目錄0引言11緒論31.1小電流接地系統研究現狀31.2小電流接地系統研究的意義42小電流接地系統單相接地故障分析62.1概述62.2小電流接地系統不同接地方式的比擬72.2.1中性點不接地方式72.2.2中性點經消弧線圈接地方式72.2.3中性點經電阻接地方式82.3小電流接地系統不同接地方式的故障分析82.3.1中性點不接地方式的故障分析82.3.2中性點經消弧線圈接地系統單相接地故障分析132.3.3中性點經電阻接地系統單相接地故障分析173小電流單相接地故障選線算法203.1選線算法綜述203.1.1零序電流比幅算法203.1.2群體比幅比相算法203.1.3無功功率算法213.1.4五次諧波分量算法213.1.5有功分量算法223.1.6小波算法223.1.7能量函數法233.1.8信號注入法243.2選線影響因素分析253.3綜合選線算法253.4連續選線算法274小電流接地選線裝置的硬件設計294.1CPU模塊294.2信號采集模塊304.3A/D轉換模塊314.4存儲空間擴展模塊364.4.1SRAM的擴展364.4.2FLASH芯片的擴展384.5人機對話模塊394.6通信系統414.7硬件抗干擾設計435小電流接地選線裝置的軟件設計445.1軟件框架設計445.1.1控制層軟件設計455.1.2應用層軟件設計535.1.3各任務之間的切換關系545.2軟件抗干擾技術的應用556經濟技術分析577結論58致謝59參考文獻60附錄A譯文61附錄B外文文獻650引言電力系統中性點接地方式可劃分為兩大類：大電流接地方式和小電流接地方式。在大電流接地方式中，主要有：中性點直接接地方式，中性點經低電阻、低電抗或中電阻接地方式；在小電流接地方式中，主要有:中性點經消弧線圈接地方式，中性點不接地方式和中性點經高電阻接地方式等[1,2]。小電流接地系統發生單相接地故障時的情況比擬復雜，各物理量的變化與系統中性點接地方式、接地點位置、接地電阻值、燃弧和熄弧情況等因素都有關系。不過接地故障發生后總是先引起各相電壓的變化，然后導致各相電流發生變化。我國6~66kV配電網一般為小電流接地方式。單相接地故障是配電網中發生頻率較高的故障，故障發生后，由于大地與中性點之間沒有直接電氣連接或串接了電抗器，因此短路電流很小，保護裝置不需要立刻動作跳閘，從而提高了系統運行的可靠性，特別是在瞬時故障條件下，短路點可以自行滅弧恢復絕緣，有利于減少用戶短時停電次數。但如果故障是永久性的，系統僅允許在故障情況下繼續運行1~2小時，此時必須盡快查明接地線路，以便采取相應措施排除故障，恢復系統正常運行[3,4]。因此提出小電流接地系統的單相接地故障選線問題。小電流接地系統的優點是接地故障零序電流小，但微弱的零序電流常混雜在各種干擾信號中，為準確選線排除故障增加了難度。針對這個問題已有大量的研究，基于不同的原理，提出了許多解決方案，并開發出選線裝置在實際工作中取得了一定的應用。在研究選線算法的初期，主要針對某一具體算法，如適用于中性點不接地系統的群體比幅比相算法，適用于經消弧線圈接地系統的諧波法、能量法、小波法等。從現場應用情況來看，這些傳統的算法的選線效果并不理想，主要原因有：(1)接地狀況復雜，故障狀況不同，產生的故障特征量在數值上、變化規律上相差很大；(2)故障電流微弱，測量精度難以保證；(3)現場的電磁干擾以及工頻負荷電流干擾使測量的故障成分信噪比非常低。受各種干擾因素的影響,故障選線裝置測量到的故障特征量(如零序電流、零序功率方向等)具有很大的模糊性和不確定性，同一干擾信號對不同的故障檢測手段的影響相差較大，沒有哪種單一選線方法對所有故障類型都有效。另外，由于小電流接地系統的特殊性，運行中因改變運行方式而出現諧振過電壓的幾率較高，過電壓不僅影響設備的平安運行，并且會啟動選線裝置，造成選線裝置誤動，影響故障處理。因此，分析研究各種選線算法，提取特征信息確定選線算法的有效性，將各種選線算法智能融合，分析諧振引起的虛幻接地現象，有效區別諧振過電壓和單相接地故障，形成適應性強的選線算法，并為算法的實現建立計算快速、靈敏的硬件平臺，實現小電流接地系統單相接地故障快速、可靠選線，將具有重要的理論和實際意義。1緒論1.1小電流接地系統研究現狀世界各國的配電網中性點在50年代前后，大都采用中性點不接地或經消弧線圈接地方式；到60年代后，有的采用直接接地和低電阻接地方式，有的采用經消弧線圈接地方式。對于故障選線的研究，在前蘇聯，小電流接地系統得到了廣泛應用，并對其保護原理和裝置的研究給予了很大的重視，發表了多篇論文，研制了幾代裝置，在供電和煤炭行業中得到了應用，保護原理從過流、無功方向開展到了群體比幅；裝置由電磁式繼電器、晶體管開展到模擬集成電路和數字電路，而微機構成的裝置較少。日本在供電、鋼鐵、化工用電中普遍采用中性點不接地或經電阻接地系統，所以選線原理簡單，采用基波無功方向方法，近年來，在如何獲取零序電流信號以及接地點分區段方面投入了不少力量，利用光導纖維研制的架空線和電纜零序互感器OZCT試驗獲得成功。德國多使用諧振接地系統，并于30年代就提出了反映故障開始暫態過程的單相接地保護原理，研制了便攜式接地報警裝置。法國在使用中性點經電阻接地系統幾十年后，現在正以諧振接地系統取代中性點經電阻接地系統，同時開發出了高新技術產品零序導納接地保護。而挪威一家公司那么利用測量空間電場和磁場的相位，反映零序電壓和零序電流的相位，研制了懸掛式接地指示器。90年代初，國外已將人工神經網絡原理應用于單相接地保護，并有文獻提到應用專家系統方法，隨著小波分析的出現和開展，國外有文獻提及利用小波分析良好的時頻局部性，分析故障暫態電流的高頻分量的方法。我國從1958年起，就一直對小電流接地系統單相接地故障的選線問題進行研究，提出了多種選線方法，并開發出了相應的裝置。50年代我國有根據首半波極性研制成功的接地保護裝置和利用零序電流五次諧波研制成功的接地選線定位裝置。70年代后期，上海繼電器廠和許昌繼電器廠等單位研制生產了一批有選擇性的接地信號裝置，如反映中性點不接地系統零序功率方向的ZD-4型保護和反映經消弧線圈接地系統五次諧波零序功率方向的ZD-5，ZD-6，ZD-7型保護。有些運行部門還采用反映零序電流增大的零序電流保護來選線。80年代中期，我國又研制成功了微機型小電流接地系統單相接地選線裝置，近幾年來，隨著微機在電力系統應用的推廣，相繼又出現了一些微機型接地選線裝置和適合微機實現的選線理論。其中由南京自動化研究院研制的微機小電流接地系統單相接地選線裝置，其主要原理是比擬線路零序電流五次諧波的大小和方向；華北電力大學利用零序電流的五次諧波比相原理研制的ML98型小電流接地系統單相接地微機選線裝置等等。另外，信號注入式接地選線、定位保護利用對外加診斷信號的尋蹤實現選線、定位，已在電力系統中獲得較為廣泛的應用。為提高選線的正確率國內研究人員不斷進行探索，有文獻從信息融合的思路出發，提出充分利用多方面的故障信息，探索多種選線方法使之相互融合來提高故障選擇判斷能力，并提出一種應用D-S證據理論實現的多重故障特征融合選線方法。在證據理論的應用中，將多信息綜合選線問題轉化為證據推理問題，使選線結果最大程度得到各個故障信息的共同支持，同時抑止了受到干擾的不良數據的影響。然而這種綜合選線方法運用于現場并不實用，不能解決配電網高阻故障選線困難等根本問題，僅對選線的可靠性做出了改善。1.2小電流接地系統研究的意義長期以來，人們針對小電流故障選線問題進行了大量的研究，基于不同的原理，提出了許多解決方案，有的已經開發出選線裝置并在實際工作中取得了一定的應用，但現場應用效果都不理想。