马如伟，张志禹，张春美

　　（西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048）

摘要：中低压配电线路中的接地方式多为中性点非有效接地，配电线路时常发生短路故障，故障多会发生在母线及多条出线中。为了识别判断母线多条出线中的故障线路，本文采用单片机作为检测工具，对配电线路的运行状态进行实时监控，通过显示器的示数变化情况判断哪条线路发生故障。在Proteus ISIS7 Professional软件中搭建模型，在MPLAB IDE软件中编写程序，将程序写入单片机，通过显示器的示数变化，发现故障线路所在，从而实现选线功能。实验结果证明了该方法的可行性。

　关键词：单片机;配电线路;故障选线

0引言

　　在电力系统中存在着供电系统、输电系统和配电系统以及众多变压器设备，对于电力系统而言，在任何系统以及设备中都会发生故障，只有准确检测以及定位这些故障，才能为故障的恢复以及电力系统稳定运行提供有效的处理方式。而配电系统主要承担着向用户提供高效、稳定的电能的任务，配电线路一旦发生故障就会导致电力传输的中断，进而影响国民经济的正常有效运行。电力系统中性点接地方式可以分为两大类：大电流接地和小电流接地。一般而言，大电流接地方式主要包括：中性点直接接地、中性点经低阻抗（低电抗）接地；小电流接地方式主要包括：中性点经消弧线圈接地、中性点不接地和中性点经大电阻接地。在我国的中压配电网中，多数采用小电流接地方式，也就是中性点非有效接地运行方式。对于故障而言，单相接地短路故障在小电流接地方式的中压配电网中发生频率最高。所以，对于配电线路中发生永久性的单相接地故障，必须快速准确地判断出故障发生的区域（线路）和位置，缩短非故障区域的供电恢复时间，提高整个电力系统的安全可靠性。

　　目前，在检测配电线路故障的方法中，主要是利用配电网的数据监控和采集，它主要包括配电变电站自动化、馈线自动化和配电巡检及低压无功补偿和配网监测等技术手段。但是，配电网络具有高度复杂性，并且多为架空线路，在输电过程中的损耗严重，电能质量较差，自动化的故障处理水平较低，同时，用于线路上的大量监测和评估设备及装置成本很高，这与电网的经济运行相悖。一般的检测设备由于故障波的传播会造成故障的误判断，进而引起继电保护设备的误操作，引发整个电网的不稳定运行。为了克服现有故障检测方法中存在的误判断、误操作的问题，本方案根据单片机温度检测方法以及测温仪的设计方法提出一种利用单片机实现配电线路故障检测的装置，通过上位机与单片机连接，可以清晰地看到上位机中显示线路运行时的电气信息量，通过观察电压、电流的数据所发生的变化，即可判断该区域有无故障发生。

1配电线路故障特征分析

　　配电线路发生的故障多为单相接地短路故障，如图1所示，假设线路3的A相发生接地故障。

　　其故障特征是［1］：系统中会出现零序电压，各线路对地电容电流情况有以下特征，线路1：I·a1=0；I·b1=jbωC1；I·c1=jU·cωC1。线路2：I·a2=0；I·b2=jU·bωC2；I·c2=jU·cωC2。线路3：I·a3=－(I·b1+I·c1+I·b2+I·c2+I·b3+I·c3)；I·b3=jU·bωC3；I·c3=jU·cωC3。

　　线路1的零序电流为：

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

　　=j3U·0ωC1

　　=3U·φωC1

　　线路2的零序电流为：

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

　　=j3U·0ωC2

　　=3U·φωC2

　　线路3的零序电流为：

　　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

　　线路1的接地电容电流为：

　　3I·01=3jU·φωC1

　　线路2的接地电容电流为：

　　3I·02=3jU·φωC2

　　线路3的接地电容电流为：

　　I·c3+I·b3=jU·bωC3+jU·cωC3=j3U·φωC3

　　那么接地处的故障电流为：

　　I·f=3jU·φω(C1+C2+C3)

　　由此可知，配电线路发生单相接地故障时的故障特征是：故障相对地电压为零，非故障相对地电压变为系统线电压，系统的线电压仍是三相对称的；系统中出现零序电压，其大小等于系统正常工作时的相电压。非故障线路的零序电流3I0等于本线路接地电容电流之和，故障线路的零序电流等于所有非故障线路的接地电容电流之和。接地故障处的故障电流等于所有线路(包括故障线路和非故障线路)的接地电容电流的总和，相位超前零序电压为90°［23］。

