（电力系统及其自动化专业论文）基于c8051f120的小电流故障选线装置的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c 8 0 5 1 f 1 2 0 的小电流故障选线 装置的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：二蔓轧日 期：嘲：黜2 堂 ， j 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：丛列p 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 小电流接地系统单相接地故障选线问题的提出 我国的电力系统按照中性点接地方式的不同可以划分为两大类：大电流接地方式和 小电流接地方式。简单的来说，大电流接地方式就是指中性点有效接地方式，包括中性 点直接接地和中性点经低阻接地等；小电流接地方式就是指中性点非有效接地方式，包 括中性点不接地、中性点经高阻接地和中性点经消弧线圈接地等“ 町。 在电力系统网络结构中，中性点接地方式对于系统运行、绝缘、继电保护等 各方面都有着决定性的影响。由于对各种电压等级电网的运行指标的要求日益提 高，中性点接地方式的正确选择及其在不同条件下的实施就具有越来越重要的实 际意义。一般而言，中性点接地方式直接影响到：供电可靠性：线路和设备的绝 缘水平；单相短路电流对设备损伤程度；继电保护装置的功能；对通信和信号系 统的影响等等。 我国配电网中，6 6 k v 和3 5 k v 电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式，3 k v l o k v 电网则以中性点不接地方式为主，个别地区如上海以及北京、广州等的部分城市电网采 用小电阻接地方式m 。 在大电流接地系统中发生单相接地故障时，由于存在短路回路，所以接地相电流很 大，会启动保护装置动作跳闸；而小电流接地系统的故障绝大多数是单相对地短路故障。 小电流接地系统在发生单相对地短路故障时，由于大地与中性点之间没有直接电气连接 或串接了消弧线圈，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系 统运行的可靠性。尤其在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，不需要运行 人员采取什么措旌，这对于减少用户短时停电次数具有积极意义。 但是，小电流接地方式给继电保护装置选线带来了难度。小电流接地系统因为接地 故障零序电流小，在判断故障线路时，这恰恰成了一个非常不利的因素，微弱的零序电 流往往混杂在各式各样的干扰信号中间。因为非常小的故障电流，使得保护装置很难准 确判断出故障出线，导致长期以来小电流接地故障选线问题成为一个技术难题。 1 2 课题研究的意义 长期以来，人们针对小电流故障选线问题进行了大量的研究，基于不同的原理，提 出了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并在实际工作中取得了一定的应用，但现 场应用效果都不理想。 美国、日本等国的配电电网采用低电阻接地方式居多，人工增大故障点的接地电流， 华北电力大学硕士学位论文 利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，不需要配置单相接地选线装置，美国电力行业 一般承认小电流系统技术上的优点，但是出于经济方面的考虑( 存在许多私营电力企业， 全面的改造在经济上不合算) ，目前仍保持低电阻接地方式。在法国由于地下电缆的显 著增加和对用户提供电能标准的提高，为能更好地控制接地故障期间的过电压水平，法 国电力公司( e d f ) 通过现场试验和运行考验后做出决定，将全部中压电网的中性点改为 谐振( 小电流) 接地方式。 在采用小电流接地配电系统的俄罗斯、挪威、加拿大等国一直以来使用零序功率方 向、零序过电流继电器，也研制了微机式接地故障继电器，但都是单条线路的保护，由 于技术方面的原因接地保护被认为难以实现，并没有在选线方面做进一步的研究，而是 宁愿在供电网架的结构上增加投资以保证供电可靠性。继电保护的选择性等因素在一定 程度上影响了小电流接地方式在一些国家和地区的应用与发展睁”。 我国由于本身电网的网络结构薄弱从5 0 年代就开始了对小电流接地系统接地选线 原理和装置的研究，并且相继推出了几代产品，在该领域发展很快，对该项技术研究处 于国际领先水平。国内接地保护和选线装置经历了继电器式产品、半导体集成电路装 置、微机装置的发展阶段。但是，很多装置因为数据采集速度慢，或者因为数据计算处 理、选线速度无法满足实时性要求，或者因为选线原理有一定的缺陷，在灵敏度和可靠 性方面尚欠理想，装置在实际使用中的表现不能令人满意。 作为选线技术的发源地，我f f j d , 电流接地系统单相接地故障选线课题组对选线技术 进行了长期的研究，并且取得了相当大的成就。2 0 0 1 年1 月2 0 0 1 年1 2 月，课题组 建立了国内第一个小电流接地选线的l o k v 物理模拟实验室，经过多次的实验研究，找 到了改进原有选线理论及装置的方法和措施，成功研制出基于工控机技术的小电流接地 系统单相接地选线装置。