美國、日本等國的配電電網采用低電阻接地方式居多，人工增大故障點的接地電流，利用零序過電流保護瞬間切除故障線路，不需要配置單相接地選線裝置，美國電力行業一般成認小電流系統技術上的優點，但是出于經濟方面的考慮(存在許多私營電力企業，全面的改造在經濟上不合算)，目前仍保持低電阻接地方式。在法國由于地下電纜的顯著增加和對用戶提供電能標準的提高，為能更好地控制接地故障期間的過電壓水平，法國電力公司(EDF)通過現場試驗和運行考驗后做出決定，將全部中壓電網的中性點改為諧振(小電流)接地方式。在采用小電流接地配電系統的俄羅斯、挪威、加拿大等國一直以來使用零序功率方向、零序過電流繼電器，也研制了微機式接地故障繼電器，但都是單條線路的保護，由于技術方面的原因接地保護被認為難以實現，并沒有在選線方面做進一步的研究，而是寧愿在供電網架的結構上增加投資以保證供電可靠性。繼電保護的選擇性等因素在一定程度上影響了小電流接地方式在一些國家和地區的應用與開展。我國由于本身電網的網絡結構薄弱從50年代就開始了對小電流接地系統接地選線原理和裝置的研究，并且相繼推出了幾代產品，在該領域開展很快，對該項技術研究處于國際領先水平。國內接地保護和選線裝置經歷了繼電器式產品、半導體集成電路裝置、微機裝置的開展階段。但是，很多裝置因為數據采集速度慢，或者因為數據計算處理、選線速度無法滿足實時性要求，或者因為選線原理有一定的缺陷，在靈敏度和可靠性方面尚欠理想，裝置在實際使用中的表現不能令人滿意。作為選線技術的發源地，我們小電流接地系統單相接地故障選線課題組對選線技術進行了長期的研究，并且取得了相當大的成就。2001年1月-2001年12月，課題組建立了國內第一個小電流接地選線的10kV物理模擬實驗室，經過屢次的實驗研究，找到了改良原有選線理論及裝置的方法和措施，成功研制出基于工控機技術的小電流接地系統單相接地選線裝置。該裝置業已投入現場運行，選線成功率高，充分的驗證了選線原理和選線判據的有效性和可靠性。基于工控機技術的小電流故障選線裝置雖然具有速度快、內存大、硬盤大等優點，但是由于存在易損元件、環境適應性差、本錢較高，不利于該項技術的進一步推廣。相反，采用單片機控制不僅能夠大大降低本錢，而且可以提高裝置的可靠性。尤其是近年來，隨著計算機硬件的開展，高速度、高性能的單片機產品的出現以及相關應用系統的日臻完善，單片機的應用正在不斷地走向深入，這為基于單片機控制的小電流故障選線裝置的實現提供了非常好的硬件根底。各種單片機控制的小電流選線裝置紛紛投入運行。但是現有的單片機控制的小電流選線裝置中，因為內存空間不夠大或者速度跟不上，導致選線算法單一，不能很好的滿足小電流選線實時接收數據、實時判斷的要求，從而選線精度大打折扣。所以，進一步深入研究裝置的單片機實現方式是十分有必要的。本文提出了基于單片機方式的硬件電路的開發方案和軟件系統設計方案，嘗試了使用C8051F120單片機來解決小電流故障選線問題，具有本錢低、體積小、速度快、內存大等優點。其CPU速度為100MIPS，A/D采樣速率達每周期50個點，完全滿足小電流選線技術對速度的要求。而且擴展的內存空間達1M，外存采用128M的FLASH芯片，分別滿足了選線程序及故障錄波的需要。2小電流接地系統單相接地故障分析2.1概述電力系統的中性點接地方式指的是變壓器星型繞組中性點與大地的電氣連接方式。在電力系統網絡結構中，中性點接地方式對于系統運行、絕緣、繼電保護等各方面都有著決定性的影響。由于對各種電壓等級電網的運行指標的要求日益提高，中性點接地方式的正確選擇及其在不同條件下的實施就具有越來越重要的實際意義。一般而言，中性點接地方式直接影響到：供電可靠性；線路和設備的絕緣水平；單相短路電流對設備損傷程度；繼電保護裝置的功能；對通信和信號系統的影響等等。在小電流接地方式中，主要有：中性點諧振接地方式〔經消弧線圈接地〕；中性點不接地方式；中性點經高電阻接地方式等。小電流接地系統的特點：1、由于中性點非有效接地，當系統發生單相短路接地時，故障點不會產生大的短路電流，因此允許系統短時間帶故障運行；2、此系統對于減少用戶停電時間，提高供電可靠性非常有意義；3、當系統帶故障運行時，非故障相對地電壓將上升很高，容易引發各種過電壓，危及到系統絕緣，嚴重時將會導致單相瞬時性接地故障開展成單相永久接地故障或兩相故障。對于110kV以下的中壓電力系統，設備的絕緣裕度受經濟因素的制約相對較小，降低絕緣水平成為一個相對次要的因素，主要矛盾那么轉化為單相接地故障電流的危害性，包括供電可靠性、人身與設備平安性，以及對通信干擾等問題的考慮。所以中壓配電網接地方式的選擇一般采用中性點非有效接地方式即小電流接地方式。在我國配電網中，66kV和35kV電網主要采用中性點經消弧線圈接地方式，3kV~10kV電網那么以中性點不接地方式為主，個別地區如上海以及北京、廣州等的局部城市電網采用小電阻接地方式。在小電流接地系統中，由于中性點非有效接地，當系統發生單相短路接地時，單相短路接地故障將不會形成大電流的回路，故障電流主要由線路對地電容提供。這個電流在數值上是很小的。對于10kV架空線路來說，每30公里線路產生大約1安培的零序電流。電纜線路產生的零序電流稍大一些。這樣微弱的故障信號混雜在上百安培的負荷電流中，使得準確找出故障線路成了一個技術難題。通過對小電流接地系統的單相接地故障機理分析，我們發現雖然接地電流數值上很小，但各線路電容電流的分布具有一定的規律性，所以通過這種可循的規律性就可以依據一定的選線原理確定出故障線路。2.2小電流接地系統不同接地方式的比擬2.2.1中性點不接地方式中性點不接地系統，實現起來簡單，不需要在中性點接任何裝置。發生單相接地故障時，其接地電流很小，而且不會破壞系統的對稱性，故一般允許其帶故障繼續運行1～2小時。由于單相接地時故障點電流很小，跨步電壓和接觸電壓都較低，使人身傷亡顯著降低，鄰近通信線路干擾較小。但它存在較嚴重的缺點：1)發生間歇電弧接地時，會產生高幅值過電壓；2)在單相接地的暫態過程中，會產生較大的過電流。中性點不接地系統發生單相接地時的特點為：1)中性點不接地系統發生單相接地后，故障相對地電壓為零，非故障相對地電壓為電網線電壓。整個系統將出現零序電壓，零序電壓由零上升至電網正常工作時的相電壓，電網中各處的零序電壓根本相等，線電壓仍然保持對稱；2)故障線路和非故障線路上均會出現零序電流，非故障線路的零序電流數值上等于本線路對地電容電流，方向由母線流向線路，故障線路的零序電流數值上等于所有非故障線路的零序電流之和，方向由線路流向母線；3)所有非故障線路的零序電流的相位相同，超前于零序電壓90度；故障線路零序電流的相位滯后零序電壓90度；即故障線路零序電流與非故障線路零序電流相位相差180度。中性點不接地電網中單相接地的電流為電容電流，對于規模不大的3～35kV電網，該電流只有幾個安培，單相接地實際并不影響向用戶供電，因為線電壓三角形沒有改變，從減少跳閘次數保證連續供電來看，采用中性點不接地方式是合理的。2.2.2中性點經消弧線圈接地方式對于出線較多，線路長度較長，或者包含大量電纜線路的系統，當其電容電流超過一定數值時，單相接地故障時電弧不易熄滅，這時應采用中性點經消弧線圈接地的方式運行。消弧線圈是一個裝設于配電網中性點的可調電感線圈，當發生單相接地時，可形成與接地電流大小接近但方向相反的感性電流以補償容性電流，從而使接地處的電流變得很小或接近于零。