周 鵬，周玉國，張景景，于婷婷

（青島理工大學(xué) 自動化工程學(xué)院，山東 青島 266033）

在我國6～66 kV中低壓供電電網(wǎng)中，一般采用的是中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高阻接地的方式。這些接地方式在發(fā)生單相接地故障時，由于故障電壓仍然對稱，故不必立即切斷電源，提高了供電的可靠性。但是在發(fā)生故障時，非故障相相電壓升高到線電壓幅值，長時間帶故障運行就可能造成輸電線路的絕緣擊穿或是發(fā)生相間短路等電力事故，所以這類接地故障需要在一定時間內(nèi)進(jìn)行解決，一般規(guī)定設(shè)備可以在此類故障下運行2 h[1]。

中性點不接地、經(jīng)消弧線圈接地或高阻接地的配電系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障點會產(chǎn)生比較小的零序電流，三相電壓對稱性沒被破壞，設(shè)備運行正常，所以這類故障十分隱蔽，為檢測帶來一定困難?；诠收锨昂箅娏髋c電壓的變化關(guān)系，本文設(shè)計了一種具有實時性、可靠性與便于操作性的實時小電流檢測系統(tǒng)。

1 小電流選線方案分析

目前，對于小電流選線的方法主要分為基于暫態(tài)分量的選線方案與基于穩(wěn)態(tài)分量的選線方案兩種[2]。其中基于暫態(tài)分量的選線方案，主要包括小波變換法、首半波法及最大基波法等?；诜€(wěn)態(tài)分量的選線方案，主要包括零序電流比幅法、群體比幅比相法等。此外，還有注入基波法，S注入法等選線方法[3]。

雖然基于暫態(tài)分量的選線方法對于線路的瞬間接地尤其是間歇性電弧接地故障判斷實時性強，但是由于該選線方法存在較大的理論缺陷，目前沒有使用經(jīng)驗[4]，故本系統(tǒng)沒有采用暫態(tài)分量選線方案。注入信號方法需要在電網(wǎng)中注入所需要頻率的信號，這不僅提高了傳感器精度的要求，而且對于電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，故本選線系統(tǒng)也不采用。為了開發(fā)切實可靠的小電流選線系統(tǒng)，而且考慮到暫態(tài)分量檢測對于電弧接地等一些瞬時性接地，在電弧消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常，故本文采用的選線方案主要是基于穩(wěn)態(tài)分量的方案。

小電流接地系統(tǒng)在故障發(fā)生時，變化量最明顯的是電路中相電壓升高到線電壓幅值，故本系統(tǒng)首先是對于輸電線路的電壓值進(jìn)行檢測。在小電流接地故障發(fā)生后，電路產(chǎn)生的零序電流值變大，系統(tǒng)可以進(jìn)一步對電路的零序電流進(jìn)行檢測，以提高檢測的可靠性。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，在過補償方式下，故障線路的穩(wěn)態(tài)零序電流為過補償時產(chǎn)生的過剩電感電流，其方向與非故障線路相同。所以這種情況下，對于零序電流的檢測方法可能會失效。在系統(tǒng)中采用了零序補償導(dǎo)納法[5]進(jìn)行最后的判別。

2 小電流選線方案設(shè)計

采用零序補償導(dǎo)納法對小電流接地系統(tǒng)進(jìn)行選線，通過判斷輸電線路的導(dǎo)納的夾角所在坐標(biāo)軸區(qū)域來確定輸電線路是否發(fā)生故障。由于涉及到電流的方向及相位角的檢測，本系統(tǒng)采用的是直接檢測零序?qū)Ъ{模值的方法來判斷電路是否為故障線路[6-7]。

正常運行線路基波零序電流可以表示為：

式中，Idi0為故障情況下第i條非故障條件下的零序電流；Ud0為故障情況下中性點的零序電壓；Ci=CiA+CiB+CiC，為第i條非故障線路對地的總電容。

由式（1）可得：

式中，Ydi0為故障情況下測得的第i條非故障線路的零序?qū)Ъ{。

線路發(fā)生單相接地故障時，對于中性點不接地系統(tǒng)與中性點接地系統(tǒng)的零序?qū)Ъ{分別討論。

（1）中性點不接地系統(tǒng)的單相接地

故障線路的零序電流為：

可以得到故障線路的零序?qū)Ъ{為：

（2）中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)的單相接地

可得到故障線路的零序?qū)Ъ{為：

由于中性點不接地系統(tǒng)沒有消弧線圈的補償，如果該種電路發(fā)生小電流接地故障，通過檢測電路中的零序電流與零序電壓的變化即可判斷出接地故障。因此，本文主要討論中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的補償導(dǎo)納法判斷接地故障。根據(jù)上述公式，非故障線路的零序?qū)Ъ{為：

中性點經(jīng)消弧線圈接地線路故障時的零序?qū)Ъ{：

由于輸電線路敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，對于相位角的測量難度較大，很難完成對于線路相位角的精確測量。在本系統(tǒng)中對于零序?qū)Ъ{的角度不做處理，通過對零序?qū)Ъ{模值的比較判斷是否是小電流接地故障。則根據(jù)式（9）可得非故障線路的零序?qū)Ъ{的模值為：

故障線路的零序?qū)Ъ{模值為：

如果各輸電線路的外部環(huán)境是相同的，則有：

則零序?qū)Ъ{的變化量為：

對于中性點經(jīng)消弧線圈補償?shù)男‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，在過補償?shù)那闆r下電路呈現(xiàn)感性，有：

