（信号与信息处理专业论文）配电网单相接地故障判别装置的研究与实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 中性 点非有效接地 系统单相接地故障选线问题一直 以来是电力系统继电保护 工作的重要课题。但现场运行的结果并不十分理想，这说明中性点非有效接地故障 选线问 题并没有得到完全解决。 本文分析了 选线装置选线效果不佳的原因，并 据此 提出了 一套基于 t ms 3 2 o l f 2 4 07 型 d s p为核心处理器件的软硬件解决方案。 本文 介绍了 该方案的实现原理， 组成结构与运行情况。该平台采用多判据融合算法，经 过动模实验室试验表明，该软硬件平台运算速度快，抗千扰能力强，运行稳定，具 有良好的性价比，是小电流接地电网中一种实用的选线平台。 关键词 :d s p ，小 电流接地 电网，故障选线 abs tract f aul td e t e di o n fort he n o n 一 e ffec t i v es i n g l e 一 p h a s e e art ha l wa y sh a sb e e n an i m p o r t ant t o p i cforr e l a yp r o t e c t i o no fe l e c t r i c a l p o w e rs y s t e m.b ut t h ere c o r d so f n mct i o nr e sul ts how t h a tthee ffec t sar ed i s app o i nti n g .thep r o b l e m i s n ，ts o l v e d s at i s fa c t o r i l y . t h e p ape r h a s ana 1 y z e dthe r e a s o n t h atw h yt h e fal l 1 t d e t e ct i o ne q u i p me n t h a san u n s at i s fact o r yr e s u l t ， andacc o rdi n gt ot h eabo v ep rop o s e das o ft 一 h ard w a r e s c h e m e加 l 1 i c hu s e st ms 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pa st h ek e r n e lp r o c e s s o rt h i sarti c l ehas i ntro d u c e d the real i z at i o n p r i n c i p l e ， t h e c o m p o s i t i o ns t r u c t u r e and the fun c t i o n s i t u at i o n . t h is p l a t fo rm u s e s th e m u lt i 一 c r it e r i a fu s i o na lg o r i th m ， a n dc e rt ifi e db y t h e d 邓a m ic m o u l d l abo r at o r ye mulati o n . t h e e m u l at i o n r e s u l t s s h o wthatt his s o ft 一 h a r d w a r e p l at form h a s a fas t c alc u l at i o ns p e e d ， d i s t u r b anc e s 一 少o o f a b i l i tya l l dag o o dr u n n i n grec o r d . thi ， s o luti o n p r o v e s t o b e a n i d e a l e arth faul ts e l e c t io n p lat fo r m fo r its h ig h p e r formanc e 一 p r i c e r ati o . h a n j un ( s i g n a l andi n for ma t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db y p r o f. k ang yi k e ywor d s : d s p， n o n 一 e ffe c t i v e 一 g r o u n ds y s t e m。 fau l t l i n es e l e c t i o n 创匕口口 尸刁明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文 配电网单相接地故障判别装置的 研究与实现 ，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: 琳韵日期:加 j 7 3 、 反 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 : 粼匀 导师签名 日期: 灿件5 印 细 日期 : 于7 荞 玛浮 。 