劉曉陽，楊春麟，王倫月

（1.重慶市軌道交通集團(tuán)有限公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)管中心，重慶 400042;2.重慶市電力公司璧山供電局，重慶璧山 402760）

0 引言

在我國，6～35kV電力系統(tǒng)稱為配電網(wǎng)，一般直接面向用戶進(jìn)行供電，所以保障配電網(wǎng)的正常安全運(yùn)行非常重要。選擇中性點(diǎn)接地方式是一個(gè)綜合性的技術(shù)問題，它與系統(tǒng)的供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全、絕緣水平、過電壓保護(hù)、繼電保護(hù)、通信干擾及接地裝置問題有密切的關(guān)系［1］。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式由于能夠?qū)﹄娋W(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的電容電流進(jìn)行補(bǔ)償，可以保證供電的連續(xù)性、把故障造成的危害減少到最低，所以在實(shí)際中得到廣泛的應(yīng)用。

本文基于晶閘管投切電容［2］(thyristor series capacitors簡稱TSC)補(bǔ)償概念，提出了TSC式消弧線圈及其接地裝置，其調(diào)諧速度快，調(diào)節(jié)范圍寬，且能實(shí)現(xiàn)線性調(diào)節(jié)，可靠性高，無諧波污染問題，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和供電質(zhì)量。DSP作為該裝置的處理核心，主要完成多路信號的FFT運(yùn)算、晶閘管觸發(fā)控制以及CAN通信等。下面就該裝置的不同部分進(jìn)行介紹。

1 TMS320LF2407A簡介

TMS320LF2407A是德州儀器公司(TI)推出的16位定點(diǎn)DSP。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗;內(nèi)有高達(dá)32K×16位的Flash程序存儲器，高達(dá)2.5K×16位的數(shù)據(jù)/程序 RAM，544×16位雙端口 RAM(DARAM)，2K×16位的單口RAM(SARAM);2個(gè)事件管理模塊EVA和EAB，事件管理模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器;可擴(kuò)展的外部存儲器總共192K×16位，其中程序存儲器空間、數(shù)據(jù)存儲器空間、I/O尋址空間各為64K×16位;內(nèi)有看門狗定時(shí)器(WDT)、10位ADC轉(zhuǎn)換器、控制器區(qū)域網(wǎng)模塊CAN2.0 B、串行通信接口模塊(SCI)、16位串行外部設(shè)備接口模塊(SPI)、基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器;5個(gè)外部中斷(兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷);3種低功耗電源管理模式，能獨(dú)立地將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗工作模式。

此外，該芯片有多達(dá)41個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用I/O腳(GPIO)，用戶可根據(jù)自己的需求進(jìn)行軟件設(shè)置，使之在應(yīng)用中具有極大的靈活性?？偟膩碚f，TMS320LF2407A具有極低的功耗、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式。

2 消弧線圈硬件部分設(shè)計(jì)

該裝置是以DSP為核心處理器、多CPU共同協(xié)作的控制器，根據(jù)CPU可以將該控制器劃分為三部分:一是以DSP為處理器的數(shù)據(jù)處理部分，包括A/D采樣、開關(guān)量輸入、CAN通信等，這個(gè)部分也是控制器的主要部分。通過對三相母線電壓、中性點(diǎn)電壓、中性點(diǎn)電流以及各出線的零序電流的A/D采樣，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量提供給DSP進(jìn)行處理，而且通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，CAN總線實(shí)現(xiàn)遙信。二是以51系列單片機(jī)為核心的人機(jī)接口部分，主要包括232和485接口、USB接口、嵌入式以太網(wǎng)接口、日歷時(shí)鐘、鍵盤和顯示接口以及開關(guān)量輸出等。RS232和RS485實(shí)現(xiàn)遙信，USB用于連接外部USB設(shè)備實(shí)現(xiàn)故障信息的輸出，通過以太網(wǎng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過鍵盤進(jìn)行控制操作，液晶顯示器用于顯示波形和系統(tǒng)的一系列信息。三是以AD公司生產(chǎn)的帶8位可編程MCU的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片ADuC831，其主要完成利用注入信號法來測量系統(tǒng)的電容電流。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3 電容電流測量

目前常用的配電網(wǎng)電容電流測量方法中，以單相金屬接地法為代表的直接測量電容方法的測量精度高，但操作復(fù)雜繁瑣，在實(shí)際中應(yīng)用較少;而目前在實(shí)際中應(yīng)用較多的位移電壓曲線法、三點(diǎn)法和阻抗三角法等，都是利用電網(wǎng)的不平衡進(jìn)行電容電流測量。針對于目前電纜線路的不斷增多，電網(wǎng)不平衡度降低，通過改變電網(wǎng)的平衡，利用注入信號法測量電容電流［3］技術(shù)越來越受到重視。信號注入法的原理是從微機(jī)測控器不斷向電網(wǎng)發(fā)送出異頻信號，同時(shí)接收來自電網(wǎng)的反饋信號，根據(jù)相應(yīng)等值電路及算法，即可計(jì)算得到電網(wǎng)的對地電容電流值。

