【正文】 兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路，其中單相接地故障在各種故障中所占的比例最大，一般都在 80％以上，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國 2020年的 35KV 的輸電線路發(fā)生的各種故障中，單相接地短路故障占所有故障的 89％左 右。在圖 3． 1 的模型中，使用三相電壓源作為電路的供給電源，電壓源為 Y 接 (即中性點(diǎn)不接地 )類型，其中線電壓的有效值為 35KV， A 相初始相角為 0度，屬于小接地電流系統(tǒng)。線路中串聯(lián)一個(gè)三相 RLC 串聯(lián)負(fù)載 (ThreePhase RLC 18 Load)，另外三相電壓電流測量儀器 (3Phase VI Measurement)負(fù)責(zé)測量線路初始端的三相電壓和電流，在模型中，主要采用三相短路故障發(fā)生器(3Phase． Fault)來模擬單相接地短路故障的發(fā)生，在短路故障發(fā)生器的參數(shù)對話框的故障相 (Phase Fault)中任意選擇一相，這里選擇 A 相，同時(shí)選擇故障相接地 (Ground Fault)， 轉(zhuǎn)換時(shí)間 (Transition times)的時(shí)間改為 [ ]，即在 秒時(shí)發(fā)生 A相接地短路，而在 秒時(shí)恢復(fù)正常供電。 19 在 設(shè) 計(jì) 電 路 圖 設(shè) 計(jì) 完 成 后 ， 打 開 仿 真 參 數(shù) 對 話 框(simulationconfiguration parameters)，把停止時(shí)間 (Stop time)改為 ，求解程序類型 (Type)選項(xiàng)改為可變步長 (Variablestep),ode23tb(stiff/TR BDF2)，其它的都保持不變。 從圖 3． 3 可以看出，發(fā)生故障時(shí)，電源輸出端的故障相對地電壓 ua明顯下 20 降，而非故障相對地電壓 ub,uc上升為原來的 1． 7倍左右。當(dāng)把輸電線路 l(DisUibutcd Paremter Line 和 Distributed Paremeter Line)的 長度分別改為 20km 和 25km 時(shí)，得到的電源端輸出相電壓波形如圖 和圖 所示。 從圖 看出，發(fā)生故障時(shí)非故障相的對地電流 0bg cgii??，而故障相對地電流 agi 大概在 10A 左右。因?yàn)檫@時(shí)故障點(diǎn)離三相電源輸出端還有一段線路，在這段線路上產(chǎn)生了一些電壓降，所以在圖 中初始端 A相相電壓明顯減小，但不為 0，而 B、 C兩相相電壓則明顯升高。而負(fù)載 對地電壓 1 2 3,a a au u u 的波形同圖 ，只是在故障發(fā)生期間有微小的波動，在故障前后沒有明顯變化。 從圖 可以看出，在沒發(fā)生故障之前，線路中的零序?yàn)?zi = 開始發(fā)生故障， zi 迅速上升至 3A左右，然后緩慢下降，直到 左右 zi 才下降為 0。 傳統(tǒng)的濾波方法有模擬濾波和數(shù)字濾波兩種，其中模擬濾波主要是采用低通模擬濾波器來進(jìn)行濾波，模擬濾波 器是用無源限（ R、 L、 C)或者有源 (包括運(yùn)算放大器等 )等電路元件組成的。常見的數(shù)字濾波算法如導(dǎo)數(shù)算法、傅立葉算法等。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起給電力系 統(tǒng)濾波提供了新的研究途徑，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由一些稱為神經(jīng)元的基本單元按一定規(guī)則互聯(lián)而成的自適應(yīng)系統(tǒng)，它具有人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一些基本特征，諸如信息的分布式存儲和大規(guī)模并行處理、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)等功能。 RBF 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及訓(xùn)練算法 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是近年來得到很大發(fā)展的一種前饋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由三層組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 所示，其實(shí)從本質(zhì)上說它是兩層網(wǎng)絡(luò)，輸入層信 號只是負(fù)責(zé)傳輸信號到隱層，隱層節(jié)點(diǎn)由像高斯核函數(shù)那樣的輻射狀作用函數(shù)構(gòu)成，輸出層節(jié)點(diǎn)通常是簡單的線性函數(shù)。 