配電網(wǎng)接地故障選線裝置研究及設(shè)計(jì)

我國(guó)當(dāng)前的實(shí)際情況是小電流接地系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用在中低壓配電網(wǎng)中，但系統(tǒng)的明顯缺陷問(wèn)題是高頻率的故障發(fā)生率，出現(xiàn)故障時(shí)接地系統(tǒng)中的電流會(huì)明顯減小且變得很小，除此之外并無(wú)明顯的特征情況證明故障發(fā)生[1]，所以檢測(cè)工作困難。目前階段已經(jīng)有大量學(xué)者對(duì)接地系統(tǒng)故障中的小電流情況進(jìn)行了研究，已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，但是成果在解決實(shí)際問(wèn)題上進(jìn)展不明顯，因此一定程度之上阻礙了配電網(wǎng)自動(dòng)化的水平。本文的研究重點(diǎn)就是此問(wèn)題，在小電流接地系統(tǒng)中引用了小波分析方法，并對(duì)其進(jìn)一步研究。

1 選線裝置整體設(shè)計(jì)方案

我國(guó)重點(diǎn)關(guān)注配電網(wǎng)建設(shè)工作，并且投入大量的資源以及人力、物力在其中，同時(shí)它也是一項(xiàng)重要的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，不斷優(yōu)化配網(wǎng)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的調(diào)度管理配網(wǎng)[2]。例如，在廣東地區(qū)配電網(wǎng)需要的配置要求更高，在性能方面要求其更加可靠，在難度上對(duì)調(diào)度管理提出了挑戰(zhàn)。在城市電網(wǎng)當(dāng)中，低壓配電網(wǎng)占據(jù)的比例在不斷增大，所以更要重視其穩(wěn)定與安全性，保證正常的供電服務(wù)，提高消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。單相接地故障問(wèn)題是配電網(wǎng)中較為普遍且頻率較高的故障問(wèn)題，而且此故障問(wèn)題的排除工作困難。根據(jù)此問(wèn)題，有研究學(xué)者提出了關(guān)于此故障問(wèn)題的解決辦法以降低故障排查時(shí)間，短時(shí)間內(nèi)修復(fù)故障，保證系統(tǒng)快速恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以本文設(shè)計(jì)了自動(dòng)化形式的選線裝置用來(lái)解決此項(xiàng)問(wèn)題，應(yīng)用ARM為裝置的處理器，各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是功能需求情況。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)圖

對(duì)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)當(dāng)考慮幾項(xiàng)因素，主要的因素有總體結(jié)構(gòu)是否合理、安全與可靠，同時(shí)在預(yù)期的設(shè)計(jì)制作當(dāng)中，必須保證需求與功能之間的高度統(tǒng)一。此設(shè)計(jì)中應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念是模塊化理念，多個(gè)功能模塊共同組成了此裝置，其中包含的幾項(xiàng)模塊分別是處理器模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)換和電路調(diào)理模塊（圖1）[3]。

2 選線裝置主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換與電路調(diào)理模塊

信號(hào)轉(zhuǎn)換與電路調(diào)理模塊是重要的模塊，在系統(tǒng)中的地位舉足輕重，并且之間在運(yùn)行當(dāng)中還會(huì)影響到其他模塊，模塊功能的完成依賴(lài)于信號(hào)轉(zhuǎn)換器與低通濾波器兩個(gè)核心元件，信號(hào)轉(zhuǎn)換器的主要功能作用是轉(zhuǎn)換電流信號(hào)，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用于模塊正常工作中。同時(shí)能夠降低其他信號(hào)對(duì)系統(tǒng)造成的干擾影響，提升隔離效果。低通濾波器負(fù)責(zé)濾波作用，以低通濾波方式處理采集到的信號(hào)[4]。

2.2 信號(hào)采集模塊

線路中的主要信息采集工作由信號(hào)采集模塊承擔(dān)，信息包含了電壓與電流等信息，選線裝置中會(huì)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。需要應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的電壓、電流互感器進(jìn)行信號(hào)采集，將采集獲得的信息進(jìn)行濾波處理以消除其噪聲影響，將需要的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常會(huì)使用到A/D轉(zhuǎn)換器，將信息輸送至處理器中。

信號(hào)采集過(guò)程是十分重要的操作步驟，這一過(guò)程與結(jié)果的判斷工作相互關(guān)聯(lián)。信號(hào)采集中，100V、5A的工頻交流模擬量的采集可以利用選線裝置實(shí)現(xiàn)。采集工作之前要對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通常以0.01s為采樣頻率，頻率信息發(fā)生改變就需要對(duì)信息變化情況進(jìn)行掌握，從而保證了數(shù)據(jù)獲取的精度。

