配電網中性點小電流接地具有一系列優(yōu)點

配電網中性點小電流接地具有一系列優(yōu)點，因此被許多國家的配電系統(tǒng)采用。然而，由于小電流接地網單相接地故障電流很小，單相接地保護問題沒有得到很好的解決。事實上，常規(guī)的繼電保護裝置是不可能檢測出故障線路的，故障選線必須使用專門的選線裝置。這種特殊裝置誕生于20世紀80年代的中國。但是由于路由選擇的復雜性，這些設備的路由選擇正確率非常低，因此不得不采用手動路由選擇。
理論上，我國現有的選線裝置大多采用零序電流的高次(主要是五次)諧波原理來實現故障選線。然而，由于信號中使用的諧波分量比例較小，難以分離提取，以及負載的諧波干擾，基于諧波原理的裝置在實際運行中出現了誤判。其他大多數選線方法都是基于故障后的穩(wěn)態(tài)信號，但小電流接地網的接地電流在穩(wěn)態(tài)時很小，降低了基于幅值比較的保護選線的準確性，基于相位比較的保護容易被誤選。
針對這些問題和生產的實際需要，我們設計了這種故障選線裝置。利用小波變換提取暫態(tài)突變信號的特征分量，利用暫態(tài)信息進行選線，解決了傳統(tǒng)選線方法利用穩(wěn)態(tài)信息精度低的問題，增強了抗干擾能力。此外，該裝置適用于所有小電流接地系統(tǒng)，包括僅配備兩相電流互感器的系統(tǒng)，克服了以往提出的大多數選線方法在系統(tǒng)僅配備兩相電流互感器時失敗的缺陷。
1系統(tǒng)軟硬件設計原則
1.1路線選擇困難的原因
小電流接地電網選線困難的主要原因是單相接地時故障電流是線路對地電容電流，故障前后變化很弱。此外，單相接地故障情況復雜，不同系統(tǒng)饋線長度和中性點接地方式差異較大，系統(tǒng)運行方式多變，對選線裝置的靈活性和適應性要求較高。
1.2 小波算法
小波分析是一種新的時頻變換理論。它與傅里葉分析最大的區(qū)別在于，它給待處理的信號增加了一個“時頻”窗口，可以根據信號頻率自動調整窗口的大小，從而保證信號中想要的有用信息能夠被捕獲。同時，小波變換對于分析突變信號特別有效。這超出了傅立葉分析的范圍。由于單相接地故障信號可能包含許多尖峰或突變，也包含許多噪聲干擾，傳統(tǒng)的傅立葉變換分析無法消除這種非平穩(wěn)信號的噪聲，因為傅立葉分析完全在頻域分析信號，信號在時間軸上的任何突變都會影響信號的整個頻譜圖。小波分析可以同時對信號進行時頻域分析，并具有“自動縮放”功能，因此可以有效區(qū)分信號中的突變和噪聲。
實際上，連續(xù)小波需要離散化。這種離散化是針對連續(xù)尺度參數A和連續(xù)平移參數B，而不是針對時間變量t。
相應的離散小波函數j，k(t):
該裝置利用小波變換將信號分解成不同尺度和位置的小波，在選擇合適的小波和小波基對暫態(tài)電流的特征分量進行小波變換后，通過比較各電路暫態(tài)信號的小波變換模極大值原理實現故障選線。從幅值上看，非故障線路的電流行波信號只是故障線路行波的傳輸分量，因此對應的小波變換模極大值也較小，而故障線路的電流行波信號在小波變換下具有最大模極大值。利用零序電壓(U0)的變化啟動選線，U0突變時間為故障發(fā)生時間。具體的選路方案如下。
1)由于平行多導體之間的電磁耦合，在分析和計算中可以利用相位模式變換對它們進行解耦。對于a相和c相故障，取故障前半周和故障后兩個周期內a相和c相的電流數據，計算其模式電流；對于B相故障，取A相電流故障前后兩個周期的數據，計算其突變量。
2)采用基于Stein無偏風險估計理論的閾值選取算法對N條線路的模電流(A、C相故障)或A相電流突變(B相故障)進行去噪處理。
3)然后根據Mallat算法，利用Daubechies  3 小波對去噪后的信號進行多尺度小波變換，每個尺度的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為小波分解帶中無工頻分量的分解尺度，k為線數。
4)分別計算每個電路的| |cdjk|，找出最大電路的小波分解尺度j；j相對密集的子空間定義為路徑選擇空間。
5)計算并比較同一選線空間中每條線的小波變換模極大值，比較幅度最大的前三條。如果其中一個方向與另外兩個方向相反，則判斷線路接地，否則判斷母線接地。
2系統(tǒng)硬件設計
2.1硬件原理圖
為了保證上述功能的實現，設備的功能部件和組成2.2硬件設計
為確保系統(tǒng)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，其特點是廠家信譽度較高、工藝成熟、通用性好，適合于制作通用型產品。
2）電流變送器選用輸入頻響的范圍為25Hz～5kHz，精度等級為0.1級。具有交直流通用、高精度、高隔離、寬頻響、快響應時間、低漂移、低功耗、寬溫度范圍等特點。