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1 问题的提出 按照我国国家标准，电力系统中性点运行方式分为两种:中性点有效接地系统 和中性点非有效接地系统。中性点直接接地或经低值阻抗接地的系统称为中性点有 效接地系统，又称大电流接地系统;中性点不接地、经高值阻抗接地或经消弧线圈 ( 消弧电 抗器)接地 ( 谐振接地)，称为中性点非有效接地系统，也称为小电流接 地系统。 目 前， 我国6 一3 5 k v中低压电网普遍采用中性点不接地方式( 简称为n u s)或户 性点经消弧线圈接地方式( 简称为n e s)。 小电流接地系统的主要优点在于: 发生单相 接地故障时不形成短路回路，只在系统中产生很小的零序电流，三相线间电压依然 对称，不影响系统正常工作。我国电力规程规定，小电流接地系统可带单相接地故 障继续运行 1 一 2 小时。 这样能够提高供电的持续性和可靠性， 因此得到了广泛应用。 但是，系统带单相接地故障运行时，接地相对地电压降为零( 金属性接地短路) ，非 接地相对地电压升高为线电压，若长期运行，将使非接地相绝缘薄弱处发生对地击 穿，造成两相接地短路事故。弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破 坏系统安全运行，因此必须及时找出故障线路，尽快排除故障。 但是小电流接地电网单相接地时故障电流非常小，单相接地保护问题一直没有 很好的解决。事实上采用常规继电保护装置根本无法检测出故障线路，故障选线必 须采用专门的选线装置。这种装置早在上世纪 80 年代就已经在我国诞生，但是由 于选线问题的复杂性，这些装置选线正确率非常低，以至于还得采用手动拉路的办 法选线。 针对以上情况，探索一套故障判别准确率高的计算方法并在保护装置上实现， 具有相当重要的理论和实用价值。 1 . 2 问题的解决 我国的故障判别技术起源于 80 年代后期，华北电力大学的杨以涵教授首先提 出了群体比幅比相判别方法并研制出第一台故障判别装置。 90年代前期故障判别装 置在全国范围内得到广泛的推广应用，但在运行中己发现较多误判、漏判等众多问 题。经过研究分析，我们认为以往选线装置选线效果不佳的原因主要有三方面: 一、选线原理存在纸漏，如选线方法单一、没有探究选线方法的有效域、没有 抗干扰的软措施等等; 华北电力大学硕士学位论文 二、硬件电路特别是主芯片电路运算能力有限无法满足算法，无奈大多采用简 化算法来适应硬件的能力; 三、以往的研究缺少实验的检验，由于国内没有有效的实验设备，在变电站挂 网试验又常受到限制，所以选线装置存在的很多问题不能通过实验暴露、分析、解 决。缺少对现场故障的有效分析的手段。 目前的选线理论主要包括基于暂态分量特征选线法，基于基波电流电压群体比 幅法，基于谐波电流法，基于零序有功及无功功率分量法，以及利用小波分析，模 糊神经元网络理论进行选线等，以上各个方案均具有一定的可行性，但是它们都存 在着各自的使用局限性和动作死区.本论文采用的一种可行的办法是使用多重选线 判据来构成综合判据，利用各种判据选线性能上的互补性扩大正确选线的故障范 围，提高选线结果的可靠性。 每一个算法的最终实现都要有一个与之相配套的能满足算法要求的硬件平台。 采用综合判据的选线装置需要将采样获得的庞大稳态、暂态数据进行傅立叶变换与 小波变换，因而乘法运算量是十分巨大的，一般的 mcu( 微处理器)系统的乘法运 算是由若干加法指令组合而成，所以远远不能胜任处理如此大量的乘法运算。突变 信号持续时间很短，数据处理部分要在短时间内完成，对处理器工作速度提出了很 高的要求。但目 前常规微处理器的指令周期较长，运算能力有限，这些快速的要求 对于常规的微处理器系统是很难达到的。有人以工控机作为选线装置的硬件载体， 这种方案简单易行，有利于对实践理论的快速检验，但这样的方案成本较高不利于 后期产品的推广。随着硬件技术的不断发展，快速数字信号处理芯片( dsp ) 的出现 为复杂算法的实现提供了硬件支持，dsp采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘 法器、累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特性，并有专门设计的适于数字 信号处理的指令系统等，与单片机相比，有着更适合数字信号处理的优点。 针对实验检测手段与设备的医乏， 我们在2 0 0 5 年建成了小电流接地选线的6 kv 物理实验室，该实验室除线路外采用了和变电站现场相同的电力装置，最大程度模 拟了现场运行情况，能使判别装置的很多问题在实验时就能够得到解决。 本论文研究的小电流接地判别装置采用d sp作为核心处理器件，采用综合判据 的算法，井通过动模实验的验证，判断结果十分准确。 1 . 3论文工作的主要内容 在课题组前人的基础上，总结综合故障选线算法对硬件平台的需要，独立开发 了一套以 t m s 3 2 o l f 2 4 叮 型 dsp为中心处理器的小电流接地系统故障选线装置. 