基于DSP和多重算法的小電流接地系統單相接地故障選線裝置的研制

　　摘 要：小電流接地系統單相接地故障選線問題一直以來都是電力系統繼電保護研究的重要問題。但現場運行結果表明，裝置的選線效果不是十分理想。文章采用多種選線判據構成綜合判據，利用各種判據在選線性能上的互補性提高了選線的正確率和可靠性。本裝置以TI公司生產的TMS320F2812DSP為控制核心，采用多重判據進行故障選線，并配接以太網通信接口和總線通信接口，將嵌入式技術、現場總線技術都融合進該系統。本裝置將彌補以往采用單一判據故障選線裝置的不足，及時選出故障線路，保證電力系統配電網可靠安全運行。
　　關鍵詞：小電流接地系統 故障選線 配電網 DSP
　　中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A
　　文章編號：1004-4914（2011）04-284-03
　　
　　一、引言
　　長期以來，電力運行人員采用“拉路法”來解決故障選線問題，通過對逐條線路拉合閘的方法來確定接地線路。雖然這種方法操作簡單，但是它無選擇性，必然造成電流、電壓沖擊，根本不能滿足當前電力系統自動化水平的要求，而且這樣使供電可靠性大為降低，小電流接地系統的優點也不復存在。由于各種原因現在還沒有一種方法可以滿足任何情況下的準確選線，不同的方法只是對于某種特定的情況比較靈敏。綜合采用不同原理構成的裝置能適合不同的故障狀況，使選線準確率提高。單一的判據不能很好地反映故障的特征，可能會引起誤選或是漏選。
　　針對以上問題，本文提出采用多重判據的方法，選擇不同原理的判據，從多個故障特征量對系統進行檢測和監控，綜合采用不同原理構成的裝置能適合不同的故障狀況，提高選線準確率。本文將采用群體比幅比相、五次諧波分量法和有功分量法作為該選線裝置的選線判據。
　　群體比幅比相選線方法從全體線路零序電流數據中篩選出較大的幾組數據，然后再進行比相，選出方向與其他不同的即為故障線路。
　　五次諧波分量法針對于中性點經消弧線圈接地而設計的，在中性點經消弧線圈接地系統中的消弧線圈是按照基波整定的，有ωL≈1/ωC，故對于5次諧波顯然有，5ωL<1/5ωC，即可忽略在中性點經消弧線圈接地中消弧線圈對五次諧波分量的補償作用。則零序電流五次諧波分量在中性點經消弧線圈接地中有著與中性點不接地系統中零序電流基波系統的特點，故可利用上述群體比幅比相法的基本原理，構成選線判據。
　　有功分量法將采集來的線路零序電流的相位和幅值，與零序電壓進行功率運算，其中有功功率最大者即為接地故障線路。
　　二、硬件設計
　　筆者利用有功功率法，并結合群體比幅比相法和五次諧波分量法構成綜合選線判據，克服了單一選線判決的不足，較大地提高選線準確率，但對硬件提出了更高的要求。本文提出了以美國TI公司生產的TMS320F2812 DSP為核心的微處理器硬件平臺，實現更加快速準確的選線，它的硬件電路主要由數字信號處理器模塊、模擬量采集模塊、調試接口模塊、開關量輸入輸出模塊、通信接口模塊、人機接口模塊、電源模塊和其他的一些輔助電路組成。該裝置的硬件結構圖如圖1所示。
　　裝置的工作流程如下：當配電系統正常運行時，該裝置監視系統是否發生單相接地故障并指示系統狀態，僅定時將采集的信息上傳至上位機和發送到LCD以及LED顯示；當系統發生單相接地故障時，選線裝置根據采集到的故障數據，進行選線計算，最后選出故障線路，然后并向操作室告警，并向上位機、LCD和LED發送和記錄當前系統狀態消息。以及LED顯示；當系統發生單相接地故障時，選線裝置根據采集到的故障數據，進行選線計算，最后選出故障線路，然后并向操作室告警，并向上位機、LCD和LED發送和記錄當前系統狀態消息。
　　1.主控制器模塊。主控制器模塊是整個裝置的核心模塊，所有其他模塊的運行命令都由它發出，所有外設送來的數據都要在這個模塊中進行計算處理。它由數字信號處理器（DSP）、實時時鐘、看門狗和外擴RAM等器件組成。
　　2.邏輯控制模塊（CPLD）。本設計選用ALTERA公司生產的EPM7128AETC100-7CPLD，采用3.3V電源供電。在該裝置中將其和TMS320F2812DSP來構成DSP+CPLD的硬件架構，利用CPLD來簡化外部邏輯和擴展輸入輸出I/O口，并將接在CPLD上的所有器件的工作功能和控制選線映射進DSP內部的地址空間，進行統一的編址。
　　3.模擬量采集模塊。裝置的數據采集系統由交流輸入模塊、濾波回路、多路開關和高可靠性的16位精度A/D轉換器組成。
　　本系統中采用由RC網絡與運算放大器構成的有源低通濾波器。在RC網絡中引入有源器件，能夠實現傳遞函數在S域左半平面出現共軛極點，得到良好的濾波特性。為了不增加裝置的復雜性和時延，階數選取不宜過高，本系統中選用二階低通濾波器電路，本系統中只需基波分量以及五次諧波，因此選用截止頻率f0=400Hz，可得ω0=2πf0。取C1=C2=0.4