中性點經消弧線圈接地故障時，整個系統也出現數值為電網正常運行時的相電壓的零序電壓，并且故障線路和非故障線路上均會出現零序電流，非故障線路的零序電流在數值上等于自身線路對地電容電流，方向由母線流向線路，故障線路的零序電流數值上等于所有非故障線路的零序電流與電感電流之和，方向不定，視補償電流大小而定，如果線路零序電流諧波分量方向均流向母線，那么為母線接地。由于接地點殘流很小，故很難檢測出故障線路。中性點經消弧線圈接地的系統，其消弧線圈通常安裝于各樞紐變電所內，接在零序電抗小、零序漏磁通小的變壓器中性點上或接地變壓器中性點上且消弧線圈處于過補償狀態，使得故障時電弧重燃的次數大為減少，從而使高幅值的過電壓出現的概率減小。2.2.3中性點經電阻接地方式中性點經電阻接地分為高電阻接地、中電阻接地、低電阻接地三種方式。中性點電阻的值，從不同角度考慮差異很大，可歸納為三種取值原那么：限制間歇電弧接地過電壓；(2)限制單相接地電流使其小于三相短路電流；(3)限制通信干擾。此種接地方式的優缺點是：1)可以降低單相接地時非故障相的過電壓以及抑制弧光接地過電壓，對設備絕緣等級要求較低，其耐壓水平可以按相電壓來選擇；2)接地時，由于流過故障線路的電流較大，可以比擬容易地檢出故障線路；3)有利于消除諧振過電壓和斷線過電壓，防止使單相接地開展為相間故障；4)當發生單相接地故障時，無論是永久性的還是非永久性的，均作用于跳閘，使線路的跳閘次數大大增加，降低了供電可靠性。2.3小電流接地系統不同接地方式的故障分析2.3.1中性點不接地方式的故障分析中性點不接地(絕緣)是指中性點沒有人為與大地連接。經電位指示裝置或測量裝置或其它高阻抗接地除外。事實上，這樣的電網是通過電網對地電容接地。中性點不接地系統發生單相接地故障分析：電力系統中性點對地絕緣，即為典型的不接地系統,如果發生單相接地，假設不記元件對地的電容，那么接地電流為零，不影響對用戶供電。實際上各元件對地都存在電容，特別各相導體之間及相對地之間都存在沿全線路均勻分布的電容。為了討論方便，認為三相是對稱的，并用集中電容代替分布電容，各相之間的電容對我們討論的問題沒有影響，可以作為三相對稱的電容負載處理，這樣就可把三相中性點不接地系統單相故障等值簡化成圖2.1。圖2.1中性點不接地系統單相接地圖Fig2.1Single-PhasePermanentearthinginisolatedneutialsystem正常運行時，各相對地電壓是對稱的，中性點對地電壓為零，電網中無零序電壓。由于各相對地電容相同,在相電壓的作用下，各相電容電流相等并超前于相電壓。這時，無論采用三角形接法或星形接法,線電流中不存在零序分量，相電壓和零序電流的向量圖，如圖2.2.1所示。當發生單相接地故障后，三相電路的對稱性受到破壞,故障點就出現明顯的不對稱，當A相發生單相接地故障后，A相對地電壓變為零，其對地電容被短接，而B相和C相對地電壓升高,對地電容電流相應增大。過渡接地點f的電流為所有線路電容電流的總和，系統電容電流的分布和向量圖，如圖2.2.2所示。圖2.2.1相電壓和零序電流的向量圖Fig2.2.1VectordiagramofPhasevoltageandzero-sequencecurrent圖2.2.2系統電容電流的分布向量圖Fig2.2.2Vectordiagramofcapacitancecurrentofsystem當發生金屬性接地(即)故障時，為了便于分析，下面僅考慮故障線路。顯然從圖2.2中可以看出：A相電壓：〔2-1〕B相電壓：〔2-2〕C相電壓：〔2-3〕零序電壓：〔2-4〕各相電容電流和本線路流過接地點的電流為：〔2-5〕〔2-6〕〔2-7〕當系統有多條出線時，流過故障點的電流為：〔2-8〕其中，j=1,2,3...N為線路對地電容，N為出線的條數。由此可見，接地電流超前零序電壓，并由線路流向母線。故障電流為正常電容電流的3倍，相電壓升高到原來的倍，零序電壓由零上升為正常時的相電壓，可用此特征來選擇接地相。正常線路1的零序電流：〔2-9〕在不考慮線路電阻及接地電阻的情況下,3超前。故障線路2的零序電流：〔2-10〕由此可見，故障線路的零序電流除了B、C相分布電容電流，還多了一項從故障點流向母線的故障電流，使得故障線路零序電流在相位上比零序電壓滯后，幅值比正常線路大。我們可以利用這一點來確定故障線路。然而在實際小電流接地故障中，大局部接地故障都是經過渡電阻接地，假設接地電阻為，根據等效發電機原理(赫爾姆霍斯-戴維南定理)，可將其進行等效，等效過程如圖2.3。圖2.3中性點不接地系統故障后等效過程示意圖Fig2.3Equivalentfaultdiagramofisolatedneutralsystem其中：(2-11)(2-12)(2-13)從兩端看進去，等效電容為3C。所以電網零序電壓為：〔2-14〕故障電流為：〔2-15〕當時為金屬相接地，即金屬性接地。隨著的增加,零序電壓隨著減小，給選線帶來困難，但是零序電流與零序電壓之間的相位關系沒有變化。通過以上的分析中性點不接地系統具有兩個主要優點：l)運行方面：電網發生單相接地故障時穩態工頻電流小。2)如雷擊絕緣閃絡瞬時故障可自動消除，無需跳閘。3)如金屬性接地故障，可單相接地運行，電網可以不間斷供電，提高了供電可靠性。4)接地電流小，降低了地電位升高；減少了跨步電壓和接觸電壓；減小了對信息系統的干擾；減小了對地壓網的還擊。經濟方面：節約了接地設備或接地系統導體的開支。另外，中性點不接地系統具有四個主要缺點：l)弧光過電壓的危害：中性點不接地系統發生單相接地時，流過接地點的接地電流是系統總的電容電流，即正常每相電容電流的三倍，這一電流隨著電網線路的增加，電網的擴大而不斷增大。另一方面，接地點的電弧也較難熄滅，如果出現穩定電弧，有可能燒壞設備，甚至引起三相短路而擴大事故；在一定條件下，接地點還可能出現間歇電弧〔周期性熄滅和重燃的電弧〕，因為電網總是具有電容和電感，可能形成振蕩回路而產生諧振過電壓，這種由間歇電弧產生的過電壓，稱為弧光過電壓，其值可達2.5~3倍相電壓，對絕緣有非常大的威脅，對弱絕緣擊穿概率大。2)當經過大過渡電阻接地時，零序電流很小，所以故障定位難，不能夠正確迅速切除接地故障線路。3)絕緣水平要求高。單相接地后，健全相對地電壓升高倍，所以系統的絕緣要按線電壓考慮，在絕緣上投資相應要增加。4)單相接地不能長期運行，雖然絕緣是按線電壓設計的，單相接地后，設備絕緣并不危險，可是當單相接地后，長期運行可能引起正常相的絕緣薄弱點擊穿而接地，這就造成了兩相異地接地短路，出現很大的短路電流，可能造成設備損壞，擴大事故范圍。2.3.2中性點經消弧線圈接地系統單相接地故障分析中性點不接地系統發生單相接地,流過接地點的接地電流是電容電流，屬小電流接地系統，可是隨著系統增大，線路的電容電流增大，使越來越多的瞬時接地故障不能自動消除，而間歇電弧接地引起的弧光過電壓使得絕緣受到嚴重的威脅。當電容電流超過規定值((3~10kV)電網為30A；20kV及以上電網為10A)，為了防止間歇電弧，可采用中性點經消弧線圈接地的運行方式。我國局部地區，由于近幾年城市建設步伐加快，架空線路不斷下地，電纜路的比重逐年上升。但隨著電纜線路的增多，電容電流不斷增大，而我國大多數中壓電網采用的是經消弧線圈接地方式。圖如圖2.4。圖2.4中性點經消弧線圈接地系統Fig2.4Single-phasepermanentearthinginpterson-coilsystem正常運行時，各相對地電壓是對稱的，中性點對地電壓為零，電網中無零序電壓，消弧線圈中沒有電流流過。各電量特征與中性點不接地一樣。發生單相接地故障時，三相電路的對稱性受到破壞，故障點就出現明顯的不對稱，如當A相發生單相接地故障時，A相對地電壓變為零，而B相和C相對地電壓升高，對地電容電流相應增大。