毛病指示器是一种用于高架和地下输配电缆线的设备，可侦测及指示毛病状况。对电力公司而言，这种能够继续监测电力线路状况的设备一直是电网维运的好帮手。跟着无线通信及能量收集技能变得愈加老练，整合这两种技能的毛病指示器能进一步简化保护作业。
对电网营运商来说，毛病指示器（Fault Indicator）可说是监控电力缆线状况，下降维运本钱的好帮手。这种设备在架空电线或地下电力输配缆在线的设备，典型外观一般如图1所示。
图1 架空毛病指示器典范
毛病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，让修理人员得以从远方看见毛病发生，并判别毛病点，大幅削减查找毛病所需的时刻，也让工程人员的作业变得轻松许多。通过正确设备毛病指示器，能够显现信息以找出网络中的毛病区段，有利于下降营运本钱，一起削减服务中止的景象。此外，该设备还能帮忙防止风险的毛病确诊程序，进步安全性，削减设备损坏的机率。
毛病指示器才智化趋势成形
因为这类设备一般设备在电线杆上或地下电缆管道中，且首要是以电池供电，因而这类体系有必要以极低的功耗运作，不然电力公司便有必要常常派人去换电池，反而添加电网保护的本钱。此外，跟着物联网（IoT）、才智城市等概念鼓起，毛病指示器现已变得更有「才智」。
智能型毛病指示器常常还具有无线通信功用，以便保护人员能够长途透过手持式设备接纳设备在电线杆或埋在地下的毛病指示器所宣布的信号，再也不用爬上电线杆或钻进地下。若毛病指示器支撑Sub-GHz等长间隔联网技能，还可建构出智能型毛病指示体系（图2），让电力保护人员直接从中心监控整个区域电网的状况。
图2 智能型毛病指示器体系
见图2，毛病指示器装设在架空电线网络的接线处，温衡量测数据和电源传输线路中的电流，以无线方法传送到电线杆上装设的长途终端设备。长途终端设备（Remote Terminal Units， RTUs） RTU）运用GSM调制解调器将数据传送到举动网络，再将实时信息转传到首要作业站，首要作业站亦可透过相同数据途径来操控及履行确诊。如地下缆线，毛病指示器透过RS-485等有线网络衔接至 RTU。
智能型毛病指示器因为能随时衔接至首要作业站，因而也称为「连网」毛病指示器。随时衔接首要作业站有几项长处。榜首，可从首要作业站长途监控毛病状况，电力公司人员不用为了找出毛病方位而亲自到现场。智能型毛病指示器还能继续监控温度与电流，让首要作业站的操控员实时得知输配电网络的状况。有了这些额定信息，电力公司便能敏捷找出毛病方位，将停电时刻降至最低，甚至在毛病发生前抢先采纳举动。此外，首要作业站人员能够按规则要求，定时对毛病指示器履行确诊，保证全部运作正常。
因为毛病指示器是选用电池供电且设备在电线上，因而首要体系有必要在耗电量极低的条件下运作。怎么选出适宜的微操控器，是最重要的一项决议。除了传统的操控导向功用，MCU的高整合度模仿电路亦有助于缩小外部模仿前端电路的尺度，一起大幅下降整个体系的功耗。
换句话说，毛病指示器的好坏，绝大多数取决于毛病指示器所选用的MCU。本文将以德州仪器（TI）的MSP430微操控器为例，阐明低功耗MCU调配铁电随机存取内存（FRAM），能为毛病指示器运用带来哪些优势。此外，本文也将一起介绍合适这类运用运用的动力收集与无线通信技能。
高整合MCU简化基本功用实作
选用TI MSP430 FRAM微操控器的智能型毛病指示器功用区块图请见图3。电流传感器将发生模仿电压，其与电线的电流成正比。此电压信号由运算扩大器进行调理（扩大及滤波），而运算扩大器的输出则由模仿转数字转换器（ADC）取样至MCU，接着再对ADC的数字串流履行数据剖析。如图3所示，运算扩大器的输出将导向至MCU的比较器，假设输入量超出预设阈值，比较器将发生旗标并传送至微操控器的CPU。
图3 选用 MSP430 FRAM MCU 的智能型毛病指示器功用区块图
电流量测的剖析可从时域或频域进行。假设电线的电流波形与正弦波相去甚远，且波形的不规律性已构成顾忌，此刻履行频谱剖析将成为评价线路状况的简易方法。
假如所需的最高频率为100Hz，则有必要每隔五毫秒对线路电流取样。64点的快速傅立叶改换 （FFT）可供给0∼100Hz、分辨率为3Hz的频谱。MSP430微操控器CPU以16MHz的频率来履行一次FFT，所需的时刻约为一毫秒。为了消除高频噪声所形成的混迭（Aliasing），低通滤波器有必要与运算扩大器一起实作。频谱剖析成果将用以判别电线电流是否正常。
电线温度也是攸关电线健全状况的重要材料。温度传感器的输出一般为电压，能够由MCU上的 ADC直接感测。
完结处理后，毛病指示器会透过无线链接将输出数据传送至RTU。为了到达需求的传输间隔，并将功耗降到最低，一般会选用Sub-GHz衔接技能。若毛病指示器设备在接地在线，则可选用RS485接口，但MCU或许有必要依照体系的安全要求来加密数据。毛病指示器测得毛病状况时，传统的LED灯展亮起。
延伸设备运作时刻 低功耗/动力收集左右开弓
