基于单片机的架空线路接地故障检测与报警系统

1 基于单片机的架空线路接地故障检测与报警系统

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1.1 项目背景与系统概述

1. 架空配电线路由于长期暴露在户外环境中，容易受到雷击、树枝触碰、绝缘老化、导线断股、瓷瓶污闪、鸟害等因素影响，发生单相接地、间歇性接地或多点接地等故障。接地故障若不能及时发现，会导致线路损耗增加、电能质量下降、设备过热、保护误动作甚至扩大成短路事故，影响供电可靠性。
2. 传统接地故障巡检往往依赖人工排查或继电保护系统的间接判断，但在配电网中尤其是10kV及以下架空线路，分支多、范围广，现场定位困难，往往需要大量人力物力。为提升故障定位效率，工程上普遍在架空线路上安装接地故障指示器（Fault Indicator），用于在故障发生时迅速发出声光提示，辅助巡线人员快速定位故障区段。
3. 本设计以单片机（MCU）为核心控制器，构建“接地故障电流采集 + 矢量和误差判断 + 声光/翻牌报警 + 光感应昼夜切换”的一体化检测与报警系统。系统实时采集三相电流（或零序电流等效量），依据三相电流矢量和理论为零的原理，计算“当前误差”，并与用户设定的“阈值误差”进行比较，当误差超过阈值即判断为接地故障并触发报警。
4. 系统引入光感应器实现昼夜自适应报警策略：
   1. 白天环境光照强，指示器以机械翻牌或高可见度标志显示报警，便于远距离目视识别；
   2. 夜间光照低，系统切换为发光报警（高亮LED或闪烁灯），保证夜间可视性；
   3. 声音报警（蜂鸣器）可作为补充，增强提醒效果。
5. 显示交互方面，系统设置显示屏（例如LCD1602或数码管+按键设置），用于在现场直接观察运行参数：
   1. 第一行显示“设置误差阈值”（SetErr）；
   2. 第二行显示“当前误差”（CurErr）；
   3. 当CurErr > SetErr时进入报警状态，显示报警标志并驱动翻牌/灯光。
6. 本系统的核心思想是：
   1. 三相系统理想平衡时，三相电流幅值相等、相位相差120°，矢量和为0；
   2. 在实际配电线路中，即使无故障，三相也存在不平衡与谐波，矢量和不可能严格为0，因此必须允许一定“误差范围”；
   3. 当发生接地故障时，零序电流增大，三相矢量和偏离明显，误差显著增大；
   4. 以“误差阈值 + 滞回 + 时间确认”的策略判断故障，比单次瞬时判断更可靠。

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2 功能设计

2.1 接地电流采集功能

1. 接地故障检测系统最基础的能力是对线路电流变化的捕捉。由于接地故障通常伴随零序电流或不平衡电流上升，因此系统需要采集三相电流并进行处理。
2. 采集方式可采用：
   1. 三个电流互感器（CT）分别采集A/B/C相电流；
   2. 或采用零序电流互感器（ZCT）直接测量零序电流（适合只判断接地电流大小，但题目强调矢量和原理，因此推荐三相采集）。
3. 采集电流后需转换为单片机可处理的电压信号：
   1. 互感器二次电流通过负载电阻（采样电阻）转换为电压；
   2. 电压信号经整流/滤波/放大/偏置后进入ADC采样；
   3. 或使用外置高精度ADC采集波形并进行数字运算。
4. 为满足野外长期运行与稳定性，采样电路必须具有：
   1. 过压保护与限幅（避免雷击或浪涌损坏ADC）；
   2. 滤波抑制高频干扰；
   3. 温漂小、长期稳定；
   4. 适当隔离以保证人身安全与系统可靠性。

2.2 接地故障判断与报警功能

1. 系统核心判断逻辑是计算三相电流的矢量和误差。
2. 当检测到接地故障时，系统驱动接地故障指示器报警：
   1. 触发蜂鸣器或间歇声响；
   2. 触发翻牌机构（白天）或灯光闪烁（夜间）；
   3. 指示灯持续显示故障状态，直到人工复位或故障消除后自动复归（可选）。
3. 报警逻辑必须具备抗误判机制：
   1. 瞬时误差超限不立即报警，而是连续超限达到时间阈值（如1秒或2秒）才报警；
   2. 在误差接近阈值时加入滞回（例如报警阈值SetErr，解除阈值SetErr - Hys）；
   3. 对谐波或冲击电流引起的误差短时变化进行滤波或平均。

