（电力系统及其自动化专业论文）基于双cpu系统的小电流接地选线装置的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 我国中低压配电网中性点广泛采用小电流接地方式，这种接地方式具有供电 可靠性高的优点。但发生单相接地故障后，长时间的接地运行极易形成两点或多 点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，因此快速准确地选出接地线路对 系统的安全稳定运行以及确保系统的经济性有着相当重要的意义。但是由于故障 电流微弱、电弧不稳定等原因，单相接地故障选线长期以来没有得到很好地解决， 尽管多年来在选线判据上有了较大发展，但是单一的判据依然难以实现准确选 线。 本论文针对上述问题，利用模糊数学工具，选取相对完善的不同判据，利用 注入法原理，并结合零序电流有功功率( 或有功分量) 法和基于零序电流暂态极 大值的故障选线原理建立模糊模型，设置其隶属度函数及有效区间，并设置权重 矩阵，根据系统结构和故障实时数据合成动态的自适应复合判据，通过模糊决策 得到最终选线结果。该选线方案能有效弥补单一判据的弊端和不足，由于应用了 多种选线判据的复合并考虑其隶属度和有效区间，对选线结果进行实时动态的加 权评价，大大提高了正确判断的概率。 判据的复杂对选线装置的硬件平台提出了更高的要求，本文设计了基于“单 片机+ d s p ”的双c p u 系统的综合选线装置，其中以单片机为核心的管理模块 主要功能包括故障检测、选线、人机界面以及串口通信等，以d s p 为核心的数 据处理模块负责采集、处理3 6 路的注入信号信息和零序电流暂稳态信息。本文 详细地介绍了装置的硬件平台和软件流程，并对各功能模块的硬件结构和软件流 程进行了详细的阐述。 随着自动化水平的提高，配网对选线装置的组网和入机交互功能有了更迸一 步的要求。本装置中采用内藏t 6 9 6 3 c 控制器的液晶显示器和含九个轻触按键的 小键盘构成了人机界面模块，采用r s 2 3 2 和r s 4 8 5 两种通信接口进行串口通信， 分别实现与现场调试机通信和利用1 0 3 规约实现与上级主机通信。本文详细阐释 了人机界面和串口通信的软件设计，为装置实现良好的人机交互和组网功能搭建 了软硬件平台，并通过v c 软件构建p c 机的端口维护，实现现场调试。现装置 已通过实验室初步试验。 关键词：小电流接地选线；双c p u ：人机界面；1 0 3 规约；v c 串口通信 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en o n s o l i d l ye a r t h e ds y s t e mw i t ht h ea d v a n t a g eo fh i g hr e l i a b i l i t yh a sb e e n w i d e l yu s e di np o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k b u ti fs i n g l e p h a s ef a u l to c c u r s ，l o n g - t i m e r u n n i n g w i t hf a u l tw o u l dp r o b a b l yc a u s em u l t i - p o i n t se a r t h 缸a n da r c i n ge a r t h e df a u l t c o u l dl e a dt h es y s t e mh i g hv o l t a g e s ot h ef a s ta n da c c u r a t ef a u l tl i n es e l e c t i o nh a s g r e a ts i g n i f i c a n c eo nt h es a f e t ya n ds t a b l er u n n i n go ft h es y s t e m h o w e v e r ，f o rt h e f a u l tc u r r e n ti sv e r ys m a l la n dt h ea r ci su n s t a b l e ，t h e r eh a s h tb e e nap r o p e ra p p r o a c h t os o l v et h ef a u l tl i n es e l e c t i o np r o b l e m t h i sp a p e rp r o c e s s e das c e n a r i oo ff a u l tl i n es e l e c t i o nb a s e do nf u z z yl o g i c , w h i c hu s ei n j e , c t i o nm e t h o dc o m b i n e dw i t ht h ec r i t e r i o nb a s e do nt h ei n c r e m e n t a lo f t h ea c