该装置目前已通过6kv 物理模拟实验室测试，有很高的故障选线率。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 中性点非有效接地系统及其故障选线算法 本章详细分析了单相接地故障后的稳态和暂态运行情况，指出了影响算法的一 些因素，并对主要算法的优缺点进行分析。 2.1中性点不接地电网单相接地故障分析 2 . 1 . 1 故障后稳态过程分析 在中性点非有效接地系统 ( n u g s) 中，由于变压器中性点与大地没有连接或 者串联了补偿用的消弧线圈，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 10k v架空线路来 说，每 3 0公里线路产生大约 1 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，使得传统的基于过流、方 向、距离等原理的继电保护装置根本不可能正确反应故障情况。 下面，我们将仔细分析一下在小电流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。 洲 权 图2 一1线路导线与大地的分布电容 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 一1。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 ab= c bc二 c ac，并且，三相的对地电容也是对称的，即 ca= cb二 cc。 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。 对零序电流而言，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。因此在中性点非有效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。对于系统中某一相 ( 设为a 相)发生接地故障的 华北电力大学硕士学位论文 情况如图2 一2( n u s )所示。 北故陇组璐 商压川叮眨 几 决 故障线璐 c 图2 一z n u s 的单相接地故障 在故障前，系统正常运行，三相对地有相同的电容 ，变压器中性点电压可以 认为等于零。 此时各相线路对地电压为相电压， 并产生超前于相电压90。的三相对 称的电容电流，其和为零。故障后a相电位将与大地相位相同，健全相电压则升高 到线电压，变压器中性点电压un 升高到相电压。此时a相线路对地电容电流将消 失， 而b、 c两相线路对地电容电流将有所增加。 三相电容电流的和就不再等于零， 每条线路上都出现了零序电流。其中，故障线路零序容性电流由线路流向母线，非 故障线路则由母线流向线路。当a 相经过阻抗接地时，变压器中性点电压u n 升高， 但是不能达到相电压;健全相电压升高，但也不能达到线电压。电容电流的分布与 不经电阻接地时是一样的，只是幅值随着接地电阻的增加而减小12)。 用对称分量法分析 n u g s的单相接地故障。由网络分析的原理，在单相接地情 况下，系统的正序、负序和零序电流分量相等.由于电网中许多因素都可能产生较 大的负序电流、正序电流，因此现在中性点非有效选线普遍采用零序分量。现从零 序网络出发，分析中性点非有效接地故障。中性点不接地的情况，此时的零序网， 如图2 一 3 。 片路 盆 班路2 图2 一3n u s 单相接地序网络 华北电力大学硕士学位论文 容易看出，故障线路与其它健全线路的零序电流存在如下关系: 几= io j + 几 ，公式( 2 一 1) 其 中几是 故 障 线 路出 口 零 序电 流 ， 几 f 是 从 母 线 流 入 变 压 器 侧 的 零 序 电 流， 10 ， 代 表各条非故障线路出口 零序电 流之 和。 也 就是说， 从大小来看， 故障 线路的零 序电流最大，是其它各线路电流 ( 包括变压器侧)之和;从方向来看，故障线路与 非故障线路电流流向相反 ( 在图 2 一 3中箭头指向不同) 。显然，这两个区别可以作 为选线依据。注意图中的电流方向为某时刻瞬时实际方向。 经过消弧线圈接地系统单相接地故障如图2 一4所示。其中与 n us 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 1 : ，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。 陈故协线拚 图 2 一4n e s 的单相接地故障 用以上方法分析中性点经过消弧线圈接地系统单相接地故障，零序网络如图 2 一 5 所示。 钱肠 盆 线路2 图 2 一sn e s 单相接地故障序网络 同n u s 相比，非故障线路的零序电流并没有什么变化，而故障线路的零序电流 要包含因消弧线圈产生的电流，即 华北电力大学硕士学位论文 编= 几 一 (i0j + 标)公式 (2一 2) 式中几 表示消弧线圈的 补偿电 流。 