10kV中性点不接地配电网系统故障检测装置的分析与设计
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10kV中性点不接地配电网系统故障检测装置的分析与设计,10,kV,中性,接地,配电网,系统故障,检测,装置,分析,设计
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编号： 毕业设计任务书题 目：10kV中性点不接地配电网系 统故障检测装置的分析与设计 学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 陆 刘 君 学 号： 1161120120 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 范 兴 明 职 称： 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2015年12月28日注：1、本任务书一式一份，院办留存，发给学生电子稿，任务完成后附在说明书内。2、任务书均要求打印，打印字体和字号按照本科生毕业设计（论文）统一格式的规定执行。3、以下标题为四号仿宋体、加粗，正文中文用小四宋体，英文用小四Times New Roman，日期采用阿拉伯数字。 4、“一、毕业设计（论文）的内容、要求”位于页面最顶端，“任务下达时间”位于新页面最顶端。5、请不要修改最后一页（即“任务下达时间”所在页的内容）一、毕业设计（论文）的内容1、复习并学习电力系统分析课程中关于电力系统短路和中性点接地方式章节相关理论知识，掌握10kV电力系统短路过程及电流和电压变化过程，了解中性点不接地系统故障检测的基本原理与目前常用的实现方法，了解目前所用装置的工作原理、基本结构和性能特征；2、学习和掌握查阅科技文献的主要途径，查找并仔细阅读10kV配电系统故障检测的基本方法，分析现有检测手段和装置种类和工作原理，通过科技论文、技术资料的检索和阅读，了解并掌握10kV性点不接地系统故障检测的原理、常用方法和研究与发展状况；3、根据毕业设计题目和要求，深入分析10kV性点不接地系统故障检测检测装置的结构原理、工作方式和控制方法，学习现有高压电气系统过电流检测与报警的实现方法，根据分析结果进行与毕业设计题目和研究内容相关的必要的电路或者模型仿真，最终制定毕业设计的实施方案；4、根据前期工作和计划研究方案，设计并开发10kV性点不接地系统故障检测装置模拟样机，并对样机进行各部分功能测试，与研究方案进行对比分析，反过来对实施方案和仿真模型进行修订和完善，进一步指导实际样机的实现，完善样机的测试工作。二、毕业设计（论文）的要求与数据1、分析10kV中性点不接地系统的运行方式，对该系统的短路和单项接地故障进行必要的理论分析，并进行必要的仿真建模；2、设计并研制10kV中性点不接地系统故障检测装置原理图和PCB电路板图，进行相应测试和实验；3、要求检测0-30A零序电流范围，制作可供演示的模拟样机，并进行系统测试。三、毕业设计（论文）应完成的工作1、根据毕业设计任务书中的研究内容和要求，完成二万字左右的毕业设计说明书（论文），要求内容翔实，有必要的系统原理、实施方案、必要的模型仿真、系统设计和实验过程及样机功能验证；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要。2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）；具体要求为：翻译材料要与毕业设计内容相关，为了准确性作者姓名可以不翻译，参考文献可以不翻译，但所翻译的字符数应达到规定要求。3、完成中性点不接地系统接地故障检测装置的设计方案，要求图表资料齐全。4、计算机绘制相关硬件的原理图、电气安装接线图、制版图等；5、设计出系统的硬件和相应软件并完成其调试；6、根据课题任务与要求，做出可供演示的模拟样机，并进行系统测试。四、应收集的资料及主要参考文献1 王青,韦光庆. 中性点不接地系统中几种电压不平衡现象的分析J. 安庆师范 学院学报(自然科学版),2001，7（3）：22-24.2 黄日渊变压器中性点不接地系统的分析J 韶关大学学报(自然科学版)， 1999，20（4）：64-69.3 Muench, F.J.Wright,G.A.Fault Indicators: Types, Strengths & ApplicationsJ. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1984,VolPAS-103 （12）:3688 3693.4 曾育彬. 变压器中性点接地短路分析J.电机电器技术, 2004,(4)：23-26.5 陈鸿基中性点不接地系统的一种消谐方法J广东电力，1999，12(4)：31-32.6 施伟斌基于10kV小电阻接地系统的架空线路接地故障指示器J低压电器，2007， 13:34-36. 7 穆大庆,尹项根,甘正宁. 中性点不接地系统中单相接地保护的新原理探讨J. 长沙电力学院学报(自然科学版) , 2005,20(01)：6-9.8 黄坚明. 110kV变压器中性点接地方式与零序保护配置J.电力自动化设备, 1999,19(06)：64-66.9 陈代云,金蕾.对变压器零序保护实现方式的探讨J.继电器,2001, 29(1)：50-54.10 张斌，袁钦成，袁月春配电线路故障指示器现状分析J. 供用电，2005，22(5): 29-30.11 徐永远，徐彦素.10kV线路接地故障指示器的安装J.农村电气化，2006，4:27-28. 五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机1台，示波器，单片机开发系统任务下达时间：2015年12月28日毕业设计开始与完成时间：2015年12月28日至 2016年05 月22日组织实施单位： 教研室主任意见：签字： 2015年12月30日院领导小组意见：签字： 2015年12月31日编号： 毕业设计(论文)开题报告题 目：10kV中性点不接地配电网系 统故障检测装置的分析与设计 学院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 陆 刘 君 学 号： 1161120120 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 范 兴 明 职 称： 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016年3月01日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见审查后生效。 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写，或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3学生查阅资料的参考文献应在10篇及以上（不包括辞典、手册），开题报告的字数要在1000字以上。4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年4月26日”或“2004-04-26”。5“指导教师（签字）”日期填写成在2016年03月01日 04日之间的某个日期；“开题小组组长（签字）”日期填写成在2016年03月4日6日之间的某个日期。1.毕业设计的主要内容、重点和难点研究内容故障检测装置安装在架空线、环网柜、箱变、电缆、电缆分支箱里，用来指示故障电流的通路。线路发生故障后，巡线人员可以借助检测装置的报警显示，快速确定发生故障区段 ，找出故障点。与此同时，故障检测装置能够做到实时检测线路的运行状态和发生故障的地点，比如送电、停电、接地、短路、过流等。在线路运行状态发生变化时迅速告知值班人员，做出处理决定，可以极大地提高供电可靠性、提高用户的满意度 。配电网系统中，线路分支很多，运行方式较复杂，线路的管理、维护工作量很大。发生故障时检查费时费力，导致供电可靠性较低。而故障检测装置能够弥补上述输电故障查询的不足，省时省力，为快速查询故障点，快速恢复供电提供有力的保障。研制适用于10 KV配电网中性点不接地系统的，能够正确反映接地故障、短路故障的故障检测装置，采用故障检测装置和零序互感器组合方式，反映零序电流突变，并和继电检测接地动作和线路重合闸相匹配，确保系统接地故障引起跳闸后，故障检测装置能够正确动作，能自动或手动复位。我国生产故障检测装置的企业及相关技术的发展历史都不长，但是，在科技高速发展的推动下，故障检测装置的生产规模日益扩大，产品技术含量越来越高，能针对用户的需求生产出相应的产品，新产品的推出频率也越来越高，有些产品已达到国际先进技术水平。（1）通过科技论文、技术资料的检索，调研10kV中性点不接地系统的运行方式，了解中性点不接地系统及地故障特征和检测方法； （2）分析中性点不接地系统接地故障特征，给出仿真分析波形，并对仿真结果进行分析；设计并实现中性点不接地系统故障监测装置样机； （3）通过分析确定装置的设计的方案，并制定技术路线； （4）通过仿真验证方案的可行性，制作控制器样机并给出初步的试验结果。