该装置业已投入现场运行，选线成功率高，充分的验证了选线 原理和选线判据的有效性和可靠性。 基于工控机技术的小电流故障选线装置虽然具有速度快、内存大、硬盘大等优点， 但是由于存在易损元件、环境适应性差、成本较高，不利于该项技术的进一步推广。相 反，采用单片机控制不仅能够大大降低成本，而且可以提高装置的可靠性。尤其是近年 来，随着计算机硬件的发展，高速度、高性能的单片机产品的出现以及相关应用系统的 日臻完善，单片机的应用正在不断地走向深入，这为基于单片机控制的小电流故障选线 装置的实现提供了非常好的硬件基础。各种单片机控制的小电流选线装置纷纷投入运 行。 但是现有的单片机控制的小电流选线装置中，因为内存空间不够大或者速度跟不 上，导致选线算法单一，不能很好的满足小电流选线实时接收数据、实时判断的要求， 从而选线精度大打折扣。所以，进一步深入研究装置的单片机实现方式是十分有必要的。 本文提出了基于单片机方式的硬件电路的开发方案和软件系统设计方案，尝试了使用 c 8 0 5 1 f 1 2 0 单片机来解决小电流故障选线问题，具有成本低、体积小、速度快、内存大 2 华北电力大学硕士学位论文 等优点。其c p u 速度为i o o m i p s ，a d 采样速率达每周期5 0 个点，完全满足小电流选线 技术对速度的要求。而且扩展的内存空间达1 m ，外存采用1 2 8 m 的f l a s h 芯片，分别满 足了选线程序及故障录波的需要。 1 3 论文的主要内容 本论文主要进行了以下工作： 首先，论述了电力系统中性点接地方式的种类和发展情况，简要分析了小电流接地 方式的性能以及小电流接地系统单相接地的故障机理，介绍了现有选线方法的选线原理 和应用，这一部分的内容是进一步研究选线理论和开发装置的单片机方式的理论基础。 其次，论述了对小电流接地选线问题的再研究所做的工作。对目前各种算法的优、 缺点及适用条件进行分析，提出了用综合选线和连续选线的方法应用于开发的基于单片 机的小电流选线装置。 第四章、第五章是全文的核心，论述了基于c 8 0 5 1 f 1 2 0 新型高速单片机的小电流接 地选线装置的实现问题，重点介绍了小电流选线装置的软、硬件实现方式，包括装置的 硬件电路整体设计方案、主要模块的搭建及芯片选取、系统的软件设计思想及其抗干扰 措施。 华北电力大学硕士学位论文 第二章小电流接地系统机单相接地故障分析 电力系统的中性点接地方式指的是变压器星型绕组中性点与大地的电气连接 方式。在电力系统网络结构中，中性点接地方式对于系统运行、绝缘、继电保护 等各方面都有着决定性的影响。由于对各种电压等级电网的运行指标的要求日益 提高，中性点接地方式的正确选择及其在不同条件下的实施就具有越来越重要的 实际意义。一般而言，中性点接地方式直接影响到：供电可靠性；线路和设备的 绝缘水平；单相短路电流对设备损伤程度；继电保护装置的功能；对通信和信号 系统的影响等等“。 在绪论中我们已经提到，电力系统中性点接地方式可划分为两大类：大电流接地方 式和小电流接地方式。采用大电流接地方式的系统我们称之为大电流接地系统；采用小 电流接地方式的系统我们称之为小电流接地系统。 在大电流接地方式中，主要有：中性点有效接地方式；中性点全接地方式，即中性 点非有效接地方式；中性点经低电抗、中电阻和低电阻接地方式等。 在小电流接地方式中，主要有：中性点谐振接地方式；中性点不接地方式；中性点 经高电阻接地方式等。 小电流接地系统的特点： 1 、由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时，故障点不会产生大的短路 电流，因此允许系统短时间带故障运行； 2 、此系统对于减少用户停电时间，提高供电可靠性非常有意义； 3 、当系统带故障运行时，非故障相对地电压将上升很高，容易引发各种过电压，危 及到系统绝缘，严重时将会导致单相瞬时性接地故障发展成单相永久接地故障或两相故 障。 对于1 l o k v 以下的中压电力系统，设备的绝缘裕度受经济因素的制约相对较 小，降低绝缘水平成为一个相对次要的因素，主要矛盾则转化为单相接地故障电 流的危害性，包括供电可靠性、人身与设备安全性，以及对通信干扰等问题的考 虑。所以中压配电网接地方式的选择一般采用中性点非有效接地方式即小电流接 地方式。在我国配电网中，6 6 k v 和3 5 k v 电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式， 3 k v “l o k v 电网则以中性点不接地方式为主，个别地区如上海以及北京、广州等的 部分城市电网采用小电阻接地方式。 在小电流接地系统中，由于中性点非有效接地，当系统发生单相短路接地时， 单相短路接地故障将不会形成大电流的回路，故障电流主要由线路对地电容提供。 这个电流在数值上是很小的。对于l o k v 架空线路来说，每3 0 公里线路产生大约 华北电力大学硕士学位论文 i 安培的零序电流。电缆线路产生的零序电流稍大一些。这样微弱的故障信号混杂 在上百安培的负荷电流中，使得准确找出故障线路成了一个技术难题。 通过对小电流接地系统的单相接地故障机理分析，我们发现虽然接地电流数值 上很小，但各线路电容电流的分布具有一定的规律性，所以通过这种可循的规律性 就可以依据一定的选线原理确定出故障线路。 下面，我们将仔细分析一下在小电流接地系统中发生单相接地故障之后的情 形。