新型小電流接地故障選線(xiàn)裝置的設計

引言

配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用小電流接地方式有著(zhù)一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以被很多國家的配電系統采用。但是由于小電流接地電網(wǎng)單相接地時(shí)故障電流非常小，單相接地保護問(wèn)題一直沒(méi)有很好地解決。事實(shí)上采用常規繼電保護裝置根本無(wú)法檢測出故障線(xiàn)路，故障選線(xiàn)必須采用專(zhuān)用選線(xiàn)裝置。這種專(zhuān)用裝置80年代就已經(jīng)在我國誕生，但由于選線(xiàn)問(wèn)題的復雜性，這些裝置選線(xiàn)正確率非常低，以至于還得采用手動(dòng)拉路的辦法選線(xiàn)［1］。

我國現有的選線(xiàn)裝置在理論上多采用零序電流高次(以五次為主)諧波原理來(lái)實(shí)現故障選線(xiàn)。但是，由于裝置要使用的諧波分量在信號中所占比例較小，難于分離和提取，以及負荷的諧波干擾，使基于諧波原理的裝置在實(shí)際運行中出現誤判。其余多數選線(xiàn)方法都是基于故障后的穩態(tài)信號進(jìn)行分析，但小電流接地電網(wǎng)穩態(tài)時(shí)的接地電流很小，使基于幅值比較的保護選線(xiàn)精度降低，基于相位比較的保護容易誤選［2，3］。

鑒于存在的這些問(wèn)題和生產(chǎn)實(shí)際的需要，我們設計了這套故障選線(xiàn)裝置。它利用小波變換提取暫態(tài)突變信號中的特征分量，應用暫態(tài)信息進(jìn)行選線(xiàn)，解決了傳統選線(xiàn)方法利用穩態(tài)信息進(jìn)行選線(xiàn)準確率低的問(wèn)題，增強了抗干擾能力。此外本裝置適用于所有小電流接地系統，包括只裝設兩相電流互感器的小電流接地系統，克服了以往提出的多數選線(xiàn)方法在系統只裝設兩相電流互感器的情況下失效的缺陷。?

1系統的軟硬件設計原理

1.1選線(xiàn)困難的原因

小電流接地電網(wǎng)選線(xiàn)困難的主要原因是單相接地時(shí)故障電流為線(xiàn)路對地電容電流，數值非常小，在故障前后的變化量非常微弱，此外單相接地故障狀況復雜, 不同系統在饋線(xiàn)長(cháng)度、中性點(diǎn)接地方式等方面都有較大差異，而且系統運行方式多變，要求選線(xiàn)裝置有較高的靈活性和適應性［4］。

1.2小波算法［5～7］

小波分析是一種新型時(shí)頻變換理論，它與Fourier分析最大的不同點(diǎn)在于給待處理的信號加上了一個(gè)“時(shí)?頻”窗口，并能根據信號頻率高低自動(dòng)調節窗口的大小，以確保捕捉到信號中希望得到的有用信息。同時(shí)小波變換對于分析突變信號特別有效。這也是Fourier分析所不及的。由于單相接地故障信號可能包含許多尖峰或突變部分，同時(shí)也包含有許多噪聲干擾，對這種非平穩信號的消噪，用傳統的傅立葉變換分析顯得無(wú)能為力，因為傅立葉分析是將信號完全在頻域中進(jìn)行分析，信號在時(shí)間軸上的任何一個(gè)突變，都會(huì )影響信號的整個(gè)譜圖。而小波分析能夠同時(shí)在時(shí)頻域中對信號進(jìn)行分析，且有“自動(dòng)變焦”功能，所以它能有效地區分信號中的突變部分和噪聲。

　
實(shí)際運用中，連續小波需要離散化。這一離散化是針對連續的尺度參數a和連續的平移參數b的，而不是針對時(shí)間變量t的。

對應的離散小波函數ψj,k(t)：

　
本裝置利用小波變換把一個(gè)信號分解成不同尺度和位置的小波，選用合適的小波和小波基對暫態(tài)電流的特征分量進(jìn)行小波變換后，通過(guò)比較各回線(xiàn)路暫態(tài)信號小波變換模極大值原理來(lái)實(shí)現故障選線(xiàn)。從幅值上看，非故障線(xiàn)路的電流行波信號僅為故障線(xiàn)路行波的透射分量，因此相應的小波變換模極大值也較小，而故障線(xiàn)路的電流行波信號在小波變換下，其模極大值最大。采用零序電壓(U0)的變化量啟動(dòng)選線(xiàn)，U0的突變時(shí)刻即為故障發(fā)生時(shí)刻。具體選線(xiàn)方案如下。

