【基于單片機(jī)的中低壓配電線路故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)】18000字（論文）

---1緒論1.1研究的目的和意義隨著當(dāng)今社會(huì)的飛速發(fā)展，電力企業(yè)也伴隨著科技企業(yè)一道協(xié)同發(fā)展。為了滿足不同行業(yè)的用電需求，我們對(duì)電力企業(yè)運(yùn)輸電力的質(zhì)量和可靠性都提出了更加嚴(yán)格的要求，這對(duì)配電線路來說是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，因此如何更加安全可靠地將電能輸送分配到需求方的手中成為了一個(gè)問題。而配電線路正好是電力配電系統(tǒng)的重要組成部分，同時(shí)也是電能提供方與電能需求方的中樞系統(tǒng)，這個(gè)部分包含了各個(gè)不同電壓等級(jí)的輸電線路，負(fù)責(zé)運(yùn)輸和配送電能。然而在日常運(yùn)輸配送電能的過程中總會(huì)無可避免地會(huì)發(fā)生各種各樣的故障和問題，為了能更加快速地檢測(cè)出發(fā)生故障的輸電線路從而保證配電系統(tǒng)能夠保證穩(wěn)定且長(zhǎng)時(shí)間的安全運(yùn)行，需要根據(jù)我國(guó)當(dāng)前的電力系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種可以快速并且準(zhǔn)確檢測(cè)配電線路故障分線的智能系統(tǒng)，從而方便相關(guān)的技術(shù)維修人員能夠及時(shí)地做出應(yīng)對(duì)并對(duì)線路進(jìn)行檢修，從而快速使配電系統(tǒng)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在配電線路的一般運(yùn)行過程中，配電線路靠近用戶側(cè)的中低壓部分發(fā)生故障的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高壓輸電部分，而其靠近用戶端，也是整個(gè)配電系統(tǒng)中最重要的一部分，中低壓配電線路的運(yùn)行性能與狀態(tài)直接地影響整個(gè)電力配電系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。而這些中低壓電力配送線路的環(huán)境通常較為惡劣，這也是其發(fā)生故障概率較大的一個(gè)重要原因。在實(shí)際生活中，電壓在lkV以下的為低壓配電線路，電壓等級(jí)在1~20kV的為中壓配電線路，電壓等級(jí)在35~110kV的為高壓配電線路。在我國(guó)，中低壓配電線路常常因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行所處環(huán)境惡劣等多種因素，時(shí)常出現(xiàn)各種各樣不同的故障。在各種故障類型中，單相接地故障的故障類型出現(xiàn)的頻率最高，達(dá)到80%-90%。我國(guó)的配電系統(tǒng)的中低壓部分通常使用小電流接地的運(yùn)行方式（中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地或不接地）。在小電流接地的運(yùn)行方式下，系統(tǒng)中的三相線電壓與故障前基本沒有差別。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)中電流很小，不利于及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)故障。當(dāng)前我國(guó)的配電系統(tǒng)可在故障發(fā)生后繼續(xù)運(yùn)行1-2h從而方便技術(shù)人員排查故障，提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。但當(dāng)配電線路中分線數(shù)量增多時(shí)，系統(tǒng)中的電容電流也會(huì)隨之增加。系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行時(shí)非故障相地電壓會(huì)一直升高，使故障擴(kuò)大，從而危害系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣以及系統(tǒng)的可靠性與安全性，因此如何及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別配電線路中的故障線路（即故障選線）十分重要。本文章就對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行研究和相關(guān)分析，并利用單片機(jī)作為控制器，對(duì)配電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而判斷哪條線路發(fā)生故障，實(shí)現(xiàn)選線功能，提出總體設(shè)計(jì)方案。本文提出的中低壓配電線路故障檢測(cè)系統(tǒng)具有較大的社會(huì)價(jià)值和意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究概況1.2.1國(guó)內(nèi)外配電線路故障檢測(cè)方法的研究與發(fā)展各個(gè)國(guó)家的專業(yè)研究人員根據(jù)其本國(guó)實(shí)際的的配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，研究出了各種實(shí)施故障選線的的方法。俄羅斯的配電網(wǎng)大部分采用的是中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的方式（neutral

resonant

grounding

system以下簡(jiǎn)稱NES）和中性點(diǎn)不接地的方式（neutral

un-grounding

system以下簡(jiǎn)稱NUS），他們進(jìn)行配電線路故障的選線大多使用零序功率方向、零序過電流、群體比幅等方法。日本配電網(wǎng)一般采用的是NUS以及中性點(diǎn)經(jīng)大電阻接地的接地方式，其實(shí)施配電線路的故障選線主要依靠監(jiān)測(cè)基波功率的流動(dòng)方向。德國(guó)和法國(guó)大多采用NES,通過Prony算法、小波變換算法、以及首半波法、暫態(tài)信息等實(shí)施配電線路的故障選線。我國(guó)配電線路一般采用的是小電流接地系統(tǒng)（即NUS與NES）。我國(guó)對(duì)配電線路發(fā)生故障時(shí)的故障選線的問題也很重視,經(jīng)過系統(tǒng)性的研究也有許多建樹，提出過許多解決方法，如穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)分量法、多種判據(jù)融合法、注入信號(hào)法等。基于暫態(tài)的選線方法有:小波變換法、行波法、能量法等;除此之外，基于穩(wěn)態(tài)的選線方法有:比幅比相法、五次諧波法、有功分量法、零序?qū)Ъ{法等。最近幾年，隨著其他學(xué)科的發(fā)展，專家們提出了多判據(jù)融合法。其主要是引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等諸多學(xué)科理論，把原先單一的選線判據(jù)融合起來進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步提高配電線路故障選線的選線精度。1.2.2配電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀利用設(shè)備系統(tǒng)化地監(jiān)測(cè)配電線路的想法最早由國(guó)外提出，國(guó)外研究起步較早，著名的是美國(guó)的長(zhǎng)島照明公司研發(fā)的智能配電自動(dòng)化系統(tǒng),其先進(jìn)的設(shè)計(jì)和電力管理模式大大增加了電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性，得到了優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)效益和良好的口碑。但是通過國(guó)內(nèi)研究人員長(zhǎng)時(shí)間的努力與追趕，我國(guó)逐漸在該領(lǐng)域追趕上國(guó)外并處于世界領(lǐng)先地位。