（应用数学专业论文）在线检测盗割电线故障的系统分析与研究.pdf

河南大学研究生硕士学位论文第1 页 摘要 通过对在线电线( 缆) 特性的分析，发现在人为、环境等因素的影响下，它 的许多特性诸如电线电阻、电线电抗、在线电线温度等会发生明显变化。分析研 究在线电线的某些特性，对电力部门出现的某些现有故障具有启发意义和实用价 值。文章利用分析在线电线特性得出的由于人为或环境等因素的影响使得在线电 线的阻抗值会发生明显变化这一特点，结合一个外围装置，研究一套可以用来检 测监控传统盗割电线和新型盗割电线故障的方案。本文以在线电线特性分析为前 提，结合单片机、d s p 和g s m 等内容，研究得出一套在线电线( 缆) 检测监控系 统的方案，该方案能在第一时间发现盗割电线( 缆) 故障，并发出警报至管理员。 其研究内容主要包括： 第一、通过对在线电线特性的分析，得出故障前与故障后线路上不同材质电 线阻抗值之间的变化关系。利用这一变化关系来分析与构建故障检测模型。分析 检测电压值的普通检测方法和自定义检测电压值电路及误差分析，并对两者进行 分析比较。进一步对模型进行仿真研究，以证明模型对故障检测的有效性。 第二、通过对在线电线特性的分析，结合d s p 技术、单片机技术和g s m 数 据通信模块来设计一套盗割电线( 缆) 监控系统方案。该系统具有双重检测功能： 第一种是检测监控在通电情况下直接剪断电线( 缆) 的盗割手法；第二种是检测 监控在凌晨时分，电线负荷很低的情况下，不法分子先用横截面细的或者价格相 对低廉的金属线接在被盗电线( 缆) 的两端，暂时保持电力畅通，然后剪断盗取 中间电线( 缆) 的盗割手法。 关键词：盗割电线( 缆) 故障：建模；d s p ；g s m 模块 第l i 页河南大学研究生硕士学位论文 a b s tr a c t w h e na 1 1 a l y z e sm eo i l l i n ee l e 嘶cw i r e ( c a b l e ) c h 盯a c t e n s t i cw ed i s c o v e r e dt h a t m a n yc h a r a c t e r i s t i c sw i l lc h a n g e sa j o n gw i mt h e0 1 1 l i n ee l e c t r i cw i r e ( ca _ b l e ) i l lf 砬t o r u 1 1 d e rh u m 觚a 1 1 ds oo ne n v i r o 姗e n ti n 丑u e n c e s f o re x 锄p l ee l e c t r i cw i r er e s i s t a i l c e ， e l e c t r i c 埘r er e a c t a l l c e ，o i l l i i l ee l e c t r i c 、 ，i r et e n l p e r a l ：u r ea n ds oo n a n a l 徊c a ls t u d y 0 1 1 l i n ee l e c t r i c 埘r e ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，h a v et h ei n s p i r a t i o ns i g i l i 6 c a l l c ea 1 1 dt h eu s e v a l u et oe l e c t r i c p o w e rd 印a r t m e n t ss o m eb r e a l ( d o w n s t h ea n i c l ea n a l y s i so m i i l e e l e c t r i c 谢r ec h a r a c t e r i s t i cw i l lo b t a i nt h ee l e c t r i c 晰r ei m p e d a i l c et oo b v i o u sc h a 芏l g e w h e nf a c t o ra n ds oo nh u m a no re n v i r o m n e n ti 对1 u e n c e s u s i n gt b j sc h a r a c t e r i s t i ca n d u n i f i e sap e r i p h e r a lu n i t ，t h ea r t i c l es t u d i e sas e tt ob ep o s s i b l et ou s ef o rt oe x 锄i n et h e o r d i n a r ys h e a rt 王l ee l e c t r i c 晰r ea i l dt h en e ws h e a r st h ee l e c t r i cw i r eb r e a k d o w np l a n 1 1 1 i sa n i c l et a k et h eo m i i l ee l e c t r i c 晰r ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sa sa p r e m i s e ，硼j f i e st h e m i c r o c o n t