t i v ec o m p o n e n to fz e r os e q u e n c ec u r r e n ta n dt h ec r i t e r i o nb a s e do nt r a n s i e n t m a xo fz e r os e q u e n c ec u r r e n tt of o r maf u z z yl o g i cm o d u l e t h i sm o d u l ei sb u i l tb y t h ed e s i g n i n go fm e m b e r s h i pf u n c t i o na n de f f e c t i v ec o v e r a g eo fe v e r yc r i t e r i o na n d t h e nt h ew e i g h i n go ft h ef u z z ys e t so ft h ec r i t e r i o n s r e s u l t s t h e nt h es c e n a r i oc o u l d a c h i e v ef i n a lr e s u l t sa f t e rt h ef u z z yd e c i s i o na c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o ns t a t eo ft h e s y s t e ma n d t h er e a l - t i m ef a u l td a t a t h i sa d a p t i v em e t h o dc o u l do v e r c o m et h e d i s a d v a n t a g eo fs i n g l ec r i t e r i o n i th a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h ea c c u r a c yb yu s i n g m u l t i p l ec r i t e r i o n s ，t h em e m b e r s h i p f u n c t i o na n dt h ew e i g h i n go ft h ef u z z ys e t s t h i sp a p e rd e s i g n e dah a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nd u a l - c p us y s t e mt oc a r r yo u t t h i sc o m p l i c a t e ds c e n a r i o d u a l - c p um e a n ss c mc o m b i n e dw i t hd s es od u a l - c p u s y s t e mi sf o r m e dw i t ht w om o d u l e sc e n t e r i n go us c m a n dd s pr e s p e c t i v e l y t h e m a n a g e m e n tm o d u l ec e n t e r i n g o ns c ma r em a i n l yi nc h a r g e do ft h em a n a g e m e n to f t h ew h o l ee q u i p m e n t ，i n c l u d i n gf a u l td e t e c t i o n ，f a u l tl i n es e l e c t i o n ，h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c ea n ds e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n t h ed a t a p r o c e s s i n gm o d u l ec e n t e r i n go n d s pa r er e s p o n s i b l ef o rt h ep r o c e s s i n go ft h ei n j e c t i o ns i g n a l sa n dz e r os e q u e n c e c u r r e n t si n c l u d i n gt r a n s i e n ta n ds t e a d ys t a t e sf r o m3 6f e e d e r so fs u b s t a t i o n t h i sp a p e r p r e s e n t st h eo v e r v i e wd e s i g n i n go ft h ee q u i p m e n ti n c l u d i n gh a r d w a r es t r u c t u r ea n d f u n c t