馬如偉，張志禹，張春美

　?。ㄎ靼怖砉ご髮W(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

　　摘要：中低壓配電線路中的接地方式多為中性點(diǎn)非有效接地，配電線路時常發(fā)生短路故障，故障多會發(fā)生在母線及多條出線中。為了識別判斷母線多條出線中的故障線路，本文采用單片機(jī)作為檢測工具，對配電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，通過顯示器的示數(shù)變化情況判斷哪條線路發(fā)生故障。在Proteus ISIS7 Professional軟件中搭建模型，在MPLAB IDE軟件中編寫程序，將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，通過顯示器的示數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)故障線路所在，從而實(shí)現(xiàn)選線功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī);配電線路;故障選線

　　0引言

　　在電力系統(tǒng)中存在著供電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)以及眾多變壓器設(shè)備，對于電力系統(tǒng)而言，在任何系統(tǒng)以及設(shè)備中都會發(fā)生故障，只有準(zhǔn)確檢測以及定位這些故障，才能為故障的恢復(fù)以及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的處理方式。而配電系統(tǒng)主要承擔(dān)著向用戶提供高效、穩(wěn)定的電能的任務(wù)，配電線路一旦發(fā)生故障就會導(dǎo)致電力傳輸?shù)闹袛?，進(jìn)而影響國民經(jīng)濟(jì)的正常有效運(yùn)行。電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式可以分為兩大類：大電流接地和小電流接地。一般而言，大電流接地方式主要包括：中性點(diǎn)直接接地、中性點(diǎn)經(jīng)低阻抗（低電抗）接地；小電流接地方式主要包括：中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地。在我國的中壓配電網(wǎng)中，多數(shù)采用小電流接地方式，也就是中性點(diǎn)非有效接地運(yùn)行方式。對于故障而言，單相接地短路故障在小電流接地方式的中壓配電網(wǎng)中發(fā)生頻率最高。所以，對于配電線路中發(fā)生永久性的單相接地故障，必須快速準(zhǔn)確地判斷出故障發(fā)生的區(qū)域（線路）和位置，縮短非故障區(qū)域的供電恢復(fù)時間，提高整個電力系統(tǒng)的安全可靠性。

　　目前，在檢測配電線路故障的方法中，主要是利用配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集，它主要包括配電變電站自動化、饋線自動化和配電巡檢及低壓無功補(bǔ)償和配網(wǎng)監(jiān)測等技術(shù)手段。但是，配電網(wǎng)絡(luò)具有高度復(fù)雜性，并且多為架空線路，在輸電過程中的損耗嚴(yán)重，電能質(zhì)量較差，自動化的故障處理水平較低，同時，用于線路上的大量監(jiān)測和評估設(shè)備及裝置成本很高，這與電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相悖。一般的檢測設(shè)備由于故障波的傳播會造成故障的誤判斷，進(jìn)而引起繼電保護(hù)設(shè)備的誤操作，引發(fā)整個電網(wǎng)的不穩(wěn)定運(yùn)行。為了克服現(xiàn)有故障檢測方法中存在的誤判斷、誤操作的問題，本方案根據(jù)單片機(jī)溫度檢測方法以及測溫儀的設(shè)計方法提出一種利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)配電線路故障檢測的裝置，通過上位機(jī)與單片機(jī)連接，可以清晰地看到上位機(jī)中顯示線路運(yùn)行時的電氣信息量，通過觀察電壓、電流的數(shù)據(jù)所發(fā)生的變化，即可判斷該區(qū)域有無故障發(fā)生。

1配電線路故障特征分析

　　配電線路發(fā)生的故障多為單相接地短路故障，如圖1所示，假設(shè)線路3的A相發(fā)生接地故障。

　　其故障特征是［1］：系統(tǒng)中會出現(xiàn)零序電壓，各線路對地電容電流情況有以下特征，線路1：I·a1=0；I·b1=jbωC1；I·c1=jU·cωC1。線路2：I·a2=0；I·b2=jU·bωC2；I·c2=jU·cωC2。線路3：I·a3=－(I·b1+I·c1+I·b2+I·c2+I·b3+I·c3)；I·b3=jU·bωC3；I·c3=jU·cωC3。

　　線路1的零序電流為：

　　3I·01=I·a1+I·b1+I·c1=0+jU·bωC1+jU·cωC1

　　=j3U·0ωC1

　　=3U·φωC1

　　線路2的零序電流為：

　　3I·02=I·a2+I·b2+I·c2=0+jU·bωC2+jU·cωC2

　　=j3U·0ωC2

　　=3U·φωC2

　　線路3的零序電流為：

　　3I·03=I·a3+I·b3+I·c3=I·b3+I·c3－(I·b1+I·c1+I·b2+I·c2+

　　I·b3+I·c3)

　　=－3I·01－3I·02

　　線路1的接地電容電流為：

　　3I·01=3jU·φωC1

　　線路2的接地電容電流為：

　　3I·02=3jU·φωC2

　　線路3的接地電容電流為：

　　I·c3+I·b3=jU·bωC3+jU·cωC3=j3U·φωC3

　　那么接地處的故障電流為：

　　I·f=3jU·φω(C1+C2+C3)

　　由此可知，配電線路發(fā)生單相接地故障時的故障特征是：故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓變?yōu)橄到y(tǒng)線電壓，系統(tǒng)的線電壓仍是三相對稱的；系統(tǒng)中出現(xiàn)零序電壓，其大小等于系統(tǒng)正常工作時的相電壓。非故障線路的零序電流3I0等于本線路接地電容電流之和，故障線路的零序電流等于所有非故障線路的接地電容電流之和。接地故障處的故障電流等于所有線路(包括故障線路和非故障線路)的接地電容電流的總和，相位超前零序電壓為90°［23］。