同時，故障線路中將有電流流過，接地點f的電流為所有線路電容電流和電感電流的總和。 為了更加清晰地分析電容電流和電感電流的分布特點，可作出如圖2.5所示的零序等效網絡圖。圖2.5等效零序網絡圖Fig2.5Equivalentzerosequencenetworkdiagram中性點經消弧線圈接地電網發生單相接地故障后，其零序電壓及非故障線路接地電容電流的特點與中性點不接地電流完全一樣。不同之處在于通過故障線路中的電流包含經消弧線圈接地而產生的電感電流。在有多條線路情況下，當發生金屬性接地時，流過消弧線圈的電流為：〔2-16〕當經過渡電阻接地時，同理，故障點的總電流可根據等效發電機原理來確定，等效過程示意圖如圖2.6所示。從兩端看進去,等效阻抗為：電網的零序電壓為：(2-17)當從，從，可利用此特點進行確定故障相。流過故障點的電流為：(2-18)圖2.6等效過程示意圖Fig2.6Schematicplotofequivalentprocess由上述分析可得以下結論：l)經消弧線圈接地的電網發生單相接地故障后，電網中零序電壓及非故障線路中的零序電容電流的相位和大小與中性點不接地系統完全相同。2)消弧線圈兩端的電壓為零序電壓，消弧線圈的電流通過故障點和故障線路的故障相，而不通過非故障線路。在過補償的情況下，故障線路的零序電流超前于零序電壓，即也由母線流向線路，與非故障線路的一樣。3)實際上，在電網中發生的單相接地故障，是非金屬性不完全接地，即故障相經過一個過渡電阻接地。顯然，零序電壓的大小受過渡電阻大小的影響，過渡電阻大，零序電壓小，零序電流的大小那么隨著零序電壓的變化而變化。但零序電壓與零序電流的相位關系不受過渡電阻的影響。4)電力系統接地電流的大小決定于系統中性點接地裝置的阻抗、電網的對地電容及故障點的過渡電阻。在正常情況下，各相對地電容電流與負荷電流在各相之間形成通路〔三相對稱〕，在單相接地故障時，電容電流將通過接地點。在實際運行中，這種接地方式暴露出了下的缺點：l)為適應不斷增長的電容電流的要求，需不斷增加消弧線圈數量增加其補償容量，很不經濟。2)弧線圈數量太多，導致對分接頭的及時調有困難,，電容電流計算值或測量值不準確，補償度調節不好，系統接地時易出現諧振過電壓。3)發生單相接地故障時，另兩相電壓升高，對一些因施工質量或其它原因導致的電纜絕緣薄弱點，在試拉線路或線路分段過程中，易引起其相間絕緣損壞。2.3.3中性點經電阻接地系統單相接地故障分析中性點經電阻接地方式，即是中性點與大地之間接入一定電阻值的電阻，該電阻與系統對地電容構成并聯回路，其單相接地故障時的電阻電流被限制到等于或略大于系統總電容電流。由于電阻是耗能元件。也是電容電荷釋放元件和諧振的阻壓元件，對防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓，能減少電弧接地過電壓的危險性，并使高靈敏且具有選擇性的接地保護得以實現，對臨近通信線路的干擾也較弱，有一定優越性。電阻接地方式是以限制單相接地故障電流為目的，并可以防止阻尼諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓。中性點經電阻接地圖如圖2.7。圖2.7中性點經電阻接地圖Fig2.7Single-phasepermanentearthingdiagraminneutral-pointearthingsystemthroughvalueresistance正常運行時，各相對地電壓是對稱的，中性點對地電壓為零，電網中無零序電壓，中性點電阻器R中沒有電流流過。各電量特征與中性點不接地一樣。發生單相接地故障時，三相電路的對稱性受到破壞，故障點就出現明顯的不對稱，如當A相發生單相接地故障時，A相對地電壓變為零，而B相和C相對地電壓升高，對地電容電流相應增大。同時，故障線路中將有電阻電流流過，接地點f的電流為所有線路電容電流和電阻電流的總和。不考慮線路中的電感，那么這時中性點電阻R與系統電容相并聯，其等效圖如圖2.8。圖2.8中性點經電阻接地的等效示意圖Fig2.8Schematicplotofequivalentneutral-pointearthingsystemthroughvalueresistance零序電壓為： (2-19)通過中性點經電阻器接地的等效示意圖，我們可以計算出在中性點經電阻器接地的運行方式下發生金屬性接地時的零序電流為：(2-20)在該中性點運行方式下，一般電阻性電流與電容性電流相等，中值電阻值與系統容抗值相等，即：(2-21)所以，零序電流可以寫成：(2-22)當經過渡電阻接地時，這時相當于過渡電阻與中性點中值電阻并聯，其等效電阻為：(2-23)所以，這時的零序電流為：(2-24)中性點經電阻接地電網有以下優點：可防止和阻尼諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓，由于健全相過電壓降低，產生異地兩相接地的可能性也隨之減少；采用電阻器接地，接地電阻在10~100Ω之間。接地故障電流控制在50~100A，在這種方式下可以減小了地電位升高。這種接地方式看上去與消弧線圈接地方式相似，但性質不同，消弧線圈是接近于開路的純感性元件，感性電流與容性電流相位差對電容電流起補償作用，而經電阻接地方式以電阻為主，與容性電流接近的相位差，接地電流是容性電流和電阻性電流的相量和。因此我們可以看出經電阻接地方式具有經消弧線圈接地方式所沒有的優點，由于接地電流中有較大的電阻分量，它對諧振有明顯的阻尼和加速衰減作用，同時能可靠的防止出現諧振條件，還可以有效的抑制電壓互感器鐵磁諧振，這對保證發電機的絕緣平安是非常重要的。另外這種方式可以快速的選出接地相，使保護動作，發出報警。3小電流單相接地故障選線算法3.1選線算法綜述目前可以采集利用的電氣量有：零序穩態基波分量、零序穩態諧波分量、零序暫態分量、負序分量和注入信號。根據采集的電氣量的不同，可以采用不同的方法，而根據電氣量的不同特性，也可以看出各種方法在不同故障條件下的優劣。目前可以采用的方法有：比幅比相方法、無功功率方法，小波方法、暫態能量方法、能量方法、負序電流法、注入方法等[5]。3.1.1零序電流比幅算法零序電流比幅法基于早期的繼電保護原理，適用于中性點不接地系統。當中性點不接地系統發生單相接地故障時，流過故障元件的零序電流在數值上等于所有非故障元件對地電容電流之和，即故障線路上的零序電流最大,所以只要通過零序電流幅值大小的比擬就可以找出故障線路。在具體實現上，通常采用“絕對整定值〞原理，即利用零序電流與某一整定值做比擬，整定值一般大于系統內任何一條出線的電容電流值，如果小于整定值，繼電器不動作；如果大于整定值那么繼電器動作，顯示器顯示該回路的編號，選線完成[6]。這種方法在理論上是不完備的，因為系統中可能存在某條線路的電容電流大于其它線路電容電流之和的情況"在這種情況下，當這條線路發生接地故障時，就會出現拒動的情況。這種方式為單一判據方式，不能排除電流互感器(CT)不平衡的影響，它受系統運行方式、線路長短、過渡電阻大小等許多情況的影響，從而導致誤選、多項選擇或漏選。從整定方式上看，這種整定方式可能導致死區，不能滿足系統運行多變的情況。零序電流比幅法的致命問題是不適用于中性點經消弧線圈接地電網。由于該電網中消弧線圈補償電流的存在，往往使故障線路電流幅值小于非故障線路；另外一個影響可靠性的因素是故障點電弧不穩定現象，小電流接地故障往往伴隨有間歇性拉弧現象，由于沒有一個穩定的接地電流，因此可能造成選線失敗。