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于非線性濾波 仿真軟件 MATLAB 中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱為我們提供了一個(gè)新的運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 GUI(圖 形用戶界面 )工具，通過使用這個(gè)工具可以對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立、初始化、訓(xùn)練和仿真等各種操作，界面友好直觀，在 MATLAB 的命令窗口輸入 nntool，回車，就可以打開 GUI 工具的主窗口。 24 接下來通過對 RBF 算法進(jìn)行濾波仿真。從圖 可見，故障情況下波形具有各次諧波，對于數(shù)據(jù)采集和計(jì)算帶來誤差，從而 對故障的判斷帶來影響。 RBF 算法濾波仿真的程序設(shè)計(jì)如下： 25 1．在 MATLAB 的命令窗口定義需要的輸入變量和目標(biāo)變量，輸入變量為如式 3l所示的含有 7次高次諧波分量的模擬量，仿真的目的是濾波，所以目標(biāo)變量為 sin (2 * * 5 0 * )y pi t? ，具體定義如下： clear t=0： ： ； sin ( 2 * * 50 * ) 0. 75 * sin ( 2 * *1 50 * / 6) 0. 5 * sin ( 2 * * 25 0 * / 4)0. 4 * sin ( 2 * * 35 0 * / ) 。p p i t?? ? 2．打開 GUI 工具窗口 ，單擊 Import 按鈕打開對話框，分別將 y和 p作為輸入變量和目標(biāo)變量導(dǎo)入樣本。 4． 回到 GUI 主窗口，選中 Networks 欄的網(wǎng)絡(luò)名字 filter，單擊 View 打開網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的圖形，如圖 3． 13 所示。 6．仿真，在 GUI 主窗口中，選擇 filter,單擊 Simulate 按鈕打開仿真選項(xiàng)卡，在 Inputs 欄選擇 y，在 Outputs 欄輸入 w,單擊 Simulate Network 按鈕進(jìn)行仿真。 8．在 MATLAB 命令窗口中輸入命令： plot(t,p,t,w)。經(jīng)過 RBF 算法濾波后，高次諧波被濾掉，這樣有利于數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，從而可以有效的識別故障，使保護(hù)正確的動作。 本章總結(jié) 本章首先通過建立電力系統(tǒng)模型，以最常見的單相接地故障為例對小電流系統(tǒng)的故障進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明：小電流系統(tǒng)正常工作時(shí)，線路中的零序電流為 0，發(fā)生單相接地故障時(shí)，可以根據(jù)零序電流的變化及時(shí)的發(fā)出告警信號，以防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大；通過 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對故障模擬量進(jìn)行濾波仿真得出結(jié)論： RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以濾除故障模擬量的高次諧波，可以正確的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和算法處理，從而達(dá)到有效判斷系統(tǒng)故障的目的。最后介紹了裝置的硬件抗干擾措施。 從圖 可以看出，裝置的輸入包括模擬量和開關(guān)量，輸入的模擬量經(jīng)過濾波電路將高次諧波濾除后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)采集電路包括 MAXIM 公司的 8路 12 位并行輸入的 MAXl97 及其外圍電路，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的數(shù)字量進(jìn)入微機(jī)保護(hù)主系統(tǒng)，開關(guān)量經(jīng)過光電隔離電路后進(jìn)入微機(jī)保護(hù)主系統(tǒng)。 前端濾波和數(shù)據(jù)采集電路硬件設(shè)計(jì) 低通濾波電路 對輸入模擬量的低通濾波電路硬件電路圖如圖 。