i o na n ds o f t w a r ep r o c e s s b e s i d e st h a t ，e v e r yf u n c t i o np a r to fh a r d w a r ep l a t f o r m h a sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 t h ee q u i p m e n tt h i sp a p e rd e s i g n e de m p l o y e dt h el c dd e v i c ec o n t r o l l e db y t 6 9 6 3 ca n dl i t t l ek e y p a dt of o r mt h ei n t e r f a c eh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n du s e dr s 2 3 2 a n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l st oh a v es e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hu s e d i nt h ec o m m u n i c a t i o nw i t hd e b u gm a c h i n ea n dn e t w o r kr e s p e c t i v e l y f o rt h e r e a l i z a t i o no ft h eg o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ea n dn e t w o r kc a p a c i t y , t h i sp a p e rh a s ad e t a i l e di l l u m i n a t i o no ft h es o f t w a r ed e s i g n i n go ft h ei n t e r f a c ea n ds e r i a lp o r t c o m m u n i c a t i o na n df o rt h ep o r tm a i n t a i n i n gi nt h eo n s i t ed e b u g g i n g , t h i sp a p e r p r o c e s s e st h eo v e r v i e wd e s i g n i n go ft h es o f t w a r ep l a t f o r mu s i n gv ca n da l s oa d e t a i l e dd e s c r i p t i o no fi t sr e a l i z a t i o n t h ee q u i p m e n tt h i sp a p e rd e s i g n e dh a sb e e n p r e l i m i n a r i l yv e r i f i e di nt h el a b k e yw o r d s ：n o n s o l i d l y e a r t h e d n e t w o r k , f a u l tl i n e s e l e c t i o n ，d u a l c p u ， h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n 4 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠 性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰及接地 装置等问题有密切的关系。电力系统常用的中性点接地方式主要有以下几种：直 接接地、经小电抗接地、经低阻接地、经高阻接地、经消弧线圈接地、不接地。 前三种称为大电流接地系统，后三种称为小电流接地系统。 配电网设备繁杂，用户众多，覆盖面广，地理情况变化多样，且受用户增容 等外界条件以及城市建设等因素的影响，配电网中发生故障的几率相对较高。配 电网故障中绝大部分是单相接地故障。由于小电流接地系统发生单相接地故障时 不形成短路回路，只有系统分布电容引起的很小的零序电流，三相线间电压依然 对称，不影响系统正常工作。根据我国电力规程规定，小电流接地系统可以带单 相接地故障继续运行1 2 小时，这样能够提高供电的持续性和可靠性。但是， 小电流接地系统发生单相接地故障时，非故障相对地电压升高，如果发生间歇性 弧光接地时，能够引起弧光过电压，系统绝缘受到威胁，容易扩大为相间短路。 因此必须尽快找到故障线路，尽快排除故障。为了查找故障线路，传统的方法是 通过监测母线上的零序电压来判断是否发生单相接地故障，若发生接地故障，则 采用人工逐条线路拉闸的方法判断哪条线路出现故障。当故障线路被断开时，接 地故障指示将消失，这就可以确定故障线路。人工拉路的选线方法使正常线路也 会瞬间停电。