3）為防止信號出現的混疊現象，電流信號在A/D采樣之前經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(xù)時間有源濾波器，它內部含有數個（MAX274為4個）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，就可實現工作頻率從100Hz到150kHz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4）數據采集卡采用自行設計的以TMS320-VC5402DSP為CPU的數據采集卡，由于選線的判據大多是依賴于各條出線同一時刻的電流值，需要采用同步采樣技術，對多路信號同時進行采樣，以使所測得的信號間相位關系與原始信號保持一致。我們利用Maxim公司推出的MAX125ADC來實現對多路通道的同時采集。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14位的、單通道轉換時間為3μs的逐次逼近式模數轉換器，一組可以同時對四路輸入信號進行同步采樣的采樣/保持電路。MAX125每個采樣/保持電路前面有一個二選一的轉換開關，這樣總共有兩組（分為A組和B組）共八個輸入通道，但每次只能同步采樣其中的一組［１１，１２］。實際應用中由TMS320VC5402的XF引腳或外部時鐘信號來同時啟動3片MAX125進行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路信號實現同時采集的作用。2.3采集板原理
圖3中虛線框內的部分即為采樣處理單元的硬件框圖。它以C5402DSP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）開關量輸入/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C5402DSP為CPU是為了減輕連續(xù)采樣給系統(tǒng)帶來的負擔。例如采樣速率為10k，在不外加硬件緩沖設備的情況下，中斷周期為1/10k=“100”μs而傳統(tǒng)的諸如Windows、Linux等操作系統(tǒng)它們主要是針對多任務設計的，其中的調度子程序主要以平均分配時間片的方法來解決多任務，這個時間片的基值單位叫做全局變量jiffies，在傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中這個值一般在10ms左右，顯然這是很難滿足我們要求的。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為先進先出存儲器，AD順序寫入數據，用戶可以同時順序將數據實時地讀出。FIFO通常應用的標志位為：“半滿－HF”與“溢出－FF”，FIFO的操作在HF＝0時，用戶可以一次將采樣數據連續(xù)讀出，同時不間斷AD向FIFO寫入數據。如果FIFO的FF位為0，表示FIFO溢出，讀出的數據將會丟失數據，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1k，具有8路A/D，采樣率為10k的普通采集板為例進行分析：
中斷時每路采集到的點數N＝512/8=64；
中斷間隔時間T＝64/10000=6.4ms。
可見如果采樣率這么高或是更高的話對于一般操作系統(tǒng)來說是很難穩(wěn)定運行的。同時采用FIFO后還會產生另外一個問題，就是故障的實時判定。采用FIFO后必須每隔一段時間才能進行故障判定。在故障信號突變不明顯時就很難準確地定位故障點，而對于本采集單元上述問題就不存在，因為TMS320VC5402采用增強的哈佛結構，8條內部總線使芯片的處理能力發(fā)揮到最大?？瑟毩ぶ返?4k數據空間和1M程序空間，允許同時存取程序指令和數據。六級流水線操作保證了它的處理速度能達到100MIPS（每秒百萬指令數）。這對于一般要求的采樣速率是完全可以勝任的，可以對采集數據進行逐點計算從而大大提高了精度和準確度。
2.4采集板與主機的通訊的實現
本系統(tǒng)是一個主從式的結構，主機為PC工控機，從機為TMS320VC5402DSP，它們通過PCISA總線建立連接。PC機可以通過C5402的HPI口讀寫其片內RAM存儲單元，而C5402不能讀寫主機的存儲單元，雙方采用中斷方式互相聯(lián)絡。傳統(tǒng)的單片機與外部主機進行接口時，需要外擴必要的硬件電路。當單片機需要與主機共享RAM時，需在片外擴展RAM及觸發(fā)、鎖存等芯片，然后主機通過DMA方式訪問該擴展RAM，這樣一來主機可以隨機或整塊地訪問、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TMS320C5402HPI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單。而且由于HPI是集成到片內的，主機可以達到很高的訪問速度，滿足了數字信號處理中高速度的要求。