2總體方案設(shè)計

　　2.1整體電路原理圖

　　在每條配電線路上架設(shè)單片機(jī)單元，假設(shè)母線處有4條出線，每條線路裝設(shè)的單片機(jī)分別稱為從機(jī)1、從機(jī)2、從機(jī)3和從機(jī)4,從機(jī)型號是PIC16F888。4個從機(jī)單元的匯總信號通過MAX487芯片傳輸至另一個單片機(jī)中，這個單片機(jī)稱為主機(jī)，其型號為PIC16F887。主機(jī)通過RS485總線與上位機(jī)連接，在上位機(jī)中的LabVIEW軟件中進(jìn)行測量和顯示［4］，如圖2所示。

　　2.2從機(jī)單元

　　由于配電線路上的電壓、電流信號不能直接被單片機(jī)采集，需要對每個接入線路的從機(jī)進(jìn)行“加工”和改進(jìn)［5］。具體實(shí)施方式是：圖3一個從機(jī)單元的組成框圖在每條配電區(qū)域的輸電線路上接入電壓互感器，電壓互感器與RC濾波電路連接再與運(yùn)算放大器連接，然后與A/D采樣裝置連接，最后連接PIC16F688單片機(jī)，以此構(gòu)成連接配電線路的從機(jī)單元。如圖3所示。

　　互感器類型為電壓互感器，其作用是將線路上的高電壓按照比例關(guān)系變換成低等級的標(biāo)準(zhǔn)二次電壓，防止電壓過高造成器件損壞。經(jīng)過互感器變換的電壓由于諧波的存在，會導(dǎo)致波形失真，因此需要進(jìn)行濾波，這里采用RC低通濾波器，為方便單片機(jī)進(jìn)行A/D采樣，需要將電壓信號放大以保障采樣的準(zhǔn)確性，經(jīng)過A/D采樣器后的數(shù)字信號就會讀入單片機(jī)。

3硬件設(shè)計部分

　　3.1單片機(jī)連接部分

　　從機(jī)和主機(jī)均采用PIC16F系列單片機(jī)，采用精簡指令集，采用了數(shù)據(jù)和指令總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，因此大部分指令都是單周期指令，這樣就會有更快的運(yùn)行速度和更高的執(zhí)行效率［6］，如圖4所示。

　　四個從機(jī)的連接方式是單片機(jī)UO1與編號為U001的MAX487芯片連接，單片機(jī)UO2與編號為U002的MAX487芯片連接，單片機(jī)UO3與編號為U003的MAX487芯片連接，單片機(jī)UO4與編號為U004的MAX487芯片連接。連接方法都是單片機(jī)的RC5/RX/DT、RC4/C2OUT、RC3/AN7分別與MAX487芯片的RO、DI、DE端口連接。同理，主機(jī)為PIC16F887單片機(jī)，也與編號為U000的MAX487芯片連接，其連接方式是RC7/RX/DT、RC6/TX/CK、RC5/SDO分別與MAX487芯片的RO、DI、DE端口連接。每個從機(jī)經(jīng)過MAX487芯片通過A、B兩條RS485總線將數(shù)據(jù)傳入主機(jī)［78］。如圖5所示。

　　一般情況下，各個從機(jī)的地址都是用戶自己編寫，但在該系統(tǒng)中，用戶可以通過調(diào)節(jié)SW來設(shè)置地址，從而建立主機(jī)與從機(jī)的聯(lián)系。LM041L是顯示器，考慮到需要液晶顯示，本次設(shè)計的系統(tǒng)主機(jī)只可以對1~4地址進(jìn)行識別，若需要多個地址，用戶可以自行編寫，模擬信號通過AN0進(jìn)入系統(tǒng)并識別。

　　采用MAX487芯片是為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的串行通信［9］。圖6為MAX487芯片的管腳結(jié)構(gòu)圖。

　　3.2從機(jī)與配電線路連接部分

　　每個從機(jī)單元需要有圖3的連接結(jié)構(gòu)：電壓源與電壓互感器連接，電容C并聯(lián)在互感器上，與電阻構(gòu)成一階RC濾波電路，再與LM358運(yùn)算放大器連接，并最終分別與A/D采樣器的A、B、C、D端口連接［1011］，從A/D采樣器采樣出來的數(shù)字信號讀入單片機(jī)。如圖7所示為一個從機(jī)單元接線圖。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　在MPLAB IDE中分別編寫好主機(jī)和從機(jī)的程序，并分別將hex文件寫入主機(jī)和從機(jī)中，開始仿真，結(jié)果如圖8所示。圖8（a）顯示器中四個示數(shù)基本相同，說明線路正常運(yùn)行，圖8（b）中V3示數(shù)為零，說明與從機(jī)3連接的線路發(fā)生了單相接地故障。

　　同理，根據(jù)其他示數(shù)的變化可以判斷線路1、2和4是否發(fā)生單相接地故障。

5結(jié)論

　　本文介紹了一種基于單片機(jī)檢測中低壓配電線路故障的裝置，通過在Proteus ISIS7 Professional軟件中搭建模型，在MPLAB IDE軟件中編寫程序，實(shí)現(xiàn)故障的選線功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對線路運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時在線監(jiān)控，快速檢測故障的發(fā)生，防止大面積停電事故的出現(xiàn)，為電力系統(tǒng)的保護(hù)與控制、電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了一種新的手段。

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