小电流接地系统单相接地故障选线装置的设计

目录0引言11绪论31.1小电流接地系统研究现状31.2小电流接地系统研究的意义42小电流接地系统单相接地故障分析62.1概述62.2小电流接地系统不同接地方式的比拟72.2.1中性点不接地方式72.2.2中性点经消弧线圈接地方式72.2.3中性点经电阻接地方式82.3小电流接地系统不同接地方式的故障分析82.3.1中性点不接地方式的故障分析82.3.2中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障分析132.3.3中性点经电阻接地系统单相接地故障分析173小电流单相接地故障选线算法203.1选线算法综述203.1.1零序电流比幅算法203.1.2群体比幅比相算法203.1.3无功功率算法213.1.4五次谐波分量算法213.1.5有功分量算法223.1.6小波算法223.1.7能量函数法233.1.8信号注入法243.2选线影响因素分析253.3综合选线算法253.4连续选线算法274小电流接地选线装置的硬件设计294.1CPU模块294.2信号采集模块304.3A/D转换模块314.4存储空间扩展模块364.4.1SRAM的扩展364.4.2FLASH芯片的扩展384.5人机对话模块394.6通信系统414.7硬件抗干扰设计435小电流接地选线装置的软件设计445.1软件框架设计445.1.1控制层软件设计455.1.2应用层软件设计535.1.3各任务之间的切换关系545.2软件抗干扰技术的应用556经济技术分析577结论58致谢59参考文献60附录A译文61附录B外文文献650引言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。在大电流接地方式中，主要有：中性点直接接地方式，中性点经低电阻、低电抗或中电阻接地方式；在小电流接地方式中，主要有:中性点经消弧线圈接地方式，中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等[1,2]。小电流接地系统发生单相接地故障时的情况比拟复杂，各物理量的变化与系统中性点接地方式、接地点位置、接地电阻值、燃弧和熄弧情况等因素都有关系。不过接地故障发生后总是先引起各相电压的变化，然后导致各相电流发生变化。我国6~66kV配电网一般为小电流接地方式。单相接地故障是配电网中发生频率较高的故障，故障发生后，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器，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，特别是在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，有利于减少用户短时停电次数。但如果故障是永久性的，系统仅允许在故障情况下继续运行1~2小时，此时必须尽快查明接地线路，以便采取相应措施排除故障，恢复系统正常运行[3,4]。因此提出小电流接地系统的单相接地故障选线问题。小电流接地系统的优点是接地故障零序电流小，但微弱的零序电流常混杂在各种干扰信号中，为准确选线排除故障增加了难度。针对这个问题已有大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，并开发出选线装置在实际工作中取得了一定的应用。在研究选线算法的初期，主要针对某一具体算法，如适用于中性点不接地系统的群体比幅比相算法，适用于经消弧线圈接地系统的谐波法、能量法、小波法等。从现场应用情况来看，这些传统的算法的选线效果并不理想，主要原因有：(1)接地状况复杂，故障状况不同，产生的故障特征量在数值上、变化规律上相差很大；(2)故障电流微弱，测量精度难以保证；(3)现场的电磁干扰以及工频负荷电流干扰使测量的故障成分信噪比非常低。受各种干扰因素的影响,故障选线装置测量到的故障特征量(如零序电流、零序功率方向等)具有很大的模糊性和不确定性，同一干扰信号对不同的故障检测手段的影响相差较大，没有哪种单一选线方法对所有故障类型都有效。另外，由于小电流接地系统的特殊性，运行中因改变运行方式而出现谐振过电压的几率较高，过电压不仅影响设备的平安运行，并且会启动选线装置，造成选线装置误动，影响故障处理。因此，分析研究各种选线算法，提取特征信息确定选线算法的有效性，将各种选线算法智能融合，分析谐振引起的虚幻接地现象，有效区别谐振过电压和单相接地故障，形成适应性强的选线算法，并为算法的实现建立计算快速、灵敏的硬件平台，实现小电流接地系统单相接地故障快速、可靠选线，将具有重要的理论和实际意义。1绪论1.1小电流接地系统研究现状世界各国的配电网中性点在50年代前后，大都采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式；到60年代后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧线圈接地方式。对于故障选线的研究，在前苏联，小电流接地系统得到了广泛应用，并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视，发表了多篇论文，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理从过流、无功方向开展到了群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管开展到模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置较少。日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系统，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法，近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器OZCT试验获得成功。德国多使用谐振接地系统，并于30年代就提出了反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。法国在使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以谐振接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发出了高新技术产品零序导纳接地保护。而挪威一家公司那么利用测量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接地指示器。