研究重点及难点 重点（1）了解电压电流互感器的结构及原理，掌握高电压大电流的精确检测采集及数据处理方法；（2）掌握A/D转换的数据采集功能，熟悉微处理器的基本功能；（3）了解断路器的结构及原理特性，控制驱动电路使装置能够检测0-30A零序电流出现的故障并动作。 难点（1） 电力系统在运行的过程中会出现各种各样的状况，有正常和不正常的，电流也比较复杂，要区分正常运行的电流电压特性、合闸操作的电流电压特性和故障的电流电压特性；（2） 装置在复杂的电磁环境下工作应有较强的抗干扰能力，使保护装置能在正常操作下不动作以及在故障状态下可靠动作以实现系统可靠安全运行。2.准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）查阅过的文献资料1 王承玉，海涛，陈勇等.配电网自动化开关设备M.北京：中国电力出版社，2007.101-1092 高研,毕锐, 杨为, 等. 分布式发电对配电网继电检测的影响J. 电网与清洁能源, 2009,25(4):3 Muench, F.J.Wright,G.A.Fault Indicators: Types, Strengths & ApplicationsJ. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1984,VolPAS-103 （12）:3688 3693.4 曾育彬.变压器中性点接地短路分析J.电机电器技术,2004,(4):23-26.5 陈鸿基中性点不接地系统的一种消谐方法J.广东电力，1999,12(4):31-32.6 施伟斌基于10kV小电阻接地系统的架空线路接地故障指示器J.低压电器,2007, 13:34-36.7 穆大庆，尹项根，甘正宁.中性点不接地系统中单相接地保护的新原理探讨J.长沙 电力学院学报(自然科学版),2005,20(01):6-9.8 Yasin Zuhaila Mat, Rahman Titlik Khawa Abdul. Influence of distributed generation on distributionnetwork performance during network reconfiguration for service restorationC. First InternationalPower and Energy Conference, (PEC on 2006) Proceedings, Putrajaya Malaysia, 2006: 566-5709 牟龙华, 孟庆海. 供配电安全技术M. 北京: 机械工业出版社, 2003, 8-11.10 张明君, 林敏. 电力系统微机检测M. 第 2 版. 北京, 冶金工业出版社, 2011.11 杨国福. 电力系统继电检测技术的现状与发展趋势J. 电气制造, 2007, (7): 36-38.12 宋建成, 梁翼龙等. 矿用隔爆型真空馈电开关中的过电流检测J. 继电器, 1999, (9).调研情况随着我国国民经济的迅速发展，电力需求迅猛增长，电力网络也在不断的扩大，更多的配电设备应用在电网中，电力系统配电网络以及电力设备的安全运行显的越来越重要，如今电网普遍使用各种检测保护装置来保障系统安全可靠运行。故障检测装置是一种安装在架空线路上、电力电缆及开关柜母线排上，用于指示故障电流通路的装置。一旦线路发生短路，巡线人员可借助指示器上的红色报警显示，迅速确定故障区段、分支、及故障点。短路故障以检测线路相电流越限作为判断依据，接地故障以检测线路零序电流越限作为判断依据，均通过指示仪表上的指示灯显示。指示仪表上的接地指示灯亮，表明发生单相接地故障；指示仪表上的短路指示灯亮，表明发生了相间短路故障。通过查阅科技文献及调研，了解10KV配电网中性点不接地系统故障的类型及其特点，以及目前配电网中故障指示器的使用情况，结合本设计的要求，以单片机系统为核心，通过对三相电流和零序电流信号的采集、处理，然后判断出是否为故障电流，控制灯光给出相应的指示。现有设备及实验条件个人计算机、51单片机开发板、示波器、直流稳压电源、数字万用表，开放实验室。3.实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料实施方案 10kV配电网中性点不接地系统故障检测装置设有三个短路故障传感器，一个接地故障传感器，一个读数仪表连接导线是电缆或光缆，读数仪表中配有时间复位电路及赋值电路接地故障由一个闪光LED灯指示，每根电缆上的短路故障由一个闪光的LED灯指读数仪表配有测试/复位按钮，每一个传感器由检测短路及接地故障引起脉冲电流的线圈组成。如图1是整体设计框架图。如图2是模拟样机的信号采集与处理过程示意图。模拟样机用电流信号发生器来模拟产生电流互感器二次侧的正常运行电流和故障电流，然后经滤波整流，I/V转换保持，A/D采样，单片机处理，根据采样的值与各种状况相应的值对比得出电路运行状况，如果判断是是系统故障，则立即启动程序驱动控制电路给出故障显示并跳闸切断电路。图1.整体设计框架图2模拟样机的信号采集与处理过程框图进度实施计划 第一阶段（2015年12月28日至2016年3月06日）：查找文献、资料，深入学习10KV配电网中性点不接地系统故障检测装置的相关知识，完成开题报告。第二阶段（2016年3月07日至2016年3月13日）：翻译四万字符与毕业设计题目相关的英文文献。第三阶段（2016年3月14日至2016年3月20日）：根据故障检测装置方案进行器件选型，硬件电路原理仿真，用MATLAB进行故障检测装置的仿真、分析，解决出现的问题，进行方案的优化。第四阶段（2016年3月21日至2016年4月04日）：根据硬件原理图绘制PCB图，制作硬件并调试。第五阶段（2016年4月05日至2016年5月22日）：软件编程，并与硬件进行调试，根据课题任务与要求，做出可供调试的模拟样机，并进行系统测试。第六阶段（2016年5月23日至2016年5月30日）：完成毕业设计，提交论文。预交毕业设计资料 1) 两万字以上的毕业设计说明书一份； 2) 四万字符以上的指定英文资料翻译一份（附英文原文）； 3) 可供演示的系统故障检测装置样机一台； 4) 本系统软件源代码、硬件原理图纸等资料一套。5) 设计说明书应说明系统方案的工作原理，给出两套各有特点的系统实现方案，并选择其中之一进行详细设计。设计说明书应详细说明电流转化为电压信号电路、精密全波整流电路、低通滤波器电路、单片机最小系统电路等的工作原理、系统硬件电路的工作原理和元器件参数的计算选择过程、控制算法并附上全部程序代码。详细说明系统验证实验中的调试过程和结果。指导教师意见指导教师（签字）：2016年3月日开题小组意见开题小组组长（签字）：2016年3月日院（系、部）意见主管院长（系、部主任）签字：2016年3月日- 7 -编号： 毕业设计说明书题 目： 10kV中性点不接地配电网系 统故障检测装置的分析与设计学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 陆 刘 君 学 号： 1161120120 指导教师： 范 兴 明 职 称： 教 授 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016 年 6 月 3 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第II页摘 要配电网系统的实际运行状态在不同运行的条件下有以下几种分类，分别是：正常运行状态、不正常运行状态和故障状态。配电网系统处于工作状态时，会出现各种类型的不正常运行状态和故障，常见的故障为短路故障，短路故障分为三相短路、两相短路、两相短路接地和单相短路接地故障四种类型。针对以上的状况，本文通过对配电网系统的过流故障的分析，设计线路故障检测装置，使10kV中性点不接地配电网系统更加智能化。线路一旦发生故障，巡线人员可以立即查看故障检测装置的警报，快速定位故障区段位置，从而减少巡线工作人员检修时的工作量。本文详细介绍硬件设备的整体设计方案和整体设计过程，给出电路图和详细的原理图。通过模拟样机的设计检验了设计理论的正确性以及装置判据的可靠性。首先通过对短路而产生的过流故障进行分析，给出线路对应的故障判断依据。针对不同的故障类型设计出不同样的解决方案。其次再利用单片机编写程序，使设计电路简洁且有效。利用故障检测装置的工作原理，更好的分辨出系统的故障类型。硬件设计电路用STC12C5A60S2内部的10位A/D采集电路，实现对短路情况的模拟信号转换为数字信号。通过单片机发送数字信号来显示其故障，再经工作人员快速检测维修电路，以确保用户能正常使用电。最后，在完成整体设计的基础上，通过使用模拟样机的运行，来进行相关的试验。详细分析其中的参数和工作条件。结果表明，检测装置在各种条件下，都能以较好的工作达到预期要求。