r o l l e r s ，d s pa 1 1 dg s m ，s t u d i e sa s e to fe l e c t r i c 谢r ee x 锄i n a t i o ns u p e n ，i s o r y s y s t e mp l a l l t 1 1 i s p l a i lc a nd i s c o v e rr 印i d l ys h e a r st h ee l e 确c 晰r eb r e a k d o ，i l ，a 1 1 d s e n dt h ew a r l l i n gt ot 1 1 em a n a g e r t h er e s e a r c hc o m e n tm a i l l l yi n c l u d e s ： f i r s t ，t 1 1 r o u 曲t ot h e o n l i n ee l e c t r i cw i r ec h a r a c ：t 嘶s t i c a 1 1 a l y s i s ，o b t a i nt h e i m p e ( k m c ec h 趾g er e l a t i o n sw i t hd i 丘e r e n tm a t e r i a le l e c t r i cw i r eb e f o r et h eb r e a k d o w n a n d 撕e r u s i n g 仳sc h a l l g er e l a t i o n s ，a i l a l y z e sa i l dt h ec o n s t i u c t i o nm o d e l a n a l y s i s e x 锄i n a t i o nv o l t a g ev a l u so r d i n a r ye x 锄i n a t i o nm e t h o da n d 丘o mt 1 1 ed e f i l l i t i o n e x 锄i n a t i o nv o l t a g ev a l u ee l e c t r i cc i r c u i ta 1 1 d l ee r r o ra n a l y s i s ，a n dc a r 矗e so nt h e a j l a l y s i sc o m p 撕s o n t ob o t hs i t u a t i o n c o n d u c t st 1 1 es i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot h em o d e l ，t o p r o v e dt h a tt h em o d e l t ot l l eb r e a l ( d o 、硼i se f i e c t i v e s e c o n d ，t l l r o u g ht o o n l i n ee l e c t r i cw i r ec h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s ， 蚰i 6 e st l l e m i c r o c o n t 】的l l e r s ，d s pa n dg s m ，s t u d i e sas e to fe l e c t r i c 谢r ee x 锄i n a t i o ns u p e n ，i s o r y s y s t e mp l a n n l i ss y s t e mh a st l l ed u a lm e a s 证n ga b i l i t i e s ：n l ef l r s ti se x a m i n a t i o n m o l l i t o r i n g i i lo n l i n es i t u a t i o n d i r e c ts h e a re l e c 仃i cw i r em e t h o d ；t h es e c o n di s e x 枷n a t i o nm o l l i t o r i n gt i m eb e i n gn e a re a r l ym o n l i n g ，i i le l e c t r i cw i r el o a dv e r y1 0 w s i m a t i o n ，t h et l i e fu s et 1 1 el a t e r a ls e c t i o nm i ne l e c t r i cw i r eo rp r i c es m a l la d v a l l t a g e e l e c 埘cc o n n e c t i o ni ns o m ee l e c 仃i cw j r eb o t hs i d e s t h i sm e t h o dm a i n t a j n st 1 1 ef i r s t 河南大学研究生硕士学位论文第1 i i 页 e l e c t r i cp o w e ri su n j m p e d e d ，t h e ns h e a ri i l i d d l ee l e c t r i cw i r e k e yw o r d s ：s h