2.3 光感应昼夜切换报警功能

1. 由于架空线路指示器通常安装在杆塔附近或导线上，巡线人员在远距离观察时对可视性要求高，而昼夜环境差异很大。
2. 系统加入光感应器（光敏电阻LDR或光电二极管等），实时判断环境光照：
   1. 白天模式：优先翻牌（机械指示牌翻转露出高亮颜色或反光标志），不强制开灯或降低灯光频率，以节省能耗；
   2. 夜间模式：翻牌依旧保持（若已翻牌不影响），同时开启高亮LED闪烁提示，提高远距离识别能力；
   3. 夜间可采用低功耗闪烁策略，例如1Hz或2Hz闪烁，兼顾可视性与续航。
3. 光感应必须有滞回与延时，避免黄昏或车灯照射导致模式频繁切换。

2.4 参数设置与显示反馈功能

1. 系统允许用户设置“误差阈值SetErr”，用于适配不同线路、不平衡程度与负载特性。
2. 显示屏内容固定为两行：
   1. 第一行：显示设置误差阈值，如“SET: 0.80A”或“SET: 120”
   2. 第二行：显示当前误差，如“CUR: 0.35A”或“CUR: 85”
3. 当CurErr > SetErr时：
   1. 显示屏提示“FAULT”或闪烁符号；
   2. 指示灯/翻牌/蜂鸣器启动；
   3. 可以记录故障发生时间与最大误差（扩展功能）。
4. 由于三相理论矢量和为0只是理想模型，实际存在不平衡误差，因此系统需要合理设置阈值并允许现场调整。

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3 实现原理与算法说明

3.1 三相电流矢量和为零的理论基础

1. 对于理想对称三相系统：
   1. 三相电流幅值相等：|IA| = |IB| = |IC|
   2. 相位相差120°：IA相位0°，IB为-120°，IC为+120°
2. 三相电流的矢量和为：
   1. IA + IB + IC = 0
3. 这意味着在理想平衡情况下，系统不产生零序电流。

3.2 实际系统中的误差来源

1. 在真实配电网中，负载往往不平衡（单相负载多），导致三相电流幅值不相等。
2. 线路参数不完全对称、互感器误差、采样误差、谐波电流等因素都会让矢量和不为0。
3. 因此系统必须允许一定误差范围：
   1. 正常误差：由不平衡与噪声导致，小幅波动；
   2. 故障误差：接地故障导致零序电流显著上升，误差明显增大。

3.3 误差定义与计算思路

1. 理想情况下需要获取每相电流的幅值与相位，才能计算真正意义上的矢量和：
   1. Err = | IA∠θA + IB∠θB + IC∠θC |
2. 在单片机系统中若要计算相位，需要采样波形并进行相位估计（例如零交叉检测、傅里叶变换或锁相算法），实现复杂度较高。
3. 在工程上，为降低计算复杂度，可采用近似方式：
   1. 直接测量零序电流（ZCT），将其作为误差量CurErr；
   2. 或对三相电流进行同步采样，通过离散正交解算得到每相基波矢量，再求和。
4. 为体现题目强调的矢量和原理，本设计采用“同步采样 + 基波正交解算”的思路进行软件实现，并将误差量定义为三相基波矢量和幅值。

3.4 基波正交解算（简化傅里叶）

1. 对于50Hz（或60Hz）工频信号，可在一个周期内采样N点，通过与正弦、余弦基准相乘求和得到I/Q分量：
   1. I = Σ x(n)*cos(ωn)
   2. Q = Σ x(n)*sin(ωn)
2. 基波幅值与相位可由I/Q得到：
   1. Amp = sqrt(I^2 + Q^2)
   2. Phase = atan2(Q, I)
3. 分别计算三相的I/Q分量后即可形成三相矢量，并进行矢量求和：
   1. SumI = IA_I + IB_I + IC_I
   2. SumQ = IA_Q + IB_Q + IC_Q
   3. CurErr = sqrt(SumI^2 + SumQ^2)
4. 为提高稳定性，可对CurErr做滑动平均。