在上世紀(jì)四十年代,模擬電子技術(shù)的發(fā)展極大地幫助我們建立了早期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展,當(dāng)時(shí)研發(fā)的舊型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無法做到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行線路故障的報(bào)警，發(fā)生誤報(bào)或者錯(cuò)報(bào)的時(shí)候會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響并危害運(yùn)行安全。自上世紀(jì)八十年代以來，微電子技術(shù)逐漸進(jìn)入我國(guó)研究人員的視野。自此，集成電路和微處理器技術(shù)在今后的電力行業(yè)中的作用越來越大，提升了整個(gè)配電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，從此進(jìn)入智能化配電系統(tǒng)時(shí)代。與早期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，參數(shù)測(cè)量精度和故障響應(yīng)速度有了明顯提升，并且兼?zhèn)錅y(cè)量、計(jì)算、管理和控制環(huán)節(jié)，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性顯著提高。但是此時(shí)的系統(tǒng)中各設(shè)備之間的通信存在缺陷，使得整個(gè)系統(tǒng)的信息交互和界面較為落后。進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)蓬勃發(fā)展，新時(shí)代的研究員們把這些先進(jìn)的技術(shù)運(yùn)用到之前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，不僅解決了老舊的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的大部分問題，還提高了整個(gè)配電網(wǎng)的智能化和自動(dòng)化水平，為我國(guó)電網(wǎng)的智能化進(jìn)程做出了舉足輕重的貢獻(xiàn)。1.3影響配電線路故障選線準(zhǔn)確性的原因在我國(guó)，小電流接地系統(tǒng)經(jīng)過了漫長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，故障選線理論比較成熟，很多各種各樣的故障選線裝置在配電網(wǎng)中逐漸被應(yīng)用。選線裝置可以在線路發(fā)生故障時(shí)實(shí)施故障選線，但偶爾也不可避免地出現(xiàn)一些問題，比如誤判或無法檢測(cè)到等，發(fā)生上述問題的原因是因?yàn)檠b置本身存在弊端。因此本文對(duì)干擾選線準(zhǔn)確性的主要原因進(jìn)行概述，主要分為以下三大類：(1)故障信號(hào)不明顯目前的大部分故障選線裝置大部分都是采集各分線的零序電流，而配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)該系統(tǒng)的電容電流為零序電流，該電流數(shù)值較小，一般在規(guī)程里要求小于10A。如果超過10A，一般改采用NES系統(tǒng)，使接地電流更微弱，難以測(cè)量。另外在電網(wǎng)運(yùn)行中，線路中的零序電流受負(fù)荷的不平衡的影響很大。如若零序電流互感器離故障點(diǎn)有一定距離，線路中的零序電流的變化也會(huì)變得十分微弱，基本無法在早期檢測(cè)到。故障信號(hào)在暫態(tài)過程中明顯，但是暫態(tài)特征信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，因此很難檢測(cè)。(2)故障信號(hào)不穩(wěn)定配電線路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般十分復(fù)雜，接地故障類型也不同，有些是間斷性接地，有些是持續(xù)性接地。在這其中，發(fā)生持續(xù)性接地故障的系統(tǒng)故障信號(hào)穩(wěn)定，選線裝置容易采集數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析從而實(shí)施故障選線。而間斷性接地故障的故障信號(hào)不穩(wěn)定，影響選線裝置采集數(shù)據(jù)，從而影響故障選線，使選線裝置無反應(yīng)或進(jìn)行錯(cuò)誤選線。很多選線裝置會(huì)在量產(chǎn)前經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，但實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的模擬信號(hào)一般為持續(xù)性故障，所以接地信號(hào)比較穩(wěn)定，一旦應(yīng)用到日常生活中的配電網(wǎng)中，一部分存在間斷性接地故障選線缺陷的選線裝置則無法發(fā)揮作用。（3)影響故障選線的其他因素除上述兩類外，還有其他種種影響配電線路故障選線的因素，譬如選線裝置靈敏度較低，采集的數(shù)據(jù)精度低，配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，人工操作影響選線判斷等。很多選線裝置的選線理論十分成熟，但很難運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，比如首選半波法中的首半波采集仍然是當(dāng)今研究的難題。除此之外，還有人為操作造成的故障誤判，比如電站的工人關(guān)閉某條線路時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的新的暫態(tài)信號(hào)同時(shí)不可避免地影響其他分線路故障選線裝置，使其他線路中的故障選線裝置產(chǎn)生誤判從而引發(fā)“假報(bào)警”，干擾維修人員的判斷，對(duì)后續(xù)的維修工作帶來影響。1.4本文主要工作如何快速、準(zhǔn)確地實(shí)施中低壓配電線路故障選線一直都是相關(guān)工作人員想要致力解決的問題。我國(guó)配電網(wǎng)以及配電系統(tǒng)使用最廣的接地方式就是小電流接地，其中單相接地故障類型占總故障發(fā)生的八成到九成之間。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的選線問題一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。本文組建了一個(gè)配電線路測(cè)量裝置，通過硬件軟件與選線理論的有機(jī)結(jié)合從而判定單相接地故障線路，實(shí)現(xiàn)選線功能。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)通過查閱相關(guān)技術(shù)人員提出的各種故障選線方法，進(jìn)行歸納性的總結(jié)，分析主要故障選線方法的優(yōu)點(diǎn)和弊端，指出了一直困擾小電流接地系統(tǒng)線路故障檢測(cè)的難點(diǎn)。(2)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同，所使用的故障檢測(cè)方法也不同，所以本文還分別介紹了NUS系統(tǒng)和NES系統(tǒng)的單相接地故障特征，明確指出它們之間的特點(diǎn)，以便設(shè)計(jì)的裝置能夠?qū)ES系統(tǒng)與NUS系統(tǒng)通用。（3）系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)與模塊的選型根據(jù)本文前幾章的分析，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了整體性設(shè)計(jì)。分析了本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)與弊端，針對(duì)本設(shè)計(jì)的不同功能模塊，對(duì)主要模塊進(jìn)行了選型分析和介紹。