e a r st h ee l e c t r i cw i r eb r e a k d o w n ；m o d e l l i n g ；d s p ；g s mm o d u l e 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人囱河南大学提出硕士学住中请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完成酌，对所研究的课题有新的见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同事对本研究所儆的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位申请人( 学位论文作者) 签名：钴爱彖 2 0 口擗月7 目 关于学位论文著作权使用授权书 本人经河南大学审核批准授予硕士学位。作为学位论文的作者，本人完全 了解并同意河南大学有关保留、使用学位论文番勺要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信息机构、数据收集机构和本校图书馆等提供学位论文( 纸质文 本和电子文本) 暖供公众检索、查阅。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等目钓，可以采取影印、缩印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文奄和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文在解密后适用本授权书) 学位获得者( 学位论文作者) 签名： 2 0 学位论文指导教师签名： 2 0 形义承 河南大学研究生硕士学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 当前，伴随着电力行业的发展，电能作为使用最广泛也最重要的能源之一， 已成为大众日常工作生活中不可或缺的一部分。随着我国国民经济的快速发展， 企业和个人对电能的需求也是与日俱增。电能作为传统能源对推动社会向前发展 起到了积极重要的作用。为了缓解日益增长的电能需求，国家投巨资于城网、农 网改造，以便提高配电网供电能力和安全经济运行水平【l 】。然而保障电力传输线路 的畅通是庞大电网系统的基础。因此，作为电力传输的媒介电线电缆，也就 显得格外重要了。 为了满足国民经济发展的需要，据预测，2 0 1 0 年需电量为3 2 3 5 万亿k 矽办， “十一五”期间发电量年平均增长率为6 左右。到2 0 1 0 年，全国3 3 0 k 矿及以上交 流线路将达到1 1 4 万砌【1 2 】。由此可以看出，随着经济的发展，电网系统也发展迅 速，日益庞大。然而，复杂庞大的电网系统也滋生了许多盗割电线( 缆) 、盗窃电 力设备、窃电等犯罪行为。随着电力设施偷盗事件的层出不穷，电力网的安全越 来越受到人们的关注1 1 3 1 。一些犯罪分子疯狂作案，有恃无恐地盗窃各种电力设施、 盗割电线( 缆) 。犯罪手法也是日趋高明，先从通电情况下直接剪断电线( 缆) 的 普通盗割手法发展到一种新的盗割手法【1 4 】【1 5 j 。这种新的盗割电线( 缆) 的方法是 盗割者在负荷比较低的夜晚时分先用横截面细的，或者价格相对低廉的金属线接 在被盗电线( 缆) 的两端，暂时保持电力畅通，然后剪断盗取中间电线( 缆) 。此 时，电线( 缆) 是连通的，相关部门还未察觉故障已经发生，等到用电用户增加， 负荷增大时，连接的细电线( 缆) 会烧断，造成局部大面积的停电。此时电力部 门才发现电线( 缆) 已经被盗割，而盗割者也早已逃走。 这种新的盗割方法隐蔽性强、技术含量较高，因此更加不容易被发现。对于 上述这种新出现的盗割手法，相关专家对此也进行了探讨与研究，但至今为止还 未做出针对这一情况的有效系统方案。因此，研究开发一套相对完善的在线检测 监控电线( 缆) 的系统方案是非常必要的。本文针对故障的特点，结合对不同横 截面、不同材料的在线电线( 缆) 的分析与研究，得出了相应的检测模型，并将 模型应用到以上要解决的实际问题中。 第2 页河南大学研究生硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 目前在国内，对盗割电线的分析与检测技术发展起步相对较晚，无论从理论 或实践上来说都不成熟。目前，在国内防止盗割电线行为主要有以下几种： 1 国内一些公司生产的一种电力设施防盗报警器，此类电力设施防盗报警器 的工作原理是在需要防盗线路的一端安装一个发射器，在防盗线路的另一端安装 一个接收器，当该线路连通( 即未被割断) 时，接收器便正常地接收到发射器发 出的信号，未启动报警程序。一旦该线路被盗割，从而使其不再连通( 线路已断) ， 接收器便收不到发射器发出的信号，从而启动报警程序。此类报警器可用于直接 盗割电线行为，但是对于先用其他材质或横截面细的电线接上，先保持电力畅通， 然后再盗割中间电线的此类故障不适用。另外报警器的发射器和接收器之间的有 效距离较短，不易监控长距离电线。 2 提出了将架空线路改为地埋线路，用来防止盗割电线。此类方法有成本高、 投资大、维修不便等缺点。因此完全采用地埋线路的方法也是不可行的。 3 加铁丝网、铁枝或用铁水管裹住电线，来防止盗割电线【16 1 。