李也白，唐克義，張霄霄，尹 凱，劉 浩

（1.長(zhǎng)興縣供電局，長(zhǎng)興313100；2.天津天大求實(shí)電力新技術(shù)股份有限公司，天津300384）

配電網(wǎng)中，單相接地是經(jīng)常發(fā)生的一類(lèi)故障。在我國(guó)小電流接地系統(tǒng)應(yīng)用較為普及，而在小電流接地故障發(fā)生時(shí)，由于故障穩(wěn)態(tài)特征不明顯，導(dǎo)致使用穩(wěn)態(tài)特征分析的小電流選線產(chǎn)品難以迅速、準(zhǔn)確地選出接地故障線路，在中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)尤為明顯。從市場(chǎng)現(xiàn)有設(shè)備運(yùn)行反饋回來(lái)的信息來(lái)看，效果均不明顯，因此，生產(chǎn)實(shí)踐中希望運(yùn)用新型智能化的設(shè)備，在單相接地故障發(fā)生后，快速準(zhǔn)確地選出故障線路并及時(shí)將之切除，提高線路故障維護(hù)工作效率，縮短供電恢復(fù)時(shí)間，從而保障電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值的統(tǒng)一。

目前常用的基于傳統(tǒng)的零序電流穩(wěn)態(tài)特征提取、比較等原理設(shè)計(jì)的單相接地選線裝置，其檢測(cè)有效性較低，而基于小波包分析理論對(duì)接地暫態(tài)數(shù)據(jù)分析的故障選線方法[1]由于其準(zhǔn)確性高，正在電力系統(tǒng)中不斷地得到推廣、使用。

1 新型選線原理

小電流接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，接地電容電流的暫態(tài)分量往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其穩(wěn)態(tài)值。原理上看，顯著提高故障選線成功率的方法之一就是充分利用暫態(tài)信號(hào)中的特征分量[2]。暫態(tài)信號(hào)中提取出的特征分量隱藏在小波函數(shù)伸縮和平移產(chǎn)生的可變時(shí)頻窗中。技術(shù)上看，由于小電流接地故障選線裝置可以有一定動(dòng)作延時(shí)，而中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)單相接地短路保護(hù)則要求瞬時(shí)動(dòng)作，因此，裝備具備了小波包技術(shù)應(yīng)用的條件[3～5]。

小波包變換技術(shù)克服暫態(tài)過(guò)程時(shí)間短且成分復(fù)雜的難題，成為分析暫態(tài)過(guò)程信號(hào)的有力工具[6]。小波包變換在空間（時(shí)間）和頻率上屬于局域性的變換，由于在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，因此從信號(hào)中能有效地提取信息，可利用它對(duì)奇異信號(hào)的敏感度，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算對(duì)信號(hào)進(jìn)行深度細(xì)化分析，篩選出信號(hào)的任意細(xì)節(jié)，能很好地處理微弱或突變信號(hào)[7]。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文裝置采用文獻(xiàn)[1]的基于小波包自適應(yīng)選線原理。當(dāng)單相接地故障發(fā)生時(shí)相電壓過(guò)零點(diǎn)附近時(shí)，線路中零序電流暫態(tài)能量段主要集中在低頻的0～50 Hz 之間，因此，零序電流的暫態(tài)特性主要取決于暫態(tài)電感電流。將故障和非故障線路進(jìn)行多層有效分解，0～125 Hz 的第一層頻段蘊(yùn)含能量最大；將各故障線路該頻段進(jìn)行重構(gòu)，則在零序電流中分析出大量的直流分量，故障線路的重構(gòu)信號(hào)符號(hào)是不變的；而非故障線路則明顯不同于故障線路，呈現(xiàn)出符號(hào)的周期性變化，從而判斷是哪條線路出現(xiàn)故障。當(dāng)單相接地故障發(fā)生時(shí)相電壓峰值附近時(shí)，暫態(tài)電感電流較暫態(tài)電容電流小得多，各線路零序電流的暫態(tài)特性均由暫態(tài)電容電流確定，因此，按能量最大原則自適應(yīng)地選擇在故障暫態(tài)特征最明顯的頻段下進(jìn)行分析和比較能有效地利用故障暫態(tài)過(guò)程中包含的信息。由于原始信號(hào)經(jīng)多層小波包分解后數(shù)據(jù)量較少，不利于直接通過(guò)小波包分解系數(shù)來(lái)反映各信號(hào)之間的關(guān)系，因此同樣可以進(jìn)行單枝重構(gòu)，然后通過(guò)比較各線路特征頻段下的小波重構(gòu)后電流瞬時(shí)值的符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)故障選線，大大提高故障選線的可靠性。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本裝置采用雙處理芯片加CPLD（complex programmable logic device）復(fù)雜可編程邏輯器件結(jié)構(gòu)。其中高端的小波算法處理采用DSP （digital signal processing）數(shù)字信號(hào)處理芯片，低端的通訊以及人機(jī)界面交互采用80196 單片機(jī)。DSP 與80196 之間的數(shù)據(jù)、邏輯交互采用CPLD 完成[8]。各主要芯片的主要功能如下：DSP 來(lái)完成小波算法對(duì)采樣數(shù)列的分解及重構(gòu)，以及故障選線；CPLD 用來(lái)完成擴(kuò)展DSP 的I/O 口和FLASH 的地址線、DSP 和單片機(jī)的通訊以及控制A/D 轉(zhuǎn)換芯片MAX125；單片機(jī)主要用于控制液晶、機(jī)身面板鍵盤(pán)，提供人機(jī)對(duì)話并采樣和計(jì)算3 U0。裝置選線流程如圖1 所示。