关键词：中性点；配电网系统；故障检测装置；接地故障；短路故障 AbstractDistribution network system running in actual different operation conditions there are several kinds of classifications, namely: Normal operating statue, abnormal operation statue and fault status. Distribution network at run time, there will be various types of abnormal operation status and fault status. Common failure is short circuit fault, short circuit fault is divided into three phase short circuit,two phase short circuit,two phase short circuit grounding and single phase short circuit grounding fault four types. In view of the above situation, the paper through the analysis of overcurrent fault in distribution network system, design line fault detection device.10kV neutral point ungrounded distribution network system more intelligently. Once the line fails, inspection staff can immediately view to fault detection device alerts, locating fault section, so as to reduce the maintenance workload for staff.This article detailed describes the overall design of the hardware equipment and the overall design process, and give diagrams and detailed schematics and diagrams. Through a prototype designed to test the theory as well as the criterion of reliability.First of all analysis the type of overcurrent fault which caused by short circuit , given the fault judgment basis of the line. And then designed different solutions for different fault types. Meanwhile, 51MCU integrated circuit programming, circuit design is simple and effective. By using the working principle of the fault detection device, the fault type of the system is better resolved.Hardware design circuit using STC12C5A60S2 internal 10 bit A/D acquisition circuit, realize the short circuit of analog signals into digital signals.Through the 51MCU to send a digital signal to show its fault, and then by the staff to quickly detect and repair the circuit, in order to ensure that the user can normally use electricity.Finally, on the basis of the completion of the design, by simulating the prototype runs for relevant trials. Detailed analysis of their parameters and conditions of work, the results showed that the detection devices in a variety of conditions, can achieve the desired requirements for good.Key words: Neutral point;Distribution network system;Fault detecting device; Earth fault;Short circuit fault. 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景，目的和意义11.1.1前言11.1.2设计目的11.1.3设计意义21.2 国内外系统故障检测装置研究近况21.2.1发展历史21.2.2发展方向31.3 本章小节32 配电网系统故障基本特征分析42.1 配电网中性点不接地方式原理介绍42.1.1中性点不接地方42.1.2中性点单相接地故障52.1.3中性点不接地系统的中性点位移62.1.4中性点不接地系统的特点62.1.5中性点不接地系统的应用范围72.1.6中性点不接地系统暂态特征分析72.1.7中性点接地方式性能分析82.2 中性点不接地配电网系统故障检测装置92.2.1配电网系统短路故障的危害92.2.2配电网系统故障检测装置工作原理92.2.3配电网故障检测装置的特点102.2.4配电网系统相间短路分析102.2.5配电网故障检测装置的安装事宜112.2.6配电网系统故障的的一般类型122.3 电流互感器工作原理123 配电网系统故障检测装置硬件设计143.1 电路板制作过程143.2 单片机系统143.2.1单片机系统概述143.2.2硬件部分的功能流程分析143.3 硬件部分的整体设计153.4 系统核心电路设计163.4.1电源电路模块设计163.4.2电流互感器和精密整流滤波处理模块173.5 单片机芯片的选用及显示电路的设计193.5.1单片机最小系统193.5.2复位电路和系统时钟电路203.6 LCD1602液晶显示模块203.7 对模拟样机部分的制作与调试214 配电网系统故障检测装置的软件设计244.1 软件部分设计244.2 系统软件整体设计244.2.1 A/D采样主控模块254.2.2 ABC相故障检测模块254.2.3 LCD1602液晶显示与人机交互模块254.3 本章小结265 结论27谢 辞28参考文献29附录一 电源电路原理图及PCB30附录二 精密整流滤波电路原理图及PCB32附录三 基于STC12C5A60S2单片机故障检测装置原理图及PCB34附录四 基于STC12C5A60S2单片机故障检测装置C语言原程序36附录五 元件清单40桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 42 页 共 41 页1 绪论1.1 课题背景，目的和意义1.1.1前言配电网系统运行方式较为繁杂，存在的分支特别多，这就会对每天的系统管理，还有后期维护工作造成影响。配电网系统的精密程度决定了系统在发生短路故障时定位相对会麻烦，为了提高定位精确度。国内外的工程师们提出了许多种不同的解决处理方案。同时，一旦系统发生故障，人工检测起来时既辛苦又费时，还使得供电可靠性大大降低了。而且在电网系统运行的过程中，工程师们也发现一些存在的问题，比如检测故障不能够及时显示，系统运行不符合额定值等。供电企业的最基本责任之一是努力提高配电可靠性，参照网络数据表明，电网客户停电事故90%都是因为配电网系统故障照成的。所以，高效、精准地进行故障检测定位。能够使停电时间有效缩短，使得企业和用户的损失减少，这对于电力系统的安全性、可靠性、经济性、准确性的提高具有积极意义。1.1.2设计目的在面对上诉这些问题，电网企业工程师们就要组建更加完善的故障检测装置，以保证电网结构以及电网控制的科学严谨性，加强企业设备管理等级，最终实现配电网系统故障检测装置的良好发展。用了改进过后的故障检测装置，可以填补以上系统在出现故障时，检测功能上的不完整，更好地提高效率，还能加快检测的速度，最短的过程查找到故障区段，为客户迅速恢复供电提供了强有力的保障。优良的故障检测装置可以实现每时每刻都能显示出线路的工作情况，指出出现故障的区段，这些装置安装在箱变、电缆、电缆分支箱、架空线、环网柜里，用来显示故障电流发生时的区段，包括停止供电、供电、过流故障、短路故障、接地故障等等。安装了这些装置还可以对电网设备实现整体有效监控。这在传统的设备管理中，各大企业往往都是通过工人来检修，使得电力企业的运营成本增加，而且也会加大后勤人员的工作压力。10kV中性点不接地配电网系统能准确显示单相接地短路故障和两相短路故障，选用故障检测装置和零序互感器两两结合的方法，来显示零序电流发生突变的故障，以保证配电网系统接地故障引起的断路器跳闸后，故障检测装置能够正确给出显示，让工作人员能迅速地排除故障并且复位。