2故障選線的原理2.1基于暫態(tài)信息的方法（1）暫態(tài)零序電流法內(nèi)容原理：該方法通過分析正常線路與故障分線路首端零序阻抗的相頻特性，得到系統(tǒng)中線路的特征頻帶。在該頻帶內(nèi)，故障分線路的零序電流和正常線路相位相反且腹脹分線路的零序電流幅值最大，由此作為故障選線的選線判據(jù)。特點(diǎn)：該方法在NES系統(tǒng)和NUS中均適用；但是特征頻帶是不確定的，具體特征頻帶視系統(tǒng)的故障情況和系統(tǒng)參數(shù)而變。（2）暫態(tài)能量法內(nèi)容原理：當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生單相接地故障時(shí)，把各分線路的電流和電壓的零序分量乘積作積分構(gòu)成一個(gè)新的能量函數(shù)，如下：S0j(t)=0tu0(τ其中i0、u0代表采樣時(shí)間內(nèi)的零序電流和零序電壓。由上式可以看出，對(duì)正常線路有S0j>0，而此時(shí)故障分線路的S0j<0，數(shù)值為其他正常線路的總和，由此可以進(jìn)行選線。特點(diǎn)：此方法抗干擾能力強(qiáng)，不受暫態(tài)過程影響，在NES系統(tǒng)中準(zhǔn)確性和靈敏性高，但此方法所依賴的零序電流中的有功部分在電路信息中占比不高，可靠性不高。（3）小波分析法內(nèi)容原理：該方法是一種數(shù)據(jù)處理方法。在我們對(duì)系統(tǒng)的暫態(tài)信息進(jìn)行研究分析時(shí)，利用頻帶和時(shí)間都有限的小波函數(shù)作為基波函數(shù)，不同于以往的穩(wěn)態(tài)正弦函數(shù)，因此可以更好顯示暫態(tài)信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)線路中的突變信號(hào)和暫態(tài)微弱信號(hào)的捕捉能力強(qiáng)，靈敏度高。選擇適合系統(tǒng)的小波函數(shù)對(duì)線路中的暫態(tài)零序電流信息進(jìn)行變換，確定它的模極大值點(diǎn)，故障選線的判據(jù)則為模極大值的大小和極性。特點(diǎn)：該方法抗干擾能力較強(qiáng)，但是該方法的難點(diǎn)在于如何選擇合適的小波函數(shù)，可操作性不強(qiáng)。（4）暫態(tài)行波法內(nèi)容原理：該方法利用單相接地故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)處電流與電壓發(fā)生變化，向故障點(diǎn)兩端發(fā)出電流行波的特點(diǎn)，通過技術(shù)手段提取各分線路暫態(tài)電流行波的初始波頭，利用行波的幅值和方向作為故障選線的判據(jù)。特點(diǎn)：目前已被應(yīng)用于配電網(wǎng)，該法對(duì)波頭的識(shí)別容易受電磁干擾，且在實(shí)際生活中的配電網(wǎng)通常分支多且復(fù)雜，選線效率并不理想。（5）首半波法內(nèi)容原理：系統(tǒng)中產(chǎn)生單相接地故障發(fā)生后，利用接地點(diǎn)流回全系統(tǒng)對(duì)地電容電流導(dǎo)致故障分線路和安全線路中的零序電流方向相反的特征，可以進(jìn)行故障選線。由于消弧線圈中電流經(jīng)過暫態(tài)過程無法突變，消弧線圈不起作用。首半波法同時(shí)也適用于NES系統(tǒng)中。特點(diǎn)：此方法同時(shí)適用于NES系統(tǒng)和NUS系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生在相電壓的峰值附近單相接地故障時(shí)此法的準(zhǔn)確性和靈敏度較高；但在系統(tǒng)發(fā)生在相電壓零值附近故障時(shí)，由于時(shí)間短、暫態(tài)分量小的特點(diǎn)，導(dǎo)致該方法的準(zhǔn)確性和可靠性降低。（6）衰減直流分量法內(nèi)容原理：當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷單相接地故障時(shí)，正常線路電流沒有衰減的直流分量。但在暫態(tài)過程中，故障分線路的電流大部分為線路的電感電流，其衰減的直流分量較大，可以作為故障選線的選線判據(jù)。特點(diǎn)：當(dāng)系統(tǒng)經(jīng)歷單相接地故障時(shí)，衰減直流分量法的準(zhǔn)確性和靈敏度較高；但是隨電壓接近峰值時(shí)，該方法的可靠性和靈敏度較低。2.2基于穩(wěn)態(tài)信息的方法（1）諧波分量法內(nèi)容原理：系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)零序電流中含有奇次諧波和基波占主導(dǎo)地位的諧波信號(hào)，且在發(fā)生單相接地故障時(shí)故障分線路時(shí)零序電流的奇次諧波中5次諧波占比大，利用該特點(diǎn)可以實(shí)施故障選線。此法可以忽略NES系統(tǒng)中消弧線圈補(bǔ)償對(duì)諧波的造成的影響，同樣適用于NES系統(tǒng)。故障分線路的五次諧波幅值為各個(gè)正常線路五次諧波之和，五次諧波的相位在正常線路與故障線路間相反，從而可以作為選線判據(jù)。特點(diǎn)：該方法在NES和NUS這兩種系統(tǒng)中都可使用，但故障電流中的5次諧波分量含量占比不高，同時(shí)諧波分量易受測(cè)量精度和系統(tǒng)中其他諧波污染，導(dǎo)致選線精準(zhǔn)性不高。有學(xué)者把各線路5次諧波分量平方求和，利用計(jì)算求出后的幅值比較，故障分線路的幅值最大，選線的精度得到了提高，但選線準(zhǔn)確率依舊不高。（2）零序電流比相法原理內(nèi)容：NUS系統(tǒng)在單相接地故障產(chǎn)生時(shí)，故障分線路的零序電流在方向與正常分線路恰好相反，即二者相位相差為180°。該方法利用上述特征實(shí)現(xiàn)故障選線。而與此同時(shí)，零序功率方向法以此方法為基礎(chǔ)，選線依據(jù)是零序電流和零序電壓的相乘的結(jié)果。特點(diǎn)：該方法原理通俗易懂，易于現(xiàn)實(shí)操作；但零序電流的相位差別比較容易經(jīng)不平衡電流的影響，導(dǎo)致選線判據(jù)不利于觀察；而且在NES中有消弧線圈補(bǔ)償時(shí)，由于存在補(bǔ)償電流的影響，該方法無效。（3）零序電流比幅法原理內(nèi)容：NUS系統(tǒng)在產(chǎn)生單相接地故障時(shí)，線路當(dāng)前所有正常運(yùn)行線路的對(duì)地電容電流幅值大小的總和為故障線路上的零序電流幅值，所以零序電流的幅值大小可以作為選線依據(jù)。特點(diǎn)：該方法只能進(jìn)行幅值的計(jì)算與比較，原理簡(jiǎn)單；但由于使用線路自身的電容電流參數(shù)，當(dāng)線路出線較少或者線路中電纜所占比例較大時(shí)，無法滿足選擇性；而且在NES中有消弧線圈補(bǔ)償時(shí)，由于存在補(bǔ)償電流的影響，該方法無效。（4）群體比幅比相法原理內(nèi)容：NUS系統(tǒng)在單相接地故障產(chǎn)生時(shí)，比較各分線路的零序電流幅值大小，把幾個(gè)零序電流幅值比較大的線路列為疑似發(fā)生了單相接地故障的線路；在此基礎(chǔ)上，對(duì)列出的疑似單相接地故障線路進(jìn)行零序電流相位的比較，與其他所有線路的相位不同的就可以認(rèn)為其是發(fā)生故障的線路。特點(diǎn)：可以看作電流比幅法與電流比相法這兩個(gè)方法智能結(jié)合。首先進(jìn)行零序電流比幅，選出多條幅值較大的線路，然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)的相位比較，方向與其他線路方向不同的就可以認(rèn)定其為故障線路，當(dāng)所有線路的零序電流方向一樣時(shí)，即判定為母線故障。但此方法易受不平衡電流以及其他多因素的影響，而且在NES系統(tǒng)中，由于存在補(bǔ)償電流的影響，該方法與上述兩種方法一樣對(duì)該系統(tǒng)無效。（5）零序?qū)Ъ{法原理內(nèi)容：當(dāng)線路產(chǎn)生單相接地故障時(shí)，利用零序電壓與零序電流計(jì)算出各分線的零序?qū)Ъ{值，故障選線則通過比較各分線計(jì)算出的零序?qū)Ъ{的相位以及幅值來實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：該方法對(duì)于NUS和NES系統(tǒng)均通用，且具有較高的靈敏度。但當(dāng)線路中過渡電阻較大時(shí)，尤其是線路中存在高阻接地時(shí)，各分線路中零序電壓與零序電流的數(shù)值比較小，采用的零序互感器特性會(huì)影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的精度從而影響導(dǎo)納的精度。（6）零序有功分量法內(nèi)容原理：在NES系統(tǒng)中，由于故障線路與消弧線圈的電感構(gòu)成唯一的零序回路是通過接地點(diǎn)，與正常線路間無法構(gòu)成零序回路，因此故障分線路的零序電流中含有消弧線圈部分的串聯(lián)電阻的有功分量，導(dǎo)致故障分線路中零序電流有功分量比較大，形成選線判據(jù)。特點(diǎn)：該方法適用于NES系統(tǒng)，不適用于NUS系統(tǒng)。