一些裝置在試驗室模擬試驗，甚至在現場進行人工接地試驗時選線結果很準確，但實際應用效果卻并不好,這是因為模擬試驗時線路導體與地之間是金屬性接觸，與實際運行中的絕緣擊穿現象存在過渡電阻，所以與金屬性接地并不完全相同，往往造成選線結果不準確。3.1.2群體比幅比相算法群體比幅比相法是比幅算法的改良算法，其原理是先進行零序電流比擬，選出幾個幅值較大的作為候選，然后在此根底上進行相位比擬，如果某條線路方向與其它線路不同，那么其為故障線路，如果所有零序電流同相位，那么為母線故障。該方法是中性點不接地系統的常用選線方法，被大多數選線裝置所采用，是當前國內基于系統的穩態故障分量的最好的原理。在所有中性點非直接接地系統中，非故障線路始端的零序電流，為其自身對地電容電流。當中性點不接地時，故障線路始端的零序電流，為所有非故障線路零序電流之和，而方向是自線路流向母線，即有：(3-1)但是當線路較短或者經大電阻接地時，零序電流幅值很小，此時零序電流的相位誤差將很大，導致選線錯誤。同時該方法雖然能夠降低電流互感器的不平衡電流及過渡電阻的影響，但是不能夠從根本上解決電流互感器及過渡電阻給選線帶來的影響。在利用群體比幅比相法研發的小電流選線裝置在實際的應用過程中，發現選線的成功率在過渡電阻較小的情況下，故障發生在電壓最大值附近時，選線效果較好。但是，在過渡電阻較大的情況下，選線情況不是很好且幅值較小。在對母線單相接地故障選線時效果較好。當系統的中性點經消弧線圈接地時，由于消弧線圈對故障線路電流的補償作用，算法那么會失效，這使群體比幅比相算法的使用受到限制。3.1.3無功功率算法這也是比擬傳統的方法，在歐洲應用的較為廣泛。這種方法是通過計算各條線路的容性無功功率來判斷是哪條線路發生了故障。這種方法也是利用了容性電流的幅值與方向，所以從本質上講，無功功率法和比幅比相方法同出一轍，兩者的優缺點是一致的。3.1.4五次諧波分量算法由于故障點!消弧線圈及變壓器等電氣設備的非線性影響,故障電流中存在著諧波信號，其中以5次諧波分量為主，并且消弧線圈對5次諧波的補償作用僅相當于工頻時的1/25，因為對于中性點經消弧線圈接地系統中的消弧線圈是按照基波整定的，即有：(3-2)(3-3)可以忽略消弧線圈對五次諧波產生的補償效果。因此，故障線路的5次諧波零序電流的幅值比非故障線路的都大且方向相反，據此可以選擇故障線路，稱為5次諧波法。為了進一步提高靈敏度可將各線路的3、5、7次等諧波分量的平方求和后進行幅值比擬，幅值最大的線路選為故障線路。諧波法的優點是可以克服消弧線圈補償的影響，但實際應用效果并不理想。主要原因是故障電流中的5次諧波含量較小〔10%〕，檢測靈敏度低，且負荷中的五次諧波源、電流互感器CT不平衡電流和過渡電阻的大小，都會在一定程度上影響選線結果；屢次諧波平方和法雖然能在一定程度上克服單次諧波信號小的缺點，并不能從根本上解決問題。3.1.5有功分量算法零序電流有功分量法是根據線路存在對地電導以及消弧線圈存在電阻損耗，故障電流中含有有功分量來選擇故障線路。故障線路零序電流有功分量與正常線路零序電流有功分量相位相反，即：非故障線路的零序有功分量方向是由母線流向線路，而非故障線路的零序有功分量方向是由母線流向線路。并且故障線路零序電流有功分量幅值最大。故障線路零序有功分量大小等于非故障線路的零序有功分量和消弧線圈的零序有功分量之和。當母線故障時，所有線路的零序有功分量都等于線路本身的有功損耗電流值，方向是由母線流向線路。從原理上可見，有功分量方法有效的克服了消弧線圈補償帶來的影響，并且在消弧線圈存在的情況下，故障線路的零序有功分量的大小比中性點不接地時更大，故障特征更明顯，更利于選線。但在實際中，有功分量法的優點是不受消弧線圈的影響，但由于故障電流中有功分量非常小，一般只占零序電流的2%~3%，有功分量易受電流互感器CT不平衡對零序電流提取精度、線路長短、過渡電阻大小的影響，相角比擬也容易發生誤選，可靠性得不到保障。為了提高靈敏度，有的裝置采用瞬時在消弧線圈上并聯接地電阻的做法加大故障電流中的有功分量。3.1.6小波算法小波分析是一門現代信號處理理論與方法，它能有效的分析變化規律不確定和不穩定的隨機信號，能夠從信號中提取到局部化的有用成分。由于小波分析在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質和多分辨率特性，特別適用于分析奇異信號，可以在不同頻域考察信號時域與頻域特征。穩態時故障信息比擬微弱的問題，人們提出利用有較大突變的暫態信息作為故障信號的選線小波算法。小波算法利用單相接地故障產生的暫態電流和暫態電壓作為選線判斷的依據。由于小電流接地電網單相接地故障等值電路是一個容性通路，故障的突然作用在電路中產生的暫態電流通常很大，特別是發生弧光接地故障或間歇性接地故障的情況下，暫態電流含量更豐富，持續時間更長。暫態電流滿足在故障線路上的數值等于在非故障線路上數值之和且方向相反的關系，可以用于選線。小波選線方法的優點是：對中性點不接地和中性點經消弧線圈接地的電網都適用；特別適應于故障狀態復雜、故障波形雜亂的情況，與穩態量選線方法形成優勢互補。小波法選線技術的難點在于小波基函數與小波分解尺度的選擇。由于小波算法采用的暫態信號受過渡電阻!故障時刻等多種因素的影響,暫態信號呈隨機性、局部性和非平穩性的特點，可能出現暫態過程不明顯的情況，易發生誤選，所以往往通過采用與其它方法(如：維納濾波技術)相結合的選線技術。3.1.7能量函數法能量函數法通過能量計算公式：計算出能量值。能量函數的值能表達有功分量的大小和方向，這樣可以實現故障選線。實際上能量函數法是對有功分量進行累加。能量函數法的根本原理：在中性點經消弧線圈接地的電網中，當系統發生單相接地故障后，接地點的電容電流由消弧圈的感性電流進行補償，使得故障點的剩余電流很小，有利于接地電弧熄滅。同時消弧線圈在過補償的作用下，故障線路的零序電流方向與非故障線路的方向相同，不利于選線[7]。但此時零序電流中的阻性分量與補償無關，即故障線路的零序電流的阻性分量與非故障線路的零序電流的阻性分量方向相反，且故障線路零序電流阻性分量的絕對值最大。如果能夠從線路零序電流中分解出阻性電流分量，那么可以利用此值進行選線。但從零序電流中分解阻性分量在接地故障暫態過程實現困難。考慮到電網中電容和電感只能儲存能量而不消耗能量，那么零序電流與電壓乘積在一定時間內的積分值就是零序電流中阻性分量消弧的能量。此能量同樣具有零序阻性電流的特點，可以作為選線的判據。為了使選線判據在間歇性電弧接地和瞬間接地故障時同樣有效，以暫態量作為研究對象，所以此時定義的零序電流不再是傳統意義上的三序電流中的零序分量，而是三相電流瞬時值之和的1/3。同樣，零序電壓也為三相電壓之和的1/3。如下式所示：(3-4)(3-5)定義線路j的零序暫態能量為：(3-6)式中為中性點電壓；為第j條線路的零序電流；T為電網工頻周期。對于消弧線圈支路也可以看成一條線路，只是要把改為。電網發生單相接地故障后，根據疊加原理，可以假定系統由兩個子系統疊加構成：一個由三相電源和傳輸網絡及負載組成的正常運行系統；一個由發生故障后故障點假想電壓源和傳輸網絡組成的故障系統。那么此時式中定義的能量就為故障系統中線路j上一個工頻周期的能量。電感和電容只是存儲能量，在整數倍工頻周期內差為零，線路的電阻和對地導納上才消耗能量，所以是第j條線路上零序能量,根據零序電流的參考方向和零序阻性電流的特點，消弧線圈的補償作用，故障線路的零序電流方向與非故障線路的方向那么可得故障線路的能量為負，非故障線路上的能量為正，且故障線路的能量絕對值最大。