为了方便论述，先从直观的电容电流的分布考虑，继而描述零序网络电流的 流动，最后给出严格的理论分析。由于分析的目的在于为这个问题给出一个清晰 的说明，所用的模型将做一定的简化。 不论是架空线路还是地下电缆，各相导线之间以及每相导线与大地之间都存 在着分布电容，如图2 1 。 a b c 平q 图2 i 线路导线与大地的分布电容 一般来说，线路零序电容的大小与线路的长度、导线的半径、几何均距以及线路与 地面的距离等因素有关。在考虑线路充分换位的情况下，相间电容是相等的，即 c a b = c b c = c a c ，并且，三相的对地电容也是对称的，即c a = c b = c c 。因为系统的中性点对 地阻抗很大，因此系统中任一点的零序阻抗都很大。对零序电流而畜，线路或者其他元 件的串联阻抗，比以线路对地导纳表示的并联阻抗小得多。因此在小电流接地选线问题 的研究中，忽略这些串联阻抗，主要分析各相对地的电容组成的回路“。 2 1 中性点不接地系统 中性点不接地系统在正常运行时，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零， 电网中无零序电压。由于三相对地电容c o 相同，在各相电压作用下各相电容电流相等并 超前于相应电压9 0 。，见图2 2 。 华北电力大学硕士学位论文 n 图2 2 不接地系统正常运行时三相电压、电流相位关系 当系统发生单相接地故障时，设a 相发生接地故障，三相电压、电流相位关系见图 2 3 ，电容电流分布见图2 4 。 ，。 图2 3 不接地系统单相接地故障三相电压、电流相位关系 图2 4 不接地系统的单相接地故障 a rl c a b 故障线路 c 由图2 4 分析可得出下列结论： ( 1 ) 中性点不接地电网中发生单相接地后，中性点电压6 ，上升为相电压( t ) ， a 、b 、c 三相对地电压为： l r 0( 2 - 1 ) - 6 - 华北电力大学硕士学位论文 以- 岛一e a 强，一埘( 2 2 ) 以- 丘一屯- 强，埘( 2 3 ) 故障相( a 相) 对地电压为零；非故障相( b 、c 相) 对地电压比正常相电压升高3 倍即电网线电压。但线电压仍然保持对称。 ( 2 ) 根据对称分量法分析，电网出现零序电压： u o - 1 3 ( u 4 + 【，。+ d c ) - 一e ( 2 4 ) 即等于电网正常工作时的相电压。 ( 3 ) 故障线路与非故障线路出现零序电流；非故障线路3 ，。等于线路接地电容电流； 故障线路3 j 0 等于所有非故障线路3 j 。之和。 ( 4 ) 非故障线路零序电流超前零序电压9 0 。；故障线路零序电流滞后零序电压9 0 。，即故障线路与非故障线路零序电流相位相差1 8 0 。 当系统发生非金属性接地故障时，设有过渡电阻尺，这时等值电路见图2 5 。其特 点为：各线路零序电压、电流的大小均受到r ，的影响。当r ，= o 时零序电压最大，等于 电网正常工作时的相电压；故障线路与非故障线路的零序电压与零序电流相位关系仍与 无过渡电阻时相同”1 。 耋龆 图2 5中性点不接地系统单相接地故障零序等值电路图 2 2 中性点经消弧线圈接地系统 中性点经消弧线圈接地系统在正常运行时的状态与中性点不接地系统在正常运行时 完全相同，各相对地电压是对称的，中性点对地电压为零，电网中无零序电压。 经过消弧线圈接地系统单相接地故障如图2 6 所示。其中不同之处是当中性点经过 消弧线圈接地时，单相接地时的电流分布并不会有很大变化，在接地点又增加了一个电 感分量的电流，从故障点经故障线路流向消弧线圈。由于这个电流的补偿作用，接地 点的故障电流小得多了。这样，故障线路零序电流的大小要发生变化，方向也可能发生 变化，变化的程度取决于消弧线圈的补偿度 当中性点经消弧线圈接地系统出现单相接地故障时，设a 相发生接地故障，各相电 压、电流相位关系见图2 6 ，电容电流分布见图2 7 。 华北电力大学硕士学位论文 jl 一一一 ，。 图2 6 消弧线圈接地系统单相接地故障各相电压、电流相位关系 r 非故障线路 c a b 故障线路 c 图2 7 中性点经过消弧线圈接地系统的单相接地故障 对于图2 6 和图2 7 ，电压分析及各线路的电容电流分析基本同不接地系统，系统电 容电流总和为： j c o = ic l + io n + i 血( 2 - 5 ) 并超前电压9 0 。 由于消弧线圈可认为是纯电感，故电感电流为j l 并滞后电压9 0 。，所以，接地 处的接地电流为： | b i l + i c oq q 因丘与j 。在相位上相差1 8 0 。，故迭加后，厶在数值上就比丘。小些，有利于减小 接地点的电流，消除接地故障。 继续分析有如下结论： ( 1 ) 有消弧线圈系统发生单相接地故障时，消弧线圈两端电压为零序电压；消弧 线圈的电流通过故障点和故障线路故障相，不通过非故障线路。 ( 3 ) 故障线路及非故障线路均通过零序电流。非故障线路3 j 。等于线路接地电容 8 华北电力大学硕士学位论文 电流，不受消弧线圈的影响；故障线路零序电流的大小受到消弧线圈的影响，等于所有 非故障线路3 ，。之和与消弧线圈补偿电流的差。 ( 4 ) 非故障线路零序电流超前零序电压9 0 。，不受消弧线圈的影响；故障线路零 序电流与零序电压的相位关系受消弧线圈的影响，当系统采用过补偿方法时，故障线路 零序电流超前零序电压9 0 。