此类方法消耗 巨大的人力物力，对于巨大的电网是不可能的。 4 开长明灯。白天黑夜都一直开着灯。只要出现盗割行为，将电线剪断，灯 就会熄灭，如此用来防止盗割电线。此类方法对故障发生的判断极不精确，而且 浪费了电力资源，是不可行的。 以上的几个防止盗割电线行为的方法，对于防止盗割起了一定的作用，但对 于犯罪分子先用横截面细的或者价格相对低廉的金属线接在被盗电线( 缆) 的两 端，暂时保持电力畅通，然后剪断盗取中间电线( 缆) 这一类新型的盗割行为就 不适用了。因此，研究开发一个针对传统和新型双重盗割行为的检测与报警系统 的方案是很重要的。 在国外，盗割电线( 缆) 很少发生。此外，2 0 0 7 年0 6 月0 8 日美国麻省理工 学院的科学家们完成了一项无线电力( w i 啊c i 够) 传输实验【l7 | 。利用这套系统，电力 可以在无线的状况下传输，这就从根本上杜绝了盗割电线的行为。 河南大学研究生硕士学位论文第3 页 1 3 研究意义和研究内容 1 3 1 研究的意义 根据我国现有电线故障分析与检测监控系统的实际情况，完整可行的系统很 少，盗割电线( 缆) 的现象又时而发生。犯罪分子盗割金属电线( 缆) 出售，从 中获取非法利益。作为电线金属本身的直接经济损失是有限的，但是由于偷剪电 线后造成了局部大面积停电，并影响了当地正常的供电秩序，给电力部门和用户 带来了很大的损失。本系统是在传统盗割电线( 缆) 的基础上，结合当前新型的 盗割行为而完成的一种新的检测与报警系统方案。利用该方案能够在第一时间内 发现盗割电线( 缆) 行为，并及时反馈报警，能为国家电力部门和用户挽回很大 的经济损失。 1 3 2 研究的内容 结合对不同横截面，不同材料的在线电线( 缆) 的分析与研究，得出了相应 的检测模型，并提出一个盗割电线( 缆) 检测与报警系统方案。该系统具有对传 统盗割电线( 缆) 故障和新型盗割电线( 缆) 故障的检测、分析和处理的双重功 能。系统通过相应的检测装置，能够实现实时监控被测电线( 缆) ，一旦发现故障 能及时向管理员发出警报。 研究利用相关技术测量电线( 缆) 上的功率消耗值和电压损耗值，并对两者 检测数据进行分析和比较，得出相比之下误差较小的电压损耗值。通过对电压损 耗值的比较和分析，得出故障是否发生。分析研究如何将存储在单片机中的数据 通过g s m 数据通信模块发送到监控中心；分析研究适合该系统的g s m 数据通信模 块，该模块能将数据准确无误地发送到监控中心。利用监控中心的d s p 平台来分 析处理发送过来的数据，并能对发生故障时的情况及时反馈。 1 4 本文的内容安排 第1 章是绪论。首先提出本课题研究的现实背景，针对故障的特点，提出检测 新故障的方法；然后介绍了国内外的研究现状，进而介绍了本论文的主要研究 意义及其研究内容，最后给出本文的内容安排。 第2 章是电线( 缆) 特性、微处理器及通信模块的简单介绍。首先分析讨论了不 第4 页河南大学研究生硕士学位论文 同材质的电线( 缆) 的本身具有的特性。接着介绍了国内及国际上一些对于电 线( 缆) 材质研究的最新成果和方向。最后简单介绍了本系统中应用到的单片 机，g s m 通信模块及t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 的基本内容。 第3 章是电力线路的分析与故障建模。本章是本论文的核心和重点。在本章中 重点介绍了故障的发生，引出故障的特点。针对故障特点分析了故障前后线路 上功率损耗和电压损耗值。通过对两者检测方法的比较，选择了检测误差相对 较小的电压损耗值。通过对线路上电压损耗的分析，监控故障发生；进一步介 绍了对检测结果有影响的误差分析，包括检测误差、环境误差和电网波动误差； 而后继续介绍了电压检测值的过程，通过对电子式电压表内部电路的改进，去 除了不必要的电路模块，得出了更加精确电压值的检测过程；最后结合各种误 差的分析，得出了三种不同情况故障( 传统故障、线上消耗2 5 0 形时的故障及 线上消耗1 0 0 形的故障) 的仿真图。 第4 章介绍的是基于g s m 与单片机的现场控制模块。在本章中首先介绍了现 场控制模块的系统设计，其中包括系统的硬件设计和某些软硬件设置，并介绍 了g s m 模块t c 3 5 i 的短消息设置模式及短消息命令集。最后介绍了短消息收 发系统的构成，其中包括单片机与t c 3 5 i 的接口设计、单片机对t c 3 5 i 的控制 以及t c 3 5 i 的外围电路设计。 第5 章是对监控中心分析模块的介绍。包括监控中心分析模块的组成，监控中 心分析系统；介绍了单片机与d s p 两种不同的通信接口；最后介绍了基于d s p 的监控中心分析数据的过程。 1 5 本章小结 在本章中，首先提出了本课题研究的现实背景，针对新的故障特点，提出了 一个解决方案；迸一步介绍了国内外的研究现状；最后给出了本论文的主要研究 意义及研究内容。 河南大学研究生硕士学位论文第5 页 第2 章电线( 缆) 特性、微处理器及通信模块简单介绍 2 1 电线电缆材质分析 当前，我国电线电缆有五大类产品：电力电缆、裸线、通信电缆与光缆、绕 组线、电气装备用电线电缆。它们是输送电能、传递信息和制造各种电机、电器、 仪表所不可缺少的基础器材，是未来电气化、信息化社会中必要的基础产品。电 线电缆产品被广泛应用于国民经济各个领域，被喻之为国民经济的“血管与“神 经”【2 】。