小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、小電流接地系統(tǒng)單相接地選線裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)周鵬,周玉國,張景景,于婷婷(青島理工大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,山東青島266033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)C/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;選線中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1674-7720(2

2、01211-0081-03The design and implementation of line selection device for non-effectively ground systemZhou Peng,Zhou Yuguo,Zhang Jingjing,Yu Tingting(School of Automotive Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao266033,ChinaAbstract:For the difficulties of diagnosing non-effectively ground

3、 system,a new real-time diagnostic system is designed in this paper.Fault line selection is the main task.Zero-sequence current and zero-sequence voltage are detected in the paper.A multi-task,portable,scalable operating systemC/OS-II is used.Over-compensation condition maybe come up in some power n

4、etwork,so zero-sequence compensation admittance is also detected.Zero-sequence voltage is used as the starting methods,and it improves the system real-time.Key words:non-effectively grounded system;zero-sequence current;zero-sequence compensation admittance;line selection在我國666kV中低壓供電電網(wǎng)中,一般采用的是中性點(diǎn)不接

5、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2h1。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?；诠收锨昂箅娏髋c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

6、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?；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(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

7、。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81歡迎網(wǎng)上投稿微型機(jī)與應(yīng)用2012年第31卷第11期接地,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

8、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。2小電流選線方案設(shè)計(jì)采用零序補(bǔ)償導(dǎo)納法對(duì)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(cè),本系統(tǒng)采用的是直接檢測(cè)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(yùn)行線路基波零序電流可以表示為:I di0=jC i U d0(1式中,I di0為故障情況下第i條非故障條件下的零序電流;U d0為故障情況下中性點(diǎn)的零序電壓;C i=C iA+C iB+C iC,為第i條非故障線路對(duì)地的總電容。由式(1可得:Y di0=I di0U d0=jC i

9、 U d0U d0=jC i(2式中,Y di0為故障情況下測(cè)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(shí),對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)與中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的零序?qū)Ъ{分別討論。(1中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的單相接地故障線路的零序電流為:I di0=-j(C-C jU d0(3可以得到故障線路的零序?qū)Ъ{為:Ydj0=I dj0U d0-j(C-C j(4(2中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)的單相接地I dj0=-U d0R -U d0jL-j(C-C jU d0(5可得到故障線路的零序?qū)Ъ{為:Ydj0=I dj0U d0-1R-1jL-j(C-C j(6由于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)沒有消弧線圈的補(bǔ)償,如果該種電路發(fā)生小電流接

10、地故障,通過檢測(cè)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(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的補(bǔ)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: Y di0=jC i(7中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地線路故障時(shí)的零序?qū)Ъ{:Ydj0=-1R-1jL-j(C-C j(8由于輸電線路敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜,對(duì)于相位角的測(cè)量難度較大,很難完成對(duì)于線路相位角的精確測(cè)量。在本系統(tǒng)中對(duì)于零序?qū)Ъ{的角度不做處理,通過對(duì)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:Y di0=(C i2姨=C i(9故障線路的零序?qū)Ъ{模值為:Ydi0=(-1R2+(-1L-

11、(C-C j2姨(10如果各輸電線路的外部環(huán)境是相同的,則有:C i=C j,C=nC i=n C j(11則零序?qū)Ъ{的變化量為:Y di0Ydi0-Y di0=(-1R2+(-1L-(C-C j2姨-C i=(12(-1R2+(-1L-(nC j-C j2姨-C j對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償?shù)男‰娏鹘拥叵到y(tǒng),在過補(bǔ)償?shù)那闆r下電路呈現(xiàn)感性,有:1L-C j(13可見當(dāng)n=1,1L=C j時(shí),Y di0取得最小值。此時(shí)有:Y di0=Ydi0-Y di0=(-1R2+(-1L2姨-C j=(-1R2+(C j2姨-C j2C j R姨-C j(14且當(dāng)1R=C j時(shí),Y di0取得最小值,此時(shí):Y

12、 di0min=|2C j-1|C j(15在國內(nèi)的小電流接地電力系統(tǒng)中,頻率均為50Hz,則:=2f=100(16對(duì)于輸電線路的對(duì)地電容,可根據(jù)參考文獻(xiàn)8進(jìn)行計(jì)算,在此不做詳述。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

13、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82微型機(jī)與應(yīng)用2012年第31卷第11期歡迎網(wǎng)上投稿微型機(jī)與應(yīng)用2012年第31卷第11期輸入輸出、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,

14、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。(

15、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

16、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)500MIPS 。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C/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

17、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。參考文獻(xiàn)1徐梅,楊文榮,吳淑梅,等.基于零序電流比值變化的小電流接地選線方法J.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009,7(37:68-71.2林湘寧,高艷,劉沛,等.基于零序補(bǔ)償導(dǎo)納的小電流接地系統(tǒng)單相故障保護(hù)新方J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(10:45-49.3曾祥軍,尹項(xiàng)根,張哲,等.零序?qū)Ъ{法饋線接地保護(hù)的研究J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,21(4:5-10.4張新慧,潘貞存,徐丙垠,等.基于暫態(tài)零序電流的小電流接地故障選線仿真J.繼電器,2008,36(3:5-9.5薛永強(qiáng),邵玉槐,劉寶勤.零序?qū)Ъ{法饋線接地保護(hù)的研究J.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,33(4:396-399.6易東,李群湛,黃彥全.零序?qū)Ъ{法接地保護(hù)原理J.電力自動(dòng)化設(shè)備,2002,22(10:40-42.7索南加樂,薛曉輝,高峰,等.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的研究J.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào).2008,42(4:471-473.8王磊,賈清泉,蔡國偉.一種估計(jì)小電流系