基于MSP430的零序直流小電流接地選線(xiàn)裝置設計

1. 引言

小電流接地系統(NUGS)廣泛應用于國內的供用電系統，66kV, 35kV,6kV, 3kV和部分380V系統均為NUGS，接地方式多為不接地系統(NUS)或消弧線(xiàn)圈接地系統(NES)，近年也出現了電阻接地方式(NRS)。因NUGS中單相接地電流很小，但是，長(cháng)時(shí)間的接地運行，極易形成兩相接地短路，弧光接地還會(huì )引起全系統過(guò)電壓，保護或選線(xiàn)難度很大。為此，生產(chǎn)實(shí)踐中希望盡快準確地選出故障線(xiàn)路并及時(shí)將之切除。國內自1958年以來(lái)從第一臺小電流接地故障選線(xiàn)裝置研制成功到現在，電網(wǎng)單相接地故障選線(xiàn)問(wèn)題的研究已經(jīng)走過(guò)了幾十年的歷程，但現場(chǎng)運行的結果表明 ，裝置的選線(xiàn)效果并不理想，平均80%的選線(xiàn)裝置因為選線(xiàn)效果不佳退出了運行。本文在零序直流選線(xiàn)系統研究的基礎上，從理論上對該電網(wǎng)的物理和數學(xué)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，由理論分析總結了一種新的選線(xiàn)方法，并介紹了以MSP430單片機為核心的具體實(shí)施方案。

2. 兩分支電網(wǎng)模型的分析

圖1 兩分支零序直流電網(wǎng)模型

　 零序直流小電流選線(xiàn)系統模型如圖1所示，電網(wǎng)的所有參數均與文獻[1]一樣，CT1、CT2分別為安裝在兩支路上的零序互感器，PT為三個(gè)變壓器組成的零序電壓互感器，其連接方法如圖2所示，三個(gè)變壓器的原邊星形連接，副邊首尾相連組成一個(gè)開(kāi)口三角，設變壓器原副邊線(xiàn)圈匝數之比為Ｋ，電網(wǎng)實(shí)際產(chǎn)生的零序電壓為U₀,　由電路理論可知，開(kāi)口三角處取得的電壓信號為3U₀/K。

圖2 PT結構原理圖

由于3個(gè)整流管VD1、VD2、VD3的存在，流過(guò)檢測電阻R2上的電流信號是一個(gè)脈動(dòng)直流信號，故分析該電網(wǎng)模型時(shí)，應將電路分三時(shí)段來(lái)考慮。建立的等效電路模型如圖3所示：

圖3 等效電路圖

　由此可以得到該條件下兩支路零序電流的瞬時(shí)波形如圖4所示：

（a）忽略電容

(b) 考慮電容

圖4 兩分支零序電流電流圖

由圖4(a)可知，在對電網(wǎng)電纜對地電容值很小，其影響可以忽略的零序直流網(wǎng)路中，故障支路零序電流的幅值要遠大于非故障支路的零序電流的幅值;由圖4(b)可知，在電網(wǎng)電纜對地電容值較大的零序直流網(wǎng)絡(luò )中，故障支路和非故障支路產(chǎn)生的零序電流的相位剛好相差180^o。 實(shí)驗證明，在兩分支零序直流網(wǎng)絡(luò )中，故障支路的零序電流和非故障支路的零序電流確實(shí)存在如上所述的關(guān)系。

在中性點(diǎn)對地絕緣的電網(wǎng)中，一相接地故障時(shí)，故障支路的零序電流的相位滯后零序電壓90^o，而非故障支路的零序電壓卻超前零序電壓90^o，當考慮漏阻時(shí)，兩個(gè)支路的零序電流的相位跟零序電壓的相位大小關(guān)系不變，仍將出現一定的相位差。

3. 選線(xiàn)裝置的設計

3.1 硬件設計

考慮到選線(xiàn)裝置的性?xún)r(jià)比，這里采用16位的MSP430F44x系列的單片機來(lái)實(shí)現，該系列單片機性?xún)r(jià)比相當高，在系統設計、開(kāi)發(fā)調試及實(shí)際應用上都表現出較明顯的優(yōu)勢。它的一個(gè)主要特點(diǎn)是可以工作在各種要求極低功率消耗的場(chǎng)合，而低功耗低功耗設計并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統的成本、由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著(zhù)設備溫度的降低，器件壽命則相應延長(cháng)（半導體器件的工作溫度每提高10度，壽命則縮短一半）。

裝置的硬件結構如圖5：

圖5 硬件結構圖

整個(gè)硬件裝置的設計主要包括3個(gè)部分：模擬部分，數字部分和人機接口部分，模擬部分實(shí)現信號的現場(chǎng)采集和信號調理，把采集到的電壓和電流信號轉換成符合A/D采樣要求的信號。數字部分主要是完成選線(xiàn)的算法和實(shí)現人機通信，通過(guò)內置的12位A/D將外部模擬信號轉換成數字信號,由16位芯片采集到的數據進(jìn)行FFT、比幅法和比相法等算法的處理。人機接口部分主要實(shí)現整定值的輸入，歷史數據的記錄和查詢(xún)，以及故障顯示及報警等功能。

3.2 軟件設計

　　軟件部分采用模塊化設計，使得程序結構清晰，便于系統的功能組合。其中包括數據存儲模塊、顯示模塊、報警模塊、整定值輸入模塊、主程序模塊等，故障選線(xiàn)模塊的程序框圖如圖6所示

圖6 選線(xiàn)模塊軟件流程圖

其中t1、t2別為電壓和電流的整定值，當開(kāi)口三角的取樣電壓大于t1,說(shuō)明有故障發(fā)生，然后將兩個(gè)CT的取樣電流值之差的絕對值與t2進(jìn)行比較，從而來(lái)確定是采用比幅法還是比相法來(lái)選出故障線(xiàn)路。

4. 結論

　　本文設計的選線(xiàn)裝置采用高性能的單片機，其豐富的片內資源，使得外圍擴展器件少，體積小，降低了成本，也降低了故障率，減少了設備的維護工作量。依據本文所采用的選線(xiàn)原理設計的選線(xiàn)系統在一定誤差下該系統能夠實(shí)現橫向選擇性和縱向選擇性，選線(xiàn)裝置在此基礎上再做進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)工作,將會(huì )具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻：

[1] 袁振海等.零序直流小電流選線(xiàn)系統有源二端口網(wǎng)絡(luò )研究.電工技術(shù)學(xué)報.2005,20 (1):38~44

[2] 陳茂勇等.基于MSP430單片機的智能無(wú)功補償控制器的設計.微計算機信息,2005,21(5):32~33