90年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有文献提到应用专家系统方法，随着小波分析的出现和开展，国外有文献提及利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。50年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的ZD-4型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的ZD-5，ZD-6，ZD-7型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中由南京自动化研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比拟线路零序电流五次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的五次谐波比相原理研制的ML98型小电流接地系统单相接地微机选线装置等等。另外，信号注入式接地选线、定位保护利用对外加诊断信号的寻踪实现选线、定位，已在电力系统中获得较为广泛的应用。为提高选线的正确率国内研究人员不断进行探索，有文献从信息融合的思路出发，提出充分利用多方面的故障信息，探索多种选线方法使之相互融合来提高故障选择判断能力，并提出一种应用D-S证据理论实现的多重故障特征融合选线方法。在证据理论的应用中，将多信息综合选线问题转化为证据推理问题，使选线结果最大程度得到各个故障信息的共同支持，同时抑止了受到干扰的不良数据的影响。然而这种综合选线方法运用于现场并不实用，不能解决配电网高阻故障选线困难等根本问题，仅对选线的可靠性做出了改善。1.2小电流接地系统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，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，美国电力行业一般成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(EDF)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开展。我国由于本身电网的网络结构薄弱从50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，在该领域开展很快，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、微机装置的开展阶段。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，我们小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。2001年1月-2001年12月，课题组建立了国内第一个小电流接地选线的10kV物理模拟实验室，经过屡次的实验研究，找到了改良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、本钱较高，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本钱，而且可以提高装置的可靠性。尤其是近年来，随着计算机硬件的开展，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根底。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C8051F120单片机来解决小电流故障选线问题，具有本钱低、体积小、速度快、内存大等优点。其CPU速度为100MIPS，A/D采样速率达每周期50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1M，外存采用128M的FLASH芯片，分别满足了选线程序及故障录波的需要。2小电流接地系统单相接地故障分析2.1概述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。在小电流接地方式中，主要有：中性点谐振接地方式〔经消弧线圈接地〕；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开展成单相永久接地故障或两相故障。对于110kV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，主要矛盾那么转化为单相接地故障电流的危害性，包括供电可靠性、人身与设备平安性，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，66kV和35kV电网主要采用中性点经消弧线圈接地方式，3kV~10kV电网那么以中性点不接地方式为主，个别地区如上海以及北京、广州等的局部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10kV架空线路来说，每30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。2.2小电流接地系统不同接地方式的比拟2.2.1中性点不接地方式中性点不接地系统，实现起来简单，不需要在中性点接任何装置。发生单相接地故障时，其接地电流很小，而且不会破坏系统的对称性，故一般允许其带故障继续运行1～2小时。由于单相接地时故障点电流很小，跨步电压和接触电压都较低，使人身伤亡显著降低，邻近通信线路干扰较小。但它存在较严重的缺点：1)发生间歇电弧接地时，会产生高幅值过电压；2)在单相接地的暂态过程中，会产生较大的过电流。中性点不接地系统发生单相接地时的特点为：1)中性点不接地系统发生单相接地后，故障相对地电压为零，非故障相对地电压为电网线电压。整个系统将出现零序电压，零序电压由零上升至电网正常工作时的相电压，电网中各处的零序电压根本相等，线电压仍然保持对称；2)故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流数值上等于本线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路的零序电流之和，方向由线路流向母线；3)所有非故障线路的零序电流的相位相同，超前于零序电压90度；故障线路零序电流的相位滞后零序电压90度；即故障线路零序电流与非故障线路零序电流相位相差180度。中性点不接地电网中单相接地的电流为电容电流，对于规模不大的3～35kV电网，该电流只有几个安培，单相接地实际并不影响向用户供电，因为线电压三角形没有改变，从减少跳闸次数保证连续供电来看，采用中性点不接地方式是合理的。2.2.2中性点经消弧线圈接地方式对于出线较多，线路长度较长，或者包含大量电缆线路的系统，当其电容电流超过一定数值时，单相接地故障时电弧不易熄灭，这时应采用中性点经消弧线圈接地的方式运行。