，即故障线路与非故障线路零序电流方向相同。 当消弧线圈接地系统发生经过渡电阻单相接地故障时，等值电路见图2 8 ，其中c i ， q ，c n 为各线路单相对地等值电容，l 是消弧线圈电感，足，是接地过渡电阻。 图2 8 消弧线圈接地系统发生经过渡电阻单相接地故障时零序等值电路 与不接地系统的分析相同，零序电压和零序电流大小均受过渡电阻的影响，当凡- - 0 时零序电压最大，等于电网正常工作时的相电压；但故障线路与非故障线路零序电压与 零序电流相位关系仍与过渡电阻无关。 2 3 小结 为了对小电流接地系统的特点以及发生单相接地故障后的情况有个清楚的概 念，本章讨论了电力系统各种常用接地方式，并详细分析了电流接地系统有什么 特点，单相接地故障的机理，为评价各种选线算法的优劣和界定适用范围提供了 条件。 本章讲述了电力系统中性点接地方式的种类和发展情况，给出了小电流接地系 统的概念，简要分析了小电流接地方式的性能以及小电流接地系统单相接地故障的 机理。这一章是研究小电流接地系统故障选线问题的基础知识，为后面几章进一步 研究选线理论和单片机实现方式提供了理论前提 华北电力大学硕士学位论文 3 1 现有选线算法综述 第三章选线算法介绍 目前可以采集利用的电气量有：零序稳态基波分量、零序稳态谐波分量、零序暂态 分量、负序分量和注入信号。 根据采集的电气量的不同，可以采用不同的方法，而根据电气量的不同特性，也可 以看出各种方法在不同故障条件下的优劣。目前可以采用的方法有：比幅比相方法、无 功功率方法，小波方法、暂态能量方法、能量方法、负序电流法、注入方法等。 3 1 1 零序电流比幅算法 比幅算法嘲基于早期的继电保护原理，适用于中性点不接地系统。当中性点不接地 系统发生单相接地故障时，流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件对地 电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过零序电流幅值大小的比较 就可以找出故障线路。在具体实现上，通常采用“绝对整定值”原理，即利用零序电流l 与某一整定值，：做比较，整定值，。一般大于系统内任何一条出线的电容电流值，如果，0 小于整定值，：，极化继电器不动作；如果厶大于整定值，：则极化继电器动作，显示器显 示该回路的编号，选线完成。 这种方法在理论上是不完备的，因为系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它 线路电容电流之和的情况。在这种情况下，当这条线路发生接地故障时，就会出现拒动 的情况。这种方式为单一判据方式，不能排除电流互感器( c r ) 不平衡的影响，它受系 统运行方式、线路长短、过渡电阻大小等许多情况的影响，从而导致误选、多选或漏选。 从整定方式上看，这种整定方式可能导致死区，不能满足系统运行多变的情况。 3 1 2 群体比幅比相法 群体比幅比相【8 】突破了原有的传统的保护原理，充分的利用了故障信息之间的联系， 将孤立的故障信息进行融合比较，大大提高了选线的正确性。群体比幅比相算法适用于 中性点不接地系统。这种方法的基本原理是先进行，。比较，选出几个幅值较大的作为候 选，这样在一定程度上就避免了不平衡带来的影响，然后在此基础上再进行相位比较， 选出零序电流方向与其它零序电流方向不同的，即为故障线路。该方法还引入零序电压 作为参考正方向。实践和理论分析证明，零序电压幅值大，波形稳定，因而以其作为参 考正方向，保证了参考正方向的稳定性。 华北电力大学硕士学位论文 群体比幅比相算法利用故障信息之间的相对关系，克服了采用“绝对整定值”时原 理上的缺陷，并且通过选取幅值较大的线路作为候选线路的方法，在一定程度上克服了 c t 等不平衡带来的影响。 群体比幅比相法是目前应用最为广泛的一种方法，在不接地系统中，这种方 法的应用效果较好，但是当系统的中性点经消弧线圈接地时，由于消弧线圈对故 障线路电流的补偿作用，算法则会失效，这使群体比幅比相算法的使用受到限制。 3 1 3 无功功率算法 这也是比较传统的方法，在欧洲应用的较为广泛。这种方法是通过计算各条线路的 容性无功功率来判断是哪条线路发生了故障。这种方法也是利用了容性电流的幅值与方 向，所以从本质上讲，无功功率法和比幅比相方法同出一辙，两者的优缺点是一致的。 3 1 4 五次谐波分量算法 电力系统由于变压器、线路设备的非线形影响，线路电流中存在着谐波分量， 其中五次谐波含量最大，发生单相接地故障时，谐波分量还会有一定程度增加。对 于中性点经消弧线圈接地的系统，消弧线圈对五次谐波所呈现的感抗是基波的5 倍， 而线路分布电容对五次谐波所呈现的容抗却是基波的1 5 ，因此消弧线圈基本上不 能补偿五次谐波的电容电流。所以在消弧线圈接地系统中，对于五次谐波分量，依 然可以近似看成故障线路的电流大小等于所有非故障线路的电流之和，方向与非故 障线路的电流方向相反。 五次谐波分量算法的提出在一定程度上解决了中性点经消弧线圈接地系统单 相接地故障的选线问题。但是五次谐波的含量仅占基波的1 0 左右，且负荷中的 五次谐波源、c t 不平衡电流和过渡电阻的大小，都会在一定程度上影响选线结果。 