所以对供电部门而言这种传统的人工选线方法浪费人力，降低了供 电可靠性，影响了经济效益；对用户而言这种方法增加了停电概率，造成不必要 的经济损失“2 3 1 。 1 2 配电网单相接地故障检测技术发展现状 配电网单相接地故障检测的主要任务是选择故障线路。现有故障选线原理按 照利用信息不同可分为两类：利用故障参数法和利用外加诊断信号法。利用故障 参数法又有利用故障稳态信息和暂态信息之分。1 。 5 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 利用的故障稳态信息主要包括零序稳态基波分量、零序稳态谐波分量、系 统的负序分量。 零序电流比幅比相法、零序无功功率方向法。1 、零序电流有功分量或有功 功率法嘲”1 等利用的是最基本的零序基波分量，五次谐波分量法“1 利用的是零序 谐波分量，基于系统的负序分量”1 的算法利用的是系统的负序分量，只有故障馈 线有负序故障电流流过，非故障馈线基本没有负序电流来判断故障线路。 另有一些算法在利用上述基本信息之余加入其他参数，构成选线判据。 d d a 法0 1 利用零序电流的增量、中性点对地电压的增量、相对地电压和对 地导纳。确定故障相后，利用下式计算每条出线的过渡电阻 r i 肿，瓦j 薏瓦0 - i ) 对非故障线路，计算出的过渡电阻为无穷大；对故障线路，计算出的为实际 过渡电阻的估算值。 残流增量法。1 是利用在电网发生单相永久接地故障的情况下，若改变消弧线 圈的失谐度( 或改变限压电阻的阻值) ，则只有故障线路中的零序电流( 即故障 点的残余电流) 会随之变化。因此，通过对各条出线在失谐度改变前后零序电流 的变化进行比较，变化大的为故障线路。该方法的可靠性和灵敏度较高，但是对 中性点不接地系统和消弧线圈不能自动调谐的系统不能适用。 零序导纳法。“根据电网正常运行时的零序回路，利用消弧线圈适当的失谐 状况和位移电压的相应改变，可计算出每条出线的对地导纳和导纳系数，将其作 为相应出线的参考值存储起来。故障时相当于电网附加了一个不对称电源，会引 起出线导纳系数的改变。比较每条出线故障前后导纳系数的变化可以确定故障线 路。 ( 2 ) 基于故障暂态信息的方法有首半波法。1 、基于暂态无功方向“”和暂念能量 的选线原理以及基于小波变换的暂态选线原理“班“”。 首半波法利用故障起始后一段时间内故障线路暂态零序电压与暂念零序电 流极性相反，而健全线路相同的原理选择故障线路。 基于暂态无功方向的选线原理是利用在s f b 频带内，故障线路电容电流大于 任何一条健全线路，且在故障线路中零序容性电流从线路流向母线，而在健全线 6 山东大学硕士学位论文 路中零序容性电流流向相反。暂态能量法是利用通过比较线路暂态能量的大小和 符号实现。 利用合适的小波、小波基或小波包对暂态零序电流进行小波分析，或根据故 障瞬间产生的零序突变量确定模极大值选出故障线路；或根据某尺度下故障线路 的暂态电流某分量幅值最大选出故障线路；或根据故障线路上暂态零序电流某分 量的幅值包络线高于健全相且二者极性相反的关系选出故障线路等等多种算法。 利用暂态信息的选线方法具有较高的可靠性和灵敏度，但信息的频率高且存 在的时间有限，对硬件和算法的可靠性要求较高。 ( 3 ) 利用外加诊断信号的方法典型的是注入法原理“”，从故障相t v 或从中性点 注入信号，根据注入信号电流沿接地线路经接地点返回的特点，用寻迹原理实现 选线和定位。 综上所述可见，每一种故障选线原理都有其各自的针对性，有其自身的优点， 也都有其适用的范围。因此，可以说仅凭一种方法，不可能对各种单相接地故障 均作出正确判断。目前已有利用信息融合“”、模糊决策o ”等理论将不同选线方 法综合选择故障线路的方法出现。中国矿业大学与唐山安特公司联合研制的通用 型微机选线装置“”综合了六种判别方法：基波功率方向、五次谐波方向、基波有 功分量、残流增量法、能量法和暂态分量法。根据现场中性点的接地方式，从六 种判线方法中选择最佳方案进行计算、判别。扩大了选线装置的适用范围，还能 够在一种接地方式下融合多种方法得到确切故障线路。 尽可能多的发掘和利用单相接地故障的电气特征，充分发挥各种不同方法的 优越性。扬长避短，并将之有机综合，研究有效的复合选线方法，使其能够动态 的自适应的根据接地故障具体情况进行选线。从而提高选线准确度。 1 3 配电网单相接地故障检测装置发展现状 9 0 年代后期一直到现在，随着电子技术的进步以及一些新的数学工具的出 现，小电流接地选线装置在硬件、软件两方面做了很多改进。硬件方面出现了以 工控机和单片机为代表的小电流接地选线装置，特别是以单片机为控制核心的选 线装置以其成本低、系统集成度高，迅速占领国内小电流接地选线装置的市场。 特别是高速数字信号处理器d s p 的出现。克服了单片机侧重于控制难以完成 7 山东大学硕士学位论文 复杂算法的弊端。 利用单片机在控制和人机交互方面的特长，发挥d s p 处理复杂选线算法的 优点，可以在较大程度上提高装置的灵敏性和可靠性，更能满足配网对选线装置 的组网和人机交互功能的更高要求。 1 4 本文的主要工作 本文的主要研究内容主要有一下几个部分： ( 1 ) 基于模糊决策理论的综合选线判据的建立。