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4 系统电路设计

4.1 电路总体结构与分模块设计

1. 本系统电路结构可划分为：
   1. 三相电流采集与信号调理模块
   2. ADC采样模块（单片机内置或外置）
   3. MCU控制与运算模块
   4. 光感应器采集模块
   5. 报警输出模块（翻牌驱动、发光驱动、蜂鸣器）
   6. 显示与按键设置模块
   7. 电源模块与防雷抗干扰模块
2. 架空线路应用环境复杂，电路设计需重点考虑：
   1. 高压隔离与安全距离（CT/采样与低压控制隔离）；
   2. 防雷与浪涌保护（TVS、气体放电管、RC吸收）；
   3. 低功耗设计（很多指示器依赖电池或太阳能）；
   4. 宽温工作与防潮防尘（外壳与三防处理）。

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4.2 三相电流采集模块

4.2.1 互感器（CT）选型与安装方式

1. 三相电流采集通常采用穿心式或开合式电流互感器：
   1. 穿心式精度高、结构牢固，适合新装或改造；
   2. 开合式便于现场安装维护，适合存量线路加装。
2. CT输出为二次电流，通常为毫安到数百毫安范围，需要通过负载电阻转换为电压。
3. CT必须考虑饱和问题：在故障大电流时可能饱和，导致波形畸变，但对接地故障检测（一般零序电流较小）影响相对可控。

4.2.2 采样电阻与电压转换

1. CT二次电流通过采样电阻Rburden转换为电压：
   1. V = I_secondary * Rburden
2. 采样电阻要求：
   1. 精度高（0.1%或更好）；
   2. 温漂低；
   3. 功率满足故障情况下短时发热。
3. 为保护后级，采样电阻后可加限幅器件（如双向TVS或钳位二极管）。

4.2.3 信号调理与偏置

1. 单片机ADC通常只能采集0~Vref范围电压，而CT输出电压是交流信号，需偏置到中点：
   1. 使用电阻分压产生Vmid（如1.65V）
   2. 将交流信号通过电容耦合叠加到Vmid
2. 需加入低通滤波：
   1. 抑制高频干扰与采样噪声
   2. 避免开关噪声、雷击感应导致ADC异常。

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4.3 ADC采样模块

4.3.1 采样方式与精度要求

1. 若使用单片机内置ADC，需要满足：
   1. 至少3通道同步或快速轮询采样；
   2. 采样速率足以覆盖工频信号（建议每相每周期至少64点或128点）；
   3. 分辨率建议12位及以上，便于误差计算更稳定。
2. 若单片机ADC能力不足，可采用外置ADC：
   1. 多通道同步采样ADC（如同时采三相）
   2. 通过SPI与MCU通信。
3. 对于接地故障误差判断，重点不在绝对电流精度，而在“误差变化趋势”，因此系统在硬件上强调稳定一致性与抗干扰比追求极限精度更重要。

4.3.2 采样同步问题

1. 若三相不同时刻采样，会引入相位误差，影响矢量和计算。
2. 解决方式：
   1. 使用同步采样ADC；
   2. 或采用高速ADC轮询采样并确保三相采样时间间隔远小于工频周期（20ms），例如总间隔小于100us。
3. 软件中可进行相位补偿，但实现复杂，建议硬件上尽量同步。

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4.4 MCU控制与运算模块

4.4.1 MCU选型与资源需求

1. MCU需要具备：
   1. 足够ADC通道或SPI接口；
   2. 定时器用于采样节拍（精确采样频率）；
   3. GPIO用于控制报警输出（翻牌驱动、LED、蜂鸣器）；
   4. I2C/并口用于显示屏；
   5. 低功耗模式与唤醒机制（若需电池供电）。
2. MCU需具备较强计算能力以完成I/Q解算与平方根运算，若是传统8位MCU可采用定点运算或查表简化，若是32位MCU则可直接浮点运算。