原理比較簡(jiǎn)單；但在實(shí)際生活中，零序電流中包含的有功分量在整個(gè)零序電流中占比不到10%，所以比較受到測(cè)量誤差、儀器特性等因素的影響。（7）負(fù)序電流法內(nèi)容原理：當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生單相接地故障時(shí)，負(fù)序電源的等效阻抗比較小，產(chǎn)生的負(fù)序電流大體上從接地點(diǎn)經(jīng)故障分線路流回系統(tǒng)的電源，因此當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，正常線路中負(fù)序電流的幅值要小于故障分線路，兩者負(fù)序電流相位相反，由此可以形成選線判據(jù)。特點(diǎn)：此方法受過渡電阻的影響較小；但系統(tǒng)中負(fù)荷不平衡的因素對(duì)負(fù)序電流的影響很大，同時(shí)線路中負(fù)序信號(hào)的提取遠(yuǎn)不及零序電流獲取一樣簡(jiǎn)單，綜上所述難以得到廣泛應(yīng)用。（8）零序電容電流補(bǔ)償法原理內(nèi)容：當(dāng)線路中產(chǎn)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的零序電壓對(duì)每條線路進(jìn)行從線路到母線方向、等同于線路自身零序電流大小的電流補(bǔ)償。此時(shí)正常分線路的零序電流會(huì)在補(bǔ)償后為零，但故障分線的的零序電流不為零，從而實(shí)施選線。特點(diǎn)：該方法基本不受系統(tǒng)中接地過渡電阻的影響；但此法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確計(jì)算出各分線路需要的零序補(bǔ)償電流，為了保證計(jì)算結(jié)果足夠地正確精確，整定計(jì)算過程較復(fù)雜，另外還需要在線路中增加電流補(bǔ)償裝置，加大了檢測(cè)的投資成本。（9）DESIR法內(nèi)容原理：類似于上述所說的群體比幅比相法以及零序有功分量法，但是基于此法的故障分線路有功分量則是通過正常線路計(jì)算所得。次方法以基波電流信號(hào)為基礎(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生單相接地故障后，我們對(duì)所有的分線路提取對(duì)應(yīng)的零序電流基波阻性分量，并把流經(jīng)接地點(diǎn)的殘余電流相量正交所產(chǎn)生的直線作為參考軸，故障分線路的零序電流投影在上述參考軸上不僅相位與其他正常線路相反且幅值最大，由此可以進(jìn)行故障選線。特點(diǎn)：該方法適用于高阻接地系統(tǒng)的故障檢測(cè)，靈敏度較高；但是有功電流占比少，再加上測(cè)量誤差等因素的影響，選線的準(zhǔn)確率不是很理想。（10）最大?I內(nèi)容原理：當(dāng)系統(tǒng)中產(chǎn)生單相接地故障后，線路中的電流會(huì)發(fā)生突變，故障分線路的零序無功功率突變量最大，可以通過判斷零序無功功率的突變量的大小選定故障線路。特點(diǎn)：該方法解決了容易受不平衡電流干擾的問題，減少了誤判發(fā)生概率，提高了選線的精確性。但此方法的相量關(guān)系計(jì)算往往比較復(fù)雜，并且需要穩(wěn)定的中間參考信號(hào)才能精準(zhǔn)地獲得線路故障前零序電流與線路故障后零序電壓之間的相量關(guān)系。2.3其他方法（1）殘流增量法內(nèi)容原理：殘流增量法僅適用于NES系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，記錄各分線路的零序電流，根據(jù)所記錄的各分線的零序電流調(diào)整線路中消弧線圈的補(bǔ)償度后再次記錄各線路補(bǔ)償后的的零序電流，對(duì)比各分線路前后記錄零序電流變化量，以此作為故障選線判據(jù)，故障分線路的變化量最大。特點(diǎn)：殘流增量法的原理簡(jiǎn)單，基本不受設(shè)備誤差的影響。但該方法除了需要增加專用的設(shè)備，加大檢測(cè)成本外，還會(huì)使得故障點(diǎn)的電弧增大，讓故障范圍增大。（2）中電阻法內(nèi)容原理：中電阻法是在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后等待一定時(shí)間，在中性點(diǎn)和大地之間接入一定時(shí)間、一定電阻的方法以放大故障零序電流特征，從而根據(jù)零序電流的改變量進(jìn)行選線。特點(diǎn)：該方法優(yōu)點(diǎn)是使故障分量更明顯，進(jìn)而增大了接地點(diǎn)處的電流，使得檢測(cè)的準(zhǔn)確性和靈敏性提高。但該方法除了需要增加專用的設(shè)備，加大檢測(cè)成本外，也可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)接地點(diǎn)的絕緣進(jìn)行破壞。（3）信號(hào)注入法內(nèi)容原理：此方法需要在電壓互感器的二次側(cè)注入頻率為工頻和各次諧波之間的信號(hào)，來保證收集到的信號(hào)不受配電線路中高次諧波分量以及工頻分量的影響。注入線路中的信號(hào)通過故障的分線路與過渡電阻流入大地，能夠通過循跡原理就可以進(jìn)行故障選線。包含此特殊信號(hào)信息的分線路就是故障分線路。特點(diǎn)：信號(hào)注入法改變了了以往我們一般只能使用零序電流作為故障選線依據(jù)的情況，且此方法不受線路中消弧線圈因素影響；但注入信號(hào)法需要架設(shè)信號(hào)注入設(shè)備加大了檢測(cè)成本，同時(shí)信號(hào)強(qiáng)度受電壓互感器容量因素的限制較大，在現(xiàn)實(shí)生活中常常因?yàn)樽⑷氲男盘?hào)比較微弱導(dǎo)致檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性不佳。

3NUS系統(tǒng)與NES系統(tǒng)單相接地故障研究在平時(shí)生活中的三相供電線路中，如果配電線路中三相中的某一相產(chǎn)生對(duì)地短路故障就屬于單相接地故障。當(dāng)發(fā)生單相接地類型的故障時(shí)，線路中包含的故障信號(hào)很弱，不利于工作人員檢測(cè)線路并判斷故障發(fā)生。隨著配電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變，故障信號(hào)特征也不是固定的，因此要闡明不同類型配電線路發(fā)生故障時(shí)的故障特征，才能在后續(xù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中更加快速準(zhǔn)確地進(jìn)行故障選線。在生活中配電線路的接地方式各有不用，本章分析了中低壓配電系統(tǒng)采用不同的接地方法時(shí)（主要為NUS與NES），發(fā)生單相接地類型的故障時(shí)線路所包含的故障特征。3.1NUS系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用的配電系統(tǒng)中，最簡(jiǎn)便的是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)（即NUS系統(tǒng)）。NUS系統(tǒng)的中性點(diǎn)與大地絕緣，此種配電線路接地方式由于其良好的可靠性，大部分應(yīng)用于電壓等級(jí)為3kV~10kV的配電網(wǎng)中。在正常平穩(wěn)運(yùn)行的配電線路中，三相電流的總和為0（即零序電流為0），中性點(diǎn)對(duì)地?zé)o電勢(shì)差，三相電壓平衡（即零序電壓為0），分線路中各相的電流落后相電壓90°。當(dāng)NUS系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)接地類型的故障時(shí)，目前的配電系統(tǒng)一般可以自動(dòng)熄滅電弧。非故障相的電壓升高幅度較小，以至于一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的對(duì)稱性和電氣設(shè)備的絕緣性造成影響。此時(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生的接地電流較小，可以繼續(xù)進(jìn)行短時(shí)間的帶故障運(yùn)行（不超過2小時(shí)）為工作人員排查故障、進(jìn)行故障的選線提供足夠的時(shí)間。但系統(tǒng)帶故障運(yùn)行會(huì)引起相間短路，擴(kuò)大故障；同時(shí)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)給系統(tǒng)中電能的生產(chǎn)、管理和調(diào)度帶來很大壓力，有時(shí)產(chǎn)生的過電壓甚至?xí)c瘓系統(tǒng)。