2总体方案设计

　　2.1整体电路原理图

　　在每条配电线路上架设单片机单元，假设母线处有4条出线，每条线路装设的单片机分别称为从机1、从机2、从机3和从机4,从机型号是PIC16F888。4个从机单元的汇总信号通过MAX487芯片传输至另一个单片机中，这个单片机称为主机，其型号为PIC16F887。主机通过RS485总线与上位机连接，在上位机中的LabVIEW软件中进行测量和显示［4］，如图2所示。

　　2.2从机单元

　　由于配电线路上的电压、电流信号不能直接被单片机采集，需要对每个接入线路的从机进行“加工”和改进［5］。具体实施方式是：图3一个从机单元的组成框图在每条配电区域的输电线路上接入电压互感器，电压互感器与RC滤波电路连接再与运算放大器连接，然后与A/D采样装置连接，最后连接PIC16F688单片机，以此构成连接配电线路的从机单元。如图3所示。

　　互感器类型为电压互感器，其作用是将线路上的高电压按照比例关系变换成低等级的标准二次电压，防止电压过高造成器件损坏。经过互感器变换的电压由于谐波的存在，会导致波形失真，因此需要进行滤波，这里采用RC低通滤波器，为方便单片机进行A/D采样，需要将电压信号放大以保障采样的准确性，经过A/D采样器后的数字信号就会读入单片机。

3硬件设计部分

　　3.1单片机连接部分

　　从机和主机均采用PIC16F系列单片机，采用精简指令集，采用了数据和指令总线分离的哈佛总线结构，因此大部分指令都是单周期指令，这样就会有更快的运行速度和更高的执行效率［6］，如图4所示。

　　四个从机的连接方式是单片机UO1与编号为U001的MAX487芯片连接，单片机UO2与编号为U002的MAX487芯片连接，单片机UO3与编号为U003的MAX487芯片连接，单片机UO4与编号为U004的MAX487芯片连接。连接方法都是单片机的RC5/RX/DT、RC4/C2OUT、RC3/AN7分别与MAX487芯片的RO、DI、DE端口连接。同理，主机为PIC16F887单片机，也与编号为U000的MAX487芯片连接，其连接方式是RC7/RX/DT、RC6/TX/CK、RC5/SDO分别与MAX487芯片的RO、DI、DE端口连接。每个从机经过MAX487芯片通过A、B两条RS485总线将数据传入主机［78］。如图5所示。

　　一般情况下，各个从机的地址都是用户自己编写，但在该系统中，用户可以通过调节SW来设置地址，从而建立主机与从机的联系。LM041L是显示器，考虑到需要液晶显示，本次设计的系统主机只可以对1~4地址进行识别，若需要多个地址，用户可以自行编写，模拟信号通过AN0进入系统并识别。

　　采用MAX487芯片是为了实现单片机与PC机的串行通信［9］。图6为MAX487芯片的管脚结构图。

　　3.2从机与配电线路连接部分

　　每个从机单元需要有图3的连接结构：电压源与电压互感器连接，电容C并联在互感器上，与电阻构成一阶RC滤波电路，再与LM358运算放大器连接，并最终分别与A/D采样器的A、B、C、D端口连接［1011］，从A/D采样器采样出来的数字信号读入单片机。如图7所示为一个从机单元接线图。

4实验结果

　　在MPLAB IDE中分别编写好主机和从机的程序，并分别将hex文件写入主机和从机中，开始仿真，结果如图8所示。图8（a）显示器中四个示数基本相同，说明线路正常运行，图8（b）中V3示数为零，说明与从机3连接的线路发生了单相接地故障。

　　同理，根据其他示数的变化可以判断线路1、2和4是否发生单相接地故障。

5结论

　　本文介绍了一种基于单片机检测中低压配电线路故障的装置，通过在Proteus ISIS7 Professional软件中搭建模型，在MPLAB IDE软件中编写程序，实现故障的选线功能，并且能够实现对线路运行状态的实时在线监控，快速检测故障的发生，防止大面积停电事故的出现，为电力系统的保护与控制、电网安全稳定运行提供了一种新的手段。

参考文献

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