4.4.2 时钟与看门狗

1. 系统应使用稳定时钟源保证采样频率准确，避免频率漂移影响I/Q解算结果。
2. 应启用看门狗，防止野外干扰导致程序跑飞，使设备长期可靠运行。

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4.5 光感应器采集模块

4.5.1 光敏电阻（LDR）方案

1. 光敏电阻在光照强时阻值下降，光照弱时阻值上升，可与电阻分压形成电压信号进入ADC。
2. 为避免抖动，需要：
   1. RC滤波平滑光照变化；
   2. 软件滞回（白天阈值与夜晚阈值不同）；
   3. 延时确认（连续满足条件一段时间才切换模式）。

4.5.2 光电二极管/光电晶体管方案

1. 光电器件响应更快、线性更好，但需要偏置与放大，电路稍复杂。
2. 对本系统而言，LDR方案简单可靠，足够满足昼夜识别需求。

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4.6 报警输出模块（翻牌 + 发光 + 蜂鸣器）

4.6.1 翻牌机构驱动

1. 白天翻牌报警通常由电磁铁或小电机驱动翻牌机构实现：
   1. 电磁铁吸合翻转标志牌
   2. 断电后机械保持翻转状态
2. 驱动电路需：
   1. MOSFET或三极管扩流（电磁铁电流较大）
   2. 续流二极管抑制反向电动势
   3. 驱动时间控制（例如吸合200ms~500ms即可翻牌）
3. 翻牌结构可采用机械锁存，翻牌后不需持续供电，适合低功耗应用。

4.6.2 夜间发光报警

1. 夜间采用高亮LED或闪烁灯提示，驱动方式：
   1. MCU直接驱动小功率LED（串限流电阻）
   2. 或使用MOSFET驱动高亮灯带/大功率LED
2. 采用闪烁方式更醒目且省电，可设定1Hz或2Hz闪烁。

4.6.3 蜂鸣器报警

1. 蜂鸣器可用有源蜂鸣器，驱动简单。
2. 可设置持续或间歇报警，工程上常用间歇报警减少噪音与功耗。
3. 蜂鸣器同样建议用三极管驱动，避免直接由IO供电。

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4.7 显示与按键设置模块

4.7.1 显示屏选型

1. 常用LCD1602显示两行字符，刚好满足“第一行显示设置误差、第二行显示当前误差”的需求。
2. LCD1602可采用4位并口模式或I2C扩展模块，节省IO。

4.7.2 参数设置按键

1. 至少需要三个按键：
   1. SET：进入设置/确认
   2. UP：阈值增加
   3. DOWN：阈值减少
2. 按键需消抖，并可实现长按加速，提高现场调整效率。
3. 参数可保存到EEPROM或Flash，避免掉电丢失。

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4.8 电源模块与防雷抗干扰设计

4.8.1 供电方式

1. 架空线路设备常见供电方式：
   1. 电池供电（锂电池/干电池）
   2. 太阳能+电池
   3. CT取电（通过线路电流感应取能）
2. 本系统可根据项目环境选择供电方式，但无论哪种方式都要保证：
   1. MCU与传感器供电稳定；
   2. 报警动作瞬间电流足够（翻牌电磁铁/高亮LED）。

4.8.2 防雷与浪涌保护

1. 架空线路环境必须重点防雷：
   1. 传感器输入端加TVS
   2. 电源端加TVS与保险丝
   3. 必要时加气体放电管与共模电感
2. PCB设计应遵循：
   1. 强弱电分区
   2. 模拟地与数字地分区单点连接
   3. 关键采样走线短、远离开关驱动线。

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5 程序设计

5.1 软件总体架构

1. 软件采用模块化结构，主要包括：
   1. 系统初始化模块
   2. 三相采样与数据缓存模块
   3. I/Q正交解算模块（误差计算）
   4. 阈值比较与故障判定模块
   5. 报警控制模块（翻牌/灯光/蜂鸣器）
   6. 光照判断模块（昼夜模式）
   7. 显示与按键设置模块
   8. 数据滤波与防误判模块（平均、滞回、延时确认）
2. 软件运行节拍建议：
   1. 定时器中断负责按固定采样率采样三相电流
   2. 主循环负责周期计算误差与刷新显示
   3. 报警输出与光照判断可在100ms或200ms周期更新
3. 系统状态定义：
   1. NORMAL：正常监测
   2. FAULT_PENDING：疑似故障（误差超限计时）
   3. FAULT_ALARM：故障报警锁存
   4. RESET_WAIT：等待人工复位或故障恢复（可选）