消弧线圈是一个装设于配电网中性点的可调电感线圈，当发生单相接地时，可形成与接地电流大小接近但方向相反的感性电流以补偿容性电流，从而使接地处的电流变得很小或接近于零。中性点经消弧线圈接地故障时，整个系统也出现数值为电网正常运行时的相电压的零序电压，并且故障线路和非故障线路上均会出现零序电流，非故障线路的零序电流在数值上等于自身线路对地电容电流，方向由母线流向线路，故障线路的零序电流数值上等于所有非故障线路的零序电流与电感电流之和，方向不定，视补偿电流大小而定，如果线路零序电流谐波分量方向均流向母线，那么为母线接地。由于接地点残流很小，故很难检测出故障线路。中性点经消弧线圈接地的系统，其消弧线圈通常安装于各枢纽变电所内，接在零序电抗小、零序漏磁通小的变压器中性点上或接地变压器中性点上且消弧线圈处于过补偿状态，使得故障时电弧重燃的次数大为减少，从而使高幅值的过电压出现的概率减小。2.2.3中性点经电阻接地方式中性点经电阻接地分为高电阻接地、中电阻接地、低电阻接地三种方式。中性点电阻的值，从不同角度考虑差异很大，可归纳为三种取值原那么：限制间歇电弧接地过电压；(2)限制单相接地电流使其小于三相短路电流；(3)限制通信干扰。此种接地方式的优缺点是：1)可以降低单相接地时非故障相的过电压以及抑制弧光接地过电压，对设备绝缘等级要求较低，其耐压水平可以按相电压来选择；2)接地时，由于流过故障线路的电流较大，可以比拟容易地检出故障线路；3)有利于消除谐振过电压和断线过电压，防止使单相接地开展为相间故障；4)当发生单相接地故障时，无论是永久性的还是非永久性的，均作用于跳闸，使线路的跳闸次数大大增加，降低了供电可靠性。2.3小电流接地系统不同接地方式的故障分析2.3.1中性点不接地方式的故障分析中性点不接地(绝缘)是指中性点没有人为与大地连接。经电位指示装置或测量装置或其它高阻抗接地除外。事实上，这样的电网是通过电网对地电容接地。中性点不接地系统发生单相接地故障分析：电力系统中性点对地绝缘，即为典型的不接地系统,如果发生单相接地，假设不记元件对地的电容，那么接地电流为零，不影响对用户供电。实际上各元件对地都存在电容，特别各相导体之间及相对地之间都存在沿全线路均匀分布的电容。为了讨论方便，认为三相是对称的，并用集中电容代替分布电容，各相之间的电容对我们讨论的问题没有影响，可以作为三相对称的电容负载处理，这样就可把三相中性点不接地系统单相故障等值简化成图2.1。图2.1中性点不接地系统单相接地图Fig2.1Single-PhasePermanentearthinginisolatedneutialsystem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。由于各相对地电容相同,在相电压的作用下，各相电容电流相等并超前于相电压。这时，无论采用三角形接法或星形接法,线电流中不存在零序分量，相电压和零序电流的向量图，如图2.2.1所示。当发生单相接地故障后，三相电路的对称性受到破坏,故障点就出现明显的不对称，当A相发生单相接地故障后，A相对地电压变为零，其对地电容被短接，而B相和C相对地电压升高,对地电容电流相应增大。过渡接地点f的电流为所有线路电容电流的总和，系统电容电流的分布和向量图，如图2.2.2所示。图2.2.1相电压和零序电流的向量图Fig2.2.1VectordiagramofPhasevoltageandzero-sequencecurrent图2.2.2系统电容电流的分布向量图Fig2.2.2Vectordiagramofcapacitancecurrentofsystem当发生金属性接地(即)故障时，为了便于分析，下面仅考虑故障线路。显然从图2.2中可以看出：A相电压：〔2-1〕B相电压：〔2-2〕C相电压：〔2-3〕零序电压：〔2-4〕各相电容电流和本线路流过接地点的电流为：〔2-5〕〔2-6〕〔2-7〕当系统有多条出线时，流过故障点的电流为：〔2-8〕其中，j=1,2,3...N为线路对地电容，N为出线的条数。由此可见，接地电流超前零序电压，并由线路流向母线。故障电流为正常电容电流的3倍，相电压升高到原来的倍，零序电压由零上升为正常时的相电压，可用此特征来选择接地相。正常线路1的零序电流：〔2-9〕在不考虑线路电阻及接地电阻的情况下,3超前。故障线路2的零序电流：〔2-10〕由此可见，故障线路的零序电流除了B、C相分布电容电流，还多了一项从故障点流向母线的故障电流，使得故障线路零序电流在相位上比零序电压滞后，幅值比正常线路大。我们可以利用这一点来确定故障线路。然而在实际小电流接地故障中，大局部接地故障都是经过渡电阻接地，假设接地电阻为，根据等效发电机原理(赫尔姆霍斯-戴维南定理)，可将其进行等效，等效过程如图2.3。图2.3中性点不接地系统故障后等效过程示意图Fig2.3Equivalentfaultdiagramofisolatedneutralsystem其中：(2-11)(2-12)(2-13)从两端看进去，等效电容为3C。所以电网零序电压为：〔2-14〕故障电流为：〔2-15〕当时为金属相接地，即金属性接地。随着的增加,零序电压随着减小，给选线带来困难，但是零序电流与零序电压之间的相位关系没有变化。通过以上的分析中性点不接地系统具有两个主要优点：l)运行方面：电网发生单相接地故障时稳态工频电流小。2)如雷击绝缘闪络瞬时故障可自动消除，无需跳闸。3)如金属性接地故障，可单相接地运行，电网可以不间断供电，提高了供电可靠性。4)接地电流小，降低了地电位升高；减少了跨步电压和接触电压；减小了对信息系统的干扰；减小了对地压网的还击。经济方面：节约了接地设备或接地系统导体的开支。另外，中性点不接地系统具有四个主要缺点：l)弧光过电压的危害：中性点不接地系统发生单相接地时，流过接地点的接地电流是系统总的电容电流，即正常每相电容电流的三倍，这一电流随着电网线路的增加，电网的扩大而不断增大。另一方面，接地点的电弧也较难熄灭，如果出现稳定电弧，有可能烧坏设备，甚至引起三相短路而扩大事故；在一定条件下，接地点还可能出现间歇电弧〔周期性熄灭和重燃的电弧〕，因为电网总是具有电容和电感，可能形成振荡回路而产生谐振过电压，这种由间歇电弧产生的过电压，称为弧光过电压，其值可达2.5~3倍相电压，对绝缘有非常大的威胁，对弱绝缘击穿概率大。2)当经过大过渡电阻接地时，零序电流很小，所以故障定位难，不能够正确迅速切除接地故障线路。3)绝缘水平要求高。单相接地后，健全相对地电压升高倍，所以系统的绝缘要按线电压考虑，在绝缘上投资相应要增加。4)单相接地不能长期运行，虽然绝缘是按线电压设计的，单相接地后，设备绝缘并不危险，可是当单相接地后，长期运行可能引起正常相的绝缘薄弱点击穿而接地，这就造成了两相异地接地短路，出现很大的短路电流，可能造成设备损坏，扩大事故范围。