1) 由于平行多導線(xiàn)間存在電磁耦合，分析計算時(shí)可用相模變換對其進(jìn)行解耦，對于A(yíng)、C相故障，取A、C相電流故障前半周期、故障后兩個(gè)周期的電流數據并計算其β模電流［8］；對于B相故障則取A相電流故障前后各兩周期數據并計算其突變量。

2) 用基于Stein無(wú)偏風(fēng)險估計理論的閾值選取算法［9］對n條線(xiàn)路的β模電流（A、C相故障）或A相電流突變量（B相故障）進(jìn)行消噪處理。

3) 然后根據Mallat算法，使用Daubechies3小波對消噪后的信號進(jìn)行多尺度小波變換，各尺度小波變換系數定義為cdjk(j=1,2,…，x； k=1,2,…，n)。其中，j為分解尺度，x為小波分解頻帶中恰不包含工頻分量的分解尺度，k為線(xiàn)路號。

4) 分別計算各回線(xiàn)路｜c(diǎn)djk｜，求出各條線(xiàn)路最大者所在的小波分解尺度j；將j相對密集的所在子空間定義為選線(xiàn)空間。

5) 分別求出各條線(xiàn)路在同一選線(xiàn)空間中小波變換的模極大值并進(jìn)行比較，取幅值最大的前三個(gè)進(jìn)行比相，若某個(gè)與另外兩個(gè)方向相反，則判斷該線(xiàn)路接地，否則，為母線(xiàn)接地。?

2系統硬件設計

2.1硬件原理圖

為保證上述功能的實(shí)現,裝置的功能部件及組成方式如圖1所示。

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2.2硬件設計

為確保系統測量的高精度以及運行的可靠性,在硬件電路的設計上做了如下工作:
1) 主機采用PC級工控機，其特點(diǎn)是廠(chǎng)家信譽(yù)度較高、工藝成熟、通用性好，適合于制作通用型產(chǎn)品。
2) 電流變送器選用輸入頻響的范圍為25Hz～5 kHz,精度等級為0.1級。具有交直流通用、高精度、高隔離、寬頻響、快響應時(shí)間、低漂移、低功耗、寬溫度范圍等特點(diǎn)［10］。?
3) 為防止信號出現的混疊現象,電流信號在A(yíng)/D采樣之前經(jīng)MAX274低通濾波器濾掉信號中的高頻分量。MAX274是美國MAXIM公司推出的一種8階連續時(shí)間有源濾波器,它內部含有數個(gè)(MAX274為4個(gè))2階狀態(tài)可變?yōu)V波器單元,不需外接電容,只需外接電阻,就可實(shí)現工作頻率從100 Hz到150 kHz的低通、帶通濾波器。其中心頻率、轉折頻率、Q值、放大倍數等均可由外接電阻加以確定,參數調整十分方便。其仿真波形如圖2所示。

4) 數據采集卡采用自行設計的以TMS320-VC5402 DSP為CPU的數據采集卡, 由于選線(xiàn)的判據大多是依賴(lài)于各條出線(xiàn)同一時(shí)刻的電流值，需要采用同步采樣技術(shù)，對多路信號同時(shí)進(jìn)行采樣，以使所測得的信號間相位關(guān)系與原始信號保持一致。我們利用Maxim公司推出的MAX125 ADC來(lái)實(shí)現對多路通道的同時(shí)采集。MAX125是內部自帶同步采樣保持器的高速多通道14位并行數據采集芯片。芯片內部包含一個(gè)14位的、單通道轉換時(shí)間為3 μs的逐次逼近式模數轉換器，一組可以同時(shí)對四路輸入信號進(jìn)行同步采樣的采樣/保持電路。MAX125每個(gè)采樣/保持電路前面有一個(gè)二選一的轉換開(kāi)關(guān)，這樣總共有兩組（分為A組和B組）共八個(gè)輸入通道，但每次只能同步采樣其中的一組??［１１,１２］?。實(shí)際應用中由TMS320VC5402的XF引腳或外部時(shí)鐘信號來(lái)同時(shí)啟動(dòng)3片MAX125進(jìn)行A/D轉換。當3片MAX125

　
取3片MAX125各4次，就可以讀到轉換后的結果，達到對12路信號實(shí)現同時(shí)采集的作用。其結構圖如圖3所示。

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2.3采集板原理

圖3中虛線(xiàn)框內的部分即為采樣處理單元的硬件框圖。它以C5402 DSP為CPU，主要由1）外圍輔助電路,2）程序/數據存儲器,3）模擬量輸入通道,4）開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道,5）通信串口,6）C5402與PC工控機通信接口電路等六部分組成。