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 为 完 全 补 偿 时 ， 几 几 了 十 jo， ， 流 经 故 障 线 路 和 非 故 障 线 路 的零序电流都是本身的电容电流，电容性无功功率的实际方向都是由母线流向线 路，因此在这种情况下，利用稳态电流的大小和方向都无法判断出哪一条线路上发 生了故障。 一 般消 弧线圈的 补 偿方式为 过补偿，几 io f + 几 1 ， 在这 种情况下，故障线路 零 序电流不再等于其它线路电流之和，故障线路零序电流的方向可能与其它线路相 同。过补偿度一般不大，故障线路零序电流完全可能比其它线路电流小.所以对于 中性点经消弧线圈接地的系统，就不能把零序电流大小和方向作为选线的依据。若 考虑接地电阻的影响。此时零序网络电流的分布并没有变换，只是电流的值随着接 地电阻的增大而迅速减小。 2 . 1 . 2 故障后暂态过程分析 中性点非直接接地系统发生单相接地故障时，存在一个明显的暂态过程。电气 量中含有大量丰富的高频分量。其中电流量通常较大，尤其是接地电容电流的暂态 分量往往比其稳态值大几倍到几十倍。而消弧线圈对于暂态量中丰富的高频信号相 当于开路，所以n u s 和n e s 的暂态过程是基本相同的。因此，利用故障信号暂态分 量来进行故障选线具有特殊的优势. 如图 2 一 6 中的等值回路适用于分析谐振接地系统中， 各种单相接地故障的暂态 过程。暂时不考虑故障点的接地电阻，发生金属性单相接地故障时，暂态接地电流 最大， 零序回路的参数较为容易确定。 以下主要分析故障发生瞬间的暂态电容电流、 暂态电感电流和暂态接地电流l1. c 月 u 。 ( t ) 图2 一6n e s 单相接地暂态等值回路 图中 c表示电网三相对地电容; l 。 表示三相线路和电源变压器等在零序回路中 华北电力大学硕士学位论文 的等值电感 ; r 。 表示零序回路中的等值电阻( 其中包括故障点的接地电阻和弧光电 阻) ; r l 和 l 分别为消弧线圈的有功损耗电阻和集中电感。由等值回路可知，流过故 障点的暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流两部分组成。 在分析电容电流的暂态特性时，因其自由振荡频率一般较高，而消弧线圈的集 中电感 l l 。 ，对于暂态高频电流而言其电抗非常大，可以近似认为开路，故图 2 . 7 中的r l 和l 可以不考虑; 另外， 单相接地故障往往发生在相电压接近最大值的瞬间， 此时消弧线圈中的电 流 工 l 均 ，暂态电 容电流要比 暂态电感电 流大很多l 1 。所以， 在同一电网中，不论中性点不接地或经消弧线圈接地，在估算暂态电容电流时，可 以将消弧线圈忽略不计而认为近似相同。对于中性点不接地电网，由于不存在消弧 线圈的暂态电感电流，因此，流过故障点的接地电流仅由暂态电容电流构成。 暂态电 容电 流ic 是由 暂态自由 振荡分量ic 。 。和稳态工频分量ic ， 两部分组成: 礼 = ic ， 十 ic ， = 、 1二 sin ， sin 耐 一 。5， 。 5 。 了) 。一 十 。 5(。 十 * ) l 、口2 公式 ( 2 一3 ) 式 中: 蛛 为 相电 压 的 幅 值;icm为 电 容电 流的 幅 值;吟为 暂态自 由 振荡 分 量的 角 频 率 ; 占 = 生 几 一 鱼， 为 自 由 振 荡 分 量 的 衰 减 系 数 ， 其 中 几 为 回 路 的 时 间 常 数 。 2 乌 实际结果表明， 电网的结构、 大小和运行方式不同时， 会引起暂态过程的改变。 线路越长时，自振频率越低，暂态电流的自由振荡分量的幅值也会降低，同时，自 由振荡的持续时间一般也会减少至半个工频周期左右。 而暂态电 感电 流红 的表达式为: 气 = 瓜 co s/ 一青 一 c o s ( 四公式 ( 2 一4 ) 理论分析和实践结果都可以表明: 电感电流暂态过程的长短与接地瞬间的电压 相角、铁心的饱和程度有关。暂态电感电流的频率与工频相等、持续时间一般可达 2 3 个工频周波。 由于暂态接地电流由暂态电容电流和暂态电感电流叠加而成，其特性随两者的 具体情况而定。因 两者的频率差别悬殊， 两者不可能互相补偿。 暂态接地电流枯 的 数学表达式为: 华北电力大学硕士学位论文 屯” ic十 红 二 (、 一 二 )co s( 十 ， ) + icm 生 * ， 5。 。 ， 一 co s ， co s 。 了 ) 。 戈口， 七+ 瓜 cos 卿 介 公式 ( 2 一5 ) 式(2一5)中的第一项为接地电流的稳态分量，等于稳态电容电流和稳态电感电 流的幅值之差; 其余为接地电流的暂态分量，其值等于电容电流的暂态自由振荡分 量与电感电流的暂态直流分量之和。后者即: ( 甄. 、 从二=枯05十气 止=， 饰】 一 s l n 气 气t 十尹1 毋je 气 + 坛 c o s 娜公 公式 ( 2 一6 ) 由式( 2 一6)可以明显得出，在发生接地故障瞬间，在故障点有衰减很快的暂态 电容电流和衰减较慢的暂态电感电流流过。不论是中性点不接地还是经消弧线圈接 地，接地暂态电流的幅值和频率均主要由暂态电容电流所决定，其幅值与接地瞬间 电源电压的相角中 关系最大，当必 二 9 00时，接地电容电流值将达到最大。