1.1.3设计意义10kV配电网系统存在于生活生产的各个方面，中性点接地方式的选择应用对电网向客户供电的稳定性有着积极的意义。10kV城市配电网系统是这当中规模属于最大的,它的应用面也最为广泛的，此系统的好坏程度早已经成为了一项重要的指标，是对电力系统的供电能力、供电稳定性以及电能输出程度等硬性指标的最终体现。现如今,我国国内企业正在加大建设电网设施和升级器件,其结构日渐成熟可靠,与此同时系统也更加复杂化,电网系统不可避免的要受到故障的影响。比如说大面积的停电事故,就会影响到日常生活生产,军队的日常训练和国防安全等。根据网络数据调查得出,电力系统中78%的故障事故都是来源于配电网系统,由此可以知道对配电网故障的分析与研究是非常有意义的。现如今，我国国内企业正在加大建设电网设施和升级器件，其结构日渐成熟可靠，与此同时系统也更加复杂化，电网系统不可避免的要受到故障的影响。比如说大面积的停电事故，就会影响到日常生活生产，军队的日常训练和国防安全等。根据网络数据调查得出，电力系统中78%的故障事故都是来源于配电网系统，由此可以知道对配电网故障的分析与研究是非常有意义的。为了电力企业更好的对配电网系统起到管理与监控，必须要通过使用故障检测装置，来提高电网电路的运行效率，从而做到安全的生产工作。企业的值班人员也可以利用线路上的报警显示，一旦某个区域发生了运行状态的变化，就可以及时的判断出位置，做到快速给出处理方案，使供电线路可靠性、用户满意度得到更好的提升。在实际的生产工作中，电缆和架空配电网络的短路故障、接地故障经常因为种种原因而发生。因此高效地、准确地、安全地找出出现故障的区域，对于电力工程公司来说是非常重要的。1.2 国内外系统故障检测装置研究近况1.2.1发展历史现如今我国生产的配电网系统故障检测装置的公司以及发展这些技术的时间，相对来说都比较短暂。随着我国国内有关技术的不断进步，生产故障检测装置的企业越来越多，技术也日趋成熟，规模不断扩大，已经能基本上实现配电网系统的故障检测、通信方式以及管理技术的密切有效结合1，最终提升了电力系统的运行情况，实现对电网电力公司的快速发展。在我国，最开始使用的配电网系统故障检测装置是一种简单的带有开合功能的闭合铁心，输电线路从铁心的下方穿过。当经过的电流大于额定的值时，铁心关闭，显示为此处有故障，短路电流从下方流过，故障点就在这里。但是，这类产品还不够成熟，有着不智能的缺点，它必须通过寻线工人的手去人工复位开合，这就给实际的生产工作带来了不方便，不能得到普及和多数企业的使用。自从上个世纪配电网系统故障检测装置被发明以后就被各个国家电网公司所重视，不断加大研究研发力度，从而进入到了一个飞快发展进步的时期。我国也是从1990年以后派遣优秀工程师渠道国外学习了配电网系统故障检测器的原理，以及相关的自动复位显示器装置技术，回到国内后，经过不断创新研究再结合我国配电网线路的实际情况，政策的大力扶持，国内企业在不停歇的消化，吸收，改进，对产品的大力创新，积累了一批忠实的客户，并且得到了广泛的应用推广，以及各大电力部门单位的认可。现如今我国配电系统的故障检测装置已经处于先进水平，为电力系统的正常运行作出了巨大的贡献。在一些发达的欧洲国家，如法国，波兰等国逐渐将配电网系统由中兴迪昂经过低电阻接地的方式改变为谐振接地方式，他们进行了大大小小数百次的实验和研究，小电流接地保护装置日趋成熟。比如应用了有功电流法，法国电力公司（EDF）在九十年代研制出了一套基于DESIR的保护装置。在应用零序导纳法，波兰的电力企业开发出新型的导纳接地保护装置，并且在自己的国家大力推广，截至到2000年为止，已经有多套设备投入到该国的电力中压电网生产企业中运行1.2.2发展方向使用配电网系统故障检测装置能检测出配电线路上出现的故障电流，可以把系统发生的故障区域、区段、分支详细显示出来，很是方便迅速、精准地找出故障。虽然在发达国家配电网系统的智慧化等级很高，可是他们查找配电线路故障的最主要方法还是要以来故障检测指示器2。1.3 本章小节配电网在用户与电力系统直接相连接的环节中扮演着重要的成分，此套系统运行环境是相当的复杂，它能否在实际的生产工作中正常运行，关乎一个电力企业的直接经济效益，对企业有着最重要的影响。因此，电网企业必须要重视配电网系统的安全运行，强调管理着的安全运行意识，这样才能确保实际的生产工作中的各项指标的合格，增加电网系统的供电输电能力，使广大的用户群体满意放心。本毕业设计方案充分考虑了配电网系统的各项指标、故障情况，尽可能的让成品制作简单明了，降低配电网故障效率，降低成本带来的影响，控制在一个比较合理的区域，以此来提升成品的核心竞争力，力求在配电网系统中发挥巨大作用，实现故障的准确定位与检测。2 配电网系统故障基本特征分析配电网系统中性点接地方式的选择是个具体的综合性技术性问题，它直接影响到电网装置的过电压水平、绝缘情况、电网供电稳定性、接地保护措施、通信影响、人员和设备安全等多方面，是配电网系统能实现正常、高效运行的保证基础3。2.1 配电网中性点不接地方式原理介绍配电网电力系统的中性点接地的方式大体上能归结为这两大类：中性点有效接地和中性点非有效接地4。其中中性点有效接地方式包括中性点直接接地和低电阻接地、经低电抗；中性点非有效接地方式包括中性点不接地、经消弧线圈接地和经过高点组接地5。2.1.1中性点不接地方在电力配电网系统中，中性点一般是指在变压器低压侧中，三相线圈构成星形联结，联结点称中性点。又因这点的电位为零，也可以称为零线端，一般的零线就从此点引出的。在配电网开始发展的初期，因为人们对电流危害作用估计不足，多数国家采用的是中性点直接接地的方式。可是，经常性的线路跳闸而造成的停电事故的增多，人们认识到这种方式的不可靠性。于是在经过大亮科学实验研究后，开始改为中性点不接地方式运行。“不接地”一词，准确地讲是指大地与配电网系统的中性点之间不存在有连接。在实际运行中，中性点不接地的方式也随之出现了诸多的问题，比如：（1）单相接地故障在多数时候不能被及时的检测出来，工程师们无法迅速找出隔离接地点，单相接地会转变为相见短路故障。（2）带有故障运行的时间太长，相对地电压会升高成为线电压，如果此时配电网存在有严重污染或者绝缘不好的话，就很容易引起异地两个点接地故障。（3）接地点电弧不会自主熄灭，流经电容的电流加大，容易产生铁磁谐振过电压和间歇性电弧过电压，这会导致PT的大量烧毁事故故障。实际应用中设系统三相电源电压、对称。由于在各相导线间和相对地之间沿导线全长都有分布电容，各项绝缘有对地泄漏电导。因此，在电源电压作用下，这些电容和电导上将会流过附加电流。因为分布电容、泄漏电导可以使用集中电容和电导作为代替。集中相见电容对系统的接地特性影响很小，及计及相对地电容、和各相的对地泄露电导、。如图2-1所示为中性点不接地系统正常运行状态图。（a）原理接线图 （b）电压向量图图2-1 中性点不接地系统的正常运行状态中性点不接地系统正常工作时，中性点所具有的对地电位，称为不对称电压，用表示。可见正常运行中，电源中性点对地电压为0，即中性点对地电位相等6。则各相对地电压为：U相： （1-1）V相： （1-2）W相： （1-3）由于各相对地电压为电源各相的相电压。所以电容电流大小相等，相位差为，三个值相加和为零，所以不会有电容电流流过大地。当每一个相对地电容不相等时，不为零，发生中性点位移现象6。在中性点不接地系统中，正常运行时中性点所产生的位移电压较小，可忽略6。2.1.2中性点单相接地故障发生单相接地故障时，中性点对于地的电压，非故障相对地电压此时为线电压，而中性点对地电压为相电压7。如图2-2所示为单相接地故障原理接线图。其中各相对地电压情况：U相：（线电压） （1-4）V相： （线电压） （1-5）W相： （1-6）图2-2 单相接地故障原理接线图配电网系统线路发生短路故障时，由于流过故障点的电流值会很大，可以通过继电保护来实现对故障线路的快速切断。但是，系统要是发生单相接地故障时，流过故障点的电流就为三相对地电容上电流的和，即8 (1-7)式中为一相接地时，通过故障点的电容电流，（A）； ， 为电网运行的频率，（Hz）； 为电网每相对地电容，（F）； 为电网额定相电压，（V）。配电网系统10kV架空线路，通常就是10A到100A，但是在电缆线路中，的值都比较大，可以达几百安。一般的配电网系统电网的单相接地电容电流值不能够引起继电保护的跳闸动作。它的有效值是Ik=3UC0，故障电流是非故障单相电容电流3倍。按照上文的阐述可以有以下结论，当中性点不接地系统有单相接地故障发生时，零序分量可以概括为以下几点：a.配电网的故障元件中所流过的零序电流和配电网中的非故障元件对地电容电流的总和一样。b.在非故障元件中有和原来的零序电流大小相等的电流流过，它的方向是由母线指向故障线路的方向。c.当配电网系统发生单相接地时，可以认为出现故障的地方产生一个零序电压，这个零序电压与故障前的相电压在数值上相同，方向相反，因此导致零序电压出现在整个配电网。d.零序网络配电网中性点不接地系统中，通过同一等级的电压线路元件对地的等值电容组成，它与由中性点接地系统所构成的通路差别很大，该线路的零序阻抗与之前的相比差别很大。当上叙a、b、c、d四个条件都得以成立的时候，就可以断定配电网系统单相接地短路故障。2.1.3中性点不接地系统的中性点位移多数的架空线路因为排列的不对称且换位不安全，产生各相位之间对地电容不想等，这就导致了中性点不接地系统正常运行时的中性点位移，也可以说中性点对地电位出现了位移现象。