馬如偉，張志禹，張春美
（西安理工大學 自動化與信息工程學院，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非有效接地，配電線路時常發生短路故障，故障多會發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，本文采用單片機作為檢測工具，對配電線路的運行狀態進行實時監控，通過顯示器的示數變化情況判斷哪條線路發生故障。在Proteus ISIS7 Professional軟件中搭建模型，在MPLAB IDE軟件中編寫程序，將程序寫入單片機，通過顯示器的示數變化，發現故障線路所在，從而實現選線功能。實驗結果證明了該方法的可行性。
關鍵詞：單片機;配電線路;故障選線
0引言
在電力系統中存在著供電系統、輸電系統和配電系統以及眾多變壓器設備，對于電力系統而言，在任何系統以及設備中都會發生故障，只有準確檢測以及定位這些故障，才能為故障的恢復以及電力系統穩定運行提供有效的處理方式。而配電系統主要承擔著向用戶提供高效、穩定的電能的任務，配電線路一旦發生故障就會導致電力傳輸的中斷，進而影響國民經濟的正常有效運行。電力系統中性點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：中性點直接接地、中性點經低阻抗（低電抗）接地；小電流接地方式主要包括：中性點經消弧線圈接地、中性點不接地和中性點經大電阻接地。在我國的中壓配電網中，多數采用小電流接地方式，也就是中性點非有效接地運行方式。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中發生頻率最高。所以，對于配電線路中發生永久性的單相接地故障，必須快速準確地判斷出故障發生的區域（線路）和位置，縮短非故障區域的供電恢復時間，提高整個電力系統的安全可靠性。
目前，在檢測配電線路故障的方法中，主要是利用配電網的數據監控和采集，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償和配網監測等技術手段。但是，配電網絡具有高度復雜性，并且多為架空線路，在輸電過程中的損耗嚴重，電能質量較差，自動化的故障處理水平較低，同時，用于線路上的大量監測和評估設備及裝置成本很高，這與電網的經濟運行相悖。一般的檢測設備由于故障波的傳播會造成故障的誤判斷，進而引起繼電保護設備的誤操作，引發整個電網的不穩定運行。為了克服現有故障檢測方法中存在的誤判斷、誤操作的問題，本方案根據單片機溫度檢測方法以及測溫儀的設計方法提出一種利用單片機實現配電線路故障檢測的裝置，通過上位機與單片機連接，可以清晰地看到上位機中顯示線路運行時的電氣信息量，通過觀察電壓、電流的數據所發生的變化，即可判斷該區域有無故障發生。
1配電線路故障特征分析
配電線路發生的故障多為單相接地短路故障，如圖1所示，假設線路3的A相發生接地故障。
其故障特征是［1］：系統中會出現零序電壓，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為系統線電壓，系統的線電壓仍是三相對稱的；系統中出現零序電壓，其大小等于系統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°［23］。
2總體方案設計
2.1整體電路原理圖
在每條配電線路上架設單片機單元，假設母線處有4條出線，每條線路裝設的單片機分別稱為從機1、從機2、從機3和從機4,從機型號是PIC16F888。4個從機單元的匯總信號通過MAX487芯片傳輸至另一個單片機中，這個單片機稱為主機，其型號為PIC16F887。主機通過RS485總線與上位機連接，在上位機中的LabVIEW軟件中進行測量和顯示［4］，如圖2所示。
2.2從機單元
由于配電線路上的電壓、電流信號不能直接被單片機采集，需要對每個接入線路的從機進行“加工”和改進［5］。具體實施方式是：圖3一個從機單元的組成框圖在每條配電區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，以此構成連接配電線路的從機單元。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系變換成低等級的標準二次電壓，防止電壓過高造成器件損壞。經過互感器變換的電壓由于諧波的存在，會導致波形失真，因此需要進行濾波，這里采用RC低通濾波器，為方便單片機進行A/D采樣，需要將電壓信號放大以保障采樣的準確性，經過A/D采樣器后的數字信號就會讀入單片機。
3硬件設計部分
3.1單片機連接部分
從機和主機均采用PIC16F系列單片機，采用精簡指令集，采用了數據和指令總線分離的哈佛總線結構，因此大部分指令都是單周期指令，這樣就會有更快的運行速度和更高的執行效率［6］，如圖4所示。
四個從機的連接方式是單片機UO1與編號為U001的MAX487芯片連接，單片機UO2與編號為U002的MAX487芯片連接，單片機UO3與編號為U003的MAX487芯片連接，單片機UO4與編號為U004的MAX487芯片連接。連接方法都是單片機的RC5/RX/DT、RC4/C2OUT、RC3/AN7分別與MAX487芯片的RO、DI、DE端口連接。同理，主機為PIC16F887單片機，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。每個從機經過MAX487芯片通過A、B兩條RS485總線將數據傳入主機［78］。如圖5所示。
一般情況下，各個從機的地址都是用戶自己編寫，但在該系統中，用戶可以通過調節SW來設置地址，從而建立主機與從機的聯系。LM041L是顯示器，考慮到需要液晶顯示，本次設計的系統主機只可以對1~4地址進行識別，若需要多個地址，用戶可以自行編寫，模擬信號通過AN0進入系統并識別。
采用MAX487芯片是為了實現單片機與PC機的串行通信［9］。圖6為MAX487芯片的管腳結構圖。
3.2從機與配電線路連接部分
每個從機單元需要有圖3的連接結構：電壓源與電壓互感器連接，電容C并聯在互感器上，與電阻構成一階RC濾波電路，再與LM358運算放大器連接，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字信號讀入單片機。如圖7所示為一個從機單元接線圖。
4實驗結果
在MPLAB IDE中分別編寫好主機和從機的程序，并分別將hex文件寫入主機和從機中，開始仿真，結果如圖8所示。圖8（a）顯示器中四個示數基本相同，說明線路正常運行，圖8（b）中V3示數為零，說明與從機3連接的線路發生了單相接地故障。
同理，根據其他示數的變化可以判斷線路1、2和4是否發生單相接地故障。
5結論
本文介紹了一種基于單片機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，實現故障的選線功能，并且能夠實現對線路運行狀態的實時在線監控，快速檢測故障的發生，防止大面積停電事故的出現，為電力系統的保護與控制、電網安全穩定運行提供了一種新的手段。
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