從物理意義上來講，就是在故障系統中，故障線路提供了零序能量而非故障線路〔包括母線和消弧線圈〕消耗了能量，所以故障線路的能量為負值，且絕對值等于所有非故障線路能量絕對值之和，可以以此作為選線的判據，即對每條線路作上式的積分，積分值為負而且絕對值最大的就是故障線路。由以上分析可以得出以下結論，利用能量函數法可以利用能量函數的方向進行判別選線，即：能量函數值大于零時，為非故障線路；能量函數值小于零時為故障線路；也可以利用量函數的大小進行判別選線，即：能量函數值最大的線路為故障線路。能量函數法的缺點是：如果噪聲的影響變大，會影響選線的靈敏性。3.1.8信號注入法信號注入法突破了長期以來使用故障產生信號選線的框架，不利用故障產生的信號，而是向系統注入外部信號進行選線的一種方法。一般從電壓互感器二次側注入電流信號，其頻率取在各次諧波之間，從而保證不被工頻分量及高頻諧波分量干擾。注入電流信號沿接地線路的接地相流動，并經接地點入地，用信號探測裝置對每一條出線進行探測，探測到注入信號的線路即故障線路[8]。該方法的最大優點是適用于線路上只安裝兩相電流互感器的系統，利用該方法的選線裝置己大量投入運行，但效果并不理想，這是因為該方法的缺點：l)注入信號的功率不夠大，且經高阻接地時，注入信號微弱而不易檢測。2)弧光接地時諧波含量豐富，注入信號極易受到干擾。3)電弧接地時含有豐富的諧波分量，不管注入信號取哪一頻帶，都有可能識別不出。4)非故障線路中也會有注入頻率的對地充電電流，在故障電阻較大的情況下，故障線路與非故障線路上的信號差異不明顯。需要附加信號裝置，實現困難，可靠性差。3.2選線影響因素分析從上述分析中可以看出，小電流接地系統的接地故障零序電流小，微弱的零序電流往往混雜在各式各樣的干擾中間，使得選線問題變得很復雜，必須綜合考慮各種因素的影響。1、跟中性點的接地方式有關。中性點不接地或經消弧線圈接地系統中，單相接地故障的特征是不同的，因此選線問題有顯著的不同。中性點不接地系統中的選線技術現在已經相當成熟，但是在諧振接地系統中尤其是暫態選線目前還沒有一種非常有效的選線方法。2、跟線路的長短與結構有關。小電流接地系統單相接地故障電流是由對地電容產生的，線路的對地電容與線路的長短和結構關系密切。一般來說，電纜線路的對地電容比架空線路的零序電流大；線路的對地電容與線路的長度成正比。并且對地電容不平衡對基于有功分量信號選線方法會產生影響，具體影響也是跟過渡電阻和故障相有關系。3、跟系統的故障方式有關。由等值電路可以看出，小電流接地系統單相接地故障后的電流與等效接地阻抗有關。系統中的故障方式很多，包括直接接地、電阻接地、電弧接地、瞬間接地、間歇性接地、電阻電弧接地等，這些接地情況的等效接地電阻不同，要保證解決小電流接地選線問題，必須保證對各種故障情況都能選線準確。4、跟電流互感器有關。在小電流接地選線中，一般采用測量用電流互感器獲得零序電流或負序電流進行選線。因為零序電流通過三個單相電流互感器組成的相序濾過器獲得，每一相互感器的鐵芯不可能完全相同，所以存在零序電流誤差。另外，電流互感器的變比比擬大，鐵芯具有非線性，這些都對選線有影響。5、跟電壓互感器有關。小電流接地選線往往采用零序電壓作為啟動條件，選線過程也要用到電壓量。這些都是通過并聯在母線上的電壓互感器得到的。電壓互感器的電氣特性跟選線關系密切，如電壓互感器的鐵磁諧振現象，會對選線造成較大的干擾。3.3綜合選線算法中性點非有效接地系統單相接地故障狀況復雜多樣，各種接地狀況所表現出來的故障信號特征在形式上、大小上都變化無常。雖然目前已有多種選線方法被提出并進行實際應用，但是各種選線方法都有一個共同的缺乏之處，它們都只是用到了某一方面的故障特征，例如五次諧波法利用故障信號的五次諧波分量特征，有功法或能量法利用故障信號的有功分量特征等。由于故障狀況的復雜性，僅利用故障信號某一方面特征構造的單一選線方法具有片面性，當該方法所需要的故障信號特征表現不明顯時，這種選線方法的選線結果很可能是錯誤的。每種選線方法都有一定的適用范圍，也都有各自的局限性，需要滿足一定的適用條件。當一個故障信號具備該方法的適用條件時，該方法一定可以做出正確的判斷；當適用條件不滿足時，該方法的判斷結果可能正確，也可能不正確，結果是具有模糊性的。因此僅僅依靠一種選線方法進行選線是不充分的。為了適用于各種復雜的故障情況，多種選線方法進行集成來構造一種綜合選線方法。每一種選線方法需要利用的故障信號特征是不同的，所需要的故障信號特征可以看作該方法的適用條件，針對某個故障信號，一種方法的適用條件可能不滿足，但另一種方法的適用條件可能能夠滿足，幾種方法覆蓋的總的有效區域必然大于單個方法的有效區域。這樣可以充分利用各種選線方法選線性能上的互補性擴大正確選線的范圍，提高選線結果的正確性，這就是使用多種選線方法的優勢[9]。在綜合選線方式中，整個電網各條線路的測量數據聚集在一起，各種選線方法對信號分別提取所需的特征，最終所有特征共同參與了選線。這種選線方法使得選線決策能夠從被識別對象全局狀況出發，綜合考慮了多個測點數據，從各個角度提取信號的特征，因此選線正確性有了極大的提高，其信息融合模型如圖3.1所示。圖3.1多種選線方法集成的信息融合模型Fig3.1Linemethodintegratesavarietyofoptionsforinformationfusionmodel能夠使某個選線方法正確選線的故障信號的特征稱為該選線方法的有效域。選線方法的有效域意味著當一個實際故障信號特征落在某個選線方法有效域內時，該選線方法就一定能夠做出正確的判斷；當落在這個方法的有效域外時，該方法可能正確，也可能錯誤。本文將所有的故障信號特征稱為故障域。當一個故障發生后，故障信號特征落在某個選線方法的有效域內時，只需使用該方法進行選線即可，不需要其它方法參與。但所有方法的有效域總和并不一定能夠完全覆蓋整個故障域，也就是說，存在這樣一些故障信號，不能夠找到一種選線方法能夠對這些故障之一做出充分可靠的判斷。綜合考慮這兩種情況，就形成了多種選線方法綜合選線策略。3.4連續選線算法由于小電流接地系統單相接地故障信號微弱，易受到外界的各種噪聲干擾，很有可能通過A/D采樣器件采集的信號受到了較大程度的干擾，此時利用該信號進行選線的誤選可能性就非常高。故障持續過程中，有些時段信號不利于選線，但更多的時段信號能夠反映故障特征適于選線。因此，如果能將單相接地故障持續過程中的信號進行充分利用，那么選線正確性將得到很大提高。最極限的想法當然是將故障持續時間內的全部信號存儲起來進行選線，但是受裝置存儲容量的限制，這是不可能做到的。一個可行的方法就是故障發生后，每間隔一段時間進行一次數據采集和選線，只要故障不消失，選線就不停止，這就是連續選線的概念。連續選線方法是在綜合選線方法的根底上，進一步研究如何充分利用故障持續過程中的有用信息進行選線。在故障持續過程中，每一次數據采集及選線都是一個相對獨立的決策過程，連續選線方法的功能就是將屢次決策融合成為最終的決策，具體實現形式就是由單次選線結果(即各條線路的單次故障度)合成得到連續選線結果(即各條線路的連續故障度)，通過決策規那么對連續選線結果進行分析并給出最終結論。連續選線的模型可以表示為圖3.2。圖3.2連續選線的信息融合模型Fig3.2Continuouslineselectioninformationfusionmode連續選線方法只對每一次選線的決策結果進行融合，而不需要考慮決策單元所使用的原始數據或提取的信號特征。