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5.2 系统初始化模块

5.2.1 初始化内容

1. 时钟与GPIO初始化
2. ADC初始化与采样通道配置（A/B/C相电流、光照）
3. 定时器初始化（采样定时器、系统节拍定时器）
4. LCD初始化
5. 阈值参数读取（从EEPROM/Flash加载SetErr）
6. 报警输出初始化（翻牌驱动、LED、蜂鸣器关闭）
7. 看门狗初始化

5.2.2 初始化代码示例

void System_Init(void)
{
    Clock_Init();
    GPIO_Init();
    ADC_Init();
    Timer_Sample_Init();     // 采样定时器
    Timer_Tick_Init();       // 系统节拍
    LCD_Init();
    SetErr_Load();
    Alarm_Output_Init();
    Watchdog_Init();
}

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5.3 三相电流采样模块

5.3.1 采样频率与采样点数

1. 工频50Hz周期为20ms，若每周期采样128点，则采样频率约为6.4kHz。
2. 对I/Q解算而言，64点/周期也可以得到较好效果，采样率约3.2kHz，能降低运算量。
3. 本系统可采用固定采样点数N=64，平衡精度与计算量。

5.3.2 数据缓存结构

1. 使用环形缓冲区保存一周期三相采样数据：
   1. ia[N]、ib[N]、ic[N]
2. 当缓存填满一周期后触发一次误差计算。

5.3.3 采样代码示例

#define N 64

volatile uint16_t ia[N], ib[N], ic[N];
volatile uint8_t  sampleIndex = 0;
volatile uint8_t  frameReady = 0;

void Sample_ISR(void)   // 定时器中断，固定频率触发
{
    ia[sampleIndex] = ADC_Read(ADC_CH_IA);
    ib[sampleIndex] = ADC_Read(ADC_CH_IB);
    ic[sampleIndex] = ADC_Read(ADC_CH_IC);

    sampleIndex++;
    if(sampleIndex >= N)
    {
        sampleIndex = 0;
        frameReady = 1; // 一帧采样完成
    }
}

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5.4 I/Q正交解算与误差计算模块

5.4.1 正交基准表

1. 为降低运算量，预先生成cos/sin查表数组（长度N），每次直接查表。
2. 对于8位MCU建议使用定点表；对于32位可直接float表。

5.4.2 I/Q计算与矢量和

1. 将ADC采样值减去偏置（Vmid对应的ADC中值），得到交流分量。
2. 分别计算三相的I/Q：
   1. IA_I, IA_Q
   2. IB_I, IB_Q
   3. IC_I, IC_Q
3. 计算矢量和误差：
   1. SumI = IA_I + IB_I + IC_I
   2. SumQ = IA_Q + IB_Q + IC_Q
   3. CurErr = sqrt(SumI^2 + SumQ^2)
4. 为增强稳定性，对CurErr做滑动平均或指数滤波。

5.4.3 计算代码示例（浮点示意）

float cosLUT[N];
float sinLUT[N];

static float CurErr = 0.0f;
static float ErrFilt = 0.0f;

float Calc_IQ(const uint16_t *x, float *I, float *Q)
{
    float i = 0, q = 0;
    for(int n=0;n<N;n++)
    {
        float v = (float)x[n] - 2048.0f; // 假设12位ADC中点
        i += v * cosLUT[n];
        q += v * sinLUT[n];
    }
    *I = i;
    *Q = q;
    return 0;
}

float Calc_Err(void)
{
    float IA_I, IA_Q, IB_I, IB_Q, IC_I, IC_Q;
    Calc_IQ((uint16_t*)ia, &IA_I, &IA_Q);
    Calc_IQ((uint16_t*)ib, &IB_I, &IB_Q);
    Calc_IQ((uint16_t*)ic, &IC_I, &IC_Q);

    float SumI = IA_I + IB_I + IC_I;
    float SumQ = IA_Q + IB_Q + IC_Q;

    CurErr = sqrtf(SumI*SumI + SumQ*SumQ);

