馬如偉,，張志禹，張春美
?。ㄎ靼怖砉ご髮W(xué) 自動(dòng)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(shí)常發(fā)生短路故障,，故障多會(huì)發(fā)生在母線及多條出線中,。為了識(shí)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(duì)配電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)于電力系統(tǒng)而言,，在任何系統(tǒng)以及設(shè)備中都會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)間,，提高整個(gè)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(dòng)化,、饋線自動(dòng)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(dòng)化的故障處理水平較低,，同時(shí)，用于線路上的大量監(jiān)測和評(píng)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(huì)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(gè)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(jì)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(shí)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(huì)出現(xiàn)零序電壓,，各線路對(duì)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(shí)的故障特征是：故障相對(duì)地電壓為零,，非故障相對(duì)地電壓變?yōu)橄到y(tǒng)線電壓,，系統(tǒng)的線電壓仍是三相對(duì)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(shí)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°［23］。
2總體方案設(shè)計(jì)
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(hào)是PIC16F888,。4個(gè)從機(jī)單元的匯總信號(hào)通過MAX487芯片傳輸至另一個(gè)單片機(jī)中，這個(gè)單片機(jī)稱為主機(jī),，其型號(hào)為PIC16F887,。主機(jī)通過RS485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(hào)不能直接被單片機(jī)采集，需要對(duì)每個(gè)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(gè)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(jí)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(huì)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(hào)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(hào)就會(huì)讀入單片機(jī)。
3硬件設(shè)計(jì)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(huì)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(gè)從機(jī)的連接方式是單片機(jī)UO1與編號(hào)為U001的MAX487芯片連接,，單片機(jī)UO2與編號(hào)為U002的MAX487芯片連接,，單片機(jī)UO3與編號(hào)為U003的MAX487芯片連接，單片機(jī)UO4與編號(hào)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(hào)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(gè)從機(jī)經(jīng)過MAX487芯片通過A,、B兩條RS485總線將數(shù)據(jù)傳入主機(jī)［78］。如圖5所示,。
一般情況下,，各個(gè)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(jì)的系統(tǒng)主機(jī)只可以對(duì)1~4地址進(jìn)行識(shí)別，若需要多個(gè)地址,，用戶可以自行編寫,，模擬信號(hào)通過AN0進(jìn)入系統(tǒng)并識(shí)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(gè)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［1011］,，從A/D采樣器采樣出來的數(shù)字信號(hào)讀入單片機(jī),。如圖7所示為一個(gè)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(gè)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(duì)線路運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)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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