因此該方法不僅能夠充分地利用故障信息，進一步提高選線正確率，而且可以防止大量數據存儲問題，節約系統資源，提高系統運行效率。連續故障度定義如下：連續故障度是定義在[0，∞]上的實變量，用來定量描述一條線路在連續進行K>0次選線后的可能為故障線路的度量，線路的連續故障度越大，說明該線路越可能是故障線路。通過連續故障度的定義可以發現連續故障度與單次故障度都是對系統各條線路的故障可能性進行定量的分析，值越大說明故障的可能性越高。連續選線結果就是多個單次選線結果的融合，最終以各條線路連續故障度的形式表達。需要注意的是，并不是所有的單次選線結果都能作為連續選線的依據，只有在系統運行方式不變的情況下，單次選線結果才是有效的信息。如果在故障持續過程中系統的運行方式發生了變化，比方切斷一條線路或投入一條線路等，那么運行方式變化之前的單次選線結果就是無效的，運行方式變化之后的單次選線結果才能作為有效信息進行融合。裝置實時采集母線零序電壓及各回線路零序電流數據，在內存中按一定長度的數據窗動態存儲數據。發生單相接地故障后，由母線零序電壓越限信號觸發裝置，裝置隨即保存故障發生后4~10個周波的故障數據。4小電流接地選線裝置的硬件設計本系統通過信號采集模塊采集母線的零序電壓及各線路零序電流的模擬信號，按適當比例調節其大小使之成為裝置能處理的幅值范圍。通過模數轉換器將其轉換為單片機能夠識別的數字信號，采用綜合選線方法分析處理信號，判斷是否發生故障，假設發生故障那么給出選線結果，保存故障信息，并將選線結果傳送給執行裝置進行故障報警和顯示。本系統中包含了信號采集系統模塊、A/D轉換模塊、CPU模塊、存儲器模塊、人機對話模塊等。圖4.1示為系統結構框圖。圖4.1系統結構框圖Fig4.1Systemstructurediagram4.1CPU模塊CPU模塊是單片機的核心模塊。選擇適宜的CPU芯片對整個系統有著舉足輕重的地位。小電流故障選線裝置要求實時接收數據，實時判斷，實時輸出選線結果，因而我們使用了十六位高速單片機C8051F120。C8051F120是SilabsLaboratories公司生產的完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片〔SOC〕。該單片機具有高速〔100MIPS〕流水線結構的8051兼容的CIP-51內核，包含64個數字I/O引腳〔100腳TQFP封裝〕，可在工業溫度范圍〔-45℃到+85℃〕工作。C8051F120單片機采用流水線處理技術，不再區分時間周期和機器周期，指令按照系統時鐘執行。而且大局部指令僅需1～2個系統時鐘即可完成，并且能在執行指令期間預先處理下一條指令，提高了指令執行效率。C8051F120具有控制系統所需要的模擬和數字外設，包括看門狗〔Watch-dog〕、ADC〔模數轉換器〕、DAC〔數模轉換器〕、電壓比擬器、電壓基準輸出、5個通用的16位定時等，并具備包括SPI〔增強型串行外設接口〕、SMBUS〔與兼容〕、兩個UART串行接口以及CAN總線等多種總線接口。更重要的是數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。C8051F120采用FLASHROM技術，集成TAG〔IEEE1149.1或邊界掃描〕，支持在線編程，且調試系統支持觀察和修改存儲器和存放器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。該系列MCU具有標準8051的端口〔0、1、2和3〕。在100腳TQFP封裝的器件中有4個附加的端口〔4、5、6和7〕，因此共有64個通用端口I/O。這些端口I/O的工作情況與標準8051相似，但有一些改良。每個端口I/O引腳都可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉〞可以被總體禁止，這為低功耗應用提供了進一步節電的能力。最獨特的改良是引入了數字交叉開關，允許將內部數字系統資源映射到P0、P1、P2和P3的端口I/O引腳。與具有標準復用數字I/O的微控制器不同，這種結構可支持所有的功能組合。可通過設置交叉開關控制存放器將片內的計數器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉換啟動輸入、比擬器輸出以及微控制器內部的其它數字信號配置為出現在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據自己的特定應用選擇通用端口I/O和所需數字資源的組合。C8051F120卓越的性能，使其備受廣闊單片機系統設計工程師的青睞，成為很多測控系統設計的首選機型，我們也毫不例外的選擇了這一款高性能的芯片。C8051F120速度高達100MIPS，但是考慮到其他芯片的速度，適當地降低了CPU的速率，系統時鐘頻率設置為49MIPS，充分的表達了作為了十六位高速單片機的特點，極大的滿足了人們對于選線速度的追求。4.2信號采集模塊零序電流信號進入傳感器及信號調理模塊后，首先經過高精度電流傳感器，變換成為一定幅值范圍的電壓信號。同理，零序電壓信號經過高精度電壓傳感器，變換成為一定幅值范圍的電壓信號。此信號被隔離跟隨后，送入二階濾波電路，濾除十倍頻以上的高次諧波，最終輸入信號采集模塊。通過高性能八選一模擬開關MAX308選擇進入A/D轉換模塊。由于交流電量輸入信號是雙極性的，而A/D只允許單極性輸入，因此可通過加偏置電壓匹配A/D輸入。電壓調整圖如圖4.2示。圖4.2電壓調整圖Fig4.2Voltageadjustmentfigure(4-1)(4-2)令，，；那么有：(4-3)當時，有：(4-4)為A/D轉換器的基準電壓。為經過PT/CT到達MAX308多路開關的電壓值。由上式可知，該電路能滿足A/D轉換器件MAX1276的輸入電壓要求。4.3A/D轉換模塊A/D轉換模塊的功能是將輸入的模擬信號轉換成單片機數據總線能接受的數字信號。MAX1276是一款12位漸近型模數轉換器，具有低功耗、高速、串行輸出的特點，其工作速率達1.8Msps并且具有4.096V內置電壓基準。有標準的SPI接口可以輕松的與C8051F120的同步串行接口相連。器件采用真差分輸入，提供更好的噪聲抑制、具有改良的失真特性以及在單端輸入時更寬的動態范圍，能夠滿足小電流選線裝置的精度要求。其典型工作電路如圖4.3所示。圖4.3MAX1276典型工作電路圖Fig4.3MAX1276typicaloperatingcircuit初始上電后，MAX1276需要一個完整的轉換周期，以初始化內部校準電路。在完成初始化轉換之后，器件就準備好了正常操作。注意：僅僅在硬件上電后需要進行初始化。MAX1276兼容于SPI的四種工作模式，可以通過控制存放器中CPHA和CPOL位進行編程選擇。當SCLK信號處于空閑的低或者高電平，CNVST下降沿啟動一次轉換時序，采樣／保持器保持輸人電平，ADC開始轉換，DOUT高阻態變為邏輯低電平。SCLK用于驅動轉換進程，并從DOUT引腳串行移出每個轉換完成的數據位。在第4個SCLK上升沿之后，SCLK開始移出數據。在每個SCLK上升沿的〔SCLK上升到DOUT轉換時間〕之后，DOUT輸出才有效，并且在下一個上升沿之后，還將保持4ns的有效時間。第4個時鐘上升沿在DOUT引腳輸出轉換結果的MSB位〔最高有效位〕，并且MSB在第5個上升沿之后保持4ns有效時間。由于共有12個數據位和3個引導零位，故至少需要16個時鐘上升沿移出所有位。連續工作模式時需要在第14個和第16個SCLK上升沿之間將CNVST拉高。