新型小電流接地故障選線裝置的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞： 小電流接地系統(tǒng)；故障選線；暫態(tài)算法
引言
配電網(wǎng)中性點(diǎn)采用小電流接地方式有著一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以被很多國(guó)家的配電系統(tǒng)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(hù)問題一直沒有很好地解決。事實(shí)上采用常規(guī)繼電保護(hù)裝置根本無(wú)法檢測(cè)出故障線路，故障選線必須采用專用選線裝置。這種專用裝置80年代就已經(jīng)在我國(guó)誕生，但由于選線問題的復(fù)雜性，這些裝置選線正確率非常低，以至于還得采用手動(dòng)拉路的辦法選線［1］。
我國(guó)現(xiàn)有的選線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(xiàn)故障選線。但是，由于裝置要使用的諧波分量在信號(hào)中所占比例較小，難于分離和提取，以及負(fù)荷的諧波干擾，使基于諧波原理的裝置在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)誤判。其余多數(shù)選線方法都是基于故障后的穩(wěn)態(tài)信號(hào)進(jìn)行分析，但小電流接地電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的接地電流很小，使基于幅值比較的保護(hù)選線精度降低，基于相位比較的保護(hù)容易誤選［2，3］。
鑒于存在的這些問題和生產(chǎn)實(shí)際的需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了這套故障選線裝置。它利用小波變換提取暫態(tài)突變信號(hào)中的特征分量，應(yīng)用暫態(tài)信息進(jìn)行選線，解決了傳統(tǒng)選線方法利用穩(wěn)態(tài)信息進(jìn)行選線準(zhǔn)確率低的問題，增強(qiáng)了抗干擾能力。此外本裝置適用于所有小電流接地系統(tǒng)，包括只裝設(shè)兩相電流互感器的小電流接地系統(tǒng)，克服了以往提出的多數(shù)選線方法在系統(tǒng)只裝設(shè)兩相電流互感器的情況下失效的缺陷。?
1系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)原理
1.1選線困難的原因
小電流接地電網(wǎng)選線困難的主要原因是單相接地時(shí)故障電流為線路對(duì)地電容電流，數(shù)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(fù)雜, 不同系統(tǒng)在饋線長(zhǎng)度、中性點(diǎn)接地方式等方面都有較大差異，而且系統(tǒng)運(yùn)行方式多變，要求選線裝置有較高的靈活性和適應(yīng)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(hào)加上了一個(gè)“時(shí)?頻”窗口，并能根據(jù)信號(hào)頻率高低自動(dòng)調(diào)節(jié)窗口的大小，以確保捕捉到信號(hào)中希望得到的有用信息。同時(shí)小波變換對(duì)于分析突變信號(hào)特別有效。這也是Fourier分析所不及的。由于單相接地故障信號(hào)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(duì)這種非平穩(wěn)信號(hào)的消噪，用傳統(tǒng)的傅立葉變換分析顯得無(wú)能為力，因?yàn)楦盗⑷~分析是將信號(hào)完全在頻域中進(jìn)行分析，信號(hào)在時(shí)間軸上的任何一個(gè)突變，都會(huì)影響信號(hào)的整個(gè)譜圖。而小波分析能夠同時(shí)在時(shí)頻域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，且有“自動(dòng)變焦”功能，所以它能有效地區(qū)分信號(hào)中的突變部分和噪聲。
實(shí)際運(yùn)用中，連續(xù)小波需要離散化。這一離散化是針對(duì)連續(xù)的尺度參數(shù)a和連續(xù)的平移參數(shù)b的，而不是針對(duì)時(shí)間變量t的。
對(duì)應(yīng)的離散小波函數(shù)ψj,k(t)：
本裝置利用小波變換把一個(gè)信號(hào)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(duì)暫態(tài)電流的特征分量進(jìn)行小波變換后，通過(guò)比較各回線路暫態(tài)信號(hào)小波變換模極大值原理來(lái)實(shí)現(xiàn)故障選線。從幅值上看，非故障線路的電流行波信號(hào)僅為故障線路行波的透射分量，因此相應(yīng)的小波變換模極大值也較小，而故障線路的電流行波信號(hào)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，U0的突變時(shí)刻即為故障發(fā)生時(shí)刻。具體選線方案如下。
1) 由于平行多導(dǎo)線間存在電磁耦合，分析計(jì)算時(shí)可用相模變換對(duì)其進(jìn)行解耦，對(duì)于A、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(shù)據(jù)并計(jì)算其β模電流［8］；對(duì)于B相故障則取A相電流故障前后各兩周期數(shù)據(jù)并計(jì)算其突變量。
2) 用基于Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)理論的閾值選取算法［9］對(duì)n條線路的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(jù)Mallat算法，使用Daubechies3小波對(duì)消噪后的信號(hào)進(jìn)行多尺度小波變換，各尺度小波變換系數(shù)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為線路號(hào)。
4) 分別計(jì)算各回線路｜c(diǎn)djk｜，求出各條線路最大者所在的小波分解尺度j；將j相對(duì)密集的所在子空間定義為選線空間。
5) 分別求出各條線路在同一選線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，則判斷該線路接地，否則，為母線接地。?
