农网剩余电流故障在线监测平台设计与实现

摘要

长期以来，我国相当一部分农村地区供电环境恶劣，输电线路陈旧、老化现象严重，农民的用电意识相对薄弱，导致农村地区时常发生剩余电流故障，目前一般通过剩余电流保护装置跳闸断电来保障人的生命财产安全，但是如果农户家中存在少量剩余电流并且没有超过剩余电流保护装置的跳闸阈值，那这种剩余电流将长期存在于线缆当中并导致线路老化。此外，该保护装置也不利于农电工对故障快速定位、抢修。针对这些弊端，本文设计了一个农网剩余电流故障在线监测平台，包括剩余电流采集器、数据集中器以及后台监测软件，能够快速地对故障剩余电流捕捉、上传、报警并且支持实时数据查询，从而方便农电工对故障快速、准确定位，提升抢修效率。 本文首先介绍了剩余电流检测技术及其在线监测平台的国内外发展现状，总结出目前监测平台存在的不足并给出了农网剩余电流故障在线监测平台的总体设计方案，包括剩余电流采集器集群、数据集中器以及后台监测软件。比较分析了电磁式、霍尔式和磁调制式三种检测剩余电流互感器的优缺点并给出剩余电流采集和数据处理方法，介绍了监测平台中负责无线通信的ZigBee技术和GPRS技术，并采用NS-2仿真分析了ZigBee网络部署到农村地区的可行性和可靠性。 然后，基于剩余电流检测方案实现了剩余电流采集器的硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括剩余电流检测、末端电压调理、电源和备用电源、ZigBee等功能模块，最后根据原理图制作了PCB电路板。软件设计主要实现了实时查询剩余电流和末端电压的功能、剩余电流超过阈值或末端电压异常主动上传故障数据的功能、数据重发机制功能，并完成了采集器与集中器传输协议设计。 另外，根据对数据集中器的需求分析，给出了其硬件设计和软件设计，包括MCU核心电路、触摸显示、ZigBee、GPRS、SD存储卡和报警等功能模块，基于原理图设计制作了PCB电路板。软件方面完成了通信任务、交互任务和报警任务，通过集中器可以实时查询采集器的检测数据、历史故障数据以及采集器配置参数，实现了触摸显示屏的人机交互功能和故障数据的存储功能，并给出了集中器和后台监测软件的通信协议。 最后，完成了监测平台测试以及现场安装试用，包括采集器的通断电、检测误差、功耗及功能测试，对集中器端数据收发、实时数据查询、历史数据查询和配置参数查询测试，现场安装后通过后台监测软件对整个监测平台进行了测试。测试结果表明该监测平台能够快速、稳定的检测到剩余电流故障并能够及时将数据发送至集中器，集中器会立即启动报警并将数据转发到后台服务器，能够满足农村电网对剩余电流在线监测的需求。

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