因此，选用适合材质的电线电缆是至关重要的。特别是一些重要线路， 应选用的电线电缆要求导电性好、机械强度大、电阻率小等特点。 电线( 缆) 选用时应注意的方面有：长度、导体截面、原材料材质和电线电 缆结构尺寸【3 j 。不同材质的电线，其电线特性也不尽相同。当前，国内最常用的导 线材质有铜、铝和钢【l 引。其中铜的导电性最好，机械强度也很高，但价格相对贵。 铝的机械强度较差，但具有质轻、价廉的特点。钢的机械强度很高，但是其导电 性差。其中铜作为导线材质具有熔点高、硬度高、电阻率小的特点。目前，在各 类工业与民用建筑工程中应用越来越普遍【4 】。特别是担负着重要传输线路时，铜作 为导线材质会用得越来越多。数据显示，2 0 0 7 年生产的铜芯绞线为1 0 0 万吨，同 比2 0 0 6 年增长1 5 左右1 5 】。因此，铜作为电线电缆材质应用越来越广，数量越来 越多。 同时，对实用电线电缆的分析还要考虑其他方面的因素。例如电线的氧化性 质，接触电阻的大小随氧化层的性质和厚度的变化而变化【6 1 。电线材质越活泼，就 越容易产生氧化层，电线电阻就会随之变大。因此，电线电缆应尽量选用性质相 对稳定的材质。另一方面需要考虑的是工频耐压【j n ，即交流电压试验。在一定试验 电压一般为交流4 9 6 1 勉的近似正弦波下，对于具有一定的额定电压的电线电 缆，采用高压形式，加压一段时间，一般为5 分钟，如不发生击穿和闪络，则可 以合格通过。 随着世界经济的快速发展，人类对铜的应用也越来越广泛。然而作为贵金属 的铜，其本身的资源是有限的。因此，新的电线电缆材质的研究也越来越受到各 国的重视。 第6 页河南大学研究生硕士学位论文 1 、2 0 0 6 年5 月，兴乐集团最新研制了“铜包铝和铜包铝复合导体电线电缆”。 该新产品有耐腐蚀性强，焊接性良好，比重小，易于加工，便于安装、运输，传 输性能好等诸多优点，其重量仅为铜的4 0 ，成本仅为铜的6 0 ，使用铜包铝线替 代纯铜线，能够大幅度节约原材料成本 8 】。 2 、炭纤维材料在电线电缆应用方面的研究。2 0 世纪末，日本关西电力公司曾 研究过一种输电炭纤维，当时称导电性能与铝相同。最近，美国科学家斯马利教 授研制成功了碳纳米管量子导线。我国江苏( 无锡) 远东集团与美国合作在国内 也首次研究开发成功炭纤维电缆，并己在国内挂线试运行。有人将这一新型炭纤 维电缆的研制成功称为是“电力行业的一次颠覆性革命 ，自此使炭纤维、碳纳米 管在电力、电工、电子领域的应用有了新进展。随着研究的深入，定会有更多新 型炭纤维材料在电力、电工、电子等领域得到开发、应用，服务于经济建设中【9 】。 3 、航天航空、高端武器等方面的快速发展，产生了对特种用途电线电缆方面 的研究与应用。特种用途电线电缆是应用特殊环境或特殊用途的专用电线电缆。 这种电线电缆的材料一般具有耐高温、耐辐照的导体和绝缘材料【1 0 】。对于此类 研究，由于技术含量高，涉及的研究领域很特殊，因此，目前只是对很小的范围 内研究应用。 2 2 电力线路的分析 电力线路( e l e c t r i cp o 、e rl i n e ) 是电力系统的重要组成部分，担负着输送和分配 电能的重要任务。电力线路按电压高低分，可分为高压线路( k 曲- v o l t a g el i n e ) 即 1k y 以上线路和低压线路( 1 0 w v o l t a g el i n e ) 即1k 矿及以下线路。按照结构形式的 不同，可分为架空线路和电缆线路。 2 2 1 线路的结线方式 高压线路和低压线路的结线方式有放射性接线( r a d i ot ) ，p e ) 、树干接线( t n m t 啪e ) 和环形接线( r i n g l 汰et y p e ) 等基本方式【1 8 】。 1 ) 放射性结构的线路之间互不影响，因此供电可靠性高，而且便于装设自动 装置。但是采用此类结构投资大，而且在发生故障或检测时，该线路所供电的负 荷都要停电。因此，放射性结构多用于设备容量大或对供电可靠性要求较高的设 备配电。图2 1 所示为低压放射型结线示意图。 河南大学研究生硕士学位论文第7 页 劫力玻艨踢 图2 1 低压放射式结线 图2 - 2 低压树干型结线 2 ) 树干型结构的特点刚好与放射型结构相反。对于树干型结构，一般采用的 开关设备较少，有色金属消耗量也较少。但干线发生故障时，影响范围大，因此 供电可靠性低【1 8 】。图2 2 所示为低压树干型结线示意图。 3 ) 环形接线，供电可靠性较高。任一段线路发生故障或检修时，都不会造成 供电中断。另外环形接线能使电能损耗和电压损耗减少，但是环形系统的保护装 置及其整定配合比较复杂，如果配合不当，容易发生错误，反而扩大故障停电范 围。图2 3 所示为低压环型结线示意图。 图2 3 低压环型结线 总之，电力线路的结线应尽量简单，如果电力系统结线复杂，层次过多，会 第8 页河南大学研究生硕士学位论文 引起维护不便，同时增加个元器件发生故障的几率。但是结线过于简单，则很难 满足各方的需求。因此，需要综合考虑电力线路的结线问题。 2 2 2 线路的结构 线路的结构大致可分为架空线路和电缆线路【l 引。 ， 1 ) 架空线路 架空线路是由导线、电杆、绝缘予和线路金具等主要元件组成。架空线路与 电缆线路相比有许多优点，比如成本低、投资少、安装容易、维护方便等，所以 架空线路在国内应用很广泛。