提出了利用注入法原理，并结 合零序电流有功功率( 或有功分量) 法和基于零序电流暂态极大值的故障选线原 理组成了新的综合选线判据，很好的克服了单一选线判据的不足，较大地提高了 选线成功率。 ( 2 ) 介绍了基于双c p u 系统的综合选线装置的总体设计。分别介绍了以单片 机为核心的管理模块和以d s p 为核心的数字处理模块的硬件结构和软件流程。 ( 3 ) 详细介绍了内藏t 6 9 6 3 c 控制器的液晶显示模块的软件设计，包括t 6 9 6 3 c 控制器的使用以及人机界面软件模块的整体设计，尤其对人机界面模块的软件流 程中各功能实现做了详细分析和流程介绍。 ( 4 ) 详细介绍了利用1 0 3 规约实现与上级主机通信的过程和软件设计。该部分 通过对1 0 3 规约的分析为本装置确定了通信流程，并同时为该通信流程的软件实 现进行模块化设计，并且分别对各模块的实现过程进行了详细阐释。 ( 5 ) 详细介绍了利用v c 软件实现p c 机对装置的端口维护。该部分利用 c s e r i a l p o r t 类实现p c 机与装置实现串口通信，利用m s c h a r t 类实现采样值波形 显示，利用v c 搭建界面平台，实现装黄的端口维护。 8 山东大学硕士学位论文 第二章基于模糊决策理论的综合选线方案研究 2 1 模糊决策的理论基础 2 1 1 模糊理论介绍嗍 模糊论( f u z z ys e t st h e o r y ) 是美国加州柏克莱分校l a z a d e k 教授于1 9 6 5 年于i n f o r m a t i o na n dc o n t r o l 期刊中发表f u z z ys e t s 论文后，成为至今人工智能 系统中一个非常重要的工具。模糊理论以模糊集合为基础，其基本精神是接收模 糊性现象存在的事实，而以处理概念模糊不确定的事物为其研究目标，它强调许 多事实的结果无法符合传统二值逻辑，不仅是是及不是之间选择其一， 而是介于是与非之间。因此在评估是否符合高标准的哪个程度，来取代 原本严格的定义，而这个程度称之为隶属度( d e g r e e o f m e m b e r s h i p ) 。 传统的集合是以二值逻辑( b i n a r yl o g i c ) 为基础的方式来描述事物，只有 属于不属于两种情况。元素x 和集合a 的关系只能是e a 或喏4 ，是一种非此 即彼的概念。以下列函数表示： z。f1or工ea(2-1) x 。0f o rx 龟a 函数拍成为特征函数( c h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o n ) 。 2 1 2 模糊集合嘲 所谓模糊集合是指用来表示界限或边界不分明的既有特定性质事物的集合。 象普通集合一样，模糊集合也是某个论域的子集合，因此模糊集合又称模糊子集。 定义如下的描述模糊集合的隶属函数：设a 是论域上的一个模糊子集，所谓a 的 隶属函数是指满足给定的映射“。： ：u 一【o ，1 1 ( 2 2 ) 9 山东大学硕士学位论文 称作a 的隶属函数，u a ( u ) 表示元素x e u 属于a 的程度，并称。 ) 为“对爿的 隶属度。显然，与普通集合的特征函数相比较，它是经典集合的一般化，而经典 集合则是它的特殊形式。并且对于该定义有如下几点说明： ( 1 ) u 有时被称为点空间或论域，它总是一个分明集或经典集合，而，上的子 集a 才是模糊集合，即4 是u 上的一个模糊子集。 ( 2 ) 模糊子集完全由其隶属函数来刻画。事实上，我们可以建立模糊子集与隶 属函数之问的一一对应关系。球。 ) 接近于1 ，表示“隶属于a 的程度大；反之， ( h ) 接近于0 ，表示“隶属于a 的程度小。 ( 3 ) 当a 的值域为 0 ，1 时，a 蜕化为经典集合，而h 。 ) 则蜕化为a 的特征函 数。 2 1 3 隶属函数的建立 常用的模糊分布有矩形、梯形、k 次抛物型、r 型、正态、柯西、岭形；每 一种分布又分为戒上型、中间型、戒下型三种形式。可将问题性质分为如下几种 情况： ( 1 ) 离参照点近。对这种现象有两种函数可供选择，有一点是一致的，隶属度 函数中表现为离参照点越近，曲线越陡，即离参照点越近越敏感。 假设参照点的隶属度为1 ，即参照点为满意点，用抛物线分布( 见图2 1 ) ， 常见k = 2 m = 鲁】 曲。为协3 ， 图2 1 表示的是在实际生活中参照点两边均可取值的情况。图2 1 ( a ) 中， 点a 为参照点，点b 为选下的隶属度为零的一个最小点；图2 1 ( b ) 描述与图( a ) 相 反的情况；图2 1 ( c ) 表示的是参照点为一间段的情况。 1 0 山东大学硕士学位论文 ， z i z (a)(b)( c ) 图2 1 抛物型分布 也可选r 型分布。如当参照点取值为一个端点时，假设参照点的隶属度为0 ， 即参照点为不满意点，可选用偏大型( 升半) r 分布( 见图2 2 ) ，k 一般可取为 2 。 ，o ) 一1 - e 。0 1 ( k ) 0 为常数) ( 2 - 4 ) 这种偏大型r 分布最容易调节，可由k 决定始点决定切线斜率，即决定曲线 陡峭程度。这种情形可以根据实际情况采用反方向曲线，即偏小型分布。 ( 2 ) 对临近边际的现象不好评价：用升岭形分布描述，其曲线如图2 3 所示。 r0 xsa 1x b ，。 一八。 o， 。， 一r ”71 r 昌 a 图2 2 升半r 分布图2 3 升岭形分布 f 0 x s 口 或柯西分布：， ) 一! 一：石，4 ，o ，卢，o ) ( 2 - 6 ) l l + a ( x 一口) 邛” 山东大学硕士学位论文 属度函数描述：s 型隶属度函数是一种常用的模糊隶属度函数，它可能描述大多 数的模糊概念，描述它的函数有多种，这里以一种形状容易控制、调节的如下式 的描述的函数： 厂o ) 一 0 历f 型1 。 【u aj z 一口1 2 1 。”【忑j 1 其中，胧( 以，。a + ( 生墨) 为中点，y 够) = o 5 ；这是随着自变量增加， 1 2 满意度增加的隶属度函数，可以通过调节参数灵活调节。曲线不对称，当自变量 的绝对值相同时，在赢得区域函数增长快，损失区域函数增长慢。这种把损失看 成重于收益可用来解决人们的实际决策行动。 ( 4 ) 参数调整：当决策人参考事态体进行判断时，往往由于近于自信而出现偏 差，当事件发生的客观概率在0 5 以上，而人们又认为或希望它发生，则判断出 的隶属度往往高于本应判断出的值。反之，又往往判断偏低，这里的事态体作为 参照点，并非进行的两两判断，所以若和其他确立隶属函数的方法配合使用时， 应注意到，隶属函数的建立不能用二元对比方法，否则，判断的偏离度就会增大。 因此，针对常用的r 型分布可作调整： 用r 型分布( k ) 0 为常数) ，将k 调整为3 r 口l ( m ) 厂 ) 2 1 二p “州 2 渤 以上讨论是针对典型情况进行的，在实际应用中可采用混合形式，也可局部 使用。 隶属函数的确定有不同的方法，但不论采取哪一种方法，应该采取和这里所 探讨的内容相结合，互为补充，这样不易造成偏差或出现丢失信息情况，使隶属 度函数能够达到最大限度地反映其所呈现的状态特征的目的。 )7 - 2( 卢 口 “ s 工 x x 、， 、， x “ 卢 山东大学硕士学位论文 e 自e ! ! 目_ | 目目_ _ - i _ _ _ _ i ! ! ! ! ! ! | ! ! ! 目| l - _ | ! ! ! ! ! ! ! g 自l _ _ ! 自! ! ! ! e _ 2 1 4 模糊决策理论模型建立 对多目标决策问题采用模糊决策理论进行分析的话，采用模糊理论确定多目 标系统目标相对优属度与目标权重，进行决策，具有优越性嘲。 首先应建立隶属度矩阵。设系统有n 个待优选的对象组成系统的方案集，又 有m 个目标( 或指标) 组成对优选对象进行评判的目标集，则有系统目标特征 值矩阵： 以。- 1五2 而1 屯 】l 】2 j 舢 一) ( 2 9 ) 其中，对象j 目标i 的特征值，i = 1 ，2 ，3 m ，j = 1 ，2 ，3 ， n 。 为消除m 个目标特征值量纲不同的影响，格矩阵x 规格化，对越大越优目 标、越小越优目标可分别采用规格化公式，则规格化后矩阵变为： 吃。一 i，i 2 ，2 1 10 2 a 纯) ( 2 1 0 ) 然后建立模糊决策模型。设系统中m 个目标的权向量为：面一 q ，咤，) ， 其中q 为目标i 的权重。对尺矩阵加权处理后得到系统中n 个对象的最优值向量 万一恤。，h ：，n 。 ，其中“，为目标j 的最优隶属度。结合工程中的实际情况，符合 最优向量条件的目标即可作为决策结果。 2 2 基于模糊决策的综合选线方案 2 2 1 多种选线判据分析及模糊模型的建立嘲 为了充分利用故障暂稳态信息和外加诊断信号，综合多种有效选线方法，充 分发挥各选线方法的优点，克服各自选线方法的缺点，准确选出故障出线。从以 下几方面考虑：适应不同接地方式、抗过渡电阻能力、抗不稳定弧光接地能力、 k 山东大学硕士学位论文 反映瞬时性故障能力、系统出线较少等方面考虑；从就地获取信息，减小系统不 平衡、电流互感器不平衡等不利因素影响的角度，选取各选线方法如下：注入法 n 8 1 、零序电流有功功率( 或有功分量) 法旧”1 、基于零序电流暂态极大值的选线 方法1 。 ( 1 ) 注入法 利用单相接地时原边被短接、暂时处于不工作状态的故障相电压互感器向 系统注入特殊信号电流。根据注入信号电流沿接地线路经接地点返回的特点，用 寻迹原理实现选线和定位。 该方法在实用中效果较好，具有选线和定位双重功能。但注入信号强度受 t v 容量限制；过渡电阻较大或接地点存在间歇性电弧现象时检测效果欠佳；系 统分布电容较大时，也会降低选线准确率；在电磁干扰及噪声严重的现场环境下 容易出现误判。对注入信号的有效检测有待改进。 该判据的可信程度取决于注入信号电流的大小，该信号电流l 临近边值情况下 不好评价，应选用在边值附近变化趋于缓慢的隶属度函数，此处选用升岭形分布。 由于在实际中不存在信号电流在边值外的情况，所以其隶属度函数定义如下： “1 _ o - 2 毛2m l 去”坐2 ) ln 2 叫l 、。l 0 x 为测量到的注入信号电流值，a ：为实际注入感应到一次系统的计算值，a ，为 注入信号感应到一次系统的阈值，可以取a 3 。 ( 2 ) 零序电流有功功率( 或有功分量) 法 利用中性点经消弧线圈接地系统中故障线路零序电流的有功功率( 或有功分 量) ，要比非故障线路零序电流中有功功率( 或有功分量) 大的特点，判断故障 线路。