注入信號原理尤其適用于電網(wǎng)不對稱度小的系統(tǒng)。它具有在線檢測電網(wǎng)電容電流值，不對消弧線圈進(jìn)行調(diào)節(jié)，不受電網(wǎng)中性點(diǎn)信號影響，測試方便，精確度高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性廣和抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。注入信號又包括分頻注入法和掃頻注入法，分頻注入法是利用電路的伏安特性，通過方程求解得到電容大小，其優(yōu)點(diǎn)是裝置的設(shè)計(jì)相對較為簡單，測量速度快，但是受系統(tǒng)影響較大，測量準(zhǔn)確性不高;而掃頻注入法是利用了電路的頻率特性，不受系統(tǒng)運(yùn)行變化的影響，測量準(zhǔn)確性高，缺點(diǎn)是掃頻時(shí)間較長，對于隨調(diào)式的自動調(diào)諧系統(tǒng)，跟蹤補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間相對較長。

在這里采用掃頻注入信號法［4］進(jìn)行測量電路的設(shè)計(jì)。該電路主要由掃頻信號電源、隔離濾波電路以及50Hz工頻陷波電路組成。掃頻信號電源的主要作用是提供一個(gè)頻率連續(xù)變化的注入信號。由于電網(wǎng)中存在各種諧波和工頻干擾，必須對輸入信號進(jìn)行高、低通濾波和50Hz工頻陷波處理。其中該電路中的CPU采用AD公司的ADuC831。ADuC831是一個(gè)完全綜合的247k采樣保持?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在同一片中結(jié)合了高性能的自校準(zhǔn)12位ADC 8路通道，雙12位DAC通道和可編程8位MCU。還提供片內(nèi)4kB非易失性閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器、256bRAM和2kB擴(kuò)展RAM。ADuC831支持C語言編程，程序設(shè)計(jì)簡便且具有I2C、SPI串行I/O口，方便與DSP進(jìn)行通信。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電容電流測量原理圖

圖3為掃頻等效電路圖。圖中，U'N為電網(wǎng)中性點(diǎn)位移電壓UN感應(yīng)至PT二次側(cè)的電壓，L'、C'、G'分別為L、C、G折算到PT二次側(cè)的值，其中L為消弧線圈的電感，C=CA+CB+CC，G為電網(wǎng)泄漏電導(dǎo)。

從圖3中可以看出，U'N與U并存于等效電路中，故PT二次側(cè)上的電壓和采樣電阻R1上的電壓實(shí)際上是U'N與U共同作用的結(jié)果。以中性點(diǎn)位移電壓U'N為電網(wǎng)相電壓的15%來計(jì)算，U'N為15V。相比之下，掃頻電源施加在PT二次側(cè)上的電壓很小，因?yàn)橹C振頻率的判別是測量到采樣電阻上的最大電壓為依據(jù)的，這樣噪聲信號必然會對諧振頻率f0的準(zhǔn)確測量帶來不利的影響。

圖3 掃頻等效電路圖

為了去除U'N對f0測量工作的干擾，本文中采用美國Burr-Bromn公司生產(chǎn)的UAF42通用有源濾波器設(shè)計(jì)了陷波電路。該陷波網(wǎng)絡(luò)專用于濾除50Hz的單一頻率，其具體電路如圖4所示。

圖4 陷波電路

該電路陷波的頻率fnotch可通過下式設(shè)定:

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件主要包括A/D采樣控制、晶閘管觸發(fā)控制、鍵盤和顯示器的控制以及數(shù)據(jù)通信控制等［5］。通過對中性點(diǎn)電壓 A/D采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT運(yùn)算后與整定值進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生單相接地故障。如果發(fā)生單項(xiàng)接地故障，則先從電容電流測量電路獲得系統(tǒng)的電容電流，再通過計(jì)算得到晶閘管的觸發(fā)脈沖來控制晶閘管的通斷，從而對電網(wǎng)的電容電流進(jìn)行補(bǔ)償。晶閘管的控制在零電壓時(shí)投入電容器，零電流時(shí)切除電容器，這樣就可以避免投切時(shí)的過電壓和合閘涌流問題，同時(shí)也大大減小了系統(tǒng)的功耗，而且也不存在諧波干擾問題。然后啟動選線程序選出接地線路，當(dāng)接地故障消失之后，調(diào)節(jié)消弧線圈到最大補(bǔ)償狀態(tài)，從而抑制中性點(diǎn)位移電壓?？刂破鬈浖窘Y(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)框圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種以DSP為核心處理器的調(diào)容式消弧線圈控制器，并引入注入信號法來測量系統(tǒng)電容電流，避免了對消弧線圈的頻繁調(diào)節(jié)。而且由于DSP的高速計(jì)算能力，提高了控制器的運(yùn)算速度和實(shí)時(shí)處理能力。

［1］ 要煥年，曹梅月.電力系統(tǒng)諧振接地［M］.北京:中國電力出版社，2000.

［2］ 項(xiàng)維奇.論中性點(diǎn)經(jīng)自動跟蹤消弧線圈接地系統(tǒng)技術(shù)［J］.供用電，2006，(2):25-26.

［3］ 王志金，賈素梅，賈國良.電網(wǎng)電容電流的外加信號測量法［J］.電力技術(shù)，2002，(9):31-32.

［4］ 李玲玲，郭卉，蔣棟，等.基于掃頻法的諧振接地配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，(3):238-241.

［5］ 劉和平，高蘇州，李純，等.基于DSP的新型消弧線圈接地系統(tǒng)控制器［J］.電力自動化設(shè)備，2004，(6):75-77.