2.3.2中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障分析中性点不接地系统发生单相接地,流过接地点的接地电流是电容电流，属小电流接地系统，可是随着系统增大，线路的电容电流增大，使越来越多的瞬时接地故障不能自动消除，而间歇电弧接地引起的弧光过电压使得绝缘受到严重的威胁。当电容电流超过规定值((3~10kV)电网为30A；20kV及以上电网为10A)，为了防止间歇电弧，可采用中性点经消弧线圈接地的运行方式。我国局部地区，由于近几年城市建设步伐加快，架空线路不断下地，电缆路的比重逐年上升。但随着电缆线路的增多，电容电流不断增大，而我国大多数中压电网采用的是经消弧线圈接地方式。图如图2.4。图2.4中性点经消弧线圈接地系统Fig2.4Single-phasepermanentearthinginpterson-coilsystem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，消弧线圈中没有电流流过。各电量特征与中性点不接地一样。发生单相接地故障时，三相电路的对称性受到破坏，故障点就出现明显的不对称，如当A相发生单相接地故障时，A相对地电压变为零，而B相和C相对地电压升高，对地电容电流相应增大。同时，故障线路中将有电流流过，接地点f的电流为所有线路电容电流和电感电流的总和。 为了更加清晰地分析电容电流和电感电流的分布特点，可作出如图2.5所示的零序等效网络图。图2.5等效零序网络图Fig2.5Equivalentzerosequencenetworkdiagram中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地故障后，其零序电压及非故障线路接地电容电流的特点与中性点不接地电流完全一样。不同之处在于通过故障线路中的电流包含经消弧线圈接地而产生的电感电流。在有多条线路情况下，当发生金属性接地时，流过消弧线圈的电流为：〔2-16〕当经过渡电阻接地时，同理，故障点的总电流可根据等效发电机原理来确定，等效过程示意图如图2.6所示。从两端看进去,等效阻抗为：电网的零序电压为：(2-17)当从，从，可利用此特点进行确定故障相。流过故障点的电流为：(2-18)图2.6等效过程示意图Fig2.6Schematicplotofequivalentprocess由上述分析可得以下结论：l)经消弧线圈接地的电网发生单相接地故障后，电网中零序电压及非故障线路中的零序电容电流的相位和大小与中性点不接地系统完全相同。2)消弧线圈两端的电压为零序电压，消弧线圈的电流通过故障点和故障线路的故障相，而不通过非故障线路。在过补偿的情况下，故障线路的零序电流超前于零序电压，即也由母线流向线路，与非故障线路的一样。3)实际上，在电网中发生的单相接地故障，是非金属性不完全接地，即故障相经过一个过渡电阻接地。显然，零序电压的大小受过渡电阻大小的影响，过渡电阻大，零序电压小，零序电流的大小那么随着零序电压的变化而变化。但零序电压与零序电流的相位关系不受过渡电阻的影响。4)电力系统接地电流的大小决定于系统中性点接地装置的阻抗、电网的对地电容及故障点的过渡电阻。在正常情况下，各相对地电容电流与负荷电流在各相之间形成通路〔三相对称〕，在单相接地故障时，电容电流将通过接地点。在实际运行中，这种接地方式暴露出了下的缺点：l)为适应不断增长的电容电流的要求，需不断增加消弧线圈数量增加其补偿容量，很不经济。2)弧线圈数量太多，导致对分接头的及时调有困难,，电容电流计算值或测量值不准确，补偿度调节不好，系统接地时易出现谐振过电压。3)发生单相接地故障时，另两相电压升高，对一些因施工质量或其它原因导致的电缆绝缘薄弱点，在试拉线路或线路分段过程中，易引起其相间绝缘损坏。2.3.3中性点经电阻接地系统单相接地故障分析中性点经电阻接地方式，即是中性点与大地之间接入一定电阻值的电阻，该电阻与系统对地电容构成并联回路，其单相接地故障时的电阻电流被限制到等于或略大于系统总电容电流。由于电阻是耗能元件。也是电容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，能减少电弧接地过电压的危险性，并使高灵敏且具有选择性的接地保护得以实现，对临近通信线路的干扰也较弱，有一定优越性。电阻接地方式是以限制单相接地故障电流为目的，并可以防止阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压。中性点经电阻接地图如图2.7。图2.7中性点经电阻接地图Fig2.7Single-phasepermanentearthingdiagraminneutral-pointearthingsystemthroughvalueresistance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，中性点电阻器R中没有电流流过。各电量特征与中性点不接地一样。发生单相接地故障时，三相电路的对称性受到破坏，故障点就出现明显的不对称，如当A相发生单相接地故障时，A相对地电压变为零，而B相和C相对地电压升高，对地电容电流相应增大。同时，故障线路中将有电阻电流流过，接地点f的电流为所有线路电容电流和电阻电流的总和。不考虑线路中的电感，那么这时中性点电阻R与系统电容相并联，其等效图如图2.8。图2.8中性点经电阻接地的等效示意图Fig2.8Schematicplotofequivalentneutral-pointearthingsystemthroughvalueresistance零序电压为： (2-19)通过中性点经电阻器接地的等效示意图，我们可以计算出在中性点经电阻器接地的运行方式下发生金属性接地时的零序电流为：(2-20)在该中性点运行方式下，一般电阻性电流与电容性电流相等，中值电阻值与系统容抗值相等，即：(2-21)所以，零序电流可以写成：(2-22)当经过渡电阻接地时，这时相当于过渡电阻与中性点中值电阻并联，其等效电阻为：(2-23)所以，这时的零序电流为：(2-24)中性点经电阻接地电网有以下优点：可防止和阻尼谐振过电压和间歇性电弧接地过电压，由于健全相过电压降低，产生异地两相接地的可能性也随之减少；采用电阻器接地，接地电阻在10~100Ω之间。接地故障电流控制在50~100A，在这种方式下可以减小了地电位升高。这种接地方式看上去与消弧线圈接地方式相似，但性质不同，消弧线圈是接近于开路的纯感性元件，感性电流与容性电流相位差对电容电流起补偿作用，而经电阻接地方式以电阻为主，与容性电流接近的相位差，接地电流是容性电流和电阻性电流的相量和。因此我们可以看出经电阻接地方式具有经消弧线圈接地方式所没有的优点，由于接地电流中有较大的电阻分量，它对谐振有明显的阻尼和加速衰减作用，同时能可靠的防止出现谐振条件，还可以有效的抑制电压互感器铁磁谐振，这对保证发电机的绝缘平安是非常重要的。