當(dāng)前擁有多種類(lèi)型的A/D轉(zhuǎn)換器，在類(lèi)型上，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理分為并行以及雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，精度與效率是逐步逼近型轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)，成本不高，轉(zhuǎn)化服務(wù)也相對(duì)可靠。精度高、抗干擾性強(qiáng)是雙積分型的優(yōu)點(diǎn)，主要是使用在普通的轉(zhuǎn)換工作中。其中效率最高的是并行A/D轉(zhuǎn)換器，但在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中擁有大量的比較器，導(dǎo)致在規(guī)模程度上很大，價(jià)格高昂。并且此設(shè)備采取的信號(hào)形式是連續(xù)變化的，對(duì)其進(jìn)行處理之前要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以上問(wèn)題條件在A/D轉(zhuǎn)換器中都能夠得到解決。

A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了將模擬性信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的工作，使用CPU處理數(shù)字信號(hào)，此設(shè)計(jì)中使用AD7656轉(zhuǎn)換器完成此項(xiàng)工作。在采樣率上此轉(zhuǎn)換器數(shù)值上達(dá)到了250kSPS。在轉(zhuǎn)換器當(dāng)中包含了基準(zhǔn)電壓源與2.5V的基準(zhǔn)緩沖器，功耗消耗并不高。在輸出模式上，AD7656轉(zhuǎn)換器提供了多種選擇，用戶(hù)在方式選擇上包含了一般的串行與并行模式，本文采用的方式是串行模式，擁有較高的集成度，ADC采樣可以同時(shí)進(jìn)行6個(gè)，效率高。特殊的對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，傳輸方式應(yīng)用了多串口級(jí)聯(lián)，在數(shù)據(jù)傳輸效率上得到了大幅度提升。

觀察圖2，在圖中左側(cè)的三個(gè)引腳表達(dá)的含義是連接方式，這三個(gè)引腳與TIM0_OC1MP相連。通過(guò)此鏈接方式，一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程對(duì)于其他6個(gè)端口來(lái)說(shuō)都會(huì)重復(fù)此操作過(guò)程。將AD7656的RST 復(fù)位引腳與P3.6引腳相連，芯片復(fù)位工作高效進(jìn)行。當(dāng)在BUSY 引腳當(dāng)中的電位在數(shù)值上呈現(xiàn)出由高到低的變化時(shí)，表明轉(zhuǎn)換過(guò)程已經(jīng)徹底完成。

2.3 AR1M 微處理器模塊

圖2 AD7656與微處理器之間的連接方式

隨著微處理與電子技術(shù)的不斷發(fā)展，目前大部分企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)，常見(jiàn)的儀器以及設(shè)備中都含有此系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的應(yīng)用頻率逐漸加大，同時(shí)在不同軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中也有所應(yīng)用。因?yàn)槠鋺?yīng)用的區(qū)域廣，因此其復(fù)雜程度更大、樣式更多，因此在各種終端當(dāng)中也常常包含了嵌入式操作系統(tǒng)。對(duì)于特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)對(duì)于其定位操作的切入點(diǎn)需要兼顧基礎(chǔ)性和應(yīng)用性，含義如下：核心為應(yīng)用內(nèi)容，設(shè)計(jì)工作依托硬件技術(shù)與計(jì)算機(jī)，同時(shí)充分考慮成本、可靠性以及功耗的問(wèn)題，保證其能夠與系統(tǒng)相適應(yīng)。ARM 處理器是嵌入系統(tǒng)中最常應(yīng)用的，并且在生產(chǎn)領(lǐng)域上已經(jīng)覆蓋到家電、汽車(chē)、自動(dòng)化[5]。

微處理器對(duì)模塊的性能產(chǎn)生了重要的影響，在實(shí)際中主要體現(xiàn)在讀寫(xiě)速度以及時(shí)鐘速率等問(wèn)題方面，當(dāng)處理器的性能較好時(shí)，對(duì)于實(shí)際工作中的選線工具來(lái)說(shuō)擁有較大的方便。通過(guò)分析微處理器，本文在處理器型號(hào)選擇上確定了STR912F，此型號(hào)處理器的優(yōu)勢(shì)十分明顯。其性能強(qiáng)大，16/32位的ARM966E-SRISC為處理器的內(nèi)部集成，同時(shí)其優(yōu)越性能也體現(xiàn)在DMA 上，其數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作與轉(zhuǎn)換工作受到環(huán)境的影響較小，并不依靠CPU。在工作協(xié)作上，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)外圍設(shè)備共同配合，形成復(fù)雜裝置。