但是，一般位移电压只要控制在电源电压的5%以内，都正常运行都没有太大影响。2.1.4中性点不接地系统的特点配电网系统发生单相接地故障时，线电压维持在一个稳定值内，使用者即使能够正常的工作，但是接地的那个位置可能会有电弧效应产生。当输电线路不是很长、输出电压不高的情况下，接地部分的电流值很小，电弧效应只会产生很短的一段时间，尤其是在35kV及以下的配电网系统中，企业不用在绝缘方面做太大的投资，且供电稳定性作为一个优点得以突出，所以中性点适宜采用不接地的方式运行。当在一段较长的线路之中时，此时电压也较高，接地电流较大。这时所产生的电弧就不会自主熄灭，表现为稳定电弧和间歇性电弧，而且电压值维持在一个高值时，企业对于绝缘方面的投资就要占整个配电网系统较大的比例。其中中性点不接地方式的优缺点分别为：当电网系统出现单相接地故障时，故障点线电压数值保持不变，相电压上升倍，这就不会对三相设备的正常运行产生影响，此为最大的优点。在系统的单相接地电容不足5A时，所有的热效应都可以被电路上的各个元件的绝缘所承受，这种规格准许配电网电路在有故障的状态下持续运行12小时。但是，从实际的生产工作来说，应当减少这种带故障运行的时间；对于10kV电网电路而言，每一相对地电容的大小都至多为0.04，因为安全起见，不论电路的绝缘有多好，电阻有多大，都要确保人在无意中直接接触下不至于死亡。然而，这在实际配电网中是不存在的，接地保护和漏电保护措施只是作为间接接触的主要手段而已。2.1.5中性点不接地系统的应用范围（1）电压小于500V的系统装置，其中220V或380V系统除外；（2）3到10kV电网系统当单相接地电流小于30A时；（3）20到35kV电网系统用小于10A电流作为单相接地电流时，系统出现单相接地时线路接地电流很小，线电压维持对称状态。所以电压不等于零，其余别的相正常，电压夹角为120度，因为断相导致三项电压不维持平衡，在开口三角形处出现零序电压9。2.1.6中性点不接地系统暂态特征分析在配电网系统发生单相接地故障时，此时系统应该使用中性点不接地系统，所以开关S必须为断开状态。如图所示2-3所示，配电网系统单相接地故障暂态电流的分布图。图2-3 配电网系统单相接地故障暂态电流的分布在发生接地故障的那一瞬间，系统中电路的非故障相电压就上升到一个很大的值，然后大小电容都可以快速充电，但是在发生故障的那一相，电压就会快速降低到一定值，并且所连接的电容会大量放电。2.1.7中性点接地方式性能分析（1）供电可靠性与故障范围中性点不接地对于供电稳定性来说，单相接地后，电路的相电流维持在一定的稳定值，线电压也保持一个平衡状态，对用电客户没有造成大影响。单相接地故障电流数值很小，大多表现为瞬间性的故障，主要是架空线路，瞬间性故障在单相接地故障中占有85%以上的比例，这就不需要断路器跳闸。对于经消弧线圈接地方式来说，单相接地连接时流经电路上电容的电流得到补偿，在接地点残留下来的电流值很小，这就能让故障点产生的电弧自然熄灭，同时可以让故障处相电压数值上升减慢，这就对故障电弧的避免重燃和自然熄灭产生积极的作用，约有65% 85%的故障能够自动消去，供电稳定性强。在低电阻接地方式上，永久故障和瞬间故障一样都会引起开关装置的跳闸，配电网线路跳闸机率远远高于之前的两种接地方式。对于架空线路组成的混合型配电网系统，这种方式的接地开关会很容易跳闸，供电稳定性很低；而对于像主要以电缆构成的电网来说，发生永久性单相故障会比较多，而低电阻接地方式能够迅速在开关跳闸，这就有利于防止事故扩大化，对电网的供电是积极的。（2）故障电流对电网设备的影响对于中性点不接地方式，故障电流表现为对电气设备的危害，故障电流的持续时间和故障电流的幅值。这种方式的电网电容电流往往小于10A，此时这个故障点上的耗散功率比较小，即使很长一段时间运行，也不会存在严重的威胁。对于经消弧线圈接地方式来说，线圈处于谐振状态时，在接地点剩余的电流量很小，较长时间运行是不会对电网设备产生严重影响。在使用低电阻接地方式时，故障点周围增加了几百安的有功电流，一方面出现了短路故障时要马上跳开线路，断路器和其他所相连接的设备负担较重，这就加大了电网企业工人的检修维护时间；另一方面短路时电流对各种电网设备危害较大。（3）人身安全使用中性点不接地方式时，故障电流很小，配电网的跨步电压和接触电压很低，短时间对于人身安全不会造成大的危害。而经消弧线圈接地时，就有利于瞬时故障的电弧自助熄灭，降低了人员触电的机率。为了取得更加快速的获得接地保护时所需要的一定电流值，在经低电阻接地方式时，一般系统单相接地电流值都比较大，往往为99A1000A。因为此时的流过线路的故障电流很大，对设备有着严重的影响，在接地点周围会产生数值较高的接触电压和跨步电压，这就对路过的人员构成了严重的危险。但是系统对于故障能做到快速跳闸，从而减少触电机率。（4）通信干扰与电磁兼容对于配电网系统的瞬间发生的故障，主要作用的是静电耦合，企业管理人员能够用简单的方式加以控制。（5）过电压与绝缘水平配电网系统发生单相接地故障时，正常的相对地电压逐渐上升转变为线路中的线电压。如果出现间歇性弧光接地，就会容易在线路中出现弧光接地过电压10。除此之外，工作人员在对系统操作时，还容易引出铁磁谐振过电压。如果故障存在的时间不太短的化，电力设备就要有较强的外绝缘泄漏安全距离。（6）继电保护选择性市场上已经开发出多种选择线路的方案，但是实际工作的效果都不是太好，因为单相接地电源往往比正常负荷电流小很多，这是难以确保继电保护的选择性，需要安装特殊的接点显示装置。2.2 中性点不接地配电网系统故障检测装置2.2.1配电网系统短路故障的危害在短路故障发生期间，会导致电路中的元件永久性的失效，严重的会发生火灾事故；电压严重不足，不足以维持电网设备的正常运行；在检测到故障、排除故障动作时，因为熔断器的保险丝断掉，会产生停电事故，给用户的生活生产带来严重的影响和经济的损失。故障检测装置主要由感应部分和显示电路两结构构成16。2.2.2配电网系统故障检测装置工作原理配电网故障检测装置按功能可以分为短路故障检测装置和短路、接地故障检测装置。它一般都会安装在架空线路上、开关柜母线排和电网电缆上，用作指示故障电流通路的显示器11。其中短路故障检测装置是安装在各大配电网系统线路上，为了更加准确、迅速地检测出线路短路故障和单相接地故障，当某一区段发生短路故障，此时检测装置的显示器就会发出报警信息，能够在线实时监控到故障的信息，给出闪灯警示。故障检测装置的构成也相对简单，它往往由时间电流检测、故障判别、故障定位驱动、故障信息反馈指示以及信号输出和自主延时复位控制器等12，发生故障时LED小灯就会显示为红色的报警。如图2-4为故障检测装置的构成示意图。图2-4 故障检测装置的构成示意图2.2.3配电网故障检测装置的特点（1） 具有故障检测功能：当配电网系统发生短路故障时，显示窗口为耀眼的亮红色并伴随有刺眼的闪光示警。（2） 具有很强的抗外界干扰能力，并且反应迅速，动作敏捷。电路信号不会受到线路、高次谐波、电流波动、励磁涌流的影响。（3） 能简单快速地查找出故障所在区段：故障检测装置能直接在配电线路上安装，通过两两相邻两组检测器是否正常运作可以很容易的判断出故障发生区段。（4） 自动复位：检测装置会 出厂时设定好的复位时间在判断出故障状态后自行返回正常的位置。（5）带线安装和拆卸：可以在有电流存在的情况下进行维修维护与安装工作，不影响配电网线路的正常运行，步骤简洁。图2-5为国内常见的配电网故障检测装置。图2-5 国内常见的配电网故障检测装置2.2.4配电网系统相间短路分析 配电网系统在发生故障时大体上都是相位不同的。其中在发生非对称故障时，每一相的电流和电压有效值都是不同的。所以，只分析三相电路中的一相是不可以准确反应出配电网存在的问题。在实际工作中，使用对称分量法对相位不平衡系统进行分析得到的数据是大体接近实际情况的。这里就可以引用对称分量法来阐述相间短路的情况。对称分量法一般是对配电网系统中的一组不对称的三相点进行拆分，就可以分为正序，负序和零序三序相量。通过计算则可以求出故障电压电流数量值。（1）正序分量：如图所示可以看出，三个向量的大小是一样的。每两两相之间都是相差120度。正序分量是个平衡的系统。如图2-6(a)所示。（a）正序分量（b）负序分量（c）零序分量图2-6 三相不对称向量所对应的分量（2）负序分量：各向量相邻相相位差也是120度，大小一样，但这是按逆时针方向的，C相超前B相120度，而B相则超前A相120度，与三相相序是不同，如图2-6（b）所示。（3）零序分量：零序分量的向量的大小、相位都是一样的，如图2-6(c)所示。在正序分量中，恒有下列关系：， （2-1）其中 （2-2）显然存在：， （2-3）在负序分量中，恒有以下关系：， （2-4）在零序分量中，则有： （2-5）由上叙计算分析，我们可以总结出配电网系统两相短路的特点：1 配电网系统短路电流和短路电压没有零序分量存在。2 在配电网系统的两相短路故障中，短路电流大小是正序电流的倍，但方向是相差180度。3 配电网系统短路故障中，相间的电压幅值和相位一样，一般来说，短路点所在的非故障相的电压是正序电压的2倍，数值上为非故障相电压的1/2，相位相反。2.2.5配电网故障检测装置的安装事宜故障检测装置安装在架空线、环网柜、箱变、电缆上，用来显示故障3。为了方便电网巡线工作人员快速找到线路故障处，高效地减少检测故障的时间和过程，配电网故障检测装置安装地点应按照以下原则选择进行：（1）安装配电网系统故障检测装置应当悬挂于长线路的中段和分支入口处并与地面垂直，不能倾斜。