另外这种方式可以快速的选出接地相，使保护动作，发出报警。3小电流单相接地故障选线算法3.1选线算法综述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[5]。3.1.1零序电流比幅算法零序电流比幅法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拟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，即利用零序电流与某一整定值做比拟，整定值一般大于系统内任何一条出线的电容电流值，如果小于整定值，继电器不动作；如果大于整定值那么继电器动作，显示器显示该回路的编号，选线完成[6]。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(CT)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、多项选择或漏选。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。零序电流比幅法的致命问题是不适用于中性点经消弧线圈接地电网。由于该电网中消弧线圈补偿电流的存在，往往使故障线路电流幅值小于非故障线路；另外一个影响可靠性的因素是故障点电弧不稳定现象，小电流接地故障往往伴随有间歇性拉弧现象，由于没有一个稳定的接地电流，因此可能造成选线失败。一些装置在试验室模拟试验，甚至在现场进行人工接地试验时选线结果很准确，但实际应用效果却并不好,这是因为模拟试验时线路导体与地之间是金属性接触，与实际运行中的绝缘击穿现象存在过渡电阻，所以与金属性接地并不完全相同，往往造成选线结果不准确。3.1.2群体比幅比相算法群体比幅比相法是比幅算法的改良算法，其原理是先进行零序电流比拟，选出几个幅值较大的作为候选，然后在此根底上进行相位比拟，如果某条线路方向与其它线路不同，那么其为故障线路，如果所有零序电流同相位，那么为母线故障。该方法是中性点不接地系统的常用选线方法，被大多数选线装置所采用，是当前国内基于系统的稳态故障分量的最好的原理。在所有中性点非直接接地系统中，非故障线路始端的零序电流，为其自身对地电容电流。当中性点不接地时，故障线路始端的零序电流，为所有非故障线路零序电流之和，而方向是自线路流向母线，即有：(3-1)但是当线路较短或者经大电阻接地时，零序电流幅值很小，此时零序电流的相位误差将很大，导致选线错误。同时该方法虽然能够降低电流互感器的不平衡电流及过渡电阻的影响，但是不能够从根本上解决电流互感器及过渡电阻给选线带来的影响。在利用群体比幅比相法研发的小电流选线装置在实际的应用过程中，发现选线的成功率在过渡电阻较小的情况下，故障发生在电压最大值附近时，选线效果较好。但是，在过渡电阻较大的情况下，选线情况不是很好且幅值较小。在对母线单相接地故障选线时效果较好。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，算法那么会失效，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拟传统的方法，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由于故障点!消弧线圈及变压器等电气设备的非线性影响,故障电流中存在着谐波信号，其中以5次谐波分量为主，并且消弧线圈对5次谐波的补偿作用仅相当于工频时的1/25，因为对于中性点经消弧线圈接地系统中的消弧线圈是按照基波整定的，即有：(3-2)(3-3)可以忽略消弧线圈对五次谐波产生的补偿效果。因此，故障线路的5次谐波零序电流的幅值比非故障线路的都大且方向相反，据此可以选择故障线路，称为5次谐波法。为了进一步提高灵敏度可将各线路的3、5、7次等谐波分量的平方求和后进行幅值比拟，幅值最大的线路选为故障线路。谐波法的优点是可以克服消弧线圈补偿的影响，但实际应用效果并不理想。主要原因是故障电流中的5次谐波含量较小〔10%〕，检测灵敏度低，且负荷中的五次谐波源、电流互感器CT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；屡次谐波平方和法虽然能在一定程度上克服单次谐波信号小的缺点，并不能从根本上解决问题。3.1.5有功分量算法零序电流有功分量法是根据线路存在对地电导以及消弧线圈存在电阻损耗，故障电流中含有有功分量来选择故障线路。故障线路零序电流有功分量与正常线路零序电流有功分量相位相反，即：非故障线路的零序有功分量方向是由母线流向线路，而非故障线路的零序有功分量方向是由母线流向线路。并且故障线路零序电流有功分量幅值最大。故障线路零序有功分量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。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。但在实际中，有功分量法的优点是不受消弧线圈的影响，但由于故障电流中有功分量非常小，一般只占零序电流的2%~3%，有功分量易受电流互感器CT不平衡对零序电流提取精度、线路长短、过渡电阻大小的影响，相角比拟也容易发生误选，可靠性得不到保障。为了提高灵敏度，有的装置采用瞬时在消弧线圈上并联接地电阻的做法加大故障电流中的有功分量。3.1.6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。由于小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化性质和多分辨率特性，特别适用于分析奇异信号，可以在不同频域考察信号时域与频域特征。稳态时故障信息比拟微弱的问题，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小波算法。小波算法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。小波法选线技术的难点在于小波基函数与小波分解尺度的选择。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，可能出现暂态过程不明显的情况，易发生误选，所以往往通过采用与其它方法(如：维纳滤波技术)相结合的选线技术。3.1.7能量函数法能量函数法通过能量计算公式：计算出能量值。能量函数的值能表达有功分量的大小和方向，这样可以实现故障选线。实际上能量函数法是对有功分量进行累加。能量函数法的根本原理：在中性点经消弧线圈接地的电网中，当系统发生单相接地故障后，接地点的电容电流由消弧圈的感性电流进行补偿，使得故障点的剩余电流很小，有利于接地电弧熄灭。同时消弧线圈在过补偿的作用下，故障线路的零序电流方向与非故障线路的方向相同，不利于选线[7]。