    // 低通滤波
    ErrFilt = ErrFilt * 0.85f + CurErr * 0.15f;
    return ErrFilt;
}

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5.5 阈值设置与比较模块

5.5.1 SetErr与CurErr定义

1. SetErr为用户设置的误差阈值，可用“电流等效值”或“相对误差百分比”表示。
2. CurErr为实时计算误差，经滤波后用于判定。

5.5.2 超限确认与滞回

1. 避免瞬时超限误判，采用计数确认：
   1. CurErr > SetErr连续超过K次（例如K=5，对应1秒）才报警。
2. 解除报警采用滞回：
   1. CurErr < SetErr - Hys持续一段时间才解除（若支持自动复归）。
3. 对于接地故障指示器通常需要锁存，直到人工复位，因此系统可设计为：
   1. 报警触发后保持翻牌与灯光状态
   2. 清除需要按键复位或断电复位。

5.5.3 判定代码示例

static float SetErr = 1200.0f; // 示例阈值
static float Hys = 100.0f;

static uint8_t overCnt = 0;
static uint8_t fault = 0;

void Fault_Judge(float err)
{
    if(!fault)
    {
        if(err > SetErr)
        {
            if(overCnt < 10) overCnt++;
            if(overCnt >= 5) fault = 1;  // 连续5次超限判定故障
        }
        else
        {
            if(overCnt > 0) overCnt--;
        }
    }
    else
    {
        // 锁存报警：这里不自动解除
        // 若需要自动解除，可加入err < SetErr - Hys的判断
    }
}

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5.6 光照判断与昼夜模式模块

5.6.1 模式切换原则

1. 白天：光照值大于DayTh，进入DAY模式。
2. 夜间：光照值小于NightTh，进入NIGHT模式。
3. DayTh > NightTh形成滞回带，避免频繁跳变。
4. 模式切换需延时确认（例如连续3秒满足条件才切换）。

5.6.2 示例代码

typedef enum { MODE_DAY, MODE_NIGHT } LightMode_t;
static LightMode_t lightMode = MODE_DAY;

static uint16_t DayTh = 2500;
static uint16_t NightTh = 1800;
static uint8_t lightCnt = 0;

void Light_Task_200ms(void)
{
    uint16_t luxAdc = ADC_Read(ADC_CH_LUX);

    if(lightMode == MODE_DAY)
    {
        if(luxAdc < NightTh)
        {
            if(lightCnt < 20) lightCnt++;
            if(lightCnt >= 10) { lightMode = MODE_NIGHT; lightCnt = 0; }
        }
        else lightCnt = 0;
    }
    else
    {
        if(luxAdc > DayTh)
        {
            if(lightCnt < 20) lightCnt++;
            if(lightCnt >= 10) { lightMode = MODE_DAY; lightCnt = 0; }
        }
        else lightCnt = 0;
    }
}

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5.7 报警控制模块（翻牌/发光/蜂鸣器）

5.7.1 报警动作逻辑

1. 当fault=1时执行报警：
   1. 白天：翻牌动作触发一次并保持翻牌状态
   2. 夜间：开启LED闪烁
   3. 蜂鸣器可持续或间歇鸣叫
2. 若翻牌采用电磁锁存结构，翻牌只需短时驱动即可节省能耗。
3. LED闪烁与蜂鸣器节奏可由定时器节拍实现。

5.7.2 示例代码

static uint8_t flipDone = 0;

void Alarm_Control_100ms(void)
{
    if(fault)
    {
        if(lightMode == MODE_DAY)
        {
            if(!flipDone)
            {
                Flip_Drive_On();
                Delay_ms(300);
                Flip_Drive_Off();
                flipDone = 1;
            }
            LED_Off(); // 白天可关闭灯光节能
        }
        else
        {
            LED_Blink(); // 夜间闪烁
        }

        Buzzer_On(); // 持续报警
    }
    else
    {
        flipDone = 0;
        LED_Off();
        Buzzer_Off();
    }
}

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5.8 显示与按键设置模块

5.8.1 显示要求实现

1. 第一行显示设置误差：
   1. “SET:xxxx”
2. 第二行显示当前误差：
   1. “CUR:xxxx”
3. 若故障触发，可在第二行末尾显示“ALM”或“!”。

5.8.2 显示代码示例

char line1[17];
char line2[17];

void Display_Update(void)
{
    snprintf(line1, sizeof(line1), "SET:%6.1f    ", SetErr);
    snprintf(line2, sizeof(line2), "CUR:%6.1f %s ", ErrFilt, fault ? "ALM" : "   ");