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1硬件原理圖
為保證上述功能的實(shí)現(xiàn),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(shè)計(jì)
為確保系統(tǒng)測(cè)量的高精度以及運(yùn)行的可靠性,在硬件電路的設(shè)計(jì)上做了如下工作:
1) 主機(jī)采用PC級(jí)工控機(jī)，其特點(diǎn)是廠家信譽(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(jí)為0.1級(jí)。具有交直流通用、高精度、高隔離、寬頻響、快響應(yīng)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(hào)出現(xiàn)的混疊現(xiàn)象,電流信號(hào)在A/D采樣之前經(jīng)MAX274低通濾波器濾掉信號(hào)中的高頻分量。MAX274是美國(guó)MAXIM公司推出的一種8階連續(xù)時(shí)間有源濾波器,它內(nèi)部含有數(shù)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(xiàn)工作頻率從100 Hz到150 kHz的低通、帶通濾波器。其中心頻率、轉(zhuǎn)折頻率、Q值、放大倍數(shù)等均可由外接電阻加以確定,參數(shù)調(diào)整十分方便。其仿真波形如圖2所示。
4) 數(shù)據(jù)采集卡采用自行設(shè)計(jì)的以TMS320-VC5402 DSP為CPU的數(shù)據(jù)采集卡, 由于選線的判據(jù)大多是依賴于各條出線同一時(shí)刻的電流值，需要采用同步采樣技術(shù)，對(duì)多路信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，以使所測(cè)得的信號(hào)間相位關(guān)系與原始信號(hào)保持一致。我們利用Maxim公司推出的MAX125 ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多路通道的同時(shí)采集。MAX125是內(nèi)部自帶同步采樣保持器的高速多通道14位并行數(shù)據(jù)采集芯片。芯片內(nèi)部包含一個(gè)14位的、單通道轉(zhuǎn)換時(shí)間為3 μs的逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一組可以同時(shí)對(duì)四路輸入信號(hào)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(zhuǎn)換開關(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(yīng)用中由TMS320VC5402的XF引腳或外部時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同時(shí)啟動(dòng)3片MAX125進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)3片MAX125
取3片MAX125各4次，就可以讀到轉(zhuǎn)換后的結(jié)果，達(dá)到對(duì)12路信號(hào)實(shí)現(xiàn)同時(shí)采集的作用。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
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2.3采集板原理
圖3中虛線框內(nèi)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,3）模擬量輸入通道,4）開關(guān)量輸入/輸出通道,5）通信串口,6）C5402與PC工控機(jī)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(xù)采樣給系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。例如采樣速率為10 k,在不外加硬件緩沖設(shè)備的情況下，中斷周期為1/10 k=100μs而傳統(tǒng)的諸如Windows、Linux等操作系統(tǒng)它們主要是針對(duì)多任務(wù)設(shè)計(jì)的，其中的調(diào)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(tǒng)操作系統(tǒng)中這個(gè)值一般在10 ms左右，顯然這是很難滿足我們要求的。一般情況下對(duì)應(yīng)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(chǔ)器，AD順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，用戶可以同時(shí)順序?qū)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)地讀出。FIFO通常應(yīng)用的標(biāo)志位為：“半滿－HF”與“溢出－FF”，F(xiàn)IFO的操作在HF＝0時(shí)，用戶可以一次將采樣數(shù)據(jù)連續(xù)讀出，同時(shí)不間斷AD向FIFO寫入數(shù)據(jù)。如果FIFO的FF位為0，表示FIFO溢出，讀出的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失數(shù)據(jù)，所以用戶必需保持FIFO不溢出。但是外加FIFO的這種方法只能暫緩中斷的問題，不能根本解決問題。