3 1 5 有功分量法 有功分量法i i u j 的基本原理是：当中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时， 提取各条线路的零序有功分量，非故障线路的零序有功分量方向是由母线流向线路，大 小等于线路本身的有功损耗电流值；故障线路的零序有功分量方向是由线路流向母线， 大小等于非故障线路的零序有功分量和消弧线圈的零序有功分量之和。当母线故障时， 所有线路的零序有功分量都等于线路本身的有功损耗电流值，方向是由母线流向线路。 利用各条线路零序有功分量的相对大小和相位关系就可以确定故障线路或者母线故障。 从原理上可见，有功分量方法有效的克服了消弧线圈补偿带来的影响；并且，在消弧 华北电力大学硕士学位论文 线圈存在的情况下，故障线路的零序有功分量的大小比中性点不接地时更大，故障特征 更明显，更利于选线。 但是，由于线路的有功损耗相对较小，因此有功分量算法的故障信息同样不够突出； 受c r 不平衡、线路长短、过渡电阻大小的影响也较大。并且，由于三相电容不平衡引起 的“虚假有功电流分量”对有功分量算法的影响也较大。 3 1 6 小波算法 小波算法是9 0 年代后期发展起来的一种新的选线方法。针对稳态时故障信息 比较微弱的问题，人们提出利用有较大突变的暂态信息作为故障信号的选线算法。 这其中主要采用的是小波分析，故称为小波算法。小波分析是一门现代信号处理理 论与方法，它能有效的分析变化规律不确定和不稳定的随机信号，能够从信号中提 取到局部化的有用成分。 小波算法f 9 l 利用单相接地故障产生的暂态电流和暂态电压作为选线判断的依据。由于 小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作用在电路中产生 的暂态电流通常很大；特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障的情况下，暂态电流 含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数 值之和且方向相反的关系，可以用于选线。 小波选线方法的优点是：对中性点不接地和中性点经消弧线圈接地的电网都适用； 特别适应于故障状态复杂、故障波形杂乱的情况，与稳态量选线方法形成优势互补。 由于小波算法采用的暂态信号受过渡电阻、故障时刻等多种因素的影响，暂态信号 呈随机性、局部性和非平稳性的特点，有可能出现暂态过程不明显的情况，在这种情况 下小波算法就要和其它方法联合使用。 3 1 7 能量函数法 能量函数法1 1 1 1 的原理是，如图3 1 所示为经消弧线圈接地系统的零序故障分量网。 故障发生在线路1 ，由于故障分量系统是单一激励网络，故障前系统中各元件的电压和电 流初始值都为零，为无源网络。发生故障即等效于在t = o 时刻在其零序网络突然加上一 个假想电源一“，此时故障分量系统中各元件上所消耗和吸收的能量都由此假想电源提 供。 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 零厣故障分量等效系统 定义线路的零序电压与零序电流乘积的积分为零序能量函数： 岛j ( f ) 一i ：_ ) o 一) 打，一1 2 ，捍 ( 3 一1 ) 对于消弧线圈，有： ( 小- c ( f ) ( f ) d _ r ( 3 2 ) 显然，s o j ( f ) ，- 1 ，2 ，万是故障后第j 条线路上传输的能量。由于故障分量网络是无 源网络，所以只能从等效电源吸收能量。考虑到电流的参考方向，非故障线路的能量函 数总是大于零；消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同。网络上的能量都是通过故 障线路传送给非故障线路的，因此故障线路的能量函数总是小于零，并且其绝对值等于 其它线路( 包括消弧线圈) 能量函数的总和。 根据能量函数的上述特性，可以构成两种接地选线方法： 方法一：方向判别 若第j 条线路的能量函数，o ) t0 ，一1 ，2 ，雄，l ，判定第j 条线路为故障线路； 若所有线路( 包括消弧线圈) 的能量函数均大于零，i p s o j o ) 0 ，一l 2 ，玛l ，即判 定为母线故障。 方法二：大小判别 为了能够判别母线故障，再构造一个能量函数 s 。( f ) 一| ：( 乇。( f ) 4 - ( f ) + + i o 0 ) + 屯( f ) k ( f ) 出 ( 3 3 ) 显然，在母线接地时，s 。( f ) 等于所有线路( 包括消弧线圈) 能量函数的总和，而在 线路故障时s 。( f ) 为0 。对式( 2 - 1 ) ( 2 3 ) 进行积分，得 m j ( f ) 一屺岛( f ) 出l ，一1 2 ，甩，l ，b u s ( 3 - - 4 ) 大小判别的方法为比较所有m ，( f ) 的大小，其最大值相对应的线路为故障线路( 包括 母线) 。与方向判别方法相比较，大小判别方法的优点是在实际线路零序c t 极性接反时 仍能正确选线；缺点是由于s m m o ) 是所有线路能量函数的累加，如果噪声的影响变大， 消弧箍 华北电力大学硕士学位论文 会影响接地选线的灵敏度。 3 1 8 信号注入法 注入信号法【”】是通过向系统注入某种信号，根据注入信号仅在接地线路中流通、非 接地线路中没有信号来检测信号，有注入信号的线路为故障线路。该方法不利用故障自 身提供的故障信息进行被动式选线，而是主动地注入一个选线信号。 