張國軍，張強，于歡歡

（遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105）

提高小電網(wǎng)系統(tǒng)故障選線靈敏度的方法和實驗

張國軍，張強，于歡歡

（遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制工程學院，葫蘆島 125105）

為了解決小系統(tǒng)電網(wǎng)漏電故障存在故障信號微弱、檢測困難的問題，提高小系統(tǒng)電網(wǎng)漏電保護的靈敏性，提出了應用可編程增益放大器對信號進行自適應增益調(diào)整，以Atmega64單片機作為微控制器，采用零序功率算法作為選線判據(jù)，設(shè)計并制作漏電故障選線裝置，在實驗室建立電力系統(tǒng)進行漏電實驗。根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示，應用可編程增益放大器對提高小系統(tǒng)電網(wǎng)漏電故障選線的靈敏性具有非常顯著的效果。

電網(wǎng)小系統(tǒng)；可編程增益放大器；靈敏性；故障選線

漏電故障保護是電力系統(tǒng)保護中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到工礦企業(yè)的生產(chǎn)安全和工作人員的人身安全。但是目前的各類漏電保護裝置都存在靈敏度差和可靠性低的問題，尤其在中性點不接地的低壓小電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于小系統(tǒng)電網(wǎng)具有寄生參數(shù)小、漏電故障信號微弱和易受干擾等特點，給故障線路的檢測帶來很大困難[1]。

由于電力系統(tǒng)的復雜性，同一電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)的多變性，以及單相接地故障時接地阻抗的隨機性，使得零序電流不但微小，而且變化范圍很大[2]。如果應用固定的處理電路，在發(fā)生直接接地故障時，尚可檢測到故障時的較大幅值的電壓和電流，而在臨界電阻接地時，故障電壓、電流值會很小，以至于被噪聲信號淹沒而無法準確檢測，這就要求處理電路具有自適應調(diào)節(jié)的功能，以保證漏電保護裝置的高靈敏度。

1 影響小電網(wǎng)系統(tǒng)漏電故障選線靈敏度的因素

1.1 處理電路的局限性

微處理器獲得的數(shù)據(jù)都需要硬件電路的處理，因此信號采集后數(shù)據(jù)的處理過程是實現(xiàn)漏電可靠判斷的關(guān)鍵。在采集零序電流和零序電壓信號時，由于電力系統(tǒng)漏電故障的多樣性，漏電時信號的變化范圍很大，因此放大電路這一環(huán)節(jié)放大倍數(shù)的確定是個問題。

在單相金屬接地故障時，故障信號幅值很大，基本能滿足微處理器的處理要求；而在非金屬接地故障時，接地電阻較大，信號幅值過于微小，需要調(diào)整為很高的增益值才能滿足數(shù)據(jù)計算的需要。

因此，如果增益是固定不變的，則在設(shè)定的增益值過低時，對極其微弱的信號起不到放大作用；而設(shè)定值過高，對于幅值較大的信號，又會導致放大器飽和而產(chǎn)生失真，如圖1所示。

圖1 固定增益，信號處理前后的波形對比Fig.1 W aveform com parison of certain gain signalbefore and after processing

圖1中，硬件放大器放大倍數(shù)固定設(shè)置為10，對于幅值為0.2 V的信號，經(jīng)過放大調(diào)整后適合微處理器處理；而對于0.02 V的信號，幅值仍然很小，模數(shù)轉(zhuǎn)換后采樣精度低；對于幅值為0.3 V的信號，經(jīng)過放大調(diào)整后，幅值超過了微處理器的測量范圍，采集的數(shù)據(jù)就不能反映信號的實際情況。因此要求放大電路具有增益自適應調(diào)整的功能，對不同幅值的采樣信號進行不同增益調(diào)節(jié)，以滿足對采樣信號精度和準確度的要求。

1.2 傳感器精度低

小電網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生漏電故障時信號十分微小，如果不能可靠地檢測出故障信號，就不能做出正確、可靠的故障選線。因此，要選擇精密的測量器件。普通的零序電流互感器檢測的多是大電流信號，精度低，不適合檢測微弱的零序電流信號。小系統(tǒng)接地故障時信號多為毫安級，因此選擇ZTA120BT型零序電流互感器，可測量范圍為20 mA～1 A，輸出電流范圍為0.2～10mA，滿足小系統(tǒng)的零序電流檢測要求。

2 應用可編程放大器處理信號

2.1 可編程增益放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對處理電路的局限性，需要設(shè)計根據(jù)信號的幅值大小合理調(diào)整放大器的增益，并自動調(diào)整增益的高精度、高性能的數(shù)據(jù)采集電路，使輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號接近模數(shù)轉(zhuǎn)換的滿量程值，得到高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