    LCD_SetCursor(0,0);
    LCD_Print(line1);
    LCD_SetCursor(0,1);
    LCD_Print(line2);
}

5.8.3 阈值设置按键逻辑

1. SET键进入设置模式，UP/DOWN调整SetErr。
2. 长按加速（例如每200ms递增一次）。
3. 退出设置后保存到EEPROM，掉电不丢失。

void Key_Setting_Task(void)
{
    if(Key_Set_Pressed())
    {
        Enter_Set_Mode();
    }

    if(InSetMode)
    {
        if(Key_Up_Pressed())   SetErr += 10.0f;
        if(Key_Down_Pressed()) SetErr -= 10.0f;
        if(SetErr < 0) SetErr = 0;
        if(SetErr > 9999) SetErr = 9999;

        if(Key_Set_LongPress()) 
        {
            Save_SetErr();
            Exit_Set_Mode();
        }
    }
}

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5.9 主循环与任务调度模块

5.9.1 调度策略

1. 采样中断以固定频率采样三相电流。
2. 当frameReady=1时，主循环进行误差计算与判定。
3. 每100ms更新报警输出与显示，每200ms更新光照模式。

5.9.2 主程序框架示例

int main(void)
{
    System_Init();
    while(1)
    {
        Watchdog_Feed();

        if(frameReady)
        {
            frameReady = 0;
            float err = Calc_Err();
            Fault_Judge(err);
        }

        Light_Task_200ms();
        Alarm_Control_100ms();
        Key_Setting_Task();
        Display_Update();
    }
}

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6 误差阈值设置与工程应用说明

6.1 为什么必须设置误差阈值

1. 真实三相系统存在天然不平衡，三相电流矢量和不会严格为0。
2. 若直接以“矢量和不为0即故障”会导致系统长期误报警。
3. 通过设置误差阈值SetErr，允许正常不平衡范围内的波动，只有误差显著增大时才判断故障。
4. SetErr应根据线路特性、负载类型、CT精度与现场经验调整：
   1. 负载越不平衡，SetErr应适当增大；
   2. 对重要线路可降低阈值提高灵敏度，但需防误报；
   3. 可在系统运行初期记录正常误差均值与波动范围，推荐阈值取“均值 + 3倍波动”作为初始值。

6.2 为什么误差拉大意味着线路出问题

1. 接地故障会产生零序电流或不平衡电流显著增加。
2. 矢量和误差会从“正常小波动”变成“显著大偏离”，且通常持续存在。
3. 即使是间歇性接地，也会表现为误差周期性突增，因此系统可记录最大误差并锁存报警。

6.3 抗误判的关键措施

1. 滤波：对CurErr做低通或滑动平均。
2. 超限确认：连续超限一段时间才报警。
3. 滞回：解除条件低于阈值一定量，避免反复报警。
4. 传感器一致性校准：三相采样通道偏置与增益尽量一致。
5. 光照判断滞回：防止昼夜切换频繁影响报警策略。

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7 系统总结

7.1 设计成果总结

1. 本系统以单片机为核心，通过三相电流采集与矢量和误差计算，实现对架空线路接地故障的实时检测。
2. 系统采用“设置误差阈值SetErr + 当前误差CurErr”的方式进行故障判定，充分考虑实际三相系统不可能完全平衡的工程现实，避免误报警，同时能够在故障时快速识别误差突增并触发报警。
3. 系统集成光感应器实现昼夜自适应报警策略：白天翻牌报警、夜间发光报警，提高巡线人员的工作效率与可视性，适应不同环境条件。
4. 显示模块提供直观的阈值与实时误差反馈，便于现场调试与维护；报警模块提供声光/翻牌多种提醒方式，确保故障信息不被遗漏。
5. 整体设计具有良好的工程可扩展性，可进一步加入：
   1. 故障记录与最大误差存储
   2. 无线通信上报（LoRa/NB-IoT）
   3. GPS定位与区段联动
   4. 多级阈值判断（预警与告警分级）
   5. 低功耗与能量采集优化
6. 通过本设计，能够构建一套适用于配电架空线路现场的接地故障检测与报警系统，为提高配电网运维效率与供电可靠性提供有效技术手段。