因为倾斜时检测装置运转困难，不能正常工作，或故障消失后，检测装置又不自动复位，造成判断失误。这个位置可以显示故障分支和区段。（2）安装在各个变电所出口，这样可判断出是变电所内部还是外部出现故障。（3） 故障检测装置应当安装在电线塔的电源一侧，不能装在负荷侧，这是因为电线塔上设备出现故障时，也在该检测装置的检测范围内。总之10kV配电网线路应该在各个区段安装故障检测装置，每个安装点的三条导线都加一个故障检测装置，起到区分出现短路故障线路具体是发生在哪一相。这样有效的提升工人巡线时间，降低工作负荷，降低停电范围，不失为一种合理有效的技术手段。2.2.6配电网系统故障的的一般类型配电网系统中故障类型可以分为：单相接地短路、两相短路、两相短路接地、三相短路13。在配电网系统发生三相短路时，由于各相回路是对称的，因此这样的短路称为对称短路；另外的短路类型都是三相回路不对称的，所以称之为不对称短路。本论文针对比较常见的两相短路和单相接地短路进行分析研究。根据研究统计，短路故障具体类型分类及发生概率如下表2-1：表2-1短路故障类型、故障图示及发生概率2.3 电流互感器工作原理在实际的配电网供电用电线路中，电压电流的值大大小小相差悬殊从几安培到几万安培都有，一般的检测和保护装置是无法直接连入一次高电压设备中，为了便于二次检测仪表的测量就需要电流互感器来实现，将一次系统的大电流按照一定比例转换为数值较小的二次系统可以测量的小电流信号，在通过变比来反映一次的实际值。另外电网线路上都是高压电直接测量非常的危险的。其功能如下：（1） 电流互感器可以把配电网上输出的交流电信号按照变比转换为我国规定的5A或者1A小电流，比如变比为2000：1的电流互感器，可以把实际为2000A的大电流转变为1A的小电流14。（2） 电流互感器常常会安装在开关柜里， 接电流表之类的检测表和继电保护作用。（3） 能够让二次设备与配电网高压部分分隔开来，并且电流互感器二次侧都必须与大地相连，这样对于电网企业人员和设备的安全起到作用。（4） 测量用电流互感器能用来测量用电量大小使电网企业计算和测量运行设备的电流。如图2-6所示电流互感器I-V变换电路图。图2-6 电流互感器I-V变换电路图3 配电网系统故障检测装置硬件设计本论文的最主要目的是在于设计实现一种技术更加完善、全面且稳定性更好的中性点不接地配电网系统故障检测装置。依据配电网系统的故障检测的基本原理基础，比较常见的单片机控制芯片，并加以选择应用，按照任务书所需要实现的基本功能去实现相应的硬件电路设计，再对完成的硬件进行必要的检测和调试，编辑软件开发，添加故障检测装置，最后进行硬件和软件的修改和仿真，以求达到符合的理论要求，实现中性点不接地配电网系统的故障检测功能。硬件设计部分是以单片机的基本功能为核心去组成智能化的硬件平台，并按照准确、迅速检测故障的要求，实现了对应的硬件功能模块；故障检测装置的软件设计部分采用的是嵌入式基于C语言基础的编程操作系统，把每个硬件模块的控制程序设置为高低不同优先级的任务去实现管理，这样就能保证故障检测器的正常工作，保证功能的可靠及稳定。3.1 电路板制作过程在制作硬件的第一步就是制作电路板，这是一个需要我们在最开始过程中掌握的技能，选取合适的硬质电路板与电路板的大小都将会影响往后制作的过程，这就变得十分的重要与明显，所以要掌握好这个步骤的每一步。制作电路板的流程如下：打印图纸熨烫电路图腐蚀电路板钻孔焊接这五大步中的每一步都是重要的，只要其中有一个步骤没有做好的话很可能就要返工了。3.2 单片机系统3.2.1单片机系统概述单片机就是一块集成芯片，但是这块集成芯片具有一些特殊功能，而它的功能的实现要靠我们使用者自己来编程完成。我们编程的目的就是控制这块芯片的各个引脚在不同时间输出不同的电频（低电平或者高电平），进而控制与单片机各个引脚相联机的外围电路的电气状态。编程时我们一般可以使用C语言或者汇编语言，本设计选用的是嵌入式基于C语言部分来编程。3.2.2 硬件部分的功能流程分析故障检测装置一般都安装在配电网系统高压输电线路上，通过指示器、指示灯和报警蜂鸣器来对实现高压输电线路的监控检测，保证故障出现时系统能够及时定位和报警。最主要的核心模块的设计思路是：从电网电路输出的220V交流电信号经过电流互感器的转换，然后把电流信号再经过电流转电压电路，使其转变为低电压供下一级处理模块使用。将小信号的正弦信号经过全波整流电路，转变为直流信号。最后这些直流信号滤波变为近乎平直的直流信号，信号输出给STC12单片机的A/D模数转换芯片，进行信号采集。经过A/D口的信号转变为数字信号，这时进入单片机最小系统，通过单片机的判断处理，判断电路是否发生故障，如果发生过流故障，则LCD1602显示故障出现再哪一相，此时电流值为多少并且蜂鸣器报警。如图3-1所示为故障检测装置大体流程图。图3-1 故障检测装置的大体流程3.3 硬件部分的整体设计从配电网输出的220V交流电源信号的电流太大，不能直接连接到单片机的A/D采集口上，所以必须通过电流互感器的电磁感应转化成为小电流信号。本设计给三相电源的每一相输入端包括零序电路输入端都加上了电流互感器，方便信号的采集转换，把处理过后的信号再发送给合适的A/D口转换，为下一模块的处理做准备。硬件电路上，本设计最主要依靠的是高性能、低功耗的内部自带8路高速10位A/D采集的STC12C5A60S2单片机。相比于目前市场上普通的单片机，具有更高级的技术，可以实现对短路情况的模拟信号转换为单片机可以读取显示的数字信号，最后把单片机处理后的信号发送给显示器，显示电路哪一相出现故障。考虑到经费和时间上的限制，硬件设计时力求使用方便和高性价比，并且有着良好的稳定性和抗干扰能力。硬件整体部分大致可以分为：电源电路的设计、精密整流滤波电路的设计、基于STC12C5A60S2单片机的故障检测以及LCD1602指示器电路的设计等。配电网系统故障检测的功能需求：（1）配电网系统故障检测装置的最主要的作用是能够迅速检查出配电线路中哪一相出现了故障，利用收集到的信号，分析计算出电流互感器采集到的220V高压交流电信号，然后通过单片机自带的A/D模块对模拟信号进行分析处理，单片机对A/D转换成的数字信号再进行下一步计算，判断出是否出现故障。针对不同种的故障类型，本毕业设计做的故障检测装置能实时对线路进行监控，给出正确的判断。（2）在实现对高压输电线路检测故障的基本功能上，再通过软硬件的结合，实现系统检测的快速性和灵敏性，即装置能通过嵌入式系统编程过后的程序命令对工作参数以及设定参数进行必要的整定，以求在不同的工作环境、不同工作人员的运行使用要求。（3）系统故障指示器使用的是LCD1602和LED发光二极管以及报警蜂鸣器三种结合的方式，更好的给配电网使用用户能更加直观的判断出故障的具体位置、具体情况。当发生故障时，LCD1602显示出此时的电流值和故障区段，当前故障相的红灯高亮，报警蜂鸣器报警。3.4 系统核心电路设计3.4.1电源电路模块设计第一步设计的是电源电路，为了能操作方便、简单，本设计采用的是经电源变压器转换的配电网输出的220V供电方式。经过电源变压器的转换变为+15V和-15V的正弦交流电，在经过4个IN4007整流二极管的初步整流和大小电容的滤波，输出下一模块需要使用的+12V、-12V和单片机使用的+5V、-5V的四种电源。因为本系统需要使用多个电压值的输出，所以设计采用多重电源芯片来使电压不断变小变换，结合网络上各种现有成熟的设计电源电路方案，设计了这套电源电路模块。它具有转换效率高，抗负载能力强，输出电压值稳定的特点。在电源模块中，第一部分采用了LM7812三端线性稳压管将经过整流二极管构成的整流桥初步整流过后的16.89V交流电压信号转变为+12V脉动的直流电压信号，同理LM7912将经过整流桥初步整流过后的16.89V交流电压转变为-12V脉动的直流电压信号。其中7805是将流经7812稳压管转变出来的+12V电压变换为+5V直流电压，而7905是经由7912稳压管转变出来的-5V变换为-12V直流电压。所获得的+12V/-12V电压为下一模块的精密整流滤波电路的LM358运算放大器供电。因为考虑到在实际设计出来的电源电路中，LM7812到7805之间的压差U=12V-5V=7V，压差过大，为了以防万一芯片不被烧坏，在四个稳压芯片上都加上了散热片，尤其是LM7805和LM7905要加大的散热片。配电网输电线路输出的220V交流电为高电压，在经过第一部分的大电容和小的瓷片电容滤波。其中，大的电解电容为后续电路提供能量，储能滤波，将整流芯片的脉动的直流进一步滤波为平滑的直流；瓷片电容过滤掉信号中的毛刺、尖峰，过滤掉高频信号干扰。最后部分LED小灯起到提示作用，显示有电流流过，线路导通。如图3-2所示为LED指示小灯的接线原理图。图3-2 LED指示小灯的接线在最初的电源电路设计、画图的过程中，出现了一些小失误。比如说，当我在画电路原理图PCB时，没有仔细考虑到配电网输出的市电220V交流电是一个比较高的电压，是一个大功率的电路，在初期PCB画图设计时，线路的线宽没有给予一个比较大的值，画的都是比较细的线路，这就导致电路不是很耐压，单位长度的载流量相对较大。在两个输出为负电压的三端线性稳压管连接的LED小灯上，因为没有注意到负电压相对于地线来说是低电位，LED电源指示灯的正极任然是和负电压相连接，这就导致了做电路板模拟测试的时候，负电压没有电流的输出，LCD小灯不亮。