架空线路的导线材质有铜、铝和钢。其中最常用的 是铜和铝。铜的导电性最好( 电导率为5 3 朋剐所) 机械强度也相当强( 抗拉强度约为 3 8 0 脚口) ，但是铜属于贵金属，价格比较贵。铝的抗拉强度较差( 约为1 6 0 脚口) ， 其导电率也比铜的导电性差，约为3 2 朋酬m ，但是铝具有质轻，价格低廉的特点。 因此根据线路的需要选择的导电材质也不同，重要线路可选择铜作为导电材质。 2 ) 电缆线路 电缆线路与架空线路相比，具有成本高、投资大、维修不便等缺点，但是它 具有运行可靠、不易受外界影响、不需要架设电杆等优点。特别是一些特殊的场 合，电缆线路也越来越广泛应用。 2 3 单片机、d s p 及g s m 模块的简单介绍 由第l 章绪论内容中对故障检测系统的简单分析可知，该监控系统应用到单 片机、d s p 及g s m 通信模块等方面的内容。在本节中，文章先对单片机、d s p 及 g s m 通信模块进行简单介绍。 2 3 1 单片机a t 8 9 c 5 2 简单介绍 a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机，片 内含8 kb y t e s 的可反复擦写的只读程序存储器( p e r o m ) 和2 5 6 b y t e s 的随机存取 数据存储器( 洲) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产， 与标准m c s 一5 1 指令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器 ( c p u ) 和f l a s h 存储单元，功能较强。因此a t 8 9 c 5 2 单片机适合于许多较为复 杂控制应用场合。 河南大学研究生硕士学位论文第9 页 图。 主要性能参数【2 6 】： 与m c s 一5 1 产品指令和引脚完全兼容 8 k 字节可重擦写f l a s h 闪速存储器 1 0 0 0 次擦写周期 全静态操作；o h z 一2 4 姗z 三级加密程序存储器 2 5 6 8 字节内部r a m 3 2 个可编程i 0 口线 3 个1 6 位定时计数器 8 个中断源 可编程串行u a r t 通道 低功耗空闲和掉电模式 谨嚣 搴蝴 锄油l 善礴0 磊 锄jc 僦 冲0 e 戴x 嘲翻蹶 鞠辅0 嘭 祝7 浦游) 执擎# 勉事哟咯 p 色董氛 o ：，楫 勘 t 唆毒 t 口2 t 动 盘2 4 游备 毪善e j 9 2 ，( ，协 暂? f f 黼 蚴参e 鳓 图2 4 a t 8 9 c 5 2 引脚图 如图2 4 所示为a t 8 9 c 5 2 塑料封装引脚图，图2 5 所示为a t 8 9 c 5 2 内部结构 图2 5a t 8 9 c 5 2 内部结构图 a t 8 9 c 5 2 提供的标准功能有：8 k 字节f l a s h 闪速存储器，2 5 6 字节内部ra 在， 0，2，i寡矗f节玉，2，4毫彝，移黧焉嚣嚣蒸器嚣黧嚣蒸 滟一 懈懒瓣疥舭一觥一m譬髯 第1 0 页河南大学研究生硕士学位论文 3 2 个i o 口线，3 个1 6 位定时计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串 行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时a t 8 9 c 5 2 可降至0 勉的静态逻辑操作， 并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止c p u 的工作，但允许r a m ， 定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存洲中的内容， 但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 2 3 2t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 型d s p 简单介绍 在本文中的监控中心分析系统处理器是利用美国德州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i ) 公司生产的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 型d s p ( 以下简称v c 5 4 1 6 ) 。v c 5 4 1 6 是t i 公司为实现低功耗、高性能而专门设计的1 6 位定点d s p 芯片。它的运算能 力达到1 2 0 1 6 0 脚( 每秒百万条) ，机器周期为6 2 5 8 3 3 埘，片内支持电压为 1 5y ，工0 支持电压为3 3 矿，内部有1 2 8 k 字的r a m 和1 6 k 字的r o m 。v c 5 4 1 6 采 用改进的哈佛结构，将存储空间分成三个独立可选的存储空间，包括6 4 k 字的程 序存储空间( 外部程序存储空间可扩展到8 m 字) 、6 4 k 字的数据存储空间和6 4 k 字 的i 0 空间。文献 4 4 4 5 详细介绍了c 5 4 x 的内存和f 1 a s h 存储的相关内容。 