小波包原理小電流接地選線裝置的研發(fā)與應(yīng)用

李也白，唐克義，張霄霄，尹 凱，劉 浩

（1.長興縣供電局，長興313100；2.天津天大求實電力新技術(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)生的一類故障。在我國小電流接地系統(tǒng)應(yīng)用較為普及，而在小電流接地故障發(fā)生時，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，在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)尤為明顯。從市場現(xiàn)有設(shè)備運行反饋回來的信息來看，效果均不明顯，因此，生產(chǎn)實踐中希望運用新型智能化的設(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將之切除，提高線路故障維護工作效率，縮短供電恢復(fù)時間，從而保障電力系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)經(jīng)濟價值與社會價值的統(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)計的單相接地選線裝置，其檢測有效性較低，而基于小波包分析理論對接地暫態(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，接地電容電流的暫態(tài)分量往往遠遠大于其穩(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)信號中的特征分量[2]。暫態(tài)信號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作延時，而中性點直接接地電網(wǎng)單相接地短路保護則要求瞬時動作，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)過程時間短且成分復(fù)雜的難題，成為分析暫態(tài)過程信號的有力工具[6]。小波包變換在空間（時間）和頻率上屬于局域性的變換，由于在時域和頻域上同時具有良好的局部化性質(zhì)，因此從信號中能有效地提取信息，可利用它對奇異信號的敏感度，通過伸縮和平移等運算對信號進行深度細化分析，篩選出信號的任意細節(jié)，能很好地處理微弱或突變信號[7]。

2 設(shè)計與實現(xiàn)

本文裝置采用文獻[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)生時相電壓過零點附近時，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行多層有效分解，0～125 Hz 的第一層頻段蘊含能量最大；將各故障線路該頻段進行重構(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)信號符號是不變的；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)生時相電壓峰值附近時，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行分析和比較能有效地利用故障暫態(tài)過程中包含的信息。由于原始信號經(jīng)多層小波包分解后數(shù)據(jù)量較少，不利于直接通過小波包分解系數(shù)來反映各信號之間的關(guān)系，因此同樣可以進行單枝重構(gòu)，然后通過比較各線路特征頻段下的小波重構(gòu)后電流瞬時值的符號來實現(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)字信號處理芯片，低端的通訊以及人機界面交互采用80196 單片機。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 來完成小波算法對采樣數(shù)列的分解及重構(gòu)，以及故障選線；CPLD 用來完成擴展DSP 的I/O 口和FLASH 的地址線、DSP 和單片機的通訊以及控制A/D 轉(zhuǎn)換芯片MAX125；單片機主要用于控制液晶、機身面板鍵盤，提供人機對話并采樣和計算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 之間的信號電平匹配提供了方法。同時CPLD 還實現(xiàn)了對MAX125 的時序控制。本裝置取A/D 采樣頻率為4 kHz，即每個工頻周期采樣為80 點，每個采樣點間隔250 us，用于小波重構(gòu)算法的計算。CPLD 通過對輸入的24 M 時鐘進行周期計數(shù)，當(dāng)達到采樣周期時，即250 us 的計數(shù)周期，觸發(fā)采樣使能信號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)，而且整個讀取過程是透明的，DSP只需觸發(fā)讀信號，具體讀取那個芯片的數(shù)據(jù)則有CPLD 判斷實現(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 實現(xiàn)雙處理器間的數(shù)據(jù)交互最大的特點是速度快。當(dāng)單片機要下送數(shù)據(jù)給DSP 時，對于單片機而言只是對一個外圍地址寫數(shù)據(jù)，CPLD 將所寫的數(shù)據(jù)分析出來并放入緩存中同時對DSP 發(fā)數(shù)據(jù)中斷，DSP在中斷中將數(shù)據(jù)讀走。由于整個過程速度是很快的，因此單片機完全不用考慮時序，以及DSP 的數(shù)據(jù)讀取是否完成，直接進入下一個循環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸。同時DSP 對單片機的數(shù)據(jù)傳輸也是這個過程。

在整個數(shù)據(jù)的交互過程中CPLD 實現(xiàn)了將單片機模擬為DSP 的一個外圍器件，同時也將DSP模擬為單片機的一個外圍器件。CPLD 對這兩個器件是完全透明的，數(shù)據(jù)的交互是一個總線讀寫過程沒有任何延遲[9]。

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

3 案例分析

為驗證產(chǎn)品選線原理的準(zhǔn)確性，設(shè)備研發(fā)樣機選擇在接地故障常發(fā)的浙江省某縣35 kV 里塘變電站進行安裝運行測試。2012年7月12日17時32 分54 秒，該縣電力公司自動化監(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，包括：街道330 線、龍山333 先、白水334 線小電流接地信號。但維修人員無法準(zhǔn)確判斷接地線路，如果按照原有習(xí)慣只能通過逐條試拉進行判斷，則降低了供電可靠性。而本次通過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，維修人員將白水334 線作為優(yōu)先試拉的線路，結(jié)果試拉后，接地現(xiàn)象消失。監(jiān)控系統(tǒng)信號如表1 所示。

表1 監(jiān)控系統(tǒng)接地信號顯示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)樣機在天津某區(qū)35 kV開發(fā)區(qū)變電站進行安裝運行測試。開發(fā)區(qū)站共有2條35 kV 進線、12 條10 kV 出線，主要為該城區(qū)供電。2012年10月12日14 時36 分05 秒，設(shè)備發(fā)出東風(fēng)線接地報警，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 臺進行安裝運行測試。其中2012年11月17日11 時14 分23 秒巖坦35 kV 變電站維護工程中773 線發(fā)生接地報警，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，使用小波包原理的產(chǎn)品的選線準(zhǔn)確性得到了驗證。

4 結(jié)語

通過新原理小電流接地選線裝置的研究與實施，改善和加強了配電網(wǎng)暫態(tài)接地保護的性能[10、11]?；谛〔ò貥?gòu)算法的選線技術(shù)具有強抗過渡電阻能力，不受故障時刻和補償度影響，實現(xiàn)無死區(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，縮短停電時間，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行做出貢獻，有較強的推廣應(yīng)用價值，并將獲得良好的社會和經(jīng)濟效益。

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