圖1 小電流接地選線裝置選線流程Fig.1 Line selection flow chart of small current grounding device

裝置采用14 位AD 芯片MAX125，可采樣8路輸入，同時(shí)采樣其中4 路。但是由于MAX125 為5 V 邏輯電平，因此不能與DSP 的3.3 V 邏輯電平直接交互。CPLD 的IO 管腳支持2.5 V，3.3 V，5 V的邏輯電平，因此為解決MAX125 與DSP 之間的信號(hào)電平匹配提供了方法。同時(shí)CPLD 還實(shí)現(xiàn)了對(duì)MAX125 的時(shí)序控制。本裝置取A/D 采樣頻率為4 kHz，即每個(gè)工頻周期采樣為80 點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)間隔250 us，用于小波重構(gòu)算法的計(jì)算。CPLD 通過(guò)對(duì)輸入的24 M 時(shí)鐘進(jìn)行周期計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到采樣周期時(shí)，即250 us 的計(jì)數(shù)周期，觸發(fā)采樣使能信號(hào)CONVST，MAX125 采樣完成后產(chǎn)生采樣完成中斷，CPLD 將中斷傳送給DSP。DSP 在響應(yīng)中斷后讀取采樣數(shù)據(jù)，而且整個(gè)讀取過(guò)程是透明的，DSP只需觸發(fā)讀信號(hào)，具體讀取那個(gè)芯片的數(shù)據(jù)則有CPLD 判斷實(shí)現(xiàn)。CPLD 控制MAX125 以及DSP 讀取數(shù)據(jù)的邏輯框圖如圖2 所示。

圖2 CPLD 控制邏輯框圖Fig.2 CPLD control logic diagram

與采用串口通訊的方式不同，用CPLD 實(shí)現(xiàn)雙處理器間的數(shù)據(jù)交互最大的特點(diǎn)是速度快。當(dāng)單片機(jī)要下送數(shù)據(jù)給DSP 時(shí)，對(duì)于單片機(jī)而言只是對(duì)一個(gè)外圍地址寫(xiě)數(shù)據(jù)，CPLD 將所寫(xiě)的數(shù)據(jù)分析出來(lái)并放入緩存中同時(shí)對(duì)DSP 發(fā)數(shù)據(jù)中斷，DSP在中斷中將數(shù)據(jù)讀走。由于整個(gè)過(guò)程速度是很快的，因此單片機(jī)完全不用考慮時(shí)序，以及DSP 的數(shù)據(jù)讀取是否完成，直接進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)DSP 對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸也是這個(gè)過(guò)程。