在實際應用中，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，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）故障啟動狀態(tài)。
為了實現上述的雙向信息交流，可以在C5402的內部RAM中定義兩個存儲單元，一個是命令單元，用于存放PC機發(fā)給C5402的命令字；另一個是狀態(tài)單元，用于存放標志C5402系統(tǒng)所處狀態(tài)的狀態(tài)字。另外，再從C5402內部RAM中劃分出兩個存儲區(qū)，一個是Host區(qū)，用于存放PC機傳給C5402的數據；另一個是Slave區(qū)，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，先將命令字和數據分別寫入命令單元和Host區(qū)，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機可以隨時讀取狀態(tài)單元，以獲取C5402系統(tǒng)的狀態(tài)信息。正常運行時，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，先將狀態(tài)字和數據分別寫入狀態(tài)單元和Slave區(qū)，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，并可用于故障選線裝置中，完成了以下實驗。試驗用信號由信號發(fā)生器產生：電平為-1V～+1V，頻率分別為50Hz和200Hz的正弦信號。
試驗中，用DSP的XF引腳產生A/D采樣時鐘信號，其采樣頻率由DSP的內部定時器設定，為1.6kHz。對于200Hz的輸入信號，在一個周期采樣8點；對于50Hz的輸入信號，在一個周期采樣32點。采樣數據先保存在DSP的內部RAM中，然后由工控機通過ISA總線讀進來，并以文件的形式保存到硬盤上，最后用MATLAB將波形顯示出來從這兩個圖可以看出，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裝置實現的主要功能及特點
1）正常情況下裝置實時監(jiān)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，監(jiān)視程序發(fā)命令，通過硬件觸發(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上并啟動選線算法，給出選線結果。
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；在實際的故障相判定中Ｋ值應小于0.823。中性點經消弧線圈接地系統(tǒng)判別故障相的方法與中性點不接地系統(tǒng)相似，將上述方法中的“下一相”改為“上一相”即可。
3）判定故障線，發(fā)出選線信號或跳閘。如果采用暫態(tài)法無法判定故障，則啟動穩(wěn)態(tài)法進行計算：對采樣值進行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進行比相，若某個與另外兩個方向相反，則判斷該線路接地，否則，為母線接地。
4）每塊數據采集板能對12條線路同時進行監(jiān)視。
4結論
小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，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，本裝置采用能對突變的、微弱的非平穩(wěn)故障信號進行精確處理的小波分析理論的選線算法進行選線很好地解決了傳統(tǒng)選線方法利用穩(wěn)態(tài)信息進行選線準確率低的問題，此外由于故障選線裝置要同時監(jiān)視多條線路并采集多路電量信息，數據分析處理任務繁重。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，可以為故障選線的實現提供強大的硬件支持。為此，利用DSP構成實時多通道同步數據采集系統(tǒng)以保證多路信號測量的同步性、實時性和精度。實現的裝置能夠滿足實際運行的需要。