缺点：( 1 ) 注入信号的功率不够大，变换到高压侧的注入信号非常微弱，很难准 确测量： ( 2 ) 非故障线路中也会有注入频率的对地充电电流，在故障电阻较大的情况下， 故障线路与非故障线路上的信号差异不明显； ( 3 ) 需要附加信号装置，实现困难，可靠性差。 3 1 9 首半波法 首半波【1 2 1 原理基于接地故障发生在相电压接近最大值瞬间这一假设，当在相电压接 近最大值而发生单相接地故障时，故障相电容的电荷通过故障线路向故障点放电。故障 时，设故障相电压为正，则电流首半波对故障线路来说是母线流向线路，对非故障线路 来说是线路流向母线。而在故障瞬间，消弧线圈还未起到补偿作用，补偿电流很小，相 当于开路，因此首半波原理不受消弧线圈的影响。但故障发生在相电压过零值附近时， 电流的暂态分量值较小，易引起极性误判。 3 1 1 0 突变量法 正常运行情况下，消弧线圈过补偿1 0 - 1 5 ，故障后将消弧线圈自动投到全补偿状 态。比较调节前后的电流值，差异最大的就是故障线路，如果差异都不大就是母线故障。 需要注意两点：1 、消弧线圈调节前后补偿度差异越大效果越好； 2 、调节前后电流进行比较前必须归算至同一电压下，归算方法是： r r ，嘉- i 调后。( 3 - - 5 ) 将各条线路调节后的电流按上面公式进行归算，归算后与调节前电流进行比较， 按变化量的顺序进行排序，变化量最大的线路就是故障线路。另外，如果变化量最大的 值小于设定的阈值，则判断为母线故障。 华北电力大学硕士学位论文 难点在于短线路故障时，变化量可能小于长线路的误差，不过可以通过设定权系 数解决。显然这种选线方法必须与自动调谐的消弧线圈捆绑式销售，如果能够自行研制 自动调谐的消弧线圈，应用前景还是非常大的。 3 1 1 1 中性点瞬时接地法 由于以往单相接地选线准确性低，国内外有专家提出发生永久接地后，将中性点瞬 时接地，这样可以使保护装置动作，切断故障线路。这种方法的缺点就是对系统会有一 个较大的冲击，但是当发生高阻接地故障时，保护整定值依然存在无法合理整定的问题， 目前并没有得到广泛的应用。 3 2 选线影响因素分析 从上述分析中可以看出，小电流接地系统的接地故障零序电流小，微弱的零序电流 往往混杂在各式各样的干扰中间，使得选线问题变得很复杂，必须综合考虑各种因素的 影响。 1 、跟中性点的接地方式有关。中性点不接地或经消弧线圈接地系统中，单相接地故 障的特征是不同的，因此选线问题有显著的不同。中性点不接地系统中的选线技术现在 已经相当成熟，但是在谐振接地系统中尤其是暂态选线目前还没有一种非常有效的选线 方法。 2 、跟线路的长短与结构有关。小电流接地系统单相接地故障电流是由对地电容产生 的，线路的对地电容与线路的长短和结构关系密切。一般来说，电缆线路的对地电容比 架空线路的零序电流大；线路的对地电容与线路的长度成正比。并且对地电容不平衡对 基于有功分量信号选线方法会产生影响，具体影响也是跟过渡电阻和故障相有关系。 3 、跟系统的故障方式有关。由等值电路可以看出，小电流接地系统单相接地故障后 的电流与等效接地阻抗有关系统中的故障方式很多，包括直接接地、电阻接地，电弧 接地、瞬间接地、间歇性接地、电阻电弧接地等，这些接地情况的等效按地电阻不同， 要保证解决小电流接地选线问题，必须保证对各种故障情况都能选线准确。 4 、跟电流互感器有关。在小电流接地选线中，一般采用测量用电流互感器获得零序 电流或负序电流进行选线。因为零序电流通过三个单相电流互感器组成的相序滤过器获 得，每一相互感器的铁芯不可能完全相同，所以存在零序电流误差。另外，电流互感器 的变比比较大，铁芯具有非线性，这些都对选线有影响。 5 、跟电压互感器有关。小电流接地选线往往采用零序电压作为启动条件，选线过 程也要用到电压量。这些都是通过并联在母线上的电压互感器得到的。电压互感器的电 气特性跟选线关系密切，如电压互感器的铁磁谐振现象，会对选线造成较大的干扰。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 综合选线算法“”t 町 中性点非有效接地系统单相接地故障状况复杂多样，各种接地状况所表现出来 的故障信号特征在形式上、大小上都变化无常。虽然目前已有多种选线方法被提出 并进行实际应用，但是各种选线方法都有一个共同的不足之处，它们都只是用到了 某一方面的故障特征，例如五次谐波法利用故障信号的五次谐波分量特征，有功法 或能量法利用故障信号的有功分量特征等。由于故障状况的复杂性，仅利用故障信 号某一方面特征构造的单一选线方法具有片面性，当该方法所需要的故障信号特征 表现不明显时，这种选线方法的选线结果很可能是错误的。每种选线方法都有一定 的适用范围，也都有各自的局限性，需要满足一定的适用条件。当一个故障信号具 备该方法的适用条件时，该方法一定可以做出正确的判断；当适用条件不满足时， 该方法的判断结果可能正确，也可能不正确，结果是具有模糊性的。因此仅仅依靠 一种选线方法进行选线是不充分的。 为了适用于各种复杂的故障情况，多种选线方法进行集成来构造一种综合选线 方法。每一种选线方法需要利用的故障信号特征是不同的，所需要的故障信号特征 可以看作该方法的适用条件，针对某个故障信号，一种方法的适用条件可能不满足， 但另一种方法的适用条件可能能够满足，几种方法覆盖的总的有效区域必然大于单 个方法的有效区域。