在整個(gè)數(shù)據(jù)的交互過(guò)程中CPLD 實(shí)現(xiàn)了將單片機(jī)模擬為DSP 的一個(gè)外圍器件，同時(shí)也將DSP模擬為單片機(jī)的一個(gè)外圍器件。CPLD 對(duì)這兩個(gè)器件是完全透明的，數(shù)據(jù)的交互是一個(gè)總線讀寫(xiě)過(guò)程沒(méi)有任何延遲[9]。

當(dāng)上電或者修改選線定值后，單片機(jī)將每路母線的出線數(shù)傳送給DSP。一旦發(fā)生接地故障，單片機(jī)發(fā)送選線指令，DSP 進(jìn)入選線狀態(tài)。根據(jù)各路母線的定值，DSP 對(duì)同一母線的出線進(jìn)行小波變換，選取其能量最大的特征頻段，再進(jìn)行反變換，進(jìn)而判斷接地線路并上送單片機(jī)。至此，DSP 的選線過(guò)程完成。

3 案例分析

為驗(yàn)證產(chǎn)品選線原理的準(zhǔn)確性，設(shè)備研發(fā)樣機(jī)選擇在接地故障常發(fā)的浙江省某縣35 kV 里塘變電站進(jìn)行安裝運(yùn)行測(cè)試。2012年7月12日17時(shí)32 分54 秒，該縣電力公司自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)35 kV 里塘變10 kV 母線A 相金屬性接地，并發(fā)出一系列信號(hào)，包括：街道330 線、龍山333 先、白水334 線小電流接地信號(hào)。但維修人員無(wú)法準(zhǔn)確判斷接地線路，如果按照原有習(xí)慣只能通過(guò)逐條試?yán)M(jìn)行判斷，則降低了供電可靠性。而本次通過(guò)新安裝的小電流選線系統(tǒng)發(fā)出的白水334 線小電流接地（新）信號(hào)，維修人員將白水334 線作為優(yōu)先試?yán)木€路，結(jié)果試?yán)?，接地現(xiàn)象消失。監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)如表1 所示。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)接地信號(hào)顯示Tab.1 Ground signal display of monitoring system

故障期間，站內(nèi)零序電壓如圖3 所示。

圖3 變電站內(nèi)零序電壓顯示Fig.3 Display of zero sequence voltage in the substation

2012年4月設(shè)備研發(fā)樣機(jī)在天津某區(qū)35 kV開(kāi)發(fā)區(qū)變電站進(jìn)行安裝運(yùn)行測(cè)試。開(kāi)發(fā)區(qū)站共有2條35 kV 進(jìn)線、12 條10 kV 出線，主要為該城區(qū)供電。2012年10月12日14 時(shí)36 分05 秒，設(shè)備發(fā)出東風(fēng)線接地報(bào)警，與監(jiān)控系統(tǒng)捕捉到的故障相同。2012年7月設(shè)備研發(fā)樣機(jī)在浙江省某縣碧蓮35 kV 變電站、大岙35 kV 變電站、巖坦35 kV 變電站、鶴盛35 kV 變電站各安裝1 臺(tái)進(jìn)行安裝運(yùn)行測(cè)試。其中2012年11月17日11 時(shí)14 分23 秒巖坦35 kV 變電站維護(hù)工程中773 線發(fā)生接地報(bào)警，設(shè)備成功捕捉，與監(jiān)控系統(tǒng)捕捉到的故障相同。

由以上案例可以看出在接地故障發(fā)生時(shí)，使用小波包原理的產(chǎn)品的選線準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)新原理小電流接地選線裝置的研究與實(shí)施，改善和加強(qiáng)了配電網(wǎng)暫態(tài)接地保護(hù)的性能[10、11]。基于小波包重構(gòu)算法的選線技術(shù)具有強(qiáng)抗過(guò)渡電阻能力，不受故障時(shí)刻和補(bǔ)償度影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)的小電流接地故障選線，具有極高的準(zhǔn)確性和可靠性。

我國(guó)配電網(wǎng)規(guī)模龐大，具有眾多的大中型的工礦企業(yè)，且多采用小電流接地系統(tǒng)，而小電流接地選線一直屬于配電網(wǎng)繼電保護(hù)最薄弱的一環(huán)，因此，本次研究出的新原理小電流接地選線裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，可以盡快查找出故障線路，縮短停電時(shí)間，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行做出貢獻(xiàn)，有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值，并將獲得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

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