圖3.1NUS系統(tǒng)單相接地示意圖在正常運(yùn)行的NUS系統(tǒng)中，設(shè)線路中的三相對(duì)地的電容相等，為C0。由于相電壓的存在，各分線的各相都會(huì)有一個(gè)電容性電流，超前于對(duì)應(yīng)相的相電壓90°。當(dāng)接地故障發(fā)生于分線中的Ａ相時(shí)，此時(shí)Ａ相相對(duì)于大地的電壓為０，而B、C相相對(duì)于大地的電壓變成原來的3倍，剩下分線相對(duì)于地的電容電流也隨之變?yōu)樵瓉淼?下圖為當(dāng)NUS系統(tǒng)各關(guān)鍵參數(shù)的向量關(guān)系(當(dāng)系統(tǒng)中的Ａ相發(fā)生接地故障時(shí)):圖3.2NUS系統(tǒng)A相單相接地故障時(shí)的向量圖此時(shí)，配電網(wǎng)饋線的三相負(fù)荷和線電壓與故障發(fā)生前相比無變化切依舊保持對(duì)稱性。接地故障發(fā)生于Ａ相時(shí)，排除電壓降落的影響，系統(tǒng)中Ａ、Ｂ、Ｃ三相相對(duì)于地的電壓UAUUU由上式可得，當(dāng)NUS系統(tǒng)故障發(fā)生A相接地故障后，正常相對(duì)于大地的電壓變?yōu)樵瓉淼?倍，故障相電壓為0。系統(tǒng)中的零序電壓為：UA、B、C相相對(duì)于地的電容電流為：III相電壓有效值用Uφ表示，II由前文可知，當(dāng)NUS系統(tǒng)產(chǎn)生Ａ相接地故障時(shí)，Ａ相相對(duì)于地的電壓為0，Ａ相相對(duì)于地的電容電流也隨之變?yōu)?。因此在故障點(diǎn)位置通過的電流為整個(gè)NUS系統(tǒng)正常相的電容性電流總和，故障點(diǎn)位置的接地電流用IfI顯而易見，故障位置接地電流為正常平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)單相電容電流有效值的3倍，故障分線始側(cè)的零序電流是0：3當(dāng)系統(tǒng)中有發(fā)電機(jī)和多條線路時(shí)，發(fā)電機(jī)和各分線都會(huì)有對(duì)地電容，設(shè)發(fā)電機(jī)G的集中電容為C0G，線路1、2的電容分別為C01、C02。如下圖3.3所示為線路２的Ａ相發(fā)生單相接地短路時(shí)配電系統(tǒng)電容電流的分布圖。正常線路１的Ａ相電流為０，Ｂ、Ｃ相只存在自身3由圖3.2，又可計(jì)算其有效值為：3圖3.3Ａ相故障時(shí)電容電流分布圖正常線路的特點(diǎn)可從圖3.3看出：正常饋線的零序電流是線路1自身的電容電流，無功功率的方向是從母線通向各分線。當(dāng)分析對(duì)象是發(fā)電機(jī)時(shí)，自身有相對(duì)于地的電容電流，但其自身還作為產(chǎn)生電源作用于各分線路產(chǎn)生對(duì)應(yīng)相對(duì)于地的電容電流，因此Ｂ、Ｃ兩相還會(huì)流出線路對(duì)應(yīng)相的電流，Ａ相會(huì)流回經(jīng)過故障位置的全部的電容性電流。各分線的電容電流方向是自Ｂ、Ｃ相流出，自Ａ相流入。因此發(fā)電機(jī)流入與流出的電容性電流相互抵消，線路中只有發(fā)電機(jī)自身產(chǎn)生的電容電流，無功功率方向從母線流向發(fā)電機(jī)：3在數(shù)值上，上式滿足3I0G=3Uφω研究故障分線路2，流過B、C兩相的電容電流分別為為IB2、II有效值為：I上式中，整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)于地的電容之和為C0Σ。A相的電流I3有效值為：3故障分線路的特點(diǎn)為：電容無功功率的方向從分線到母線，故障分線的零序電流為系統(tǒng)非故障相元件相對(duì)于地電容電流的總和，而正常線路恰恰相反?？偨Y(jié)如下：（1）當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)因?yàn)槿嚯妷翰黄胶猓ǚ枪收舷嚯妷荷仙?，故障相電壓下降）產(chǎn)生零序電壓，因此當(dāng)線路中出現(xiàn)零序電壓時(shí)就可以判定線路發(fā)生了故障。（2）當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，故障分線路的故障相的相電壓下降為０，其余正常相的相電壓則變?yōu)檎＿\(yùn)行時(shí)的3倍。（3）當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，零序電流在配電網(wǎng)的各條饋線上都可以被監(jiān)測(cè)到。故障分線的零序電流與正常運(yùn)行的分線零序電流方向相反；正常運(yùn)行分線的零序電流幅值的總和為故障產(chǎn)生的零序電流的幅值，根據(jù)監(jiān)測(cè)線路中的零序電流也可以實(shí)施故障選線。3.2NES系統(tǒng)隨著時(shí)代和我國(guó)電力網(wǎng)的發(fā)展，輸電線路之間從架空線路到電纜線路過渡，尤其是在城市里，中低壓配電線路大部分由架空線路和電纜線路共同組成。但這種情況的出現(xiàn)也使得城市中的配電網(wǎng)在產(chǎn)生接地故障時(shí)候容性電流增加，電弧會(huì)在故障點(diǎn)處產(chǎn)生并難以自動(dòng)滅弧，甚至?xí)a(chǎn)生弧光過電壓，破壞整個(gè)配電系統(tǒng)的絕緣性，給電力資源的安全可靠運(yùn)行和調(diào)度管理帶來很大麻煩。NES系統(tǒng)與NUS系統(tǒng)相比有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的接地方式會(huì)很大程度上緩解上述問題，極大地增加了系統(tǒng)的可靠性和安全性。此種接線方式是將一個(gè)電感線圈連接在大地和中性點(diǎn)之間，或者在此基礎(chǔ)上再串聯(lián)一個(gè)小電阻。當(dāng)NES系統(tǒng)中產(chǎn)生了單相接地故障后，接入線路的消弧線圈能夠產(chǎn)生電感電流來補(bǔ)償電網(wǎng)接地電容電流從而抵消線路中的電容電流，使得電路中電流減小從而抑制電弧的產(chǎn)生，減少弧光過電壓產(chǎn)生的可能性；同時(shí)在線路中加入電感線圈可以減緩電壓的恢復(fù)過程，減小了恢復(fù)電壓的幅值，減小了接地點(diǎn)電弧重燃的可能性，提高配電系統(tǒng)的可靠性和安全性。近年來，隨著自動(dòng)消弧裝置的出現(xiàn)可以隨時(shí)調(diào)整消弧線圈的電感，解決了弧光過電壓和滅弧的問題。用一含雙出線的諧振接地配電系統(tǒng)舉例，當(dāng)分線L2的A相發(fā)生單相接地類型的故障時(shí)，系統(tǒng)的電流分布如下圖3.4所示。圖3.4諧振接地單相接地故障時(shí)電流分布此刻接地相為Ａ相，接地分線為L(zhǎng)2，L2分線路的Ａ相電容被短接，分線不存在電容電流。此時(shí)的電流和電壓的向量關(guān)系如下。圖3.5故障電壓和電流相量關(guān)系圖系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓從0變?yōu)?Ua；同時(shí)正常的Ｂ、Ｃ的相電壓在數(shù)值上增加到線電壓，幅值為原來相電壓的3倍；Ａ相的相電壓為零；各相電壓之和為接地位置U為不引起線路阻抗電壓降落的現(xiàn)象對(duì)分析結(jié)果造成影響，假定系統(tǒng)出線段的所接全是對(duì)稱性負(fù)載。在A相發(fā)生單相接地類型的故障時(shí)，Ａ相對(duì)地電壓為0，B、C兩相的電壓在數(shù)值上升高到線電壓，為相電壓的3倍。經(jīng)過消弧線圈的電流流經(jīng)接地位置，方向?yàn)楣收戏志€流回母線，導(dǎo)致電感電流分量IL存在于I=上式中C0Σ為所有對(duì)地電容的總和，C0Σ=C01+C02。接地點(diǎn)位置的電流為流經(jīng)中性點(diǎn)的電感電流與全部正常運(yùn)行相的相對(duì)于地的電容電流向量總和。接地處的電流在電感電流的影響下降低，這是因?yàn)镮Σ與I根據(jù)上式，正常分線首端的零序電流就是此分線路等效的對(duì)地電容電流。故障分線路首端的零序電流為：I=通過中性點(diǎn)的電感電流與全部正常運(yùn)行分線相對(duì)于地的電容電流的向量總和為故障分線路零序電流，故障分線的無功功率方向由電容和電感的電流大小進(jìn)行比較決定，這是因?yàn)榫€路中電容電流與ICΣ與電感電流IL二者的方向相反。當(dāng)IL<ICΣ時(shí)，代表處于欠補(bǔ)償狀態(tài)；經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)NES系統(tǒng)和NUS系統(tǒng)零序電流的差別體現(xiàn)在故障分線路上，NES系統(tǒng)的零序電流中存在電感電流分量；正常分線路的零序電流則一樣。