v c 5 4 1 6 将数据空间和程序空间相互独立分开，有各自的地址和数据总线，这就使 得指令和数据的处理可以同时进行，而且还允许数据在程序存储空间和数据存储 空间之间传输，从而大大提高了执行效率。 v c 5 4 1 6 的功能框图如图2 6 所示。由c p u 内核、片内存储器、外部总线接口 等组成。 图2 6v c 5 4 1 6 功能框图 河南大学研究生硕士学位论文第1 1 页 v c 5 4 1 6 的主要特征有： 1 ) c p u 利用其专用的硬件逻辑和高度并行性提高芯片的处理性能【3 引。 1 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线组成的改进型哈佛结构，提供了 更快的速度和更高的灵活性。 4 0 b i t 的算术逻辑单元( a l u ) 包括4 0 b i t 的桶形位移器和两个独立的4 0 b i t 累 加器a 和b 。 1 7 1 7 b i t 并行乘法单元和专用的4 0 b i t 加法器用于无等待状态的单周期乘 累加操作。 比较、选择和存储单元( c s s u ) 能够完成维特位( v i t e r b i ，通信中的一种编码方 式) 的加比较选择操作。 指数译码器可以在单周期内对4 0 b i t 累加器进行指数运算。 两个地址发生器包括8 个辅助寄存器( a r o a r 7 ) 和两个辅助寄存器算术运算 单元( a r a u o 、a r a u l ) 。 2 ) 存储器具有1 9 2 k 字可寻址存储空间( 包括6 4 k 字程序存储空间、6 4 k 字数据 存储空间和6 4 k 字i o 空间) 。文献 4 3 详细介绍了i o 的相关内容。 3 ) 高度专业化的指令集能够快速地实现算法并用于高级语言编程化。 4 ) 片内外设和专用电路采用模块化的结构设计，可以快速地推出新的系列产品。 文献 4 7 介绍了片内外设等详细内容。 5 ) v c 5 4 1 6 每秒指令数为1 6 0 删。 6 ) 其电源由i d l e l 、i d l e 2 和i d l e 3 功耗下降指令控制功耗，以便d s p 工作在 节电模式下，其控制c l k o u t 引脚的输出，节省功耗。 7 ) 在片仿真接口、片上的j t a g 接口符合i e e e l l 4 9 1 边界扫描逻辑接口标准， 可与主机连接，用于芯片的仿真和测试。 2 3 3g s m 通信模块的简单介绍 g s m ( g 1 0 b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 即全球移动通信系统，是世 界上主要的蜂窝系统之一【捌。自1 9 9 1 年第一个g s m 系统运营开始，1 0 0 多个国 家的2 0 0 0 多万g s m 用户已经有了世界范围的漫游覆盖、各种操作环境下出色的 语音质量及许多增值业务。移动数据通信是在数据通信基础上发展起来的一种通 信方式。 第1 2 页河南大学研究生硕士学位论文 g s m 模块是继g s m 手机外又一种非常重要的g s m 移动通信系统的终端设 备。g s m 模块在短信息方面的应用最具优势，具有永远在线、不需拨号、价格便 宜、覆盖范围广等特点，特别适用于需频繁传送小流量数据的应用，实现无线数 据的双向传送、无线远程检测和控制等。 我国目前己建成了覆盖全国的g s m 数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移 动通信网的主要方式【2 9 】。g s m 的短消息业务s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 与话音传 输及传真一样，为g s m 数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务。它通过无线 控制信道进行传输，是g s m 通信网所特有的1 3 0 j 。短消息业务不需拨号建立连接， 利用短消息业务中心的存储和转发功能，直接把要发的信息加上目的地址发送到 短消息中心，由短消息中心再发送给最终的信宿，这种方式非常适合于将每次采 集到的数据随时发送到上位机。短消息业务可以使网络端知道被叫方是否已经收 到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络一侧会保留所发的消 息，一旦网络发现被叫方能被叫通时，消息重发以确保被叫方能收到。由此可见， 短消息业务作为g s m 网络的一种主要的电信业务，它的传递是可靠的。因此，选 用g s m 的短消息业务来实现远程无线数据传输是可行的。 2 4 本章小结 本章的第一部分分析讨论了不同材质下的电线( 缆) 的本身具有的特性。在 对常用的三种电线( 缆) 材质比较下，用铜作为电线( 缆) 的材质是最好的，它 具有导线性好、电阻率低等优点。进一步介绍了国内及国际上的一些对于电线( 缆) 材质研究的最新成果和方向。进而简单介绍了电路线路的接线方式和线路结构， 对可能发生故障的部位有一定的了解。本章的第二部分简单介绍了本系统中应用 到的单片机，g s m 通信模块及t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6d s p 的相关内容。 河南大学研究生硕士学位论文第1 3 页 第3 章电力线路的故障分析与建模 3 1 故障分析 3 1 1 故障发生 由以上分析已初步了解了这种新的故障发生情况，下面就对故障进行详细的 分析。