小波包原理小電流接地選線裝置的研發與應用

李也白，唐克義，張霄霄，尹 凱，劉 浩

（1.長興縣供電局，長興313100；2.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津300384）

配電網中，單相接地是經常發生的一類故障。在我國小電流接地系統應用較為普及，而在小電流接地故障發生時，由于故障穩態特征不明顯，導致使用穩態特征分析的小電流選線產品難以迅速、準確地選出接地故障線路，在中性點經消弧線圈接地系統尤為明顯。從市場現有設備運行反饋回來的信息來看，效果均不明顯，因此，生產實踐中希望運用新型智能化的設備，在單相接地故障發生后，快速準確地選出故障線路并及時將之切除，提高線路故障維護工作效率，縮短供電恢復時間，從而保障電力系統運行的可靠性和穩定性，實現經濟價值與社會價值的統一。

目前常用的基于傳統的零序電流穩態特征提取、比較等原理設計的單相接地選線裝置，其檢測有效性較低，而基于小波包分析理論對接地暫態數據分析的故障選線方法[1]由于其準確性高，正在電力系統中不斷地得到推廣、使用。

1 新型選線原理

小電流接地系統單相接地時，接地電容電流的暫態分量往往遠遠大于其穩態值。原理上看，顯著提高故障選線成功率的方法之一就是充分利用暫態信號中的特征分量[2]。暫態信號中提取出的特征分量隱藏在小波函數伸縮和平移產生的可變時頻窗中。技術上看，由于小電流接地故障選線裝置可以有一定動作延時，而中性點直接接地電網單相接地短路保護則要求瞬時動作，因此，裝備具備了小波包技術應用的條件[3～5]。

小波包變換技術克服暫態過程時間短且成分復雜的難題，成為分析暫態過程信號的有力工具[6]。小波包變換在空間（時間）和頻率上屬于局域性的變換，由于在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質，因此從信號中能有效地提取信息，可利用它對奇異信號的敏感度，通過伸縮和平移等運算對信號進行深度細化分析，篩選出信號的任意細節，能很好地處理微弱或突變信號[7]。

2 設計與實現

本文裝置采用文獻[1]的基于小波包自適應選線原理。當單相接地故障發生時相電壓過零點附近時，線路中零序電流暫態能量段主要集中在低頻的0～50 Hz 之間，因此，零序電流的暫態特性主要取決于暫態電感電流。將故障和非故障線路進行多層有效分解，0～125 Hz 的第一層頻段蘊含能量最大；將各故障線路該頻段進行重構，則在零序電流中分析出大量的直流分量，故障線路的重構信號符號是不變的；而非故障線路則明顯不同于故障線路，呈現出符號的周期性變化，從而判斷是哪條線路出現故障。當單相接地故障發生時相電壓峰值附近時，暫態電感電流較暫態電容電流小得多，各線路零序電流的暫態特性均由暫態電容電流確定，因此，按能量最大原則自適應地選擇在故障暫態特征最明顯的頻段下進行分析和比較能有效地利用故障暫態過程中包含的信息。由于原始信號經多層小波包分解后數據量較少，不利于直接通過小波包分解系數來反映各信號之間的關系，因此同樣可以進行單枝重構，然后通過比較各線路特征頻段下的小波重構后電流瞬時值的符號來實現故障選線，大大提高故障選線的可靠性。

2.1 系統結構

本裝置采用雙處理芯片加CPLD（complex programmable logic device）復雜可編程邏輯器件結構。其中高端的小波算法處理采用DSP （digital signal processing）數字信號處理芯片，低端的通訊以及人機界面交互采用80196 單片機。DSP 與80196 之間的數據、邏輯交互采用CPLD 完成[8]。各主要芯片的主要功能如下：DSP 來完成小波算法對采樣數列的分解及重構，以及故障選線；CPLD 用來完成擴展DSP 的I/O 口和FLASH 的地址線、DSP 和單片機的通訊以及控制A/D 轉換芯片MAX125；單片機主要用于控制液晶、機身面板鍵盤，提供人機對話并采樣和計算3 U0。裝置選線流程如圖1 所示。

圖1 小電流接地選線裝置選線流程Fig.1 Line selection flow chart of small current grounding device