暂态接地 电流的幅值虽然很大，可是持续时间很短，约为 0 . 5 一1个工频周波。用暂态电压 和暂态电流的幅值及极性之间的关系，可以选出故障线路，暂态电流接地保护正是 基于这一原理构成的。 2 . 2影响中性点非有效接地系统选线的因素分析 nugs 的接地故障零序电流小， 微弱的零序电流往往又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) 与中性点的接地方式有关。由前面的分析可以看到，中性点不接地、经过 消弧线圈接地或者高阻接地，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。 ( 2) 与线路的长短与结构有关。 n u gs单相接地故障电流是由线路的对地电容产 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。 ( 3) 与系统的故障方式有关。由等值电路可以看到， n u g s 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接地电阻是 不同的，要保证解决中性点非有效接地选线问题，必须保证对各种故障情况都能选 线准确。 (4 )与电流互感器有关。在中性点非有效接地选线中，一般采用零序电流互感 器获得零序电流或者负序电流进行选线。因为零序电流通过三个单相电流互感器组 华北电力大学硕士学位论文 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，因此有一个零序电流 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) 与电压互感器有关。中性点非有效接地选线往往采用零序电压作为启动条 件，选线过程中也要用到电压量。这些都通过并联在母线上的电压互感器得到.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 成大干扰。 ( 6) 与二次回路有关.中性点非有效接地选线采用电压互感器和电流互感器二 次信号进行选线， 经过实验发现， 这两种互感器二次回路的阻抗， 对选线也有影响。 ( 7) 与弧光过电压或者操作过电压有关。 (8 )与系统中的 波形畸变等干扰有关61 。 2 . 3现有主要选线方法及评价 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、负序分量等。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。目前采用的主 要方法有:比幅比相方法、无功功率方法，有功分量法、突变量法、小波方法等。 ( 1 )零序电流比幅法 这种方法基于早期的继电保护原理， 适用于n u s 。当n us 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 工 。 与一整定值 1 : 做比较，整定值 1 : 一般大于系统内任何一条出线的电容电流值，如果 1 。 小于整 定值 12 ，极化继电器不动作;如果 1 。 大于整定值 1 : 则极化继电器动作，显示器显 示该回路的编号，选线完成。 但这种绝对值比较的方法受线路长短、系统运行方式变化、过渡电阻大小及 ct( 电流互感器) 不平衡电流的影响，可见在理论上就是不完各的，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。 从而导致误选、 多选、 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 。 ( 2)零序电流群体比幅比相法 这种方法突破了原有的传统的保护原理，充分利用了故障信息之间的联系，将 孤立的故障信息融合比较， 大大提高了选线正确性。 群体比幅比相算法适用于n u s. 华北电力大学硕士学位论文 这中方法的基本原理是把接于同一电压母线的所有线路视为一个群体，故障发生 时，该群体中所有线路同时参与零序电流幅值相对比较，选出几个幅值较大的作为 候选，然后在此基础上进行相位比较，选出方向与其它不同的，即为故障线路。 该方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 ct 等不平衡带来的影响。 引入零序电压作为参考正方向， 保证了参考正方向的稳定性。 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， 此时群体比幅比相算法就不适用了， 这使群体比幅比相算法的使用受到限制。 ( 3 )无功功率方法 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。 ( 4 )有功分量法 目 前， n e s 多加装限压电阻r ，当发生接地故障后，限压电阻被短接之前，非 故障线路不与消弧线圈构成低阻抗回路，故其零序电流为本身接地电容电流，而故 障线路经接地点与消弧线圈构成回路， 其零序电流为所有非故障线路电容电流与l r 支路电流之向量和，即包含有流过 r的有功电流.