LF818自带128KBRAM、8位可编程I/O线、两个8位，一个16位定时器/计数器、可编程串行通道、低功耗闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。它能对波形信号进行采样、转换、处理、存储，并通过SPI串行通信模块响应来自PC机的命令及向PC机传输数据。PIC16F818单片机的指令处理速度能够达到8MHz，内部集成5通道的lO位A/D采样转换模块，此A/D转换模块属于逐次逼近式A/D转换，具有转换速度快、精度高等特点，非常适用于实时数据采集。另外，单片机内部的SPI串行通信模块实现数据接收模块与上位机的同步通信，将实时信息传送至上位机进行处理。
无线射频芯片选用挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体芯片nRF2401，芯片工作于2.4~2.5GHz的ISM(工业、科学和医疗)频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，具有GFSK调制和解调能力，工作电压1.9~3.6V，低功耗，抗干扰能力强。
单片机内部A/D转换只能接受正电平，所以需使用运算放大器抬升电平。所选用的MC33202是双通道运放，工作电压低，输入和输出满幅值，具有噪声低、失真低、转换速度(压摆率)高及驱动能力大的性能。
1.2硬件结构
电力线路上悬挂的电压、电流互感器分别与双通道运算放大器MC33202的两个输入端口连接，使输入的波形抬升到零值以上，以便单片机中进行AD转换。波形抬升的幅度可由输入端连接的电位器调节。波形在运算放大器的抬升后，从单片机的RA0和RA1口输入。
单片机SPI串行接口与无线射频芯片的接口连接，SDI和SDO口接DATA端，完成单片机与无线射频芯片的数据交换;CE、CS、PWR口完成射频芯片的模式控制，CLK1口作为时钟信号的输入口，DR1口传输的信号表示接收信号已准备。单片机与射频芯片连接原理图(见图2)
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电量采集发射单元上电后，对射频芯片进行配置，确定工作频率、通道、输出功率和输出时钟频率等参数。配置完成后，射频芯片置于发送模式。在接收端，通过计算机的用户界面控件对接收模块进行配置。
接收端的单片机通过USB接口芯片与计算机连接，完成模式配置、数据传输等功能。USB接口芯片采用的是Philips公司的PDIUSBD12。比起其它接口，USB接口传输有传输速度快，成本低，使用方便，能耗小等优点。
2系统软件设计
数据采集系统软件设计主要由三个部分组成：(1)电量采集发射单元的单片机软件。(2)无线通信单元软件。(3)监测计算机的用户图形界面软件。
2.1单片机软件
电量采集发射单元的单片机软件主要有两个程序模块组成。(1)AD转换程序：互感器输出的模拟波形经过运算放大器的电平抬升，输入单片机内部的AD转换器，将模拟信号转换成数字信号，保存在单片机缓存中。(2)单片机主程序：单片机主程序包括初始化模块和数据传输模块。初始化模块完成对单片机和无线通信接口的初始化和参数设定，无线射频芯片设为发送和接收状态，设置接收端的地址。发送端单片机把地址和缓存中的数据通过SPI串行接口传输到无线射频芯片，射频芯片自动对数据打包(加字头、CRC校验码)，高速发射数据包。接收端单片机接收到数据包后，进行数据校验，校验无误后，向监测计算机发送正确数据包，响应计算机命令。发送的数据应符合通信协议才能被识别，即要给数据加上字头、数据长度及CRC校验等，使其成为程序能够辨识的数据。主程序流程(见图3)。
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2.2无线通信单元软件
无线通信单元完成设定nRF2401工作模式;控制nRF2401将来自串行接口的数据发送出去;控制接收和处理nRF2401接收到的数据，并传送到串行接口。程序流程(见图4)。
2.3用户图形界面软件
用户图形界面软件采用VisualC++编写，窗口化界面，图形显示，操作简单，功能齐全。程序加载时实现对计算机串口初始化;可以配置接收端地址，显示收到的数据和模拟波形，并把数据保存为文本。
在应用程序测试实验中，用信号发生器在数据采集系统的发射端输入不同的波形，分别为方波，正弦波和锯齿波，在单片机中进行采样，然后转换成数字量，由发射芯片发射出来;在接收端，再把
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两路数据分开来显示在图像区域（见图5，6）。
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3结束语
本文所设计的电力线路数据采集系统，结构设计简单，能够完成对电力线路多个状态量的实时采集，电量采集发射单元与监测计算机之间通过无线传输方式传送数据。该系统在实验室进行应用程序测试实验，能够实现数据采集和无线数据传输，但由于该系统实际应用于电力输电线路等恶劣复杂的环境，所以还需要对无线数据通信的抗干扰等方面进一步加以研究。另外，由于射频芯片的功率限制，现在所能达到的最大传输距离在50m左右，还需进一步提高数据的有效传输距离。本文所设计的电力线路数据采集系统既可以作为一个单独的数据采集系统，也可以和其他监测系统组合构成电力线路状态监测装置。
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