接地电流中的有功分量较小时，不利于检测：仍受系统不平衡的影响。该 原理仅适用于经消弧线圈接地系统。 该判据的可信度取决于零序电流有功分量的大小，同上个判据类似，零序电 流有功分量的大小在其边值附近的可信度变化平缓，也采用升岭形分布，其隶属 度函数定义如下： 1 4 )1【 ( 吒 q v l 吒 、， x x s x q 山东大学硕士学位论文 0 矿髀血b o 一学】 z q q j s 如 工 k ( 2 1 2 ) x 为故障零序电流的有功分量，a 。是一个对应系统参数的计算阈值，可以取为 j 1 如，口：可以通过下式( 2 1 3 ) 计算得到，其中，是线电压，吒为消弧线圈的 电阻，r 为限压电阻。 ”焉 ( 2 1 3 ) ( 3 ) 基于零序电流暂态极大值的故障选线判据。 该判据利用d b 4 小波对原始信号进行4 层分解，选出零序电流暂态极大值最 大的线路，并定义该线路暂态极大值的时刻t 啊为系统的特征时刻t s 。取出特征 时刻所有出线零序电流的值，根据该点电流的正负性来选择故障线路。在特征时 刻故障线路和非故障线路零序电流的符号相反，若所有线路电流的符号都相同， 则判断为母线故障。若只有两条出线，可以通过确定零序电压极大值来判断，该 值和故障线路电流极大值极性相反，和非故障线路电流极大值极性相同。该方法 不受接地方式以及故障初相角的影响。 该判据的可信程度取决于选出的最大的零序电流暂态最大值，对于与零序电 压极大值极性相同的线路，其隶属度直接置0 ，对于与零序电压极大值极性相反 的线路，其隶属度函数定义如下： “，。f + 三s i “慝x 一号) 】。i ：三q c 2 4 ， 其中x 由下式确定：x 一哆乞，+ ，。：，其中为第i 条出线的零序电流暂态 极大置，m “。、，。舡：分别为所有出线零序电流暂态极大值的第一大值与第二大 值，因此其取值范围为【o ，1 ) 。 山东大学硕士学位论文 由仿真结果看，7 2 - o 5 时，可信程度为1 ，因此确定口。值为0 5 。 ，m l + l m2 2 2 2 综合决策的实现嘲 u 一 f 1 ，乞，厶，l 。 ，筇为线路的顺序号。当配电网发生故障后，立刻启动上述 钳眩吲 a ，= 工i 心，a ，a o 5 ，i 一1 , 2 , 3 ，= 1 , 2 3 ，咒) ，然后把剔除的嘞置零得到如下新 的s 。甩模糊矩阵彳；f ：芝：乏：1 。 i u 3 1 3 2 “j ( 3 ) 加权处理。由上可求得加权后的模糊集a 一爿k 7 一阻，。，“2 。，“。】o 以。i 肛彳，i 一1 ，2 3 ，h ) 中值最大的即为故障线路，次之的亦可作为参考。 2 3 本章小结 本章中首先介绍了模糊数学工具的原理，其中详细介绍了隶属函数的确定和 决策矩阵的建立。然后利用上述理论，选择三种可优势互补的判据：注入法原理、 零序电流有功功率( 或有功分量) 法和基于零序电流暂态极大值的故障选线原理， 建立模糊模型，设置其隶属度函数及有效区间，并设置权重矩阵，根据系统结构 山东大学硕士学位论文 和故障实时数据合成动态的自适应的复合判据，通过模糊决策得到最终选线结 果。该判据能够尽可能多地发掘和利用单相接地故障的电气特征，充分发挥各种 不同方法的优越性，实现有效的复合判据，提高选线精度。 1 7 山东大学硕士学位论文 第三章基于双c p u 系统的综合选线装置的软硬件设计 基于注入法的选线装置在现场得到了广泛的应用，但是它的自动化程度低， 需要人工探测，己不能适应配网自动化的发展。本文上一章提出了利用注入法原 理，并结合零序电流有功功率( 或有功分量) 法和基于零序电流暂态极大值的故 障选线原理组成了新的综合选线判据，很好的克服了单一选线判据的不足，较大 地提高了选线成功率，但是对硬件提出了更高地要求。本章提出了以u p s d 3 3 3 4 d 单片机和t m s 3 2 0 v c 3 3 为核心的双c p u 硬件平台，实现更加快速准确的选线， 数据采集模块通过零序t a 提取注入信号并采用高速同步采样芯片a d 7 3 3 6 ，为 注入信号和暂态信号的提取提供了保证。本硬件平台可以较好的实现基于模糊理 论的综合选线方案、友好的人机交互以及满足监控网络化的通讯方式。 3 1 装置的总体结构与工作流程 本选线装置综合了三种选线原理，根据所使用的选线原理采集原始数据，即 配电网系统发生单相接地故障前后的故障零序电压和各出线故障零序电流。从原 始数据中提取出每一种原理需要的数据，对数据进行处理运算得到每种判据所需 的故障特征量，然后用本文前一章所述算法实现配电网单相接地故障的选线。 3 1 1 装置的总体结构 综合选线装置由管理部分、数据采集计算和电源三部分组成。管理部分监视 系统是否发生故障、实现人机对话、与上级管理机的通信和对注入信号主机控制； 数据采集计算部分完成零序电流信号和暂态电压的采集与处理；电源模块为整机 提供所需各种电源。注入信号模块通过五根线接于t v 二次侧的a 、b 、c 、n 、 l 端子上，和选线装置之间通过开关量连接。注入信号模块负责向故障系统注入 诊断信号电流，在选线装置的控制下投入和切除。 