系統(tǒng)采用硬件電路包括零序電壓電流采集電路、前級放大電路、程控放大電路、濾波電路、信號調(diào)理電路和單片機系統(tǒng)，如圖2所示。傳感器檢測故障信號，經(jīng)過程控放大、濾波、整型處理后，傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機經(jīng)過分析運算處理，根據(jù)當前采集的信號幅值確定可編程增益放大器的增益調(diào)節(jié)值。如果信號幅值很小，則設(shè)置較大的增益值；如果信號幅值較大，則設(shè)置低增益值，以合理滿足單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理精度的需要。

圖2 可編程增益放大器自適應調(diào)節(jié)框圖Fig.2 Block diagram of programmable gain am plifier for adaptive adjusting

在進行零序電壓和零序電流信號的采集時，信號的噪聲是隨機的，在程控放大的前后進行濾波處理。

對于前級信號放大電路，先對某些放大的噪聲信號濾波，再進入程控放大器，最后應用后級濾波電路消除程控放大器帶來的噪聲，實現(xiàn)信號的可靠檢測。

2.2 可編程增益放大器電路設(shè)計

可編程增益放大器的作用是提高系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集時的信號調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)采用的是可編程增益放大器PGA204/205，這兩種芯片數(shù)字控制可編程增益，具有很高的精度，PGA204的放大倍數(shù)可以設(shè)置為G=1、10、100、1000，PGA205的放大倍數(shù)可以設(shè)置為G=1、2、4、8。將兩種芯片結(jié)合起來使用，可達到理想的增益調(diào)節(jié)要求，滿足此信號采集系統(tǒng)需要。應用電路如圖3所示。

圖3中，引腳PA0、PA1、PA2、PA3由單片機編程控制，IN為信號輸入端，OUT為信號輸出端，REF2.5接2.5 V參考電壓。CPU采集信號后根據(jù)信號強弱調(diào)整可編程增益放大器的增益，將待處理信號調(diào)整到合適的量程范圍，這樣可以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度?？梢詫ψ兓秶^大的信號進行采集處理，測量精度高，通用性強。經(jīng)程控放大器處理后，同樣對于圖1的信號，采集后的波形如圖4所示。?

圖3 可編程增益放大器應用電路Fig.3 Circuitof the programmablegain amplifier

圖4 程控增益信號處理前后的波形對比Fig.4 W aveform comparison ofadaptiveadjusting gain signalbefore and after processing

同樣對于圖1中幅值分別為0.2 V、0.02 V、0.3 V的信號，首次單片機將以較小的增益值處理，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，不斷調(diào)整可編程增益放大器的增益，最后設(shè)置為合適的增益。對于0.2 V的信號，放大器增益可調(diào)節(jié)設(shè)置為10；而對于0.02V的信號，放大器增益可調(diào)節(jié)設(shè)置為100；對于為0.3 V的信號，放大器增益可調(diào)節(jié)為8，放大結(jié)果峰值都在5 V范圍內(nèi)，經(jīng)過調(diào)理電路后適合單片機處理。

3 濾波器處理電路

有時可編程增益放大器設(shè)置的增益值較高，在對有用信號進行放大的同時，噪聲信號同時被放大，這就要求系統(tǒng)具有高品質(zhì)的濾波性能，能夠可靠地去掉干擾信號，保留有價值的信號。

設(shè)計采用了集成濾波器芯片MAX260（如圖5所示），它是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，可以采用微處理器來精確控制的濾波器函數(shù)，不需要配置外圍元件，就可設(shè)置低通、高通、帯通、全通和帶阻濾波器。

圖5 MAX260應用電路Fig.5 Application circuitofMAX260

MAX260芯片含有2個二階濾波器，每個濾波器可在程序控制下設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)、濾波器工作方式等。應用中將MAX260中的2個濾波器級聯(lián)構(gòu)成4階帯通濾波器，實現(xiàn)對50Hz工頻信號的有效可靠濾波。

4 漏電實驗及實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 實驗過程

在實驗室條件下搭建模擬的電力系統(tǒng)，并分別在3條支路的出口處安裝零序電流互感器以測量零序電流。零序電壓是通過在中性點上加入電壓互感器采集的。將采集的信號經(jīng)硬件電路處理后傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機經(jīng)過運算處理，應用零序無功功率算法，進行漏電故障選線。

首次系統(tǒng)電容參數(shù)取2.5μF，分別對系統(tǒng)設(shè)置不同的漏電電阻使系統(tǒng)處于漏電故障狀態(tài)，測量此時的零序電流、零序電壓及零序無功功率，記錄各個參數(shù)的數(shù)據(jù)和報警狀態(tài)。再依次改變系統(tǒng)電容參數(shù)為1μF、0.1μF和0.05μF，分別進行測試并記錄結(jié)果。

4.2 實驗數(shù)據(jù)及分析

表1為系統(tǒng)電容為2.5μF，采樣電阻為12Ω時，將系統(tǒng)三相中的一相分別通過0、2.5、3.4、5、10 kΩ電阻接地時的漏電數(shù)據(jù)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可以看出，在對信號的增益設(shè)為固定值200時，只有在漏電電阻為0的情況下，采樣信號失真，其他情況信號正常，尚可做出合理的漏電故障判斷。