这样可以充分利用各种选线方法选线性能上的互补性扩大正确 选线的范围，提高选线结果的正确性，这就是使用多种选线方法的优势。 在综合选线方式中，整个电网各条线路的测量数据汇集在_ 起，各种选线方法对信 号分别提取所需的特征，最终所有特征共同参与了选线。这种选线方法使得选线决策能 够从被识别对象全局状况出发，综合考虑了多个测点数据，从各个角度提取信号的特征， 因此选线正确性有了极大的提高，其信息融合模型如图3 2 所示。 中 + p r 数据获取 群体比幅比相法 性 点 特 非 征 有一c t l 新椐菇由 五次谐波法 r 融 效 合 接 首半波法 r 地 综 系 合 统 小波法 选 线 - - t 胁数据获取l - 能量法 图3 2 多种选线方法集成的信息融合模型 能够使某个选线方法正确选线的故障信号的特征称为该选线方法的有效域。选 线方法的有效域意味着当一个实际故障信号特征落在某个选线方法有效域内时，该 选线方法就一定能够做出正确的判断；当落在这个方法的有效域外时，该方法可能 华北电力大学硕士学位论文 正确，也可能错误。本文将所有的故障信号特征称为故障域，多个选线方法的有效 域与故障域的关系可以表示为图3 3 。当一个故障发生后，故障信号特征落在某个 选线方法的有效域内时，只需使用该方法进行选线即可，不需要其它方法参与。但 所有方法的有效域总和并不一定能够完全覆盖整个故障域，也就是说，存在这样一 些故障信号，不能够找到一种选线方法能够对这些故障之一做出充分可靠的判断。 综合考虑这两种情况，就形成了多种选线方法综合选线策略。 一域 图3 3 选线方法有效域与故障域的关系 选线方法的有效性具有一定的模糊性，可以通过模糊理论来定量的描述算法有效性。 对于每一种选线方法都可以构造一个模糊隶属度函数，如图3 4 所示。 o y 图3 4 选线方法的隶属度函数 其中横坐标代表该选线方法所需要的故障信号的特征，纵坐标代表在某个故障特征 的情况下该方法的有效性，其值y 【0 ，1 】。 下面将以中性点不接地系统应用基波比幅比相选线方法来举例说明隶属度函数的构 建： 判据是：零序电压超前故障线路零序电流啦、滞后非故障线路零序电流吡，故障线 路的零序电流幅值等于非故障线路的零序电流幅值。对该方法构造有效性函数， f 1k 2 p 伍) 一 j ! i f h m l k 0 次选线后的可能为故障线路的度量，线路的连续故障度越 大，表明该线路越可能是故障线路。 华北电力大学硕士学位论文 鑫 i 第一次数据获取卜_ 叫综合选线l - 簧 靠 叫取i - t 线亡2 融 有 合 效 ， 麓 连 系 续 爿 - 培1 选 统 - 4 第三次数据获取m 综合选线l 一- 线 选线结果 - - - - - 图3 6 连续选线的信息融合模型 通过连续故障度的定义可以发现连续故障度与单次故障度都是对系统各条线 路的故障可能性进行定量的分析，值越大说明故障的可能性越高。连续选线结果就 是多个单次选线结果的融合，最终以各条线路连续故障度的形式表达。需要注意的 是，并不是所有的单次选线结果都能作为连续选线的依据，只有在系统运行方式不 变的情况下，单次选线结果才是有效的信息。如果在故障持续过程中系统的运行方 式发生了变化，比如切断一条线路或投入一条线路等，那么运行方式变化之前的单 次选线结果就是无效的，运行方式变化之后的单次选线结果才能作为有效信息进行 融合。 装置实时采集母线零序电压及各回线路零序电流数据，在内存中按一定长度的 数据窗动态存储数据。发生单相接地故障后，由母线零序电压越限信号触发装置， 装置随即保存故障发生后4 - - 1 0 个周波的故障数据。应用多种选线方法综合分析故 障数据计算出各条线路的单次故障度，并构造基本概率分配函数m l 。若系统有n 条线路，加上母线，共输出n + 1 个单次故障度值。单次故障度描述了线路发生故障 的可能性，单次故障度越大则越有可能是故障线路。延迟一定时间( 比如2 秒) 后判 断故障是否消失，若故障没有消失则重新采集4 1 0 个周波的故障数据进行计算， 构造基本概率分配函数m 2 ，应用d e m p s t e r 组合规则计算m 1 与m 2 合成的基本概率 分配函数m ，并计算各条线路的连续故障度，利用选线决策规则进行分析判断，确 定故障线路。保存合成的基本概率分配函数m ，为下一次连续选线作准备。 依此类推不断刷新合成的基本概率分配函数m 及各线路的连续故障度，进行单 相接地连续选线。需要注意，在单次选线后要分析系统运行方式是否发生变化，如 果发生变化则变化之前的合成基本概率分配函数m 无效，应以变化后的第一次选线 为起始重新进行计算。 上述实现方法采用迭代计算，应用这种方法进行证据合成连续选线，只需要 知道当前的单次选线结果和上一次的证据合成计算结果，这样可以避免保存每一 次的选线结果，有利于减少存储容量并提高计算速度。 华北电力大学硕士学位论文 3 4 小结 本章逐一探讨了当前小电流接地系统单相接地故障选线的一些方法，主要从故障信 号、适用范围等方面对其优劣性进行了简单评价，针对现有的选线算法的优缺点总结了 一些影响选线的因素。 同时，着重的介绍了课题组经过多年的理论和实践方面的研究，探索出来的综合选 线和连续选线技术。考虑到每一种选线方法都有一定的适用条件，只有在其适用条件 内，选线结果才一定正确，课题组提出了综合选线技术。综合选线技术通过为多种选 线算法定义有效域，将多种选线算法有效地融合到一起，发挥选线算法之间的互补性， 扩大了选线范围。