基于單片機(jī)的配電線路故障檢測(cè)方法研究

馬如偉，張志禹，張春美

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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基于單片機(jī)的配電線路故障檢測(cè)方法研究

馬如偉，張志禹，張春美

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

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(cè)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。

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(cè)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)闹袛啵M(jìn)而影響國(guó)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(guó)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(cè)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(wú)功補(bǔ)償和配網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)方法以及測(cè)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(cè)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(wú)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。

圖1 單相接地時(shí)的電容電流分布情況

線路1的零序電流為：

線路2的零序電流為：

線路3的零序電流為：

線路1的接地電容電流為：

線路2的接地電容電流為：

線路3的接地電容電流為：

那么接地處的故障電流為：

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°[2-3]。

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(cè)量和顯示[4]，如圖2所示。

圖2 整體架構(gòu)圖

2.2 從機(jī)單元

圖3 一個(gè)從機(jī)單元的組成框圖

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：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(jiǎn)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。

圖4 PIC16F系列單片機(jī)引腳圖

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RS-485總線將數(shù)據(jù)傳入主機(jī)[7-8]。如圖5所示。

圖5 四個(gè)從機(jī)與主機(jī)的連接框圖

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(lái)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。

圖6 MAX487芯片的引腳結(jié)構(gòu)圖

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。

圖7 從機(jī)單元接線圖

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[10-11]，從A/D采樣器采樣出來(lái)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。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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(shuō)明線路正常運(yùn)行，圖8(b)中V3示數(shù)為零，說(shuō)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(cè)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(cè)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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Study on distribution line fault detection method based on microcontroller

Ma Ruwei, Zhang Zhiyu, Zhang Chunmei

(The College of Automation & Information Engineering，Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China)

Low-voltage distribution lines grounding are mostly neutral non-effective grounding, short-circuit fault occurs frequently in distribution lines.Most failures occur in the bus bar and a plurality of outlet.In order to identify the fault line,a single-chip is used as detection tool in this paper, real-timely monitoring the operation status of distribution lines.Through the display shows the number of changes to determine which line failure.Model building in Proteus ISIS7 Professional software, programming in MPLAB IDE software.The program can be written in the single-chip microcomputer.By viewing the change of reading in the monitor,we can know where the fault line.Thus we achieve the line selection function.Experimental results demonstrate the feasibility of this method.

microcontroller;distribution lines;fault line

TM726

A

1674-7720(2016)07- 0030- 03

馬如偉，張志禹，張春美. 基于單片機(jī)的配電線路故障檢測(cè)方法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(7)：30-32,40.

2015-12-09)

馬如偉(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力系統(tǒng)故障檢測(cè)。E-mail：18765126264@163.com。

張志禹(1966-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電力系統(tǒng)控制與故障檢測(cè)。

張春美(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向：新型電力電子裝置。