摘 要： 針對(duì)小電流接地故障診斷難的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于零序電流、零序電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)并對(duì)故障線路進(jìn)行選線。采用了多任務(wù)、可移植、可裁剪的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II。為防止中性點(diǎn)帶補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)于故障線路的過補(bǔ)償影響，系統(tǒng)還加入了補(bǔ)償零序?qū)Ъ{判據(jù)對(duì)這種接地情況下的故障進(jìn)行檢測(cè)。選線系統(tǒng)采用零序電壓觸發(fā)方式，既提高了實(shí)時(shí)性，也增大了選線的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞： 小電流接地系統(tǒng)；零序電流；零序補(bǔ)償導(dǎo)納；選線
在我國(guó)6~66 kV中低壓供電電網(wǎng)中，一般采用的是中性點(diǎn)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(shí)，由于故障電壓仍然對(duì)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(shí)，非故障相相電壓升高到線電壓幅值，長(zhǎng)時(shí)間帶故障運(yùn)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(shí)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(yùn)行2 h[1]。
中性點(diǎn)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(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生比較小的零序電流，三相電壓對(duì)稱性沒被破壞，設(shè)備運(yùn)行正常，所以這類故障十分隱蔽，為檢測(cè)帶來一定困難。基于故障前后電流與電壓的變化關(guān)系，本文設(shè)計(jì)了一種具有實(shí)時(shí)性、可靠性與便于操作性的實(shí)時(shí)小電流檢測(cè)系統(tǒng)。
1 小電流選線方案分析
目前，對(duì)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。基于穩(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(duì)于線路的瞬間接地尤其是間歇性電弧接地故障判斷實(shí)時(shí)性強(qiáng)，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(yàn)[4]，故本系統(tǒng)沒有采用暫態(tài)分量選線方案。注入信號(hào)方法需要在電網(wǎng)中注入所需要頻率的信號(hào)，這不僅提高了傳感器精度的要求，而且對(duì)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(shí)可靠的小電流選線系統(tǒng)，而且考慮到暫態(tài)分量檢測(cè)對(duì)于電弧接地等一些瞬時(shí)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(shí)，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(duì)于輸電線路的電壓值進(jìn)行檢測(cè)。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(duì)電路的零序電流進(jìn)行檢測(cè)，以提高檢測(cè)的可靠性。對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，在過補(bǔ)償方式下，故障線路的穩(wěn)態(tài)零序電流為過補(bǔ)償時(shí)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(duì)于零序電流的檢測(cè)方法可能會(huì)失效。在系統(tǒng)中采用了零序補(bǔ)償導(dǎo)納法[5]進(jìn)行最后的判別。
本系統(tǒng)對(duì)于補(bǔ)償零序?qū)Ъ{的判斷是根據(jù)這個(gè)測(cè)量零序?qū)Ъ{與設(shè)定的零序?qū)Ъ{的偏差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)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(bǔ)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(bǔ)償導(dǎo)納方法進(jìn)行對(duì)于輸電線的監(jiān)測(cè)，既增加了檢測(cè)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(bǔ)償導(dǎo)納法配合零序電壓與零序電流方法監(jiān)測(cè)小電流接地電路理論上比較合理，現(xiàn)實(shí)中也易于實(shí)現(xiàn)，方案可行。
3 軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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(hào)調(diào)理、觸摸屏輸入輸出、時(shí)鐘、電源以及中央處理單元S3C2440。小電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能有：
（1）對(duì)于線路的零序電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)電路的零序電壓大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)零序電流以及零序?qū)Ъ{檢測(cè)任務(wù)。系統(tǒng)如果發(fā)現(xiàn)故障，啟動(dòng)報(bào)警程序。
（2）觸摸屏是系統(tǒng)最主要的人機(jī)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(shí)現(xiàn)的。
（3）對(duì)于系統(tǒng)的外加時(shí)鐘，采用獨(dú)立鋰電池供電確保時(shí)鐘信號(hào)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)在一次校正時(shí)鐘以后，不必再校正。
（4）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的電路信息，在顯示器上都會(huì)有顯示。如出現(xiàn)問題時(shí)，故障信息也能夠正確清晰顯示。
3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
小電流監(jiān)測(cè)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(cè)任務(wù)、零序電流監(jiān)測(cè)任務(wù)、補(bǔ)償導(dǎo)納監(jiān)測(cè)任務(wù)、時(shí)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(shí)時(shí)性能，系統(tǒng)首先對(duì)于輸電線路的零序電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)零序電壓的測(cè)量值超過設(shè)定的門限值時(shí)，啟動(dòng)零序電流監(jiān)測(cè)任務(wù)與補(bǔ)償導(dǎo)納監(jiān)測(cè)任務(wù)。
（2）零序監(jiān)測(cè)任務(wù)的檢測(cè)值超過設(shè)定電流或是補(bǔ)償導(dǎo)納發(fā)生變化，系統(tǒng)將啟動(dòng)報(bào)警程序。
（3）系統(tǒng)時(shí)鐘采用電池單獨(dú)供電，確保時(shí)鐘的正常運(yùn)行，增加系統(tǒng)的可靠性。
（4）系統(tǒng)的人機(jī)交互主要采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)。觸摸屏負(fù)責(zé)對(duì)小電流接地系統(tǒng)信息的顯示以及對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置。
對(duì)于零序補(bǔ)償導(dǎo)納法，系統(tǒng)通過檢測(cè)零序電流與零序電壓的相位角來進(jìn)行判別。線路正常運(yùn)行時(shí)，零序電流超前零序電壓90°；線路出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)，故障線路的零序電流與其余線路的零序電流符號(hào)相反。零序?qū)Ъ{產(chǎn)生差值，系統(tǒng)就會(huì)獲取相位角變送器的信號(hào)求出零序?qū)Ъ{的偏移角，通過比較測(cè)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(hào)，如果兩次采樣的信號(hào)與設(shè)定值的比較結(jié)果一致，則系統(tǒng)就會(huì)輸出診斷結(jié)果；如果采樣結(jié)果不一致，則會(huì)第三次讀取相位角變送器信號(hào)，并比較后兩次的結(jié)果。如果一次連續(xù)比較中的對(duì)相位角變送器信號(hào)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(dòng)故障報(bào)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(shí)采用的是5級(jí)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(duì)于嵌入式系統(tǒng)的選擇上，充分考慮到實(shí)時(shí)性能的要求，采用實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性能。
針對(duì)小電流接地故障難發(fā)現(xiàn)、難確定的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(duì)地電容的選線判據(jù)。對(duì)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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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