所以非故障线路的零序有功分量 方向由母线流向线路，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，方向由母线流向线路。利用各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。 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是不 够突出。受 c t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。 ( 5 )五次谐波分量算法 此算法的提出在一定程度上解决了n e s 单相接地故障的选线问题. 这种方法的 基本原理为:n e s中的消弧线圈参数是按照基波整定的，即有。 l 二 1/口 c和 5 口 l 115 心，可忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果，因此零序电流五次谐 波分量在n e s中有着与nu s中零序电流基波无功分量相同的特点，因此群体比幅 比相算法对零序五次谐波电流依然有效。但五次谐波含量较小，且负荷中的五次谐 华北电力大学硕士学位论文 波源、c t不平衡电流和过渡电阻大小，均会影响选线精度。特别是故障点经大电 阻接地时，此时五次谐波电流急剧减小，造成选线精度无法保证。 6 )突变量法 电流突变量算法适用于 n es，与随调式的自动调节消弧线圈结合，在电网发生 单相永久接地故障的情况下，改变消弧线圈的电抗值。考虑电压折算后，消弧线圈 参数改变只会导致故障线路中的零序电流 ( 即故障点的残余电流)发生变化。以此 为依据，构造以下判据: ， 一 lj， ， 一 几 认 、 玖 2 卜 二 ， n ， n 为 线 路 数 。 使 川 “ 的 那 条 线 路 为 故 障 线 路 : 如 果 各 条 线 路 的 “ 都 等 于 “ ， 那 么 则 是 母 线 故 障 !，、 ui，为 消 弧 线 圈 改 变 前 第 1 条线路的零序电流和零序电压。工 小 u 1 2 为消弧线圈改变后第 1 条线路的零序电 流和零序电压。 该算法将两次的零序电流折算到同一个电压下，就可以去除零序电压变化带来 的影响。并以零序基波无功电流作为判断信息，信号稳定，并且通过消弧线圈改变 参数前后两次零序电流的差值作为判断标准，有效的克服了电流互感器等测量误差 带来的影响。但是此算法应用的前提是要装设由判别装置控制的随调式的自 动调节 消弧线圈，这在一定的地区受到了限制。 ( 7 )小波方法 针对稳态时故障信息比较微弱的问题，人们提出了利用有较大突变的暂态信息 作为故障信号的算法。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，可对信号进行精确分析，特别是对暂态突变信号 和微弱信号的变化较敏感，能够从信号中提取到局部化的有用成分。 当系统发生单相接地时，故障电压和电流的暂态过程持续时间短并含有丰富的 特征量。把一个信号分解成不同尺度和位置的小波之和，利用合适的小波和小波基 对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后，易看出故障线路上暂态零序电流特征 分量的幅值包络线高于非故障线路的，且其特征分量的相位也与非故障线路相反， 这样就能构造出利用暂态信号的选线判据. 该方法对中性点不接地和中性点经消弧线圈地的电网都适用;特别适应于故障 状况复杂、故障波形杂乱的情况这与稳态量选线方法形成优势互补。但是小波算法 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 部性和非平稳性特点，当出现暂态过程不明显的情况时，小波算法将失效。 华北 电力大学硕士学位论文 2 . 4 小结 本章详细分析了单相接地故障后的稳态和暂态的运行情况，并指出了影响中性 点非有效接地系统故障选线的一些因素。此基础上，探讨了现有一些选线方法并对 其作出了评价。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 d s p( 数字信号处理器)实现方式提供了理论前提. 华北电力大学硕士学位论文 第三章 d s p选线装置的硬件系统设计 本章介绍了选线装置的硬件系统设计，首先从装置硬件的总体结构入手，分别 对装置的各个功能模块进行了详细的介绍。包括 d s p处理器和 刀d转换器等核心 器件的选取、系统逻辑控制的c p l d实现、双口r a m实现双c p u间的通信，以及 外围电路功能的实现等等。 3 . 1 选线装置的硬件总体结构 图 3 一1系统硬件结构图 图 3 一1是选线装置的硬件结构框图。该装置硬件采用双 c pu 结构，一个 c pu 为数字信号处理器 ( d s p ) ，主要负责数据采集、数据处理。a 用 转换器将模拟信号 转换成d s p可处理的数字量，这是系统处理的基础。本系统中设计了40 路模拟输 入，通过模拟开关分两级将 40 路模拟信号分时送到 a 心 转换器进行处理。