接地位置的總電流IDI對(duì)于系統(tǒng)中無故障的分線路，零序電流為分線路相對(duì)于地電容的電流，此時(shí)分線路的零序電壓的相位落后零序電流相位90°，零序電流從母線流向各分線路，流動(dòng)方向與NUS系統(tǒng)相同。對(duì)于發(fā)生故障的分線路，零序電流由分線流向母線，因此根據(jù)各分線路的零序電流情況也可以進(jìn)行故障選線。3.3本章小結(jié)介紹了主流兩種采用的配電系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了兩種系統(tǒng)發(fā)生單相接地類型的故障時(shí)的穩(wěn)態(tài)特征。對(duì)于小電流接地系統(tǒng)而言，采用兩種不同的接地方式的配電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)過程時(shí)間都比較長(zhǎng)，方便進(jìn)行故障分析。其中，NUS系統(tǒng)最多，NES系統(tǒng)含量較少。零序電流和零序電壓的穩(wěn)態(tài)量都可作為選線依據(jù)，下文采用零序?qū)Ъ{法，進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)施故障選線。

4硬件部分的相關(guān)設(shè)計(jì)前文介紹了當(dāng)前主流的部分故障選線方法，論述了主流配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的故障特征。本章對(duì)選線裝置的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入八路零序電流I01~I08與1路零序電壓U0圖4.1硬件總體結(jié)構(gòu)框圖4.1芯片的選擇Cygnal公司的51系列\(zhòng)t"/item/c8051F040/_blank"單片機(jī)C8051F040在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制的智能\t"/item/c8051F040/_blank"節(jié)點(diǎn)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)以及其他功能部件，代表了8位單片機(jī)\t"/item/c8051F040/_blank"控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。該型號(hào)的單片機(jī)，是89C51的改進(jìn)品種,有很多改進(jìn)，并增加了片內(nèi)外設(shè)，具有更高的工作效率和更豐富的片內(nèi)資源。C8051F040單片機(jī)集成了一個(gè)8位的A/D轉(zhuǎn)換器和1個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，由于單片機(jī)擁有A/D轉(zhuǎn)換功能，在設(shè)計(jì)采樣通道時(shí)不必外擴(kuò)ADC模塊，簡(jiǎn)化了本設(shè)計(jì)的電路。C8051F040單片機(jī)具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，在使用時(shí)可用交叉開關(guān)自行配置。單片機(jī)RAM存儲(chǔ)器的大小為4K+256B，E-PROM為64K，與其他的單片機(jī)相比有更大的存儲(chǔ)空間。另外單片機(jī)C8051F040有一個(gè)外部存儲(chǔ)裝置接口，可在需要時(shí)訪問外部存儲(chǔ)設(shè)備。因此，基于實(shí)用性將C8051F040作為主控芯片。4.2供電單元設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中需要的電源有：2.5V、3.3V、±5V和±15V。AMS1117系列\(zhòng)t"/item/AMS1117/_blank"穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定\t"/item/AMS1117/_blank"電壓版,采用穩(wěn)壓芯片對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊和單片機(jī)進(jìn)行供電。AMS1117-2.5和AMS1117-3.3、AMS1117-5.0穩(wěn)壓芯片分別提供所需的2.5V、3.3V和5V電壓，AMS1117典型固定輸出電壓圖如下圖所示。圖4.2AMS1117典型固定輸出電壓圖本設(shè)計(jì)在電壓輸出方面使用單個(gè)穩(wěn)壓源，需要在數(shù)字電源與模擬電源之間進(jìn)行LC濾波，如下圖所示。LED1為3.3VD電源指示燈，使用LC濾波電路能達(dá)到濾波效果，而且多電源電壓之間的差值非常小，價(jià)格便宜，性價(jià)比高。圖4.3LC濾波電路圖-5V電壓由翻轉(zhuǎn)5V電壓得到，如下圖所示，使用ICL7660進(jìn)行電壓翻轉(zhuǎn)?！?5V電源由L7815CV和L7915CV產(chǎn)生；前者輸出對(duì)地+15V，后者輸出對(duì)地-15V，如下圖所示。為了保證這兩種穩(wěn)壓三極管始終工作在線性區(qū)域，輸入要高于輸出3~5V，采用單個(gè)帶中心抽頭的18V雙輸出變壓器對(duì)交流電220V變壓。圖4.4-5V直流穩(wěn)壓電源的模擬電路圖圖4.5±15V直流穩(wěn)壓電源的模擬電路圖4.3最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng),或稱最小應(yīng)用系統(tǒng),是指單片機(jī)用最簡(jiǎn)單最少的元件組成的可工作系統(tǒng).。對(duì)51系列單片機(jī)來說,為了保證單片機(jī)能進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，還需要設(shè)計(jì)外圍電路。一般包括:單片機(jī)、電源、晶振電路、復(fù)位電路。如下圖所示。圖4.6單片機(jī)最小系統(tǒng)4.3.1晶振電路晶振電路起到的作用是為單片機(jī)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)的工作全都是以這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行的。C8051F040的26腳和27腳為晶振引腳，接一個(gè)22.1148MHz的無源晶振，如下圖所示。晶振外加兩個(gè)33pF的電容，用于晶振起振和維持振蕩信號(hào)平穩(wěn)。除此之外還可以利用OSCICL寄存器來設(shè)置C8051F040單片機(jī)的周期，OSCICL寄存器在出廠時(shí)振蕩頻率已經(jīng)設(shè)置為24.5MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘不僅可以由下圖的外部晶振電路提供，還可以由內(nèi)部振蕩器提供。圖4.7時(shí)鐘晶振電路4.3.2復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路就好像計(jì)算機(jī)的重啟按鈕，當(dāng)電腦在使用時(shí)運(yùn)行錯(cuò)誤，按下重啟按鈕的計(jì)算機(jī)程序從頭執(zhí)行。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，受干擾或其他特殊原因?qū)е鲁绦蜻\(yùn)行錯(cuò)誤或死機(jī)的時(shí)候，輕觸復(fù)位按鈕后單片機(jī)程序也會(huì)從頭執(zhí)行。硬件復(fù)位部分采用復(fù)合復(fù)位，使得芯片內(nèi)的程序在單片機(jī)芯片上電、故障選線和程序出錯(cuò)時(shí)從頭開始運(yùn)行。將/RST引腳置為低電平，如下圖所示。圖4.8復(fù)位電路4.4采樣電路設(shè)計(jì)采用零序?qū)Ъ{法需要收集各分線的零序電流與零序電壓，設(shè)計(jì)采集電路，其中零序電流需要采集8路，零序電壓需要采集1路。在采樣電路中設(shè)置電壓采集電路、采樣保持電路和多路模擬選擇電路。將電壓采集電路采集到的信號(hào)通過多路模擬選擇電路，采樣保持電路。4.4.1電流/電壓采集電路將小電流接地系統(tǒng)中零序互感器收集到的二次側(cè)的零序電流和零序電壓經(jīng)互感器將收集到的的故障信號(hào)按比例降低為單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器能利用的小信號(hào)，再利用低通濾波器電容通高頻阻低頻，以及電感通低頻阻高頻的原理。