本选线装置采用后插件式结构，由管理c p u 单元、母线电压采集单元、零 序电流变送单元、注入信号预处理单元，高速数据采集及信号处理单元、直流电 源变换单元和备用单元共1 1 个插件构成。人机界面在盼面板。 山东大学硕士学位论文 3 1 2 装置的工作流程 配电系统正常运行时，该装置监视系统是否发生单相接地故障并指示系统状 态。当系统发生单相接地故障时，选线装置指示系统发生单相接地故障的同时， 通知注入信号模块向故障系统注入诊断信号电流，然后选线装置根据采集到的故 障数据，进行选线计算，给出选线结果后通知注入信号模块停止信号的注入。 本选线装置的总体原理框图如图3 1 所示。采集的数据包括由t v 来的8 路 电压量( 两段母线的三相电压和零序电压) 以及由零序t a 来的各路零序电流， 8 路电压量经变换处理后送至c p u 内部的a d 转换，经过数据处理后，用于启 动故障处理程序和故障相的判断。当零序电压大于门槛值时，保护启动，根据三 相电压值选出故障相，利用故障相的t v 注入信号，母线上的注入信号电压量和 每条馈线的t a 送来的零序电流经滤波、选频放大后，送至a f t ) 转换模块，转换 结果经同步串行通信口送入d s p 。d s p 经过数字滤波，算出各通道注入信号电 流的幅值，求出各线路隶属度值送至双1 ：3r a m ，待c p u 查询。另一路送来另两 种算法的隶属度值，c p u 通过双口r a m 获得以上信息后，根据基于模糊理论的 综合选线原理选出故障线路送l c d 显示，利用6 位编码继电器远传故障相别和 线路编号等信息，同时通过通信网络上报给主站。 暂 稳 态 信 号 采 集 注 入 信 号 采 集 管理模块 - - 一_ 一一 - 一一一一一- _ 一一一一一一 图3 1 装置总体结构图 1 9 山东大学硕士学位论文 3 2 以单片机为核心的管理模块 基于单片机u p s d 3 3 3 4 d 的管理模块主要负责：采集两段母线的相电压和零 序电压，监测接地故障是否发生，启动整套装置的故障处理模式；完成系统参数 设定；对注入信号主机的控制；故障数据的接收、显示、存储、分析，故障线路 选择以及结果上报。 3 2 1u p s d 3 3 x x 系列单片机介绍嘲 该系列单片机是s t 公司推出的一款新型单片机。它以增强型m c s 5 1 内核 单片机8 0 3 2 为基础，集成了p s d ( p r o g r a m m a b l es y s t e md e v i c e ，可编程外围器 件) 模块，含有大容量的f l a s h 和r a m 存储器、1 2 c 和u s b 接口电路以及可 编程逻辑器件( p l d ) 等。本文选用u p s d 3 3 3 4 d 4 0 u 6 型单片机，该单片机最高 频率可达4 0 m h z ；拥有2 5 6 k 和3 2 k 两块f l a s h 以及8 k 的可选后备电池的 s r a m ；p s d 模块有d p l d 和c p l d 功能，其中d p l d 为存储器进行译码，而 c p l d 提供了3 0 0 0 多个门电路，1 6 个宏单元，可以实现小规模的组合逻辑和时 序逻辑；内部集成了看门狗和低压检测电路；多至4 6 个i o 口；3 个定时计数 器，分别可以工作在4 种工作模式：通信功能强大，含有两个u a r t ，以及1 2 c 接口、s p i 接口和u s b 接口；内部有八通道十位的a d 转换器；并且可以通过 j t a g 在系统编程，具有可编程的加密位，防止非法访问器件。 3 2 2u p s d 3 3 3 4 d 的外围接口 u p s d 3 3 3 4 d 的i o 口资源分配：p 1 口用于a ，d 转换器的输入，p 3 口用于 串行2 3 2 通信和几个控制信号的输出，p 4 口用于串行4 8 5 通信和开关量的输出， p a 口用于键盘的输入，p b 口用于时钟、l c d 、双口r a m 的片选信号和指示灯 l e d 的显示，p c 口用于j t a g 调试，p d 口用于逻辑输出，控制d s p 复位。如 图3 2 所示。 山东大学硕士学位论文 m c u a d 0 m c u a d l 仁l 器l 仁今i “釜毳rl a d c 0 p i o 黜鬈 八路模拟量( 两条 嬲墨黜鬈i 通信l 母线的三相电压 p颦篇黜篇 内藏i 及零序电压) 采集 嚣嬲： 删m c u 。a s l 箍l a ) c t f p i 7 m c ua 1 0 m c u a l l i 示模块j 冰阿 p 4 0 。p 4 ： 象 邮 g 田 p 4 5 o + 。p 4 ； 誊器 片选信号；时钟 白 。p b ； l c d + 双e i r a m i ( 前1 8 路注入信号采集) 藏d r a m i ( 后1 8 路洼入信号采集) p b 4 + 瑕口r a m 3 暂稳告蕴线信号聚集) l 1卜 p b ， + 双e ：i k a m 3 【皆稳态选线信号采集) p , x d 0 i ，30 t m s r r s 舛2 。3 ，2 通：通信信 n 莎 t x d i p 3 i t c k g | 调试接口1 p i p 4 2 t d