基于DSP和多重算法的小电流接地系统单相接地故障选线装置的研制

　　摘 要：小电流接地系统单相接地故障选线问题一直以来都是电力系统继电保护研究的重要问题。但现场运行结果表明，装置的选线效果不是十分理想。文章采用多种选线判据构成综合判据，利用各种判据在选线性能上的互补性提高了选线的正确率和可靠性。本装置以TI公司生产的TMS320F2812DSP为控制核心，采用多重判据进行故障选线，并配接以太网通信接口和总线通信接口，将嵌入式技术、现场总线技术都融合进该系统。本装置将弥补以往采用单一判据故障选线装置的不足，及时选出故障线路，保证电力系统配电网可靠安全运行。
　　关键词：小电流接地系统 故障选线 配电网 DSP
　　中图分类号：TM71 文献标识码：A
　　文章编号：1004-4914（2011）04-284-03
　　
　　一、引言
　　长期以来，电力运行人员采用“拉路法”来解决故障选线问题，通过对逐条线路拉合闸的方法来确定接地线路。虽然这种方法操作简单，但是它无选择性，必然造成电流、电压冲击，根本不能满足当前电力系统自动化水平的要求，而且这样使供电可靠性大为降低，小电流接地系统的优点也不复存在。由于各种原因现在还没有一种方法可以满足任何情况下的准确选线，不同的方法只是对于某种特定的情况比较灵敏。综合采用不同原理构成的装置能适合不同的故障状况，使选线准确率提高。单一的判据不能很好地反映故障的特征，可能会引起误选或是漏选。
　　针对以上问题，本文提出采用多重判据的方法，选择不同原理的判据，从多个故障特征量对系统进行检测和监控，综合采用不同原理构成的装置能适合不同的故障状况，提高选线准确率。本文将采用群体比幅比相、五次谐波分量法和有功分量法作为该选线装置的选线判据。
　　群体比幅比相选线方法从全体线路零序电流数据中筛选出较大的几组数据，然后再进行比相，选出方向与其他不同的即为故障线路。
　　五次谐波分量法针对于中性点经消弧线圈接地而设计的，在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，有ωL≈1/ωC，故对于5次谐波显然有，5ωL<1/5ωC，即可忽略在中性点经消弧线圈接地中消弧线圈对五次谐波分量的补偿作用。则零序电流五次谐波分量在中性点经消弧线圈接地中有着与中性点不接地系统中零序电流基波系统的特点，故可利用上述群体比幅比相法的基本原理，构成选线判据。
　　有功分量法将采集来的线路零序电流的相位和幅值，与零序电压进行功率运算，其中有功功率最大者即为接地故障线路。
　　二、硬件设计
　　笔者利用有功功率法，并结合群体比幅比相法和五次谐波分量法构成综合选线判据，克服了单一选线判决的不足，较大地提高选线准确率，但对硬件提出了更高的要求。本文提出了以美国TI公司生产的TMS320F2812 DSP为核心的微处理器硬件平台，实现更加快速准确的选线，它的硬件电路主要由数字信号处理器模块、模拟量采集模块、调试接口模块、开关量输入输出模块、通信接口模块、人机接口模块、电源模块和其他的一些辅助电路组成。该装置的硬件结构图如图1所示。
　　装置的工作流程如下：当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，仅定时将采集的信息上传至上位机和发送到LCD以及LED显示；当系统发生单相接地故障时，选线装置根据采集到的故障数据，进行选线计算，最后选出故障线路，然后并向操作室告警，并向上位机、LCD和LED发送和记录当前系统状态消息。以及LED显示；当系统发生单相接地故障时，选线装置根据采集到的故障数据，进行选线计算，最后选出故障线路，然后并向操作室告警，并向上位机、LCD和LED发送和记录当前系统状态消息。
　　1.主控制器模块。主控制器模块是整个装置的核心模块，所有其他模块的运行命令都由它发出，所有外设送来的数据都要在这个模块中进行计算处理。它由数字信号处理器（DSP）、实时时钟、看门狗和外扩RAM等器件组成。
　　2.逻辑控制模块（CPLD）。本设计选用ALTERA公司生产的EPM7128AETC100-7CPLD，采用3.3V电源供电。在该装置中将其和TMS320F2812DSP来构成DSP+CPLD的硬件架构，利用CPLD来简化外部逻辑和扩展输入输出I/O口，并将接在CPLD上的所有器件的工作功能和控制选线映射进DSP内部的地址空间，进行统一的编址。
　　3.模拟量采集模块。装置的数据采集系统由交流输入模块、滤波回路、多路开关和高可靠性的16位精度A/D转换器组成。
　　本系统中采用由RC网络与运算放大器构成的有源低通滤波器。在RC网络中引入有源器件，能够实现传递函数在S域左半平面出现共轭极点，得到良好的滤波特性。为了不增加装置的复杂性和时延，阶数选取不宜过高，本系统中选用二阶低通滤波器电路，本系统中只需基波分量以及五次谐波，因此选用截止频率f0=400Hz，可得ω0=2πf0。取C1=C2=0.4