目录0 引言11 绪论31.1 小电流接地系统研究现状31.2 小电流接地系统研究的意义42 小电流接地系统单相接地故障分析62.1 概述62.2 小电流接地系统不同接地方式的比较72.2.1 中性点不接地方式72.2.2 中性点经消弧线圈接地方式72.2.3 中性点经电阻接地方式82.3 小电流接地系统不同接地方式的故障分析82.3.1 中性点不接地方式的故障分析82.3.2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障分析132.3.3 中性点经电阻接地系统单相接地故障分析173 小电流单相接地故障选线算法203.1 选线算法综述203.1.1 零序电流比幅算法203.1.2 群体比幅比相算法203.1.3 无功功率算法213.1.4 五次谐波分量算法213.1.5 有功分量算法223.1.6 小波算法223.1.7 能量函数法233.1.8 信号注入法243.2 选线影响因素分析253.3 综合选线算法253.4 连续选线算法274 小电流接地选线装置的硬件设计294.1 CPU模块294.2 信号采集模块304.3 A/D转换模块314.4 存储空间扩展模块364.4.1 SRAM的扩展364.4.2 FLASH 芯片的扩展384.5 人机对话模块394.6 通信系统414.7 硬件抗干扰设计435 小电流接地选线装置的软件设计445.1 软件框架设计445.1.1 控制层软件设计455.1.2 应用层软件设计535.1.3 各任务之间的切换关系545.2 软件抗干扰技术的应用556 经济技术分析577 结论58致谢59参考文献60附录A 译文61附录B 外文文献650 引言 电力系统中性点接地方式可划分为两大类：大电流接地方式和小电流接地方式。在大电流接地方式中，主要有：中性点直接接地方式，中性点经低电阻、低电抗或中电阻接地方式；在小电流接地方式中，主要有:中性点经消弧线圈接地方式，中性点不接地方式和中性点经高电阻接地方式等1,2。 小电流接地系统发生单相接地故障时的情况比较复杂，各物理量的变化与系统中性点接地方式、接地点位置、接地电阻值、燃弧和熄弧情况等因素都有关系。不过接地故障发生后总是先引起各相电压的变化，然后导致各相电流发生变化。我国666kV配电网一般为小电流接地方式。单相接地故障是配电网中发生频率较高的故障，故障发生后，由于大地与中性点之间没有直接电气连接或串接了电抗器，因此短路电流很小，保护装置不需要立刻动作跳闸，从而提高了系统运行的可靠性，特别是在瞬时故障条件下，短路点可以自行灭弧恢复绝缘，有利于减少用户短时停电次数。但如果故障是永久性的，系统仅允许在故障情况下继续运行12小时，此时必须尽快查明接地线路，以便采取相应措施排除故障，恢复系统正常运行3,4。因此提出小电流接地系统的单相接地故障选线问题。小电流接地系统的优点是接地故障零序电流小，但微弱的零序电流常混杂在各种干扰信号中，为准确选线排除故障增加了难度。针对这个问题已有大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，并开发出选线装置在实际工作中取得了一定的应用。在研究选线算法的初期，主要针对某一具体算法，如适用于中性点不接地系统的群体比幅比相算法，适用于经消弧线圈接地系统的谐波法、能量法、小波法等。从现场应用情况来看，这些传统的算法的选线效果并不理想，主要原因有：(1)接地状况复杂，故障状况不同，产生的故障特征量在数值上、变化规律上相差很大；(2)故障电流微弱，测量精度难以保证；(3)现场的电磁干扰以及工频负荷电流干扰使测量的故障成分信噪比非常低。受各种干扰因素的影响,故障选线装置测量到的故障特征量(如零序电流、零序功率方向等)具有很大的模糊性和不确定性，同一干扰信号对不同的故障检测手段的影响相差较大，没有哪种单一选线方法对所有故障类型都有效。另外，由于小电流接地系统的特殊性，运行中因改变运行方式而出现谐振过电压的几率较高，过电压不仅影响设备的安全运行，并且会启动选线装置，造成选线装置误动，影响故障处理。因此，分析研究各种选线算法，提取特征信息确定选线算法的有效性，将各种选线算法智能融合，分析谐振引起的虚幻接地现象，有效区别谐振过电压和单相接地故障，形成适应性强的选线算法，并为算法的实现建立计算快速、灵敏的硬件平台，实现小电流接地系统单相接地故障快速、可靠选线，将具有重要的理论和实际意义。1 绪论1.1 小电流接地系统研究现状 世界各国的配电网中性点在50年代前后，大都采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式；到60年代后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧线圈接地方式。