但此时零序电流中的阻性分量与补偿无关，即故障线路的零序电流的阻性分量与非故障线路的零序电流的阻性分量方向相反，且故障线路零序电流阻性分量的绝对值最大。如果能够从线路零序电流中分解出阻性电流分量，那么可以利用此值进行选线。但从零序电流中分解阻性分量在接地故障暂态过程实现困难。考虑到电网中电容和电感只能储存能量而不消耗能量，那么零序电流与电压乘积在一定时间内的积分值就是零序电流中阻性分量消弧的能量。此能量同样具有零序阻性电流的特点，可以作为选线的判据。为了使选线判据在间歇性电弧接地和瞬间接地故障时同样有效，以暂态量作为研究对象，所以此时定义的零序电流不再是传统意义上的三序电流中的零序分量，而是三相电流瞬时值之和的1/3。同样，零序电压也为三相电压之和的1/3。如下式所示：(3-4)(3-5)定义线路j的零序暂态能量为：(3-6)式中为中性点电压；为第j条线路的零序电流；T为电网工频周期。对于消弧线圈支路也可以看成一条线路，只是要把改为。电网发生单相接地故障后，根据叠加原理，可以假定系统由两个子系统叠加构成：一个由三相电源和传输网络及负载组成的正常运行系统；一个由发生故障后故障点假想电压源和传输网络组成的故障系统。那么此时式中定义的能量就为故障系统中线路j上一个工频周期的能量。电感和电容只是存储能量，在整数倍工频周期内差为零，线路的电阻和对地导纳上才消耗能量，所以是第j条线路上零序能量,根据零序电流的参考方向和零序阻性电流的特点，消弧线圈的补偿作用，故障线路的零序电流方向与非故障线路的方向那么可得故障线路的能量为负，非故障线路上的能量为正，且故障线路的能量绝对值最大。从物理意义上来讲，就是在故障系统中，故障线路提供了零序能量而非故障线路〔包括母线和消弧线圈〕消耗了能量，所以故障线路的能量为负值，且绝对值等于所有非故障线路能量绝对值之和，可以以此作为选线的判据，即对每条线路作上式的积分，积分值为负而且绝对值最大的就是故障线路。由以上分析可以得出以下结论，利用能量函数法可以利用能量函数的方向进行判别选线，即：能量函数值大于零时，为非故障线路；能量函数值小于零时为故障线路；也可以利用量函数的大小进行判别选线，即：能量函数值最大的线路为故障线路。能量函数法的缺点是：如果噪声的影响变大，会影响选线的灵敏性。3.1.8信号注入法信号注入法突破了长期以来使用故障产生信号选线的框架，不利用故障产生的信号，而是向系统注入外部信号进行选线的一种方法。一般从电压互感器二次侧注入电流信号，其频率取在各次谐波之间，从而保证不被工频分量及高频谐波分量干扰。注入电流信号沿接地线路的接地相流动，并经接地点入地，用信号探测装置对每一条出线进行探测，探测到注入信号的线路即故障线路[8]。该方法的最大优点是适用于线路上只安装两相电流互感器的系统，利用该方法的选线装置己大量投入运行，但效果并不理想，这是因为该方法的缺点：l)注入信号的功率不够大，且经高阻接地时，注入信号微弱而不易检测。2)弧光接地时谐波含量丰富，注入信号极易受到干扰。3)电弧接地时含有丰富的谐波分量，不管注入信号取哪一频带，都有可能识别不出。4)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。需要附加信号装置，实现困难，可靠性差。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接地电阻不同，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拟大，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。3.3综合选线算法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缺乏之处，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[9]。在综合选线方式中，整个电网各条线路的测量数据聚集在一起，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3.1所示。图3.1多种选线方法集成的信息融合模型Fig3.1Linemethodintegratesavarietyofoptionsforinformationfusionmodel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，该方法可能正确，也可能错误。本文将所有的故障信号特征称为故障域。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。3.4连续选线算法由于小电流接地系统单相接地故障信号微弱，易受到外界的各种噪声干扰，很有可能通过A/D采样器件采集的信号受到了较大程度的干扰，此时利用该信号进行选线的误选可能性就非常高。故障持续过程中，有些时段信号不利于选线，但更多的时段信号能够反映故障特征适于选线。因此，如果能将单相接地故障持续过程中的信号进行充分利用，那么选线正确性将得到很大提高。最极限的想法当然是将故障持续时间内的全部信号存储起来进行选线，但是受装置存储容量的限制，这是不可能做到的。一个可行的方法就是故障发生后，每间隔一段时间进行一次数据采集和选线，只要故障不消失，选线就不停止，这就是连续选线的概念。连续选线方法是在综合选线方法的根底上，进一步研究如何充分利用故障持续过程中的有用信息进行选线。在故障持续过程中，每一次数据采集及选线都是一个相对独立的决策过程，连续选线方法的功能就是将屡次决策融合成为最终的决策，具体实现形式就是由单次选线结果(即各条线路的单次故障度)合成得到连续选线结果(即各条线路的连续故障度)，通过决策规那么对连续选线结果进行分析并给出最终结论。连续选线的模型可以表示为图3.2。图3.2连续选线的信息融合模型Fig3.2Continuouslineselectioninformationfusionmode连续选线方法只对每一次选线的决策结果进行融合，而不需要考虑决策单元所使用的原始数据或提取的信号特征。因此该方法不仅能够充分地利用故障信息，进一步提高选线正确率，而且可以防止大量数据存储问题，节约系统资源，提高系统运行效率。连续故障度定义如下：连续故障度是定义在[0，∞]上的实变量，用来定量描述一条线路在连续进行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，说明该线路越可能是故障线路。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，比方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4~10个周波的故障数据。