而连续判断技术针对小电流接地系统单相接地故障中故障信号微 弱、容易受干扰的特点采取综合考虑故障全过程的技术措施，该技术不完全依赖于 一次判断的结果，连续判断技术可以有效地排除随机大干扰( 主要指开关操作) 的 影响，提高了选线的正确性。 华北电力大学硕士学位论文 第四章基于c 8 0 5 1 f 1 2 0 小电流接地选线装置的硬件设计 本系统通过信号采集模块采集母线的零序电压及各线路零序电流的模拟信号，按适 当比例调节其大小使之成为装置能处理的幅值范围。通过模数转换器将其转换为单片机 能够识别的数字信号，采用综合选线方法分析处理信号，判断是否发生故障，若发生故 障则给出选线结果，保存故障信息，并将选线结果传送给执行装置进行故障报警和显示。 图4 1 示为系统结构框图，包含了信号采集系统模块、a d 转换模块、c p u 模块、存储 器模块、人机对话模块等。 4 1 c p u 简述 图4 1 系统结构框图 c p u 模块是单片机的核心模块。选择合适的c p u 芯片对整个系统有着举足轻重的 地位。小电流故障选线装置要求实时接收数据，实时判断，实时输出选线结果，因而我 们使用了十六位高速单片机c 8 0 5 1 f 1 2 0 陟创。 c 8 0 5 1 f 1 2 0 是s i l a b sl a b o r a t o r i e s 公司生产的完全集成的混合信号片上系统型m c u 芯片( s o c ) ，原理框图如图4 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 图4 2c 8 0 5 1 f 1 2 0 原理框图 该单片机具有高速( 1 0 0 m i p s ) 流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p - 5 1 内核，包含6 4 个 数字f o 引脚( 1 0 0 脚t q f p 封装) ，可在工业温度范围( 4 5 到+ 8 5 ) 工作。c 8 0 5 1 f 1 2 0 华北电力大学硕士学位论文 单片机采用流水线处理技术，不再区分时间周期和机器周期，指令按照系统时钟执行。 而且大部分指令仅需1 2 个系统时钟即可完成，并且能在执行指令期间预先处理下一 条指令，提高了指令执行效率。c 8 0 5 1 f 1 2 0 具有控制系统所需要的模拟和数字外设，包 括看门狗( w a t c h d o g ) 、a d c ( 模数转换器) 、d a c ( 数模转换器) 、电压比较器、 电压基准输出、5 个通用的1 6 位定时器等，并具备包括s p i ( 增强型串行外设接口) 、 s m b u s ( 与| 2 c 兼容) 、两个u a r t 串行接口以及c a n 总线等多种总线接口。更重 要的是数字外设均可由用户固件使能，禁止和配置。c 8 0 5 1 f 1 2 0 采用f l a s hr o m 技术， 集成j t a g ( i e e e l l 4 9 1 或边界扫描) ，支持在线编程，且调试系统支持观察和修改存 储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。 该系列m c u 具有标准8 0 5 1 的端口( o 、1 、2 和3 ) 在1 0 0 脚t o f p 封装的器件 中有4 个附加的端口( 4 、5 、6 和7 ) ，因此共有“个通用端口。这些端口i o 的 工作情况与标准8 0 5 1 相似，但有一些改进。每个端口i o 引脚都可以被配置为推挽或 漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提 供了进一步节电的能力。 最独特的改进是引入了数字交叉开关，允许将内部数字系统资源映射到p o 、p 1 、p 2 和p 3 的端口i o 引脚。与具有标准复用数字i ，0 的微控制器不同，这种结构可支持所有 的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器定时器、串行总线、硬件 中断、a d c 转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现 在端口i o 引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口i o 和所需数字 资源的组合。 c 8 0 5 1 f 1 2 0 卓越的性能，使其备受广大单片机系统设计工程师的青睐，成为很多测 控系统设计的首选机型，我们也毫不例外的选择了这一款高性能的芯片。c 8 0 5 1 f 1 2 0 速 度高达1 0 0 m i p s ，但是考虑到其他芯片的速度，适当地降低了c p u 的速率，系统时钟 频率设置为4 9 m i p s ，充分的体现了作为了十六位高速单片机的特点，极大的满足了人 们对于选线速度的追求。 4 2 信号采集系统 零序电流信号进入传感器及信号调理模块后，首先经过高精度电流传感器，变换成 为一定幅值范围的电压信号。同理，零序电压信号经过高精度电压传感器，变换成为一 定幅值范围的电压信号。此信号被隔离跟随后，送入二阶滤波电路，滤除十倍频以上的 高次谐波，最终输入信号采集模块。通过高性能八选一模拟开关m