如果CNVST信號在第16個SCLK周期的下降沿保持低電平，DOUT會在CNVST的上升沿或者下一個SCLK上升沿變為高阻態，以使多片器件共享該串行接口。C8051F120單片機的串行外設接口〔SPI0〕提供訪問靈活的全雙工串行總線。SPI0可以作為主器件或從器件，有3線工作方式和4線工作方式，并支持在同一總線上連接多個主器件和從器件。從選擇信號〔NSS〕可以被配置為輸入以選擇從方式下的SPI0，或在多主環境中禁止主器件方式操作，以防止兩個以上主器件試圖同時進行數據傳輸時產生沖突。NSS還可以被配置為主方式下的片選輸出，或在3線操作時被禁止。在主方式，可以用通用端口I/O引腳選擇多個從器件。主輸出、從輸入〔MOSI〕信號是主器件的輸出和從器件的輸入，用于從主器件到從器件的串行數據傳輸。當SPI0作為主器件時，該信號是輸出；當SPI0作為從器件時，該信號是輸入。數據傳輸時最高位在先。當被配置為主器件時，MOSI由移位存放器MSB驅動。主輸入、從輸出〔MISO〕信號是從器件的輸出和主器件的輸入，用于從從器件到主器件的串行數據傳輸。當SPI0作為主器件時，該信號是輸入；當SPI0作為從器件時，該信號是輸出。數據傳輸時最高位在先。串行時鐘〔SCK〕信號是主器件的輸出和從器件的輸入，用于同步主器件和從器件之間在MOSI和MISO線上的串行數據傳輸。當SPI0作為主器件時產生該信號。當SPI從器件工作在4線從方式但未被選中時〔NSS=1〕，SCK信號被忽略。從選擇〔NSS〕信號的功能取決于SPI0CN〔SPI控制存放器〕中NSSMD1和NSSMD0位的設置。有3種可能的方式：3線主方式或3線從方式、4線從方式或多主方式、4線主方式。當工作在3線主或從方式時，NSS不被交叉開關分配引腳。本裝置中僅有1個器件使用SPI口，所以選擇三線方式可以節約I/O口。SPI0主方式操作模式：SPI主器件啟動SPI總線上所有的數據傳輸。通過將主允許標志置1將SPI0置于主方式。當處于主方式時，向SPI0數據存放器〔SPI0DAT〕寫入一個字節時是寫發送緩沖器。如果SPI移位存放器為空，發送緩沖器中的數據字節被傳送到移位存放器，數據傳輸開始。SPI0主器件立即在MOSI線上串行移出數據，同時在SCK上提供串行時鐘。在傳輸結束后SPIF〔SPI中斷位標志〕被置為邏輯1。如果中斷被允許，在SPIF標志置位時將產生一個中斷請求。在全雙工操作中，當SPI主器件在MOSI線向從器件發送數據時，被尋址的SPI從器件同時在MISO線上向主器件發送其移位存放器中的內容。因此，SPIF標志既作為發送完成標志又作為接收數據準備好標志。從從器件接收的數據字節以MSB在先的形式傳送到主器件的移位存放器。當一個數據字節被完全移入移位存放器時，便被傳送到接收緩沖器，處理器通過讀SPI0DAT來讀該字節。使用SPI0配置存放器〔SPI0CFG〕中的時鐘控制選擇位可以在串行時鐘相位和極性的4種組合中選擇其一。當CKPOL=0，CKPHA＝0，SCK低電平為空閑狀態，數據在時鐘前半周期采樣〔上升沿采樣〕；當CKPOL=0，CKPHA＝1，SCK低電平為空閑狀態，數據在時鐘后半周期采樣〔下降沿采樣〕；當CKPOL=1，CKPHA＝0，SCK高電平為空閑狀態，數據在時鐘前半周期采樣；當CKPOL=1，CKPHA＝1，SCK高電平為空閑狀態，數據在時鐘后半周期采樣；當SPI被配置為主器件時，最大數據傳輸率〔位/秒〕是系統時鐘頻率的二分之一或12.5MHz，取兩者的較低值。在本裝置中，我們配置的系統時鐘頻率為49MHZ，所以選取12.5MHZ為SPI的數據傳頻率。單片機的數據總線是單片機與存儲器和I/O設備之間傳送數據的公共通道。因此，A/D轉換器在與單片機接口時，要求其數據輸出端必須通過三態緩沖器與數據總線相連，當未被選中時，A/D轉換器輸出呈高阻態，以防止干擾數據總線上的數據傳輸。MAX1276在其內部數據輸出端口上集成了三態緩沖器，在輸出數據有效時，輸出采樣結果數據。在轉換時，輸出數據端口稱高阻狀態，所以MAX1276可以與單片機的數據總線直接相連[11]。MAX1276與CPU的硬件連接圖如圖4.4所示。各母線上的零序電壓/零序電流信號分別通過電壓傳感器、電流傳感器轉換成低幅值信號，經由低通濾波電路剔除高頻干擾，然后由模擬多路開關MAX308選擇A/D轉換的通道。此時，電壓為交流波形，而MAX1276的A/D轉換范圍為0～4.096V，所以增加了一個電壓調整電路使輸入A/D芯片的電壓轉換為MAX1276的輸入量程內的電壓值。最后通過A/D轉換芯片把模擬信號轉換成單片機數據總線能接受的數據。時序匹配是指單片機提供的控制信號的持續時間和相位關系能滿足所用A/D轉換器的控制信號要求。由于單片機輸出的控制信號的寬度與其所用的時鐘頻率有關，所以通過控制C8051F120的SPI0CKR〔時鐘控制存放器〕可以控制輸出時鐘頻率，以滿足MAX1276的需要。圖4.4硬件連接圖Fig4.4Hardwareconnectiondiagram用多路開關MAX308和轉換芯片MAX1276構成的A/D轉換電路的有關參數如下：1、MAX308輸入參數Vin開關閉合后的輸出建立時間Ttrans〔從開關閉合控制邏輯上升至標準高電平的50%起，到Vout到達90%Vin止〕最大值為450ns，典型值為115ns；2、MAX1276的最大轉換速率為1.8Msps，取決于輸入時鐘SCLK的頻率。而它允許輸入的最大頻率為28.8MHz，現取C8051F120的最大輸出頻率100MHz的四分之一，即25MHz，那么SCLK=25MHz，周期Ts=40ns；MAX1276在接到經過MAX308送來的模擬輸入Vin后，對Vin的采樣〔即對保持電容充電〕時間為104ns；MAX1276被啟動后即進入保持〔即與Vin斷開〕階段和開始A/D轉換：用3個脈沖完成A/D轉換，再用13個SCLK通過SPI總線向上位機傳送出12位轉換結果。轉換和傳輸所用的全部時間為40*〔3+13〕=640ns。3、以MAX308和轉換芯片MAX1276構成的子系統完成一次轉換所需要的時間共計為115ns+104ns+640ns=859ns。考慮到雖然還有一些其他的延時，但一般不會超過100ns。因此可以認定：MAX308和轉換芯片MAX1276構成的A/D轉換子系統的轉換速率不小于1MSPS。4.4存儲空間擴展模塊存儲器就是用來存儲信息的部件。正是有了存儲器，單片機才有了對信息的記憶功能。程序、數據以及運算結果都存放在存儲器中。程序和數據在CPU的控制下首先通過輸入設備輸入到存儲器，然后CPU再從存儲器中取出程序指令和要處理的數據，并按程序指令的要求進行運算處理，最后處理的結果仍送回存儲器中或通過輸出設備顯示出來。基于C8051F120的小電流接地故障選線裝置集成了多種算法，需要采集的零序電壓、零序電流信號等需要150K以上的空間，并且其故障故障錄波模需要記錄故障發生時的各種信息，大約需要12MB左右的空間，單片機內部的存儲空間遠遠不能滿足其要求。因此在本系統中，我們擴展了一片慢速非易失性128MB的FLASH芯片K9K1G08U0M和一片快速靜態數據存儲器〔SRAM〕，從而滿足了選線裝置對選線算法及數據存儲的要求。4.4.1SRAM的擴展在本裝置中，采集的零序電壓、零序電流信號共有48路，每一路數據采集6個周波，一個周波采集50個點的數據，數據采用浮點數表示方式，長度為4字節，這就要求48×6×50×4=57.6K字節。考慮到交互數據的需要，至少要求3個這樣大小的存儲區域即為57.6K×3=172.