對(duì)于需要截止的高頻，利用電容吸收、電感阻礙的方法阻礙它的通過，濾除工頻和高次諧波信號(hào)；對(duì)于所需要的低頻，利用電容高阻、電感低阻的特點(diǎn)使它通過。本設(shè)計(jì)選用開口三角最大電壓為100V的零序電壓互感器與額定電流為5A的零序電流互感器。將5A、100V按比例縮小成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以采用信號(hào)之后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將采樣信號(hào)的幅值對(duì)應(yīng)到0~5V區(qū)間內(nèi)。電流互感器采用ZHT103型互感器，其具有采用全灌封式，抗環(huán)境能力強(qiáng)、精度高、一致性好，安裝方式靈活，線性范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)。其變比為1000：1，額定輸入電流5A，額定輸出電流5mA，負(fù)載電阻為100Ω，線性工作范圍為0~10A。由于變比參數(shù)可以定制，采用一次側(cè)額定電壓100V，二次側(cè)額定電壓5V的ZHTPT107型電壓互感器，其具有采用全灌封式，抗環(huán)境能力強(qiáng)、精度高、一致性好，安裝方式靈活，線性范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)。在微型電流互感器二次側(cè)并聯(lián)電阻可以實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。采集電路如下圖所示。圖4.9電流采集電路圖4.10電壓采集電路圖為解決各分線路電流和電壓中存在高頻分量導(dǎo)致采樣頻率fs混疊問題的出現(xiàn)，使得當(dāng)采樣頻率fs數(shù)值很高時(shí)，會(huì)很大程度提高對(duì)硬件的要求，提高線路檢測(cè)成本。甚至?xí)?dǎo)致硬件設(shè)計(jì)無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為有效地限制輸入信號(hào)，要在采樣之前將信號(hào)頻率穩(wěn)定在一定頻帶內(nèi)。采用RC型濾波網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示。圖4.11無源低通濾波器原理圖上圖所示的低通濾波器能夠通過穩(wěn)壓二極管W1和W2消除發(fā)生穿越性故障時(shí)產(chǎn)生的工頻過電壓和線路中的高頻分量。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，使系統(tǒng)中的模塊不被破壞。4.4.2多路模擬選擇電路多路模擬開關(guān)的作用是輪流切換各路模擬量與A／D轉(zhuǎn)換器間的通道，使同一時(shí)間只有一路模擬信號(hào)輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換，在固定時(shí)間點(diǎn)上取出濾波后的信號(hào)。當(dāng)采樣的多路模擬量輸入同一個(gè)ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)時(shí)需要用到多路模擬選擇芯片，本設(shè)計(jì)選用芯片CD4051進(jìn)行多路復(fù)用。CD4051是單端8通道多路開關(guān)，它有3個(gè)通道選擇輸入端C、B、A和一個(gè)禁止輸入端INH。C、B、A用來選擇通道號(hào)，INH用來控制CD4051是否有效。開關(guān)接通由單片機(jī)輸出地址代碼ABC決定。“INH”是禁止段，為1時(shí)，所有通道都不接通。下圖為CD4051輸入8路信號(hào)時(shí)的電路接線圖。根據(jù)簡(jiǎn)單易懂的二進(jìn)制原理，當(dāng)“INH=0”，A、B、C為0、0、0時(shí)，接通第一通道，A、B、C為1、1、1時(shí)，接通第八通道，該路信號(hào)被輸出端第3引腳送至采樣保持器LF398。圖4.12CD4051接線圖4.4.3采樣保持電路采樣保持電路的作用是在快速采樣后保持該采樣值在AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間內(nèi)不變，模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間；保持該采樣值在處理時(shí)間內(nèi)不變，可以保證AD轉(zhuǎn)換的精度，消除轉(zhuǎn)換誤差。在A/D轉(zhuǎn)換期間，為了使輸入信號(hào)維持在開始轉(zhuǎn)換時(shí)的值，在采樣電路中采用一個(gè)采樣保持電路。多路模擬選擇電路輸出的模擬信號(hào)經(jīng)放大后進(jìn)行保存的工作則交給采樣保持電路。LF398是最常用的模擬信號(hào)存儲(chǔ)器，具有采樣和保持功能，在邏輯指令控制下，對(duì)輸入的模擬量進(jìn)行采樣和寄存。LF398可以完美實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的要求，并且價(jià)格低廉，因此采用LF398芯片，LF398芯片原理圖如與采樣保持電路如下圖所示。圖4.13LF398芯片原理圖圖4.14采樣保持電路圖在圖4.14中Cn一般取0.1μF~0.01μF，兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成跟隨器，由于運(yùn)放開環(huán)放大系數(shù)很高，兩個(gè)輸入端之間的電位差忽略不計(jì)，所以能夠保持Cn兩端電壓。A1是射隨器，能夠使Cn快速充電放電。A2是在Cn和輸出點(diǎn)之前起緩沖作用。A1與A2接法實(shí)質(zhì)相同。跟蹤器的輸入阻抗很高(1012Ω)，輸出阻抗很低(6Ω)。As為場(chǎng)效應(yīng)管模擬開關(guān)，通過As完成驅(qū)動(dòng)過程，As的邏輯輸入由外部電路按一定時(shí)序控制，進(jìn)而控制As處于保持或采樣狀態(tài)。4.4.4A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路，流經(jīng)采樣保持器LF398到單片機(jī)片內(nèi)集成的ADC0與ADC2中，并經(jīng)過A/D變換轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理、接收的數(shù)字信號(hào)。將零序電壓通過ADC0轉(zhuǎn)換，ADC0是單片機(jī)C8051F040內(nèi)部集成的一個(gè)9通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，工作時(shí)的基準(zhǔn)電壓可以由引腳VREF0提供，也可以選擇模擬電壓電源作為基準(zhǔn)電壓。零序電流通過ADC2轉(zhuǎn)換，ADC2是單片機(jī)C8051F040內(nèi)部集成的一個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器，工作時(shí)的基準(zhǔn)電壓可以由引腳VREF2提供，也可以選擇模擬電壓電源作為基準(zhǔn)電壓。4.5串口通信電路設(shè)計(jì)上位機(jī)一般負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和通信等，不管系統(tǒng)中是否出現(xiàn)故障，單片機(jī)都要定時(shí)、及時(shí)地將選線信息及采集到的故障信息向上位機(jī)傳送。數(shù)據(jù)信息可能非常龐大，而且在一般情況下上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)距離不是很近，并且環(huán)境嘈雜，數(shù)據(jù)傳輸通道環(huán)境惡劣。在無法保證傳輸環(huán)境適合工作的情況下，為了保障通信電路能及時(shí)的、準(zhǔn)確的完成信息傳輸工作，本設(shè)計(jì)中采用RS485協(xié)議的串行通信方式?；赗S485通信協(xié)議采用了MAX485芯片，具體電路如下圖所示。將MAX485的引腳1和4分別接到單片機(jī)的RXD和TXD引腳上，直接使用單片機(jī)UART進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送；其中引腳2和3是方向引腳，控制數(shù)據(jù)傳輸方向。