经过这次的两个小失误，第一次做出的电路板子是不成功的，但是也为以后的设计工作总结了经验，在重新对PCB图的连接加粗、加宽后，并改正了LED小灯正负极的连接，换取了更大容量的大电容，使得电源电路模块更加趋向于合理稳定，工作情况良好，没有因为较大了压差产生过热现象，总体性能稳定、良好。因为配电网输出的220V交流电对人体是非常危险的，所以在安全保护上，用热熔胶枪把强电部分各个接口作了绝缘保护措施，防止因为实验过程中的误操作而发生触电危险。3.4.2电流互感器和精密整流滤波处理模块本设计中选用的互感器的型号是 DL-CT525BW卧式电流互感器，它的输入变比K是2000：1，样机部分使用200W白炽灯线路中的电流，去模拟10kV配电网系统上的大电流，经过电流互感器的转变，测出的电流值为：I=P/U=200/220A=0.91A，所以二次侧输出的电流值IN为0.455mA。把感应出来的电流值经过I-V变化成为电压信号，输出给精密整流电路去整流。其中，精密可调电位器可以对示波器上显示的波形进行调节。必须特别要注意的是，在装置运行中的电流互感器是禁止开路。在配电网输电系统工作时，通过线路上的各种互感器和采样电路，工作人员就可以检测出线路电流信号、零序电流和绝缘电阻信号等最主要的参数。对于采集信号的电路中，因为单片机最后要用到的是数字信号，所以单单只经过I-V变换所得到的低电压信号是不行的，这还不满足单片机A/D采集处理器的要求，所以设计电路上要对需要采样的数据进行预处理，也就是精密整流滤波，使最终经过处理的信号满足单片机的计算要求，也就是信号大小与单片机处理范围相同。如图3-3所示（详见附录2），为了检测变换较快、幅值很小、存在干扰的电流信号，所以在设计时选装了带有运算放大器的I-V变换电路作为电路采样，输出直流电源电压+12V和-12V，使用价格便宜的LM358运算放大器做电压跟随，利用电压跟随器作为中间级，以“隔离”前后级之间的相互影响，起到隔离、缓冲、提升电路带负载能力的能力。在将初步整流的脉动较大的直流电压信号经过全波整流电路转变为脉动较小的直流电压信号，末尾部分把信号再经过低通滤波器电路进行滤波，得到近乎直线的直流信号输出到STC12C5A60S2增强型单片机中进行A/D模数量的转换。如图3-3所示配电网输入信号处理。图3-3 配电网输入信号处理（1）在I/V变换电路中，配电网输出的电流信号经电流互感器转换变小测出，并接入到电路中，将测出的小电流信号转变为低电压信号。方案一：选用LM358双运算放大器电路来进行I-V变换；方案二：选用电阻来进行来进行I-V变换。方案分析：对于方案一，选用LM358双运算放大器可以在I-V转换电路中作为隔离前级和后级的的电路，提供I-V电路的带后级能力，它的工作电压为+-1.5V至+-15V，电压范围较宽，工作时低功耗、低输入失调电压和失调电流，是最常用的运放，价格便宜。这样就可以有效防止信号干扰，采样时可以取较大值，通过精密可调电位器，还可以调节I-V变换电路输出的电压值；对于方案二，要是使用的是电阻来进行电流到电压的I-V变换，就要选用阻值很小的电阻以降低对主电路的影响，但是这样一来就会使输出的电压信号很弱，精度也不高，抗干扰能力也弱。因此本模块运用的是LM358双运算放大器来实现电路的I-V变换。（2）在全波整流电路中，处于第一级的运大N1、二极管D1、D2和电阻R5、R6构成半波整流电路。当输入信号时，运放N1输出为正电压，二极管D1导通、D2截止；当时，运放1输出为负，D2导通，D1截止，。输入的信号是正弦波电压，在R3上并联两个电容C1、C2，构成低通滤波器，用两个电容并联的方式，为了使滤波更加彻底。按照,选择两个10nF的电容值，则全波整流电压 中的全部交流纹波都被运放N2抑制掉了，只有中的直流分量，调节R3的值，使,就可以保证输出电压为输入正弦波的有效值。3.5 单片机芯片的选用及显示电路的设计3.5.1单片机最小系统本设计使用的是高性能的内部自带10位A/D采集的STC12C5A60S2单片机，相比于目前市场上普通的单片机，具有更高级的技术，可以实现对短路情况的模拟信号转换为单片机可以读取显示的数字信号，最后把单片机处理后的信号发送给显示器，显示电路哪一相出现故障。如图所示，利用单片机自带10位A/D采集信号端口中的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3四个I/O口来收集模拟信号。程序下载端口选用P3.0、P3.1口。中P0.0至P0.7口与LCD1602液晶面板的7至14数据端口相连接，P2.2、P2.1、P2.0分别连接1602液晶模块的使能端、读/写选择端口和指令/数据选择端口，从而控制LCD1602。P2.4、P2.5、P2.6、P2.7四个IO口与ABC故障相指示报警蜂鸣器连接，其中LED小灯D1、D2、D3、D4分别对应A相、B相、C相和零序电路是否发生故障。要是A、B、C中有一相发生了单相短路故障时，则与之对应的D1、D2、D3高亮；若是两相之间发生了故障，则对应的两个LED小灯高亮；要是零序电路检测到故障发生，则D4高亮，说明配电网线路发生接地故障。在最初设计单片机最小系统部分时，没有充分考虑到报警蜂鸣器的重要性，图3-4 STC12C5A60S2单片机原理图所以并没有添加。因为故障发生时，检测装置伴随有LED小灯亮和蜂鸣器响能更好给用户作出判断，所以在之后调试时，特意加上上了。模拟证明，故障显示器和LED小灯加蜂鸣器能更好判断出故障发生的区域并给出报警提示。如图3-4所示单片机原理图。3.5.2复位电路和系统时钟电路（1）单片机系统的复位和置位，其中复位是把程序指针重新向0，即程序从头开始；置位是把相应要置位的口线输出1电平。本设计在单片机复位电路这块，使用的是按键复位。按键复位就是在复位电容上并联一个开关。当开关按下时电容放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位15。按键复位电路图如图3-5所示。图3-5 按键复位电路图（2）几乎所有的数字系统在处理信号都是按节拍一步一步地进行的，系统各部分也是按节拍做的，要使电路的各部分统一节拍就需要一个“时钟信号”，产生这个时钟信号的电路就是时钟电路。本设计选用30pF晶振，经实验能够能很好的满足要求。其电路原理图如3-6所示。图3-6 晶振电路图3.6 LCD1602液晶显示模块为了方便数据的实时监测和配电网的工作运行状况，就必须要有显示装置。（1）LCD1602的引脚功能在本设计的1602模块中，1602一共有16个引脚，其中第三脚连接的是10千欧的电位器，用来调节显示屏的分辨率，通过调节电压的大小就可以改变显示屏的明亮程度，电路正常输入5V电压时，将会点亮背光灯。第四、五、六脚分别是EN使能端（低电平跳变成高电平时，液晶模块执行命令）、R/W读/写选择端口（高电平时进行读操作，低电平时进行写操作）和RS指令/数据选择端口（高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器），它们与单片机的P2.2、P2.1、P2.0I/O口连接。第7至第14脚为8位双向数据线口，与单片机的P0.0P0.7相连，用以读取单片机的指令数据，其中第十四引脚作为状态的标志位，如果此时该引脚的电平为低电平的时候，才允许对LCD16O2进行读写操作，否则会产生错误。（2）LCD1602连接电路图图3-7 LCD1602液晶显示电路图LCD1602液晶显示与单片机一起构成故障检测装置，能实时显示线路的运行情况的数据信息，当发生故障时，显示出实时的电流值并伴随报警器蜂鸣，用户可以通过查看显示屏知道哪一相发生故障。同时，得力于1602的操作简便和便于程序的实现，每一行都可以显示出16个字符，考虑到价格等方面的因素，所以本设计选用了LCD1602作为显示装置。如图3-7为液晶显示电路图。3.7 对模拟样机部分的制作与调试在模拟样机部分，使用了三个额定电压220V，额定功率200W的白炽灯分别串联到A、B、C三相电路中，然后再把三根线一起通过检测零序电路的电流互感器中。这样，就能通过单独调节一盏灯的明暗程度来模拟配电网系统的单相短路故障的电流变换情况；如果同时调节的是两盏白纸灯的亮度程度，这就是模拟配电网系统中的两相短路故障的变化情况；因为配电网系统在发生短路故障时，电路上流经的电流值先升高，然后在失压。为了模拟电流的增大，先把一盏灯调亮，然后模拟电路的失压把灯完全关掉。这时故障检测装置就可以判断出配电网系统出现了单相短路故障，并给出声光报警提示。如图3-8所示，在完成之前电源、整流滤波、单片机最小系统这三大模块后，在接入模拟样机调试之前，要先对线路之间各个器件是否完全连接做检查，是否出现虚焊、漏焊现象，有无短路连接情况，用导线把各子相连接。再仔细检查无误后，给电路板连接上电源，用电流互感器采集配电网系统电流信号的输入（可以通过点亮一盏200W白炽灯时，得出的电流值来模拟流过配电网系统的电流值大小）。借用实验室示波器分别测试I/V、A/D和GND口，可以得到图3-9所示的(a)、(b)、(c)三个波形图。从这三个波形图可以看出，得到的正弦波信号杂波比较小、清晰高，通过调节电位器阻值大小，信号的电压值可以在0.501.0V浮动，基本可以满足对模拟样机的测试要求，为往后设置正常值范围和故障值范围确定有利的硬件基础。