4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，假设发生故障那么给出选线结果，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。本系统中包含了信号采集系统模块、A/D转换模块、CPU模块、存储器模块、人机对话模块等。图4.1示为系统结构框图。图4.1系统结构框图Fig4.1Systemstructurediagram4.1CPU模块CPU模块是单片机的核心模块。选择适宜的CPU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C8051F120。C8051F120是SilabsLaboratories公司生产的完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片〔SOC〕。该单片机具有高速〔100MIPS〕流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，包含64个数字I/O引脚〔100脚TQFP封装〕，可在工业温度范围〔-45℃到+85℃〕工作。C8051F120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。而且大局部指令仅需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。C8051F120具有控制系统所需要的模拟和数字外设，包括看门狗〔Watch-dog〕、ADC〔模数转换器〕、DAC〔数模转换器〕、电压比拟器、电压基准输出、5个通用的16位定时等，并具备包括SPI〔增强型串行外设接口〕、SMBUS〔与兼容〕、两个UART串行接口以及CAN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。C8051F120采用FLASHROM技术，集成TAG〔IEEE1149.1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存放器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。该系列MCU具有标准8051的端口〔0、1、2和3〕。在100脚TQFP封装的器件中有4个附加的端口〔4、5、6和7〕，因此共有64个通用端口I/O。这些端口I/O的工作情况与标准8051相似，但有一些改良。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8051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。最独特的改良是引入了数字交叉开关，允许将内部数字系统资源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引脚。与具有标准复用数字I/O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存放器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比拟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。C8051F120卓越的性能，使其备受广阔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。C8051F120速度高达100MIPS，但是考虑到其他芯片的速度，适当地降低了CPU的速率，系统时钟频率设置为49MIPS，充分的表达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信号采集模块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MAX308选择进入A/D转换模块。由于交流电量输入信号是双极性的，而A/D只允许单极性输入，因此可通过加偏置电压匹配A/D输入。电压调整图如图4.2示。图4.2电压调整图Fig4.2Voltageadjustmentfigure(4-1)(4-2)令，，；那么有：(4-3)当时，有：(4-4)为A/D转换器的基准电压。为经过PT/CT到达MAX308多路开关的电压值。由上式可知，该电路能满足A/D转换器件MAX1276的输入电压要求。4.3A/D转换模块A/D转换模块的功能是将输入的模拟信号转换成单片机数据总线能接受的数字信号。MAX1276是一款12位渐近型模数转换器，具有低功耗、高速、串行输出的特点，其工作速率达1.8Msps并且具有4.096V内置电压基准。有标准的SPI接口可以轻松的与C8051F120的同步串行接口相连。器件采用真差分输入，提供更好的噪声抑制、具有改良的失真特性以及在单端输入时更宽的动态范围，能够满足小电流选线装置的精度要求。其典型工作电路如图4.3所示。图4.3MAX1276典型工作电路图Fig4.3MAX1276typicaloperatingcircuit初始上电后，MAX1276需要一个完整的转换周期，以初始化内部校准电路。在完成初始化转换之后，器件就准备好了正常操作。注意：仅仅在硬件上电后需要进行初始化。MAX1276兼容于SPI的四种工作模式，可以通过控制存放器中CPHA和CPOL位进行编程选择。当SCLK信号处于空闲的低或者高电平，CNVST下降沿启动一次转换时序，采样／保持器保持输人电平，ADC开始转换，DOUT高阻态变为逻辑低电平。SCLK用于驱动转换进程，并从DOUT引脚串行移出每个转换完成的数据位。在第4个SCLK上升沿之后，SCLK开始移出数据。在每个SCLK上升沿的〔SCLK上升到DOUT转换时间〕之后，DOUT输出才有效，并且在下一个上升沿之后，还将保持4ns的有效时间。第4个时钟上升沿在DOUT引脚输出转换结果的MSB位〔最高有效位〕，并且MSB在第5个上升沿之后保持4ns有效时间。由于共有12个数据位和3个引导零位，故至少需要16个时钟上升沿移出所有位。连续工作模式时需要在第14个和第16个SCLK上升沿之间将CNVST拉高。如果CNVST信号在第16个SCLK周期的下降沿保持低电平，DOUT会在CNVST的上升沿或者下一个SCLK上升沿变为高阻态，以使多片器件共享该串行接口。C8051F120单片机的串行外设接口〔SPI0〕提供访问灵活的全双工串行总线。SPI0可以作为主器件或从器件，有3线工作方式和4线工作方式，并支持在同一总线上连接多个主器件和从器件。从选择信号〔NSS〕可以被配置为输入以选择从方式下的SPI0，或在多主环境中禁止主器件方式操作，以防止两个以上主器件试图同时进行数据传输时产生冲突。NSS还可以被配置为主方式下的片选输出，或在3线操作时被禁止。在主方式，可以用通用端口I/O引脚选择多个从器件。