把這兩個(gè)引腳連到一起，如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)將引腳2與引腳3拉高，不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，讓MAX485處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，使方向引腳保持低電平狀態(tài)。其中A和B引腳間連入的電阻是為了抗干擾設(shè)置的，這個(gè)阻值從100Ω到1KΩ都可以。圖4.15RS485通信電路圖4.6人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)人機(jī)交互模塊是用戶可見的部分，起到反饋故障信息和提示報(bào)警的功能。本部分由顯示模塊與聲光報(bào)警電路組成。液晶顯示模塊選擇LCD12232，LCD12232是點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，具有低功耗、供應(yīng)電壓范圍寬等特點(diǎn)，價(jià)格低廉。由軟件控制LCD顯示饋線的名稱并將其從大到小排列，連接圖如下圖4.16所示。圖4.16LCD連接圖聲光報(bào)警電路由C8051F040的引腳P3.4輸出信號(hào)控制LED，由引腳P3.6輸出信號(hào)控制蜂鳴器。當(dāng)發(fā)生單相接地類型的故障時(shí)蜂鳴器發(fā)出鳴叫，LED快速閃爍，方便人員發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生。在故障發(fā)生時(shí)，報(bào)警的判定依據(jù)為電壓互感器二次側(cè)剩余繞組電壓大于零序電壓整定值，啟動(dòng)ADC并計(jì)算零序?qū)Ъ{值，發(fā)出聲光報(bào)警。該電路由有源蜂鳴器、LED及三極管Q和電阻組成。單片機(jī)的P3.6輸出為低電平0，三極管Q飽和導(dǎo)通，有源蜂鳴器鳴叫，引腳P3.4輸出周期為300ms的方波信號(hào)給LED，LED閃爍提示故障發(fā)生。聲光報(bào)警電路如圖4.17所示。圖4.17聲光報(bào)警電路

5整體軟件設(shè)計(jì)基于C8051F040單片機(jī)實(shí)現(xiàn)選線裝置的主體控制功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)零序電壓、零序電流的儲(chǔ)存和采樣，并計(jì)算零序?qū)Ъ{值進(jìn)行小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線。本章結(jié)合硬件對(duì)選線裝置的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了主程序，A/D采樣程序，通信子程序和數(shù)據(jù)處理程序。5.1程序流程選線裝置軟件在設(shè)計(jì)時(shí)能獨(dú)立完成運(yùn)行完成各自的功能，選線裝置通過通訊子程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)模塊間的數(shù)據(jù)交換和管理。其中通用模塊通過串口的方式控制著電壓模塊和電流模塊，同樣也通過串口的方式進(jìn)行著數(shù)據(jù)聯(lián)絡(luò)通訊。主體部分包括A/D采樣程序和數(shù)據(jù)處理程序等。其總體流程圖如圖5.1所示。圖5.1主程序流程圖5.2A/D采樣服務(wù)子程序A/D采樣程序不僅需要對(duì)線路的電壓分量、電流分量進(jìn)行采樣，并且需要對(duì)故障啟動(dòng)進(jìn)行判斷。開始時(shí)首先要采樣初始化，以判斷信號(hào)有無中斷，當(dāng)信號(hào)中斷時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采樣程序完成一個(gè)采樣周期時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。一旦出現(xiàn)故障，經(jīng)過已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息和選線裝置的使用，進(jìn)行驗(yàn)證，正常工作時(shí)，繼續(xù)重復(fù)采樣。在本裝置設(shè)計(jì)中，設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)是每周期64點(diǎn)，即每隔312.5μs進(jìn)行一次采樣，并伴隨電網(wǎng)頻率的變化自動(dòng)調(diào)整采樣周期。其A/D采樣程序如圖5.2。圖5.2A/D采樣程序圖5.3通信設(shè)計(jì)通信子程序的流程圖如下圖所示。主要功能：接收主機(jī)發(fā)送的命令，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)和狀態(tài)返送回主機(jī)。圖5.3通訊子程序流程圖5.4數(shù)據(jù)處理程序數(shù)據(jù)程序的主要工作是：當(dāng)配電線路出現(xiàn)了單相接地類型的故障時(shí)，通過對(duì)采集裝置采樣到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和故障選線的功能。首先通過收集到的零序電壓數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生故障，再根據(jù)不同接地方式的配電系統(tǒng)，將收集到的和處理后的數(shù)據(jù)與預(yù)先輸入的參數(shù)利用各方法分析，從而進(jìn)行故障選線。具體流程如圖5.4所示。圖5.4數(shù)據(jù)處理程序流程圖6總結(jié)隨著各行各業(yè)的不斷發(fā)展，我們對(duì)供電可靠性的要求更高。小電流接地系統(tǒng)中的故障時(shí)有發(fā)生，大體占所有故障比例的80%-90%，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障，允許系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)帶故障運(yùn)行，方便監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)人員進(jìn)行故障分析和排查。但長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)行會(huì)加大非故障線路相對(duì)于地的電壓，造成兩相短路使故障擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)崩潰。因此如何快速準(zhǔn)確地選擇系統(tǒng)中的故障分線顯得十分重要。但由于故障信號(hào)不易提取，易受干擾影響，日常配電網(wǎng)采用NUS系統(tǒng)與NES系統(tǒng)的故障選線一直是國(guó)內(nèi)外研究的難題，因此在選線問題上需要進(jìn)行深入研究。在前面幾章中，分別分析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地類型故障時(shí)故障選線的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并且對(duì)目前主流的許多選線方法進(jìn)行了原理的大致講解，論述了多種選線方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)。然后對(duì)采用兩種接地方式的配電系統(tǒng)的故障特征做了詳細(xì)分析，分別分析了NUS系統(tǒng)和中NES系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程。并基于前文的分析，設(shè)計(jì)了基于C8051F040單片機(jī)的故障選線裝置的硬件部分并設(shè)計(jì)了軟件流程圖。本文主要結(jié)論如下：(1)分析對(duì)比了多種故障選線方法，指明他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。(2)針對(duì)本文所討論的小電流接地系統(tǒng)的兩種系統(tǒng)類型進(jìn)行單相接地故障特征分析。以單電源多出線回路模型的電容電流分布為例，通過相應(yīng)的計(jì)算公式來反應(yīng)相應(yīng)的故障特征，并以零序電流作為故障是否發(fā)生的主要判斷依據(jù)。(3)進(jìn)行選線裝置的硬件及軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零序電壓、零序電流的儲(chǔ)存和采樣，在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行零序?qū)Ъ{值的計(jì)算。硬件