毛病指示器是由电池供电的设备，设备于高架电力线或地下缆线。设备后的检修作业十分不易，因而持久的电池续航力至为要害。可采纳两项办法来彻底削减电池耗电。
首要，规划人员应善加运用微操控器的低功耗形式。线路电流取样的周期间以及无需处理数据时，MCU皆可切换为低功耗形式，此刻也应该封闭运算扩大器，以节约电力。MSP430 FRAM MCU在待机形式下的电流耗费为0.4∼1uA。
其次，规划人员能够视状况导入动力收集功用。图3的区块图显现两种或许的动力收集来历：太阳能板及电源传输线（透过电流传感器）。这类电源办理设备通过特别规划，可撷取各种高输出阻抗直流（DC）来历所发生的电力，规模介于微瓦（μW）至毫瓦（mW）之间。电池办理功用则可保证蓄电池不因从动力收集体系撷取电力而呈现过度充电。一起，这个规划也整合高功率的奈米电源降压转换器，可为方针体系供给第二个输电轨迹。
以更低功耗完结运算使命
MSP430超低功耗FRAM MCU是毛病指示器运用的抱负挑选，因其整合了特别嵌入的FRAM 及完好的超低功耗体系架构，能让立异业者以更低的动力预算到达更高效能。FRAM技能结合了 SRAM的速度、弹性与耐用性，加上Flash的安稳度与牢靠度，且功耗大幅下降。
简略来说，MSP430FR58/59xx FRAM MCU 系列能为智能型毛病指示器运用带来下列优势。
．16位RISC架构，最高16MHz频率，以及通过优化的超低功耗形式。在自动形式下，功耗约100μA/MHz；在待机形式下，静态电流约在0.4∼1uA之间。
．最高256KB的FRAM。
．整合高效能模仿，例如模仿比较器、12位ADC等毛病指示器运用所需求的模仿功用。
．128/256位AES和16/32位CRC加快器，可加密/解密数据并查看数据完好性。
．多组UART/SPI/I2C端口可供通讯运用。
除了FRAM MCU系列的通用功用以外，旗舰级设备MSP430FR5994 MCU更搭载信号处理模块专用的低功耗加快器（LEA），供给进阶的数字信号处理（DSP）才能，合适于超低功耗的运用领域。
用于处理信号的低功耗加快器（LEA）是TI的专有技能，可有用履行向量式核算与信号调理。最常见的LEA运作包括FFT、有限脉冲反响滤波器（FIR）、无限脉冲反响滤波器（IIR）矩阵乘法等。
LEA模块彻底独立于CPU，可在CPU处于低功率形式时运作。LEA外围设备耗电量仅67uA/MHz，大约比CPU少30%。除了省电外，履行某些杂乱算法时，LEA的功率也比CPU更高。例如，LEA模块只需3，060次循环便能完结128点的杂乱FFT。相同的运算使命交由内含DSP链接库的CPU履行，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%，便能完结128点的杂乱FFT。关于需求很多数学运算的运用而言，LEA模块具有极显着的优势。
动力收集电源办理
TI供给多款可从太阳能板和其它来历获取动力的%&&&&&%。bq25570设备通过特别规划，可有用率地撷取光电（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历所发生的电力，规模介于微瓦（μW）至毫瓦（mW）不等，且不会使这些来历中止。电池办理功用则保证可充电电池不因撷取电力而过充电，防止体系负载使电压升降，致使超出安全极限。除了高功率的升压充电器，bq25570亦整合高功率的奈米电源降压转换器，可针对电源与运作需求苛刻的无线传感器网络等体系供给第二个电源通道。
Energy Harvester BoosterPack外挂模块参阅规划是一款选用bq25570的评价模块，可从各种电流来历或内建太阳能电池获取动力。此规划为高整合度的电源办理解决方案，十分合适超低功耗的运用。
Sub-GHz/RS485收发器满意通讯需求
TI供给的Sub-GHz解决方案包括彻底整合的单芯片无线电收发器，专为考究本钱效益的无线体系所需的高效能、超低功耗和低电压运作所规划。
本解决方案已整合一切滤波器，可免除高本钱的外接式外表声波（SAW）和中频（IF）滤波器。此设备首要用于工业、科学及医疗（ISM）运用，以及频段介于164∼192MHz、274∼320MHz、410∼480MHz和820∼960MHz的短距设备。
选用TI Sub-GHz CC1120 RF收发器的CC1120-CC1190 BoosterPack外挂形式能与 MSP430 MCU LauchPad开发工具包调配运作，也可透过SmartRF运用软件使其发挥独立模块的功用。CC1190设备是一款无线规模延伸器，模块装备整合式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。
智能型毛病指示器装设于接地线时，一般运用RS485链路与发送器设备进行通讯。SN65HVD72EVM可帮忙规划人员评价设备效能，加快开发和剖析选用RS485 SN65HVD7x 系列收发器的数据传输体系。
（本文作者皆任职于TI）