从许多案例中发现，盗割者一般是利用午夜或凌晨时分对某段电线进行盗 割，因为午夜时分用电用户比较少，电网上的负荷也比较小，盗割过程不易被发 现。 故障如图3 1 所示。假设在某段使用的电线a 线上进 行盗割( b 、c 线上原理也相同) ，起初，a 段是横截面为 9 5 聊聊2 的铜线。盗割者首先取一段2 5 0 m 长、横截面为 1 5 垅聊2 的铝线，将铝线的一端接到d 端，另一端接到e 端，接好后将中间长度为2 5 0 撒，横截面为9 5 所脚2 的铜 线剪断。此时由于用电用户少，负荷小，因此电路还是接 通的。相关部门没有察觉电线已经被盗割，同时盗割者也 就有足够的时间在现场将电线运走。等到电网用电人数增“ 加，用电趋于正常，电网负荷迅速增加，将烧断横截面为 1 5 聊所2 的铝线，造成了停电。此时相关部门才发现此段 电线被盗割。 对于某处重要线路，使用的电线材料更加昂贵，横 abc 图3 1 故障示意图 截面也更大，因此监控这种线路显得格外重要。对于盗割者而言，由于长的金属 电线重量比较重，一时不能迅速运走，若在盗割者刚剪断电线那一刻就被发现， 就能迅速赶到并及时制止，挽回直接与间接的经济损失。 3 1 2 实际线路数据分析 在我国低压配电网中，配给社区和广大中小用户( 居民照明) 的电压为三相 四线2 2 0 3 8 0 y ，独户居民照明用电为单相2 2 0 矿【1 9 1 。其中三条线路分别代表a ， 第1 4 页河南大学研究生硕士学位论文 b ，c 三相，另一条是中性线n ( 区别于零线，在进入用户的单相输电线路中，有 两条线，一条我们称为火线，另一条我们称为零线，零线正常情况下要通过电流 以构成单相线路中电流的回路，而三相系统中，三相自成回路，正常情况下中性 线是无电流的) ，故称三相四线制；在3 8 0 矿低压配电网中为了从3 8 0 y 相间电压 中获得2 2 0 矿线间电压而设n 线。 利用三相四线制来传输电力，其中a 相连接一个有2 5 户人家的居民区，根据 我国现在的电网法规，每户人家供电为4 8 k 形，这里我们取每一户人家分配的最 大功率为5k ，最大功率为2 5 5 = 1 2 5k 形，即某一时刻这个居民区的最大负 荷为1 2 5 k 形，最大电压为3 8 0 y 。得出流过电线的最大电流为： 1 2 5 k 形3 8 0 矿3 2 8 彳。 参考绝缘导线明敷的允许载流量的国内标准，在2 5 时，9 5 聊聊2 b b v 铜芯 线的最大允许载流量为3 4 5 么【1 8 】，能够满足以上得出的最大载流量，因此可以在此 选择9 5 坍聊2b x b v 铜芯线为传输导线。 本文研究过程是基于以上数据展开的。在一片共有7 5 户的居民区，采用了最 近一级的变压器从高压1 0 足矿变换到低压3 8 0 2 2 0 y ，然后采用三相四线制的接法， a 相接入用户为2 5 户，通过9 5 m 聊2 b ) ( b v 铜芯线传送电力。 3 1 3 故障特点分析 由以上分析结果可以得出，盗割者利用细的铝线换掉粗的铜线。在这个过程 中，对于故障产生引发的参数变化最大的是电线本身阻抗值的变化。 1 ) 线路电阻分析 按照现有国家标准，计算得出3 8 0 矿电压传送1 2 5k 时的线路最长为3 0 0 肌。 对于圆柱形导体，其电阻为r = p 专 ( 3 1 ) 其中：p 导体材料电阻率 卜- 导体长度 j 导体截面积 2 5 0 臃长，横截面为9 5 m 聊2 的铜线的电阻设为r 1 ，2 5 0 朋长，横截面为1 5 聊聊2 的铝线的电阻设为r 2 。 铜的单位电阻率i dl = 1 8 5 1 0 一8q 聊，长度，= 2 5 0 历，横截面j 1 = 9 5 1 0 一5 聊， 通过公式( 3 1 ) 可得，r 1 _ 0 0 4 8 q 。 河南大学研究生硕士学位论文第1 5 页 铝的单位电阻率p2 = 3 6 5 1 0 8q 研，长度，= 2 5 0 历，横截面j 2 = 1 5 x l o 一6 m ， 通过公式( 3 1 ) 可得，r 2 = 6 1 q 。 由以上数据得出故障之前的电线电阻为o 0 4 8 q ，故障产生后的电线电阻为 6 1 q ，增大了1 2 5 倍，变化特别明显。 2 ) 线路电抗分析 除了上述电阻值的变化，故障发生后，其阻抗值也发生了变化。但是阻抗值 的变化是否会在很大程度上影响电抗值的变化，本文以下内容对此进行了探讨研 究。 设线路上单相电抗值为j ，线路单位长度的电抗值为x 。，线路长度为，则 有： x = ，k ( 3 2 ) 对于三相线路上的电抗值，除了考虑线路长度外，还要考虑三相线路上导线 之间的几何均距，即三相线路各相导线之间距离的几何平均值。相同情况下，几 何均距不相同，则电抗值也有区别。几何均距与电抗值成正比，几何均距越大， 电抗值也越大。图3 2 为三种不同的线路线间距离。 a ( 1 ) 謦透慷况 ( 2 等边童角形捧列 ( 3 ) 水彤等蹶麓箨獬 图3 2 三种不同线间距 设几何均距为口。 如图3 2 中( 1 ) 所示，a 、b 、c 三相线路的线间几何均距为： 口，= 口j 口2 口3 ( 3 3 ) 如图3 2 中( 2 ) 所示，a 、b 、c 三相线路的线间几何均距为： 口。：厮：汀：口( 3 4 ) 第1 6 页河南大学研究生硕士学位论文 如图3 2 中( 3 )