在國內(nèi)的小電流接地電力系統(tǒng)中，頻率均為50Hz，則：

對于輸電線路的對地電容，可根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]進(jìn)行計算，在此不做詳述。

本系統(tǒng)對于補償零序?qū)Ъ{的判斷是根據(jù)這個測量零序?qū)Ъ{與設(shè)定的零序?qū)Ъ{的偏差進(jìn)行監(jiān)測。對于輸電線電壓升高，線路中產(chǎn)生的零序電流明顯增大或是補償導(dǎo)納偏差增大的線路，即可判定為是故障線路。采用零序補償導(dǎo)納方法進(jìn)行對于輸電線的監(jiān)測，既增加了檢測系統(tǒng)的可靠性，又沒有造成硬件上的太大改變。采用零序補償導(dǎo)納法配合零序電壓與零序電流方法監(jiān)測小電流接地電路理論上比較合理，現(xiàn)實中也易于實現(xiàn)，方案可行。

3 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。硬件系統(tǒng)主要包括零序電流和零序電壓的采樣、濾波及信號調(diào)理、觸摸屏輸入輸出、時鐘、電源以及中央處理單元S3C2440。小電流監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能有：

（1）對于線路的零序電壓的實時檢測。當(dāng)電路的零序電壓大于設(shè)定值時，啟動零序電流以及零序?qū)Ъ{檢測任務(wù)。系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)故障，啟動報警程序。

（2）觸摸屏是系統(tǒng)最主要的人機交互通道。系統(tǒng)中各種門限值參數(shù)的設(shè)定以及系統(tǒng)內(nèi)部的輸出信息，主要是通過觸摸屏來實現(xiàn)的。

（3）對于系統(tǒng)的外加時鐘，采用獨立鋰電池供電確保時鐘信號的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)在一次校正時鐘以后，不必再校正。

（4）系統(tǒng)的實時性。系統(tǒng)實時檢測的電路信息，在顯示器上都會有顯示。如出現(xiàn)問題時，故障信息也能夠正確清晰顯示。

圖1 小電流監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

小電流監(jiān)測系統(tǒng)的主要任務(wù)流程如圖2所示。

軟件系統(tǒng)的主要任務(wù)有零序電壓監(jiān)測任務(wù)、零序電流監(jiān)測任務(wù)、補償導(dǎo)納監(jiān)測任務(wù)、時間任務(wù)、按鍵任務(wù)以及顯示任務(wù)。其中的主要流程如下：

（1）為提高系統(tǒng)的實時性能，系統(tǒng)首先對于輸電線路的零序電壓進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)零序電壓的測量值超過設(shè)定的門限值時，啟動零序電流監(jiān)測任務(wù)與補償導(dǎo)納監(jiān)測任務(wù)。

（2）零序監(jiān)測任務(wù)的檢測值超過設(shè)定電流或是補償導(dǎo)納發(fā)生變化，系統(tǒng)將啟動報警程序。

（3）系統(tǒng)時鐘采用電池單獨供電，確保時鐘的正常運行，增加系統(tǒng)的可靠性。

圖2 小電流監(jiān)測系統(tǒng)主程序框圖

（4）系統(tǒng)的人機交互主要采用觸摸屏實現(xiàn)。觸摸屏負(fù)責(zé)對小電流接地系統(tǒng)信息的顯示以及對于系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置。

對于零序補償導(dǎo)納法，系統(tǒng)通過檢測零序電流與零序電壓的相位角來進(jìn)行判別。線路正常運行時，零序電流超前零序電壓90°；線路出現(xiàn)故障時，零序電流滯后零序電壓90°。根據(jù)零序電流與零序電壓的方向關(guān)系，判斷線路是否發(fā)生故障。

當(dāng)有線路發(fā)生接地故障時，故障線路的零序電流與其余線路的零序電流符號相反。零序?qū)Ъ{產(chǎn)生差值，系統(tǒng)就會獲取相位角變送器的信號求出零序?qū)Ъ{的偏移角，通過比較測量偏移角與設(shè)定偏移角的關(guān)系，來判定是否發(fā)生小電流接地故障。為提高選線的準(zhǔn)確度，系統(tǒng)連續(xù)兩次采樣相位角變送器信號，如果兩次采樣的信號與設(shè)定值的比較結(jié)果一致，則系統(tǒng)就會輸出診斷結(jié)果；如果采樣結(jié)果不一致，則會第三次讀取相位角變送器信號，并比較后兩次的結(jié)果。如果一次連續(xù)比較中的對相位角變送器信號的讀取次數(shù)等于5次，則認(rèn)為該線路發(fā)生故障，輸出故障信息并啟動故障報警裝置。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息處理單元采用的是ARM處理器S3C2440，該處理器內(nèi)核采用的是RISC體系結(jié)構(gòu)，減小了開發(fā)難度。同時采用的是5級流水線，進(jìn)一步增大了系統(tǒng)的執(zhí)行速度，最高指令執(zhí)行速度可達(dá)500 MIPS。對于嵌入式系統(tǒng)的選擇上，充分考慮到實時性能的要求，采用實時性最好的μC/OS-II操作系統(tǒng)，這樣在軟件上也提高了系統(tǒng)的實時性能。

針對小電流接地故障難發(fā)現(xiàn)、難確定的現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一個基于零序電流、零序電壓的選線方法，提出并利用了基于導(dǎo)線對地電容的選線判據(jù)。對于影響選線正確性的因素進(jìn)行了分析，提出解決措施。采用實時性與可靠性俱佳的嵌入式操作系統(tǒng)，大大提高了選線的實時性與準(zhǔn)確性。在小電流接地的供電網(wǎng)中，本系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)線路中的接地故障。

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