選用C5402 DSP為CPU是為了減輕連續采樣給系統帶來(lái)的負擔。例如采樣速率為10 k,在不外加硬件緩沖設備的情況下，中斷周期為1/10 k=100μs而傳統的諸如Windows、Linux等操作系統它們主要是針對多任務(wù)設計的，其中的調度子程序主要以平均分配時(shí)間片的方法來(lái)解決多任務(wù)，這個(gè)時(shí)間片的基值單位叫做全局變量jiffies，在傳統操作系統中這個(gè)值一般在10 ms左右，顯然這是很難滿(mǎn)足我們要求的。一般情況下對應上述情況，普通采集板的處理辦法就是外加FIFO。FIFO為先進(jìn)先出存儲器，AD順序寫(xiě)入數據，用戶(hù)可以同時(shí)順序將數據實(shí)時(shí)地讀出。FIFO通常應用的標志位為：“半滿(mǎn)－HF”與“溢出－FF”，FIFO的操作在HF＝0時(shí)，用戶(hù)可以一次將采樣數據連續讀出，同時(shí)不間斷AD向FIFO寫(xiě)入數據。如果FIFO的FF位為0，表示FIFO溢出，讀出的數據將會(huì )丟失數據，所以用戶(hù)必需保持FIFO不溢出。但是外加FIFO的這種方法只能暫緩中斷的問(wèn)題，不能根本解決問(wèn)題。

下面以FIFO容量為1 k，具有8路A/D，采樣率為10 k的普通采集板為例進(jìn)行分析：

中斷時(shí)每路采集到的點(diǎn)數N＝512/8=64；

中斷間隔時(shí)間T＝64/10000=6.4 ms。

可見(jiàn)如果采樣率這么高或是更高的話(huà)對于一般操作系統來(lái)說(shuō)是很難穩定運行的。同時(shí)采用FIFO后還會(huì )產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題，就是故障的實(shí)時(shí)判定。采用FIFO后必須每隔一段時(shí)間才能進(jìn)行故障判定。在故障信號突變不明顯時(shí)就很難準確地定位故障點(diǎn)，而對于本采集單元上述問(wèn)題就不存在，因為T(mén)MS320VC5402采用增強的哈佛結構，8條內部總線(xiàn)使芯片的處理能力發(fā)揮到最大?？瑟毩ぶ返?4 k數據空間和1 M程序空間，允許同時(shí)存取程序指令和數據。六級流水線(xiàn)操作保證了它的處理速度能達到 100 MIPS（每秒百萬(wàn)指令數）。這對于一般要求的采樣速率是完全可以勝任的，可以對采集數據進(jìn)行逐點(diǎn)計算從而大大提高了精度和準確度［13］。

2.4采集板與主機的通訊的實(shí)現

本系統是一個(gè)主從式的結構，主機為PC工控機，從機為T(mén)MS320VC5402 DSP，它們通過(guò)PC ISA總線(xiàn)建立連接。PC機可以通過(guò)C5402的HPI口讀寫(xiě)其片內RAM存儲單元，而C5402不能讀寫(xiě)主機的存儲單元，雙方采用中斷方式互相聯(lián)絡(luò )。傳統的單片機與外部主機進(jìn)行接口時(shí)，需要外擴必要的硬件電路。當單片機需要與主機共享RAM時(shí)，需在片外擴展RAM及觸發(fā)、鎖存等芯片，然后主機通過(guò)DMA方式訪(fǎng)問(wèn)該擴展RAM，這樣一來(lái)主機可以隨機或整塊地訪(fǎng)問(wèn)、共享RAM。另外，在片外至少需要擴展一片鎖存器使得單片機可以中斷主機。TI的TMS320C5402 HPI接口將以上功能集成到DSP內部，使其與主機的連接變得非常簡(jiǎn)單。而且由于HPI是集成到片內的，主機可以達到很高的訪(fǎng)問(wèn)速度，滿(mǎn)足了數字信號處理中高速度的要求。

在實(shí)際應用中，PC機要向C5402發(fā)送一些控制命令和數據，主要包括：1）采樣命令，控制C5402采樣的起停；2）參數修改命令，通知C5402修改參數及整定值；3）數據上傳命令，通知C5402上傳采樣數據等。同時(shí)，C5402也要告知PC機自己所處的運行狀態(tài)和所檢測到的信息，主要包括：1）正常運行狀態(tài)；2）故障啟動(dòng)狀態(tài)。