后面加上一個(gè)運(yùn)算放大器 TLC2254 作為電壓跟隨器，輸出的電 壓就是經(jīng)過濾波后的電壓，當(dāng)輸入端斷線時(shí)，運(yùn)算放大器的同相輸入端有可能發(fā)生零點(diǎn)漂移，在運(yùn)放的同相輸入端加入一個(gè)接地電阻，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移。 29 從圖 4． 3 中可以看出，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中包括微處理器 AT89C5數(shù)據(jù)鎖存器 74LS37數(shù)據(jù)緩沖器 74LS24譯碼器 74LSl3 RAM6264和 AD轉(zhuǎn)換器 MAXl97等，其中 CPU 擴(kuò)展了外部 RAM 和 MAXl97 等， 74LS373 用于地址鎖存； 74LS245是在外部開關(guān)量輸入時(shí)作為數(shù)據(jù)緩沖器， 74LS245 的 DIR 引腳接地，說明 B 端是作為開關(guān)量輸入端， A端作為輸出端；在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要處理 的數(shù)據(jù)超出了AT89C52內(nèi)部自帶 256Bit的 RAM的范圍，因此在設(shè)計(jì)中擴(kuò)展了一片 8K的 RAM6264用于存儲數(shù)據(jù)； MAXl97 的 D0～ D7 作為低 8 位數(shù)據(jù)輸出端，其中 D0～ D3 同時(shí)作為高 4位數(shù)據(jù)輸出端，當(dāng) HBEN 引腳為低電平時(shí)，輸出為低 8 位數(shù)字量 D0～ D7，當(dāng) HBEN 引腳置高時(shí)，輸出為高四位數(shù)字量 D8～ Dll， MAXl97 的 WR 和 RD 引腳分別與單片機(jī)的 WR和 RD 引腳相連接，轉(zhuǎn)換結(jié)束引腳 INT與單片機(jī)的 引腳相連接，一次 AD 轉(zhuǎn)換完成時(shí)， INT引腳變?yōu)榈碗娖剑?74LS373 的片選信號一直處于選通狀態(tài)， 74LS24 MAXl97 和 RAM6264 的片選信號通過譯碼器 74LSl38 來提供， 30 從圖 可以看出， 74LS24 MAXl97 和 RAM6264 的芯片地址分別為 4000H、 2020H和 1FFFH。 AT89C52 的主 要性能參數(shù)如下： ①與 MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 ② 8K 字節(jié)可重擦寫 flash 閃存 ③ 1000 次擦寫周期 ④全靜態(tài)操作， 0～ 24MHZ ⑤三級加密程序存儲器 ⑥ 256*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ⑦ 32 個(gè)可編程的的 I/O 口 ⑧ 3 個(gè) 16 位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 ⑨ 8 個(gè)中斷源 ⑩可編程串行 UART 通道 ○11低功耗空閑和掉電模式 (2)AD 轉(zhuǎn)換器 MAXl97 介紹 MAXl97是 MAXIM公司推出的 12Bit逐次漸進(jìn)式 AD轉(zhuǎn)換器。 ② 8 通道模擬量輸入，而 AD574 為單通道輸入。 ④可供軟件選擇的多量程輸入177。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選用 MAXl97 進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換比用AD574 更靈活、更有效。 1/2 (LSB)。 ③可用軟件選擇的輸入量程，177。 ④轉(zhuǎn)換器的輸入過壓容限為 。 ⑥ 6 s? 轉(zhuǎn)換時(shí)間， 100kbs 采樣率。 ⑧可通過軟件選擇內(nèi)部 或外部基準(zhǔn)。 ⑩可通過軟件選擇內(nèi)部或者外部的采集模式。DGND 為數(shù)字地； AGND 為模擬地。 BIP、 RNG 為輸入電壓極性和量程的選擇。 (3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完 成的功能 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，模擬量輸入 MAXl97 由它的控制字選擇對某一通道的模擬量進(jìn)行采樣，在設(shè)計(jì)中采取循環(huán)采樣，即首先進(jìn)行通道 0 的采樣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢再進(jìn)行通道 1 的采樣，依次類推，直到 8路模擬信號都采樣完畢，然后再重新進(jìn)行通道 0 的采樣轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束的管腳 INT 與單片機(jī)的 P3． 