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(shù)N＝512/8=64；
中斷間隔時(shí)間T＝64/10000=6.4 ms。
可見如果采樣率這么高或是更高的話對(duì)于一般操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很難穩(wěn)定運(yùn)行的。同時(shí)采用FIFO后還會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)問題，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(hào)突變不明顯時(shí)就很難準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn)，而對(duì)于本采集單元上述問題就不存在，因?yàn)門MS320VC5402采用增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)，8條內(nèi)部總線使芯片的處理能力發(fā)揮到最大。可獨(dú)立尋址的64 k數(shù)據(jù)空間和1 M程序空間，允許同時(shí)存取程序指令和數(shù)據(jù)。六級(jí)流水線操作保證了它的處理速度能達(dá)到 100 MIPS（每秒百萬(wàn)指令數(shù)）。這對(duì)于一般要求的采樣速率是完全可以勝任的，可以對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)計(jì)算從而大大提高了精度和準(zhǔn)確度［13］。
2.4采集板與主機(jī)的通訊的實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)是一個(gè)主從式的結(jié)構(gòu)，主機(jī)為PC工控機(jī)，從機(jī)為TMS320VC5402 DSP，它們通過(guò)PC ISA總線建立連接。PC機(jī)可以通過(guò)C5402的HPI口讀寫其片內(nèi)RAM存儲(chǔ)單元，而C5402不能讀寫主機(jī)的存儲(chǔ)單元，雙方采用中斷方式互相聯(lián)絡(luò)。傳統(tǒng)的單片機(jī)與外部主機(jī)進(jìn)行接口時(shí)，需要外擴(kuò)必要的硬件電路。當(dāng)單片機(jī)需要與主機(jī)共享RAM時(shí)，需在片外擴(kuò)展RAM及觸發(fā)、鎖存等芯片，然后主機(jī)通過(guò)DMA方式訪問該擴(kuò)展RAM，這樣一來(lái)主機(jī)可以隨機(jī)或整塊地訪問、共享RAM。另外，在片外至少需要擴(kuò)展一片鎖存器使得單片機(jī)可以中斷主機(jī)。TI的TMS320C5402 HPI接口將以上功能集成到DSP內(nèi)部，使其與主機(jī)的連接變得非常簡(jiǎn)單。而且由于HPI是集成到片內(nèi)的，主機(jī)可以達(dá)到很高的訪問速度，滿足了數(shù)字信號(hào)處理中高速度的要求。
在實(shí)際應(yīng)用中，PC機(jī)要向C5402發(fā)送一些控制命令和數(shù)據(jù)，主要包括：1）采樣命令，控制C5402采樣的起停；2）參數(shù)修改命令，通知C5402修改參數(shù)及整定值；3）數(shù)據(jù)上傳命令，通知C5402上傳采樣數(shù)據(jù)等。同時(shí)，C5402也要告知PC機(jī)自己所處的運(yùn)行狀態(tài)和所檢測(cè)到的信息，主要包括：1）正常運(yùn)行狀態(tài)；2）故障啟動(dòng)狀態(tài)。
為了實(shí)現(xiàn)上述的雙向信息交流，可以在C5402的內(nèi)部RAM中定義兩個(gè)存儲(chǔ)單元，一個(gè)是命令單元，用于存放PC機(jī)發(fā)給C5402的命令字；另一個(gè)是狀態(tài)單元，用于存放標(biāo)志C5402系統(tǒng)所處狀態(tài)的狀態(tài)字。另外，再?gòu)腃5402內(nèi)部RAM中劃分出兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，一個(gè)是Host區(qū)，用于存放PC機(jī)傳給C5402的數(shù)據(jù)；另一個(gè)是Slave區(qū)，用于存放C5402要傳給PC機(jī)的數(shù)據(jù)。當(dāng)PC機(jī)要向C5402發(fā)送命令和數(shù)據(jù)時(shí)，先將命令字和數(shù)據(jù)分別寫入命令單元和Host區(qū)，然后向C5402發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，C5402響應(yīng)中斷后將命令字和數(shù)據(jù)讀出，并根據(jù)命令字完成相應(yīng)的操作。PC機(jī)可以隨時(shí)讀取狀態(tài)單元，以獲取C5402系統(tǒng)的狀態(tài)信息。正常運(yùn)行時(shí)，C5402狀態(tài)字的值為初始化值（0000H）。故障發(fā)生后，當(dāng)C5402需要向PC機(jī)上傳必要的數(shù)據(jù)信息時(shí)，先將狀態(tài)字和數(shù)據(jù)分別寫入狀態(tài)單元和Slave區(qū)，然后向PC機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，PC響應(yīng)中斷后將狀態(tài)字和數(shù)據(jù)讀出，并根據(jù)狀態(tài)字完成相應(yīng)的操作。