為了實(shí)現上述的雙向信息交流，可以在C5402的內部RAM中定義兩個(gè)存儲單元，一個(gè)是命令單元，用于存放PC機發(fā)給C5402的命令字；另一個(gè)是狀態(tài)單元，用于存放標志C5402系統所處狀態(tài)的狀態(tài)字。另外，再從C5402內部RAM中劃分出兩個(gè)存儲區，一個(gè)是Host區，用于存放PC機傳給C5402的數據；另一個(gè)是Slave區，用于存放C5402要傳給PC機的數據。當PC機要向C5402發(fā)送命令和數據時(shí)，先將命令字和數據分別寫(xiě)入命令單元和Host區，然后向C5402發(fā)出中斷請求信號，C5402響應中斷后將命令字和數據讀出，并根據命令字完成相應的操作。PC機可以隨時(shí)讀取狀態(tài)單元，以獲取C5402系統的狀態(tài)信息。正常運行時(shí)，C5402狀態(tài)字的值為初始化值（0000H）。故障發(fā)生后，當C5402需要向PC機上傳必要的數據信息時(shí)，先將狀態(tài)字和數據分別寫(xiě)入狀態(tài)單元和Slave區，然后向PC機發(fā)出中斷請求，PC響應中斷后將狀態(tài)字和數據讀出，并根據狀態(tài)字完成相應的操作。

2.5采集板的實(shí)驗驗證

為了驗證采樣及處理單元工作的正確性，并可用于故障選線(xiàn)裝置中，完成了以下實(shí)驗。試驗用信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生：電平為-1 V～+1 V，頻率分別為50 Hz和200 Hz的正弦信號。

試驗中，用DSP的XF引腳產(chǎn)生A/D采樣時(shí)鐘信號，其采樣頻率由DSP的內部定時(shí)器設定，為1.6 kHz。對于200 Hz的輸入信號，在一個(gè)周期采樣8點(diǎn)；對于50 Hz的輸入信號，在一個(gè)周期采樣32點(diǎn)。采樣數據先保存在DSP的內部RAM中，然后由工控機通過(guò)ISA總線(xiàn)讀進(jìn)來(lái)，并以文件的形式保存到硬盤(pán)上，最后用MATLAB將波形顯示出來(lái)，如圖4(a)和圖4(b)。

從這兩個(gè)圖可以看出，采樣恢復波形與原始波形相吻合，而且很光滑。通過(guò)以上試驗可以肯定，本采樣及處理單元的設計是成功的。?

3裝置實(shí)現的主要功能及特點(diǎn)

1) 正常情況下裝置實(shí)時(shí)監視零序電壓(U0)的變化量，對采樣數據不做任何分析。發(fā)生單相接地故障時(shí),監視程序發(fā)命令，通過(guò)硬件觸發(fā)裝置,裝置隨即保存當前數據窗中的數據,將采集到的數據下載到計算機的硬盤(pán)上并啟動(dòng)選線(xiàn)算法，給出選線(xiàn)結果。
2) 故障選相。如果電壓最低相相電壓小于Ｋ倍額定相電壓,則電壓最低相為接地相；如果三相電壓都大于Ｋ倍額定相電壓,則電壓最高相的下一相為接地相；在實(shí)際的故障相判定中Ｋ值應小于0.823。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線(xiàn)圈接地系統判別故障相的方法與中性點(diǎn)不接地系統相似,將上述方法中的“下一相”改為“上一相”即可［14］。
3) 判定故障線(xiàn)，發(fā)出選線(xiàn)信號或跳閘。如果采用暫態(tài)法無(wú)法判定故障，則啟動(dòng)穩態(tài)法進(jìn)行計算：對采樣值進(jìn)行FFT分解，按基波或5次諧波排隊（對于NUS和NRS采用基波，對于NES采用諧波），取幅值最大的前三個(gè)進(jìn)行比相，若某個(gè)與另外兩個(gè)方向相反，則判斷該線(xiàn)路接地，否則，為母線(xiàn)接地。
4) 每塊數據采集板能對12條線(xiàn)路同時(shí)進(jìn)行監視。?

4結論

小電流接地系統發(fā)生單相接地時(shí)，故障電流暫態(tài)分量的頻率、幅值、相位等參數與故障特性有清晰的相關(guān)性，接地電容電流的暫態(tài)分量往往比其穩態(tài)值大幾倍到幾十倍，本裝置采用能對突變的、微弱的非平穩故障信號進(jìn)行精確處理的小波分析理論的選線(xiàn)算法進(jìn)行選線(xiàn)很好地解決了傳統選線(xiàn)方法利用穩態(tài)信息進(jìn)行選線(xiàn)準確率低的問(wèn)題，此外由于故障選線(xiàn)裝置要同時(shí)監視多條線(xiàn)路并采集多路電量信息，數據分析處理任務(wù)繁重。數字信號處理芯片(DSP)具有快速運算能力和強大的數據處理能力，可以為故障選線(xiàn)的實(shí)現提供強大的硬件支持。為此，利用DSP構成實(shí)時(shí)多通道同步數據采集系統以保證多路信號測量的同步性、實(shí)時(shí)性和精度。實(shí)現的裝置能夠滿(mǎn)足實(shí)際運行的需要。

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