2(INT0)腳相連，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束， INT 管腳置低電平， 管腳也相應(yīng)置低，如果外部中斷 O 允許中斷，就可以通過外部中斷 0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)，除此之外，它還能起到很好的安全保障作用，因?yàn)樵诠怆婑詈掀鞯妮斎牖芈泛洼敵龌芈?之間有很高的耐壓值，可以達(dá)到上千伏，正是由于光電耦合器是以光為媒介進(jìn)行間接耦合，才使它具有很高的電氣隔離和抗干擾能力。 在圖 4． 5 中可以看出，在光耦器件的輸入端并聯(lián)了一個(gè)二極管，目的是為了防止光耦中發(fā)光二極管的反向擊穿，將發(fā)光二極管的兩端電壓鉗位在 0． 7V左右。 從圖 中可以看出，鍵盤電路采用的是 6 個(gè)獨(dú)立式的按鍵，分別接到單片機(jī)的 ～ 口，當(dāng)按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的 Pl 口被拉為低電平，當(dāng)按鍵松開時(shí)，Pl 口被拉為高電平。因?yàn)榭紤]到普通的按鍵去抖動效果不理想，按鍵選擇的是歐姆龍公司的按鍵開關(guān)，實(shí)踐證明，這種按鍵去抖動效果很好，不會引起誤操作。 2．光標(biāo)縱向移動：按 一次縱向下移動光標(biāo)一位，至最下端時(shí)返回至本列的最上端。 4．整定值數(shù)字調(diào)整鍵：整定值的輸入鍵，每按一次，光標(biāo)對應(yīng)的數(shù)字位數(shù)字加 l，至 9時(shí)再變?yōu)?0. ：定值輸入完后，按確定鍵，一方面吧定值送入 EEPROM 的相應(yīng)位置中保存下來，另一方面調(diào)串口發(fā)送程序把此定值送入主保護(hù)板 CPU 中。 在鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì)中，使用了 X5043 作為看門狗和外擴(kuò) EEPROM，X5043 的功能包括上電復(fù)位、低電壓復(fù)位控制、可編程看門狗 定時(shí)器和 4K 的EEPROM，它僅有 8 個(gè)引腳的封裝。 LCD 的功能及引腳介紹 RTl286410 是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要采用動態(tài)驅(qū)動原理由行驅(qū)動器、控制器和列驅(qū)動器三部分組成了 128(列 ) 64(行 )的全點(diǎn)陣液晶顯示。 RTl286410 的引腳名稱及功能描述如表 4． 2 所示。 在實(shí)際操作中，由 C／ D 引腳狀態(tài)可以確定數(shù)據(jù)口和命令口的地址， C／ D引腳與單片機(jī)的 引腳相連，通過命令口向 T6963C 寫參數(shù)，通過數(shù)據(jù)口向T6963C 寫數(shù)據(jù)，文本顯示區(qū)首地址、文本顯示區(qū)寬度、光標(biāo)形狀、光標(biāo)定位等都是通過向命令口寫入不同參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。漢字的顯示是 16 16點(diǎn)陣，字母和數(shù)據(jù)的顯示是 8 16 點(diǎn)陣，在 LCD 上面最多可以顯示 4行 8 列漢字或者 4 行 16列字母。 LCD 的數(shù)據(jù)總線 DB0～ DB7 直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線 ～ 相連； V0 管腳與 100K 的電位器相連，通過調(diào)節(jié)電位器接入電路中的電阻大小，可以改變加在 V0 上面的電壓大小，進(jìn)一步可以改變 LCD的對比度： LCD的背光電源和背光地分別接到 +5V 的電源和地。 單片機(jī)出口控制電路和通訊電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)出口控制電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)出口控制電路圖如圖 由圖 可以看出，從單片機(jī) Pl 口的任意一個(gè)管腳都可以驅(qū)動繼電器，當(dāng)輸出管腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通 ，這時(shí)發(fā)射極電平與繼電器管腳 l電平都為低，而繼電器管腳 8電平始終為高，這樣就使繼電器線圈吸合；如果輸出管腳為低電平，三極管截止，三極管的發(fā)射極懸空，相當(dāng)于高電平，這樣，繼電器的線圈斷開，繼電器并不動作。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與按鍵 和