主输出、从输入〔MOSI〕信号是主器件的输出和从器件的输入，用于从主器件到从器件的串行数据传输。当SPI0作为主器件时，该信号是输出；当SPI0作为从器件时，该信号是输入。数据传输时最高位在先。当被配置为主器件时，MOSI由移位存放器MSB驱动。主输入、从输出〔MISO〕信号是从器件的输出和主器件的输入，用于从从器件到主器件的串行数据传输。当SPI0作为主器件时，该信号是输入；当SPI0作为从器件时，该信号是输出。数据传输时最高位在先。串行时钟〔SCK〕信号是主器件的输出和从器件的输入，用于同步主器件和从器件之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输。当SPI0作为主器件时产生该信号。当SPI从器件工作在4线从方式但未被选中时〔NSS=1〕，SCK信号被忽略。从选择〔NSS〕信号的功能取决于SPI0CN〔SPI控制存放器〕中NSSMD1和NSSMD0位的设置。有3种可能的方式：3线主方式或3线从方式、4线从方式或多主方式、4线主方式。当工作在3线主或从方式时，NSS不被交叉开关分配引脚。本装置中仅有1个器件使用SPI口，所以选择三线方式可以节约I/O口。SPI0主方式操作模式：SPI主器件启动SPI总线上所有的数据传输。通过将主允许标志置1将SPI0置于主方式。当处于主方式时，向SPI0数据存放器〔SPI0DAT〕写入一个字节时是写发送缓冲器。如果SPI移位存放器为空，发送缓冲器中的数据字节被传送到移位存放器，数据传输开始。SPI0主器件立即在MOSI线上串行移出数据，同时在SCK上提供串行时钟。在传输结束后SPIF〔SPI中断位标志〕被置为逻辑1。如果中断被允许，在SPIF标志置位时将产生一个中断请求。在全双工操作中，当SPI主器件在MOSI线向从器件发送数据时，被寻址的SPI从器件同时在MISO线上向主器件发送其移位存放器中的内容。因此，SPIF标志既作为发送完成标志又作为接收数据准备好标志。从从器件接收的数据字节以MSB在先的形式传送到主器件的移位存放器。当一个数据字节被完全移入移位存放器时，便被传送到接收缓冲器，处理器通过读SPI0DAT来读该字节。使用SPI0配置存放器〔SPI0CFG〕中的时钟控制选择位可以在串行时钟相位和极性的4种组合中选择其一。当CKPOL=0，CKPHA＝0，SCK低电平为空闲状态，数据在时钟前半周期采样〔上升沿采样〕；当CKPOL=0，CKPHA＝1，SCK低电平为空闲状态，数据在时钟后半周期采样〔下降沿采样〕；当CKPOL=1，CKPHA＝0，SCK高电平为空闲状态，数据在时钟前半周期采样；当CKPOL=1，CKPHA＝1，SCK高电平为空闲状态，数据在时钟后半周期采样；当SPI被配置为主器件时，最大数据传输率〔位/秒〕是系统时钟频率的二分之一或12.5MHz，取两者的较低值。在本装置中，我们配置的系统时钟频率为49MHZ，所以选取12.5MHZ为SPI的数据传频率。单片机的数据总线是单片机与存储器和I/O设备之间传送数据的公共通道。因此，A/D转换器在与单片机接口时，要求其数据输出端必须通过三态缓冲器与数据总线相连，当未被选中时，A/D转换器输出呈高阻态，以防止干扰数据总线上的数据传输。MAX1276在其内部数据输出端口上集成了三态缓冲器，在输出数据有效时，输出采样结果数据。在转换时，输出数据端口称高阻状态，所以MAX1276可以与单片机的数据总线直接相连[11]。MAX1276与CPU的硬件连接图如图4.4所示。各母线上的零序电压/零序电流信号分别通过电压传感器、电流传感器转换成低幅值信号，经由低通滤波电路剔除高频干扰，然后由模拟多路开关MAX308选择A/D转换的通道。此时，电压为交流波形，而MAX1276的A/D转换范围为0～4.096V，所以增加了一个电压调整电路使输入A/D芯片的电压转换为MAX1276的输入量程内的电压值。最后通过A/D转换芯片把模拟信号转换成单片机数据总线能接受的数据。时序匹配是指单片机提供的控制信号的持续时间和相位关系能满足所用A/D转换器的控制信号要求。由于单片机输出的控制信号的宽度与其所用的时钟频率有关，所以通过控制C8051F120的SPI0CKR〔时钟控制存放器〕可以控制输出时钟频率，以满足MAX1276的需要。图4.4硬件连接图Fig4.4Hardwareconnectiondiagram用多路开关MAX308和转换芯片MAX1276构成的A/D转换电路的有关参数如下：1、MAX308输入参数Vin开关闭合后的输出建立时间Ttrans〔从开关闭合控制逻辑上升至标准高电平的50%起，到Vout到达90%Vin止〕最大值为450ns，典型值为115ns；2、MAX1276的最大转换速率为1.8Msps，取决于输入时钟SCLK的频率。而它允许输入的最大频率为28.8MHz，现取C8051F120的最大输出频率100MHz的四分之一，即25MHz，那么SCLK=25MHz，周期Ts=40ns；MAX1276在接到经过MAX308送来的模拟输入Vin后，对Vin的采样〔即对保持电容充电〕时间为104ns；MAX1276被启动后即进入保持〔即与Vin断开〕阶段和开始A/D转换：用3个脉冲完成A/D转换，再用13个SCLK通过SPI总线向上位机传送出12位转换结果。转换和传输所用的全部时间为40*〔3+13〕=640ns。3、以MAX308和转换芯片MAX1276构成的子系统完成一次转换所需要的时间共计为115ns+104ns+640ns=859ns。考虑到虽然还有一些其他的延时，但一般不会超过100ns。因此可以认定：MAX308和转换芯片MAX1276构成的A/D转换子系统的转换速率不小于1MSPS。4.4存储空间扩展模块存储器就是用来存储信息的部件。正是有了存储器，单片机才有了对信息的记忆功能。程序、数据以及运算结果都存放在存储器中。程序和数据在CPU的控制下首先通过输入设备输入到存储器，然后CPU再从存储器中取出程序指令和要处理的数据，并按程序指令的要求进行运算处理，最后处理的结果仍送回存储器中或通过输出设备显示出来。基于C8051F120的小电流接地故障选线装置集成了多种算法，需要采集的零序电压、零序电流信号等需要150K以上的空间，并且其故障故障录波模需要记录故障发生时的各种信息，大约需要12MB左右的空间，单片机内部的存储空间远远不能满足其要求。因此在本系统中，我们扩展了一片慢速非易失性128MB的FLASH芯片K9K1G08U0M和一片快速静态数据存储器〔SRAM〕，从而满足了选线装置对选线算法及数据存储的要求。4.4.1SRAM的扩展在本装置中，采集的零序电压、零序电流信号共有48路，每一路数据采集6个周波，一个周波采集50个点的数据，数据采用浮点数表示方式，长度为4字节，这就要求48×6×50×4=57.6K字节。考虑到交互数据的需要，至少要求3个这样大小的存储区域即为57.6K×3=172.