实际配电网系统中获得各相输入电流与输出电压的关系，可以通过测量输出电压与输入电流之间的比值得到。如表3-1所示。表3-1 A、B、C三相的电流与电压的比值图3-8 A相发生短路故障硬件图（a）I-V转换（b）全波整流（c）滤波图3-9 示波器测试波形图4 配电网系统故障检测装置的软件设计硬件电路和软件程序是组成一个系统不可缺少的两个主要部分，二者的正确与否直接影响整个模拟样机的可实现性。本设计的总体思路是故障检测装置是从配电网线路中采集电流信号，用精密整流滤波电路对其进行处理，通过单片机的计算从而判断出线路是否发生了各个相位之间的短路故障或者单相接地故障，通过电流和电压的比例关系，得出实际的电流值，再给出相应的报警和检测动作，节约电力企业的运行成本。4.1 软件部分设计通过对整体硬件电路的了解和查阅相关资料，基本上确定了程序设计的大体思路。通过运用Keil uVision4进行C语言编程。按照软件功能的要求，软件部分过程框图如图4-1。图4-1 软件部分过程框图软件各部分主要功能如下：（1）A-D采样主控部分：通过电流互感器采集线路中电流信号，经过I-V变换电路和精密整流滤波电路之后，得到一个电压信号送入单片机。（2）ABC相故障检测部分：根据故障检测要求，编写系统检测故障程序，通过调用至单片机的采样数据进行判断处理，从而可以判断配电网线路中有无相位之间短路故障或单相接地故障，超过预设值则LCD二极管小灯高亮显示故障发生的相位，同时蜂鸣器发出报警。（3）LCD1602液晶显示部分；实时显示三个相的电流值和零序电路的电流值，显示它们是否正常或者错误。（4）人机交互部分；通过三个按键实现人机交互的功能，可以自行预设置需要报警的电流值。4.2 系统软件整体设计根据实际设计出的硬件部分来参考，该系统的主要软件设计部分大体上分为：A/D采样主控部分、ABC相故障检测、液晶显示和人机交互等等。考虑到实际编写的方便性和可靠性，对需要实现的故能进行模块的划分，并划分对应的优先顺序和任务通信方式。软件系统由系统内核（Kernel）、系统任务（Task）、驱动程序、中断服务程序和一些基本应用程序组成。操作系统的移植是软件设计需要首先完成的，然后才可以在系统上进行设计。再检查完硬件部分是否合理后，就要开始软件的编写。4.2.1 A/D采样主控模块本设计的软件部分最核心的是A/D采样主控部分，单片机通过上一级精密整流滤波电路处理过后的信号进行处理，通过A/D采集模块把模拟信号转换为数字信号，就可以供单片机的计算。单片机判断是哪一相的电流，是否超过预设值，如果发生短路故障，则报警蜂鸣器报警。本设计选用单片机中的PI0、P11、P12、P13通道分别作为IN0、IN1、IN2、IN3模拟量输入口。如图4-2所示，主程序流程图。图4-2 主程序流程图4.2.2 ABC相故障检测模块该模块最主要的功能是判断配电网系统哪一相发生了短路故障，根据之间计算得出的输出电压和输入电流的比值，就可以得出实际配电网系统中获得各相输入电流与输出电压的关系。此程序分为两大部分，相间短路故障和单相接地短路。通过单片机电压采样之后，进入对故障进行判断，给出判段结果。当应故障出现报警一段时间后或在工作人员的控制下，系统复位，返回初始状态，为下一次出现的故障做好准备。4.2.3 LCD1602液晶显示与人机交互模块程序的基本设计思路是，单片机进行初始化，先写第一行的数据，再写第二行数据，写的过程中先写命令，再写数据。不论是写命令还是写数据，都需要检查当前器件的工作状态。该模块能实时显示三个相的电流值和零序电路的电流值，显示它们是否正常或者错误。其中第4、5、6脚分别是EN使能端（低电平跳变成高电平时，液晶模块执行命令）、R/W读/写选择端口（高电平时进行读操作，低电平时进行写操作）和RS指令/数据选择端口（高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器），它们与单片机的P22、P21、P20这三个管脚相连接，以达到控制LCD1602。液晶显示程序的关键主要在于对显示模块的读写，通过写入不同的数据就可以显示不同的内容。由于需要用户自己设置预设值，所以添加了人机交互模块的三个按键。第一键设置数值的增大，第二键设置数.值的减小，第三键相当于确认键。如图4-3所示，LCD显示模块软件编写流程图。图4-3 1602液晶显示软件编写流程图4.3 本章小结硬件的实现是检测功能完整的基础，而如果要让硬件能正常发挥作用，就需要良好的软件编写来实现。良好的软件设计为样机增加了稳定性和抗干扰能力，这就不需要添加更多的硬件出实现更过的功能。5 结论配电网运行系统很复杂，拥有众多的分支来构成。需要的后期维护量很大，每天都要固定去检测是否正常运行。所以，一旦系统发生短路故障，寻线工人检测起来就会很费时间且工作量大，大大降低了供电的可靠性。本次设计通过查阅大量文献资料，了解了10kV中性点不接地配电网系统故障的种类和特点，以及目前国内在故障检测装置这部分的使用情况，再结合本设计的要求，以单片机最小系统为技术核心，配合电流互感器以及精密整流滤波模块电路的信号采集、处理，最终对故障区段加以判断，给出声光报警指示。本设计通过对短路故障、单相接地故障、零序电路故障的判断检测的原理进行系统分析，结合STC12C5A60S2单片机的功能，设计出了这款配电网系统的故障检测指示器。现对本次设计总结以下几点：（1）本次设计的优点是，基本上满足最初任务书的设计要求，基本上模拟出故障装置的实际运行过程。（2）本次设计需要改进之处：没有使用三相电源借口去完整模拟三相电的故障发生，只是在现有实验室的基础上使用了单相电来模拟故障的发生。故障检测的准确度有待提高。（3）本次设计等待改进之处：可以通过预留的排针做出更多的功能性扩展，应用更为简单方便的移动电源代替现有的电源供电，让设备的使用寿命更加长久。降低更换的次数与频率，节省用户使用成本。（4）本次设计的最初阶段：在指导老师的耐心细致指导下，系统的查阅了设计课题相关的文献资料，了解了什么是故障指示器，它的特点、原理、工作范围等情况，以及发展情况。（5）本次设计的中期阶段：在同班同学和本毕设小组队友的热心指导帮助下，经过自己不断的对各个模块电路原理图和PCB图的修改，完成最终的电路，基本上实现预定要求。（6）本次设计的末期阶段：再完成全部软硬件的设计后，加深了对自己课题的认知，提高了自己的动手动脑能力和解决问题的能力。本次毕业设计让我充分运用了平时在校课堂上所学习到的知识，结合课本的使用完成了要求。因为课题的不同，展现了独立完成的重要性，同时也使得设计过程细致化，这就需要查阅文献的能力和良好的领悟能力。通过本次毕业设计大大提高了我的综合能力水平。 谢 辞在即将离别校园之际，充满了眷恋之情。虽然要太多的不舍，但是仍要前行。历经这段时间查阅文献资料、整理设计思路、论文的撰写、样机的制作，今天终于顺利的完成论文。时光匆匆如流水，白驹过隙，转眼已到了毕业季。回首大学的生活与学习，父母、老师、同学、朋友都给了我许多的帮助。首先要感谢的是范兴明老师，整个毕业设计是在范老师的耐心指导下得以完成的。一开始拿到毕设题目，自己确实感到很迷茫，无从下手，这时，是范老师给我在硬件设计方面给出了意见，并对我的毕业设计开题报告进行认真批阅，指出其中错误的地方，让我对我的毕业设计有了初步的构思。范老师严谨的作风和不拘一格的思路给于我很大的鞭策，对待毕业设计丝毫不马虎。在整个的设计中，各位老师、同学积极的帮助，对于我的毕业设计提出了的建议和意见，还要感谢专业实验室的同学在我毕业设计制作期间给予我在理论上的指导，帮助我解决一些技术上的困难，成功调试出信号采集部分的电路。另外，同学的帮助也是必不可少的，一些细节的建议和指导使我可以顺利地完成毕业设计。感谢诸位老师对本文进行认真地评阅、耐心地审查，并提出宝贵的意见!最后，感谢爸爸妈妈一直以来对我的关心、支持，是你们培养了我不畏惧困难、克服困难，百折不挠的精神。参考文献1 孙继宗, 王建华, 王炳全. 智能配电网与配电自动化J. 城市建设理论研究（电子版）, 2015, (29): 2602-2602.2 张斌, 袁钦成, 袁月春等. 配电线路故障指示器现状分析J. 供用电, 2005, (5): 29-30.3 Al-Amari, H.Z. ; Fadel, A.I. 10 ohm Neutral Grounding Resistance in 30kV Western Libyan Network and EffectsJ. IEEE 2013 , Page(s): 1-6.4 吕鹍, 赵辰阳, 曹珂. 浅谈配电网中性点接地方式的特点及选择J. 城市建设理论研究（电子版）, 2015, (17): 7017-70175 黄琳. 10 kV配网接地方式及改进对策研究J. 装备制造技术, 2013, (5): 129-1316 袁克旻. 中性点不接地系统单相接地的危害J. 有线电视技术, 2013, (8): 105-1077 贾鹏飞. 基于MATLAB仿真的中性点不接地系统单相接地故障分析J. 科学技术与工程, 2012, (33): 9038-90418 杨树兴, 杨俊仙. 配电网系统中的中性点接地方式研究J. 内蒙古科技与经济, 2012, (18): 60-619 郭继霞. 张家口发电厂8号机组匝间保护误动作J. 城市建设理论研究（电子版）, 2013
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