裝置采用14 位AD 芯片MAX125，可采樣8路輸入，同時采樣其中4 路。但是由于MAX125 為5 V 邏輯電平，因此不能與DSP 的3.3 V 邏輯電平直接交互。CPLD 的IO 管腳支持2.5 V，3.3 V，5 V的邏輯電平，因此為解決MAX125 與DSP 之間的信號電平匹配提供了方法。同時CPLD 還實現了對MAX125 的時序控制。本裝置取A/D 采樣頻率為4 kHz，即每個工頻周期采樣為80 點，每個采樣點間隔250 us，用于小波重構算法的計算。CPLD 通過對輸入的24 M 時鐘進行周期計數，當達到采樣周期時，即250 us 的計數周期，觸發采樣使能信號CONVST，MAX125 采樣完成后產生采樣完成中斷，CPLD 將中斷傳送給DSP。DSP 在響應中斷后讀取采樣數據，而且整個讀取過程是透明的，DSP只需觸發讀信號，具體讀取那個芯片的數據則有CPLD 判斷實現。CPLD 控制MAX125 以及DSP 讀取數據的邏輯框圖如圖2 所示。

圖2 CPLD 控制邏輯框圖Fig.2 CPLD control logic diagram

與采用串口通訊的方式不同，用CPLD 實現雙處理器間的數據交互最大的特點是速度快。當單片機要下送數據給DSP 時，對于單片機而言只是對一個外圍地址寫數據，CPLD 將所寫的數據分析出來并放入緩存中同時對DSP 發數據中斷，DSP在中斷中將數據讀走。由于整個過程速度是很快的，因此單片機完全不用考慮時序，以及DSP 的數據讀取是否完成，直接進入下一個循環的數據傳輸。同時DSP 對單片機的數據傳輸也是這個過程。

在整個數據的交互過程中CPLD 實現了將單片機模擬為DSP 的一個外圍器件，同時也將DSP模擬為單片機的一個外圍器件。CPLD 對這兩個器件是完全透明的，數據的交互是一個總線讀寫過程沒有任何延遲[9]。

當上電或者修改選線定值后，單片機將每路母線的出線數傳送給DSP。一旦發生接地故障，單片機發送選線指令，DSP 進入選線狀態。根據各路母線的定值，DSP 對同一母線的出線進行小波變換，選取其能量最大的特征頻段，再進行反變換，進而判斷接地線路并上送單片機。至此，DSP 的選線過程完成。

3 案例分析

為驗證產品選線原理的準確性，設備研發樣機選擇在接地故障常發的浙江省某縣35 kV 里塘變電站進行安裝運行測試。2012年7月12日17時32 分54 秒，該縣電力公司自動化監控系統發現35 kV 里塘變10 kV 母線A 相金屬性接地，并發出一系列信號，包括：街道330 線、龍山333 先、白水334 線小電流接地信號。但維修人員無法準確判斷接地線路，如果按照原有習慣只能通過逐條試拉進行判斷，則降低了供電可靠性。而本次通過新安裝的小電流選線系統發出的白水334 線小電流接地（新）信號，維修人員將白水334 線作為優先試拉的線路，結果試拉后，接地現象消失。監控系統信號如表1 所示。

表1 監控系統接地信號顯示Tab.1 Ground signal display of monitoring system

故障期間，站內零序電壓如圖3 所示。

圖3 變電站內零序電壓顯示Fig.3 Display of zero sequence voltage in the substation

2012年4月設備研發樣機在天津某區35 kV開發區變電站進行安裝運行測試。開發區站共有2條35 kV 進線、12 條10 kV 出線，主要為該城區供電。2012年10月12日14 時36 分05 秒，設備發出東風線接地報警，與監控系統捕捉到的故障相同。2012年7月設備研發樣機在浙江省某縣碧蓮35 kV 變電站、大岙35 kV 變電站、巖坦35 kV 變電站、鶴盛35 kV 變電站各安裝1 臺進行安裝運行測試。其中2012年11月17日11 時14 分23 秒巖坦35 kV 變電站維護工程中773 線發生接地報警，設備成功捕捉，與監控系統捕捉到的故障相同。

由以上案例可以看出在接地故障發生時，使用小波包原理的產品的選線準確性得到了驗證。

4 結語

通過新原理小電流接地選線裝置的研究與實施，改善和加強了配電網暫態接地保護的性能[10、11]。基于小波包重構算法的選線技術具有強抗過渡電阻能力，不受故障時刻和補償度影響，實現無死區的小電流接地故障選線，具有極高的準確性和可靠性。

我國配電網規模龐大，具有眾多的大中型的工礦企業，且多采用小電流接地系統，而小電流接地選線一直屬于配電網繼電保護最薄弱的一環，因此，本次研究出的新原理小電流接地選線裝置在電力系統的應用，可以盡快查找出故障線路，縮短停電時間，為保證電網的安全穩定運行做出貢獻，有較強的推廣應用價值，并將獲得良好的社會和經濟效益。

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