另一个 cpu采用高性能单片机，主要负责数据通信和键盘、液晶显示等人机接口工作。两 个c pu间的通信靠双口r am来实现，这种方法具有实时性好、接口电路简单、数据 传输量大等优点。 整个系统外围电路的选通、 读写等等逻辑控制操作全部通过 c p l d 来实现。c p l d 的规模大， 速度快，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，并且 华北电力大学硕士学位论文 具有可编程性和实现方案容易改动的特点。因此用 c p l d实现系统的逻辑控制可以 提高系统处理速度，增强逻辑设计的灵活性，减小体积，提高系统可靠性. 3 . zd s p模块 d s p 模块主要由t m s 3 20l f 2 4 07型d s p 、 扩展存储器和接口电平转换电路组成。 d s p 模块是整个选线装置的核心部分，它负责装置的主体运算、数据采集控制和故 障判断。d s p 不仅具有高速运算和控制能力，而且根据实时数字信号处理的特点， 在处理器结构、指令流程上都做了很大的改动，具体的说，有以下几个方面: 普遍采用数据总线和程序总线相分离的哈佛结构或改进的哈佛结构，比冯 . 诺依曼结构有更高的指令执行速度; 大多采用流水线技术，减少每条指令的执行时间; 片内有多条总线，并且提供方便的寻址方式，大大提高了指令的执行效率; ， 提供高速的寻址方式，如循环寻址、位反寻址等; 针对数字信号处理中大量用到的乘累加操作的特点，配有独立的硬件乘法器 和加法器，可在一个指令周期内完成乘累加运算; . 片内集成d ma控制器和串行通信接口等，提高了数据的搬移能力; ， 具有软、硬件等待功能，可方便的与各种存储器接口; 单片系统，低功耗，易于小型化和便携式设计。 选线装置选用了目前应用广泛、具有最好性能价格比、高速的定点 d s p 一 t ms 3 2 o l f 2 4 0 7 ( 以 下简称l f 2 4 0 7 ) 。l f 2 4 o 7 具有以下几个方面的显著特点: 资源丰富。多达41 个通用、双向的数字1/ 0引脚，可以很方便的实现系统的 液晶显示、键盘管理、输入开关量状态采集和开关量的输出控制;两个事件管理器 e v a和e v b ，包含了4 个通用定时器、6 个比较单元、6 个捕获单元、12路 p wm 输出电路和4 路正交编码脉冲电路;串行外设接口模块s pi可实现 l f 2 4 07 和其它 s pi接口芯片之间的数据交换:串行通信模块s ci 和c a n控制器可实现l f 2407 和 p c机之间的数据交换: 运算速度快，数据处理能力强。 l f 2 407 采用典型的哈佛总线结构，片内有六 条独立、并行的数据和地址总线，极大地提高了系统的数据吞吐能力;精简的指令 系统，流水线的操作方式和30ns的指令周期使得系统的运行速度特别快。 功耗低。l f 2 4 07采用高性能静态c m o s 技术，供电电压为3 . 3 v ，而且有多 种低功耗模式，能充分降低系统功耗11 2 jll 31 。 华北电力大学硕士学位论文 l f 2 4 o 7 的功能模块图如 3 一2 所示. c月 p3 门op 月， p州阴1 户 幻p 妈后 p 洲mz j 幻p 抓t 尸 柑m习 带 op bo 尸 钊翻翻 op 81 户目日胡 口户 日之 p柑从朋 口p日急 图3 一2 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 功能模块图 1 ， 华北电力大学硕士学位论文 3 . 3数据采集模块 数据采集模块是整个选线装置的重要部分，它负责电力系统电气量的采集，并 将其由模拟信号转化为数字信号。本装置设置了 40 路模拟输入，通过模拟开关分 两级将4 0 路模拟信号分时送到a 心 转换器进行处理。 3 . 3 . 1模拟多路开关 在 习d 接口中，模拟多路开关用于切换模拟信号，通常是多路输入，一路输 出.目前己有多种型号的模拟多路开关集成芯片，它们的功能基本相同，仅在某些 参数和性能指标上有所差异。 c d 4051 是单路8 选 1 模拟多路转换器，c mo s 工艺制造。16引脚封装，引脚 图如3 一3 所示。 c d 4 0 5 1 b( p d i p，c e r d j p，s o i c ) 丁 opvi e w ohannel s . n 夕 out com ou下i i n 尸曰inh坛vss channel s 吸 栩oljt 图3 一3c d 4 0 5 1 引脚图 当c d 4 o 51使能 ( e n高电平)时，c 、b 、 a三个输入端状态的组合决定接通 八路输入模拟信号 i n l i n s 的某一路 hii ，即将 i n i 与 o u t端接通。其功能图如 下: 图3 一4c d 4 0 5 1 功能示意图 华北电力大学硕士学位论文 3 . 3 . za / 0转换器 刀d转换器则是数据采集模块中的核心器件，它的性能对整个系统的性能都会 产生影响， 本系统我们选择了a d公司a d 7 8 6 4l l4。 