2.5采集板的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證采樣及處理單元工作的正確性，并可用于故障選線裝置中，完成了以下實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)用信號(hào)由信號(hào)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(hào)。
試驗(yàn)中，用DSP的XF引腳產(chǎn)生A/D采樣時(shí)鐘信號(hào)，其采樣頻率由DSP的內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定，為1.6 kHz。對(duì)于200 Hz的輸入信號(hào)，在一個(gè)周期采樣8點(diǎn)；對(duì)于50 Hz的輸入信號(hào)，在一個(gè)周期采樣32點(diǎn)。采樣數(shù)據(jù)先保存在DSP的內(nèi)部RAM中，然后由工控機(jī)通過(guò)ISA總線讀進(jìn)來(lái)，并以文件的形式保存到硬盤上，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(fù)波形與原始波形相吻合，而且很光滑。通過(guò)以上試驗(yàn)可以肯定，本采樣及處理單元的設(shè)計(jì)是成功的。?
3裝置實(shí)現(xiàn)的主要功能及特點(diǎn)
1) 正常情況下裝置實(shí)時(shí)監(jiān)視零序電壓(U0)的變化量，對(duì)采樣數(shù)據(jù)不做任何分析。發(fā)生單相接地故障時(shí),監(jiān)視程序發(fā)命令，通過(guò)硬件觸發(fā)裝置,裝置隨即保存當(dāng)前數(shù)據(jù)窗中的數(shù)據(jù),將采集到的數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)的硬盤上并啟動(dòng)選線算法，給出選線結(jié)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(yīng)小于0.823。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)判別故障相的方法與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)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，發(fā)出選線信號(hào)或跳閘。如果采用暫態(tài)法無(wú)法判定故障，則啟動(dòng)穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行計(jì)算：對(duì)采樣值進(jìn)行FFT分解，按基波或5次諧波排隊(duì)（對(duì)于NUS和NRS采用基波，對(duì)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，則判斷該線路接地，否則，為母線接地。
4) 每塊數(shù)據(jù)采集板能對(duì)12條線路同時(shí)進(jìn)行監(jiān)視。?
4結(jié)論
小電流接地系統(tǒng)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(shù)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(wěn)態(tài)值大幾倍到幾十倍，本裝置采用能對(duì)突變的、微弱的非平穩(wěn)故障信號(hào)進(jìn)行精確處理的小波分析理論的選線算法進(jìn)行選線很好地解決了傳統(tǒng)選線方法利用穩(wěn)態(tài)信息進(jìn)行選線準(zhǔn)確率低的問題，此外由于故障選線裝置要同時(shí)監(jiān)視多條線路并采集多路電量信息，數(shù)據(jù)分析處理任務(wù)繁重。數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)具有快速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以為故障選線的實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)大的硬件支持。為此，利用DSP構(gòu)成實(shí)時(shí)多通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以保證多路信號(hào)測(cè)量的同步性、實(shí)時(shí)性和精度。實(shí)現(xiàn)的裝置能夠滿足實(shí)際運(yùn)行的需要。
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