表1 系統(tǒng)對地電容為2.5μF時的系統(tǒng)數(shù)據(jù)Tab.1 System datawhen system capacitance to earth is2.5μF

表2為在系統(tǒng)電容為0.1μF，采樣電阻為12Ω時，重復做同樣的實驗的測量數(shù)據(jù)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可以看出，如果不改變對信號的放大倍數(shù)，仍設(shè)為固定值200時，只有在漏電電阻為10.0 kΩ的情況下，零序電壓采樣信號正常，其他情況零序電壓信號都已失真，這時在2.5、3.4和5.0 kΩ接地電阻接地時，零序功率值接近，而且浮動范圍較大，整定值確定很困難。

表3為采用可編程增益放大器后的實驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)參數(shù)與表1相同，根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，此時采樣數(shù)據(jù)正常，消除了信號的失真問題。零序功率分界值明顯，設(shè)定合理的零序功率整定值，就可以正確地選擇出漏電支路和非漏電支路。使選線方法的正確性得到保證，并且報警系統(tǒng)安全可靠。

表3 采用可編程增益放大器后系統(tǒng)對地電容為0.1μFTab.3 After using the programmable gain am plifier，the system capacitance to earth for 0.1μF

系統(tǒng)電容參數(shù)為1μF和0.05μF時，測試結(jié)果和分析結(jié)論與系統(tǒng)電容參數(shù)為0.1μF時的情況一致，不再贅述。

5 結(jié)語

本文分析了小電網(wǎng)系統(tǒng)漏電故障特點，以及在故障信號測量的靈敏性上需要解決的難點。應用可編程增益放大器對信號進行自適應增益調(diào)節(jié)，實驗數(shù)據(jù)表明，擴大了信號的采集范圍，提高了信號采集的精度和靈敏度，實現(xiàn)了對信號的自適應調(diào)節(jié)，彌補了小電網(wǎng)系統(tǒng)中零序信號微弱、變化范圍大、難以檢測的不足。

[1]徐靖東，張保會，尤敏，等（Xu Jingdong，Zhang Baohui，You Min，etal）.基于暫態(tài)零序電流特征的小電流接地選線裝置（Fault line selection device fornon-solid earthed network based on transient zero-sequence current features）[J].電力自動化設(shè)備（Electric Power Automation Equipment），2009，29（4）：101-105.

[2]田宏杰，汪華（Tian Hongjie，Wang Hua）.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的方案研究（Projectof fault line detection for single-phase-to-earth in small currentneutralgrounding system）[J].機電工程技術(shù)（Mechanic and Electric Engineering Technology），2009，38（1）：92-94，112，116.

[3]李孟秋，王耀南，王輝，等（LiMengqiu，Wang Yaonan，Wang Hui，etal）.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障點探測方法的研究（A new approach on detecting the singleto ground fault location on power system with neutral unearthed）[J].中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2001，21（10）：6-9，23.

[4]李國富，陳維江（LiGuofu，ChenWeijiang）.配電系統(tǒng)零序功率選線法的可靠性分析（Analysison the reliability of the zero-sequence active power faulty line identifying method in distribution systems）[J].電力設(shè)備（Power E－quipment），2005，6（4）：14-19.

[5]陳志亮，范春菊（Chen Zhiliang，F(xiàn)an Chunju）.基于5次諧波突變量的小電流接地系統(tǒng)選線（Fault line selection for small current neutral grounding system based on the fifth harmonic currentmutation in distribution system）[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報（Proceedingsof the CSU-EPSA），2006，18（5）：37-41，69.

Method and Experimentof Im proving Sensitivity of Leakage Fault Line Selection in Small Power System

ZHANGGuo-jun，ZHANGQiang，YUHuan-huan
（SchoolofElectricaland Control Engineering，Liaoning Technology University，Huludao125105，China）

In order to solve the problem that the faultsignal isweak and difficult to detect in the leakage faultof small power system，it is important to improve the sensitivity of the fault line selection.This paper uses programmable gain amplifier to adjustsignal gain automatically.The system uses the MCU of Atmega64 and applied zero sequence power algorithm for line selection criterion.The leakage fault line selection device is produced and applied to an established electric power system forexperiment in the lab.The results show that themethod is feasible for leakage faultdiagnosis，and isgood for improving the accuracy of the fault line selection system.

smallpowersystem；programmablegain amplifier；sensitivity；fault line selection

TM733

A

1003-8930（2013）05-0100-05

張國軍（1960—），男，博士，教授，研究方向為電機與電器專業(yè)。Email：zhangguojun_305@163.com

2010-10-25；

2011-11-30

張強（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動專業(yè)。Email：fenqingxiaoqiang@163.com

于歡歡（1986—），女，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動專業(yè)。Email：yuhuanhuan@163.com