a d 7 8 6 4是 a d公司推出的高速、低功耗、四通道同步采样 12 位并行接口的 刀d转换器，它可用于交流马达控制、非中断电源控制、数据采集和通讯.其特点 是: 高速( 每路1 .6 林 5 ) 1 2 位a d c ; 四路同步采样输入; 单电源供电: . 高速并行接口，允许与3 v处理器接口; 灵活的采样通道选择; 不同型号可分别满足不同的输入范围要求。 该器件内部含有一个逐次式a d c ， 4 个跟踪放大器， 2 . s v参考电源， 片内时钟 振荡器和一个高速并行接口，内部结构如图3 一5 所示。 即叱。丫 r f 丫 陇f 旧0 为。 丫 。 r !， e 呱agi丽d8吧-cs丽 扮腼鲡腼腼俪腼腼喻 日5 下 oat a 日u s v 巨 oc 亡 石 可 不 沂 s l 勺g zs l 3s i j 稀弓 sel c l 洲 !付 不 m 父 下 a g m o八 叫 d cl k 图3 一5 a d 7 8 6 4 一内部结构图 a d 7 s 64 可对四个通道的模拟输入信号同步采样，并将四个通道之间的相对相 位和大小信息保存下来。a d 7864 的转换启动信号从管脚“c口 nf 污 了 ，输入，上升 华北电力大学硕士学位论文 沿触发。当其有效时，跟踪/ 保持器被置 “ 保持” ，同时按增序转换被选择的通道( 通 过软件或硬件选择) 。 “ 石 口 c”信号用来表明单个通道的转换结束，而 “ b u s y ”信 号表明被选择的所有通道转换的结束，二者都是低电平有效。 卜确耳 迪 . 日 1 七 司 琴喂 洲 裸 阶 以丁 八 叫 a) 通过软件选择通道b )转换完成后读出时序图 图3 一6 a d 7 8 6 4 时序图 a d 7 8 64 可以任意选择小于四通道的输入选择，选择通道的转换是按从小到大 的 通 道顺序， 其选择可采用硬件模式， 也可采用软件模式， 当万/s s e l管脚为低 电平时，s l i 到s l 4 管脚的输入决定选择输入通道，高电平有效，其值在c 口 万 vst 的上升沿装载。 当h/ s s e l管脚为高电平时， 通道输入的选择由数据线d b o 一d b 3 决定， d b o 代表通道3 ，当cs 和环 叹变为逻辑低时， d b 一d b 3 变为输入通道选择的 端口，当环 叹变为逻辑高时，d b o一 d b 3 的数据输入时序见图3 一6 a 所示。 a d 7 8 6 4 读取控制有两种方式: a) 在转换序列转换结束后读数据， 在这种情况下四次转换的结果是在所有转换 结束后读出，当b u s y变低后才读出数据。 每次读数据操作增加输出数据寄存器指 针，读数据操作读到最后一个转换结果时，将输出数据寄存器指针复位。其时序如 图3 一6 b 所示。 b) 在转换过程中，每通道转换结束时读出数据，转换有c o n vst 的上升沿启 动， 转换结束由厄 石 万的 下降 沿来表示。 而 端接地， 通过天 万 信号来读出 结果， 其时 序 如 图 14 1 。 华北电力大学硕士学位论文 祀西目讯斤 . u . vt 亩 t c o . 1. ， 仁 喇.1. t c 洲 怕 ， 图 3 一7转换过程中读出时序图 综上所述，a d 7 8 6 4有诸多在结构和性能上的特点，所以我们在本系统中采用 a d 7 8 64 作为数据采集系统的核心器件，取得了非常好的效果。 3 . 4双口r a m模块 选线装置要实时对电力线路的零序电压和零序电流等参数采样并进行计算与 分析， 系统具有实时性高以及运算量大的特点. 如果所有任务都由一个c pu 来完成， 那么c pu在进行采样运算的同时，还要兼顾过程控制和开关量输入输出以及人机接 口，并响应频繁的中断，必然降低系统运行效率。所以，为了兼顾系统运行效率， 减轻c pu计算负担， 设计以t ms 3 2 o l f 2 4 07 为主机和以a l ，me g a 64l为接口机的双 c pu 主从式系统。系统的协同工作需要两个 c p u之间有效的通信。通常多 c p u之 间 的 通 信方 式 有以 下 几 种 116 : ( 1 ) 串口 通信。串口 通信是指利用处理器芯片带有的串口资源进行通信。 它适用 于传输数据比较少、传输速率慢且处理器之间紧密祸合的场合。 (2 )dm a通信方式。 它利用c p u芯片上自 带的d m a功能进行通信。 适用于实 时性要求不高、数据传输量大的场合。 (3 ) 利用标准总线结 构进行通信. 如， v m e 、 c o m p ac t p cl总线等， 利用这种方 法传输数据要求有总线控制器接口电路，系统复杂，成本高。 (4 ) 利用共享存储器进行通信。 多处理器间要交换数据则必须要有多个处理器都 可以访问的共享存储体，一个处理器将数据写入存储体，由另一处理器将数据时分 读出， 这种方法可以实现处理器总线的隔离， 使多个处理器间可以有效地交换数据， 实现数据共享。多个处理器要共同访问一个存储体有这样几种方法，其一是双口 华北电力大学硕士学位论文 r a m 法， 其二是先进先出的fi f o法， 其三是总线开关加存储器法。 利用共享存储 器进行通信的好处是实时性好，接口电路简单，数据传输量大1 ， 5 。 本装置选用了双口r a mi