对于故障选线的研究，在前苏联，小电流接地系统得到了广泛应用，并对其保护原理和装置的研究给予了很大的重视，发表了多篇论文，研制了几代装置，在供电和煤炭行业中得到了应用，保护原理从过流、无功方向发展到了群体比幅；装置由电磁式继电器、晶体管发展到模拟集成电路和数字电路，而微机构成的装置较少。日本在供电、钢铁、化工用电中普遍采用中性点不接地或经电阻接地系统，所以选线原理简单，采用基波无功方向方法，近年来，在如何获取零序电流信号以及接地点分区段方面投入了不少力量，利用光导纤维研制的架空线和电缆零序互感器OZCT试验获得成功。德国多使用谐振接地系统，并于30年代就提出了反映故障开始暂态过程的单相接地保护原理，研制了便携式接地报警装置。法国在使用中性点经电阻接地系统几十年后，现在正以谐振接地系统取代中性点经电阻接地系统，同时开发出了高新技术产品零序导纳接地保护。而挪威一家公司则利用测量空间电场和磁场的相位，反映零序电压和零序电流的相位，研制了悬挂式接地指示器。90年代初，国外已将人工神经网络原理应用于单相接地保护，并有文献提到应用专家系统方法，随着小波分析的出现和发展，国外有文献提及利用小波分析良好的时频局部性，分析故障暂态电流的高频分量的方法。 我国从1958年起，就一直对小电流接地系统单相接地故障的选线问题进行研究，提出了多种选线方法，并开发出了相应的装置。50年代我国有根据首半波极性研制成功的接地保护装置和利用零序电流五次谐波研制成功的接地选线定位装置。70年代后期，上海继电器厂和许昌继电器厂等单位研制生产了一批有选择性的接地信号装置，如反映中性点不接地系统零序功率方向的ZD-4型保护和反映经消弧线圈接地系统五次谐波零序功率方向的ZD-5，ZD-6，ZD-7型保护。有些运行部门还采用反映零序电流增大的零序电流保护来选线。80年代中期，我国又研制成功了微机型小电流接地系统单相接地选线装置，近几年来，随着微机在电力系统应用的推广，相继又出现了一些微机型接地选线装置和适合微机实现的选线理论。其中由南京自动化研究院研制的微机小电流接地系统单相接地选线装置，其主要原理是比较线路零序电流五次谐波的大小和方向；华北电力大学利用零序电流的五次谐波比相原理研制的ML98型小电流接地系统单相接地微机选线装置等等。另外，信号注入式接地选线、定位保护利用对外加诊断信号的寻踪实现选线、定位，已在电力系统中获得较为广泛的应用。 为提高选线的正确率国内研究人员不断进行探索，有文献从信息融合的思路出发，提出充分利用多方面的故障信息，探索多种选线方法使之相互融合来提高故障选择判断能力，并提出一种应用D-S证据理论实现的多重故障特征融合选线方法。在证据理论的应用中，将多信息综合选线问题转化为证据推理问题，使选线结果最大程度得到各个故障信息的共同支持，同时抑止了受到干扰的不良数据的影响。然而这种综合选线方法运用于现场并不实用，不能解决配电网高阻故障选线困难等根本问题，仅对选线的可靠性做出了改善。1.2 小电流接地系统研究的意义 长期以来，人们针对小电流故障选线问题进行了大量的研究，基于不同的原理，提出了许多解决方案，有的已经开发出选线装置并在实际工作中取得了一定的应用，但现场应用效果都不理想。 美国、日本等国的配电电网采用低电阻接地方式居多，人工增大故障点的接地电流，利用零序过电流保护瞬间切除故障线路，不需要配置单相接地选线装置，美国电力行业一般承认小电流系统技术上的优点，但是出于经济方面的考虑(存在许多私营电力企业，全面的改造在经济上不合算)，目前仍保持低电阻接地方式。在法国由于地下电缆的显著增加和对用户提供电能标准的提高，为能更好地控制接地故障期间的过电压水平，法国电力公司(EDF)通过现场试验和运行考验后做出决定，将全部中压电网的中性点改为谐振(小电流)接地方式。 在采用小电流接地配电系统的俄罗斯、挪威、加拿大等国一直以来使用零序功率方向、零序过电流继电器，也研制了微机式接地故障继电器，但都是单条线路的保护，由于技术方面的原因接地保护被认为难以实现，并没有在选线方面做进一步的研究，而是宁愿在供电网架的结构上增加投资以保证供电可靠性。继电保护的选择性等因素在一定程度上影响了小电流接地方式在一些国家和地区的应用与发展。 我国由于本身电网的网络结构薄弱从50年代就开始了对小电流接地系统接地选线原理和装置的研究，并且相继推出了几代产品，在该领域发展很快，对该项技术研究处于国际领先水平。国内接地保护和选线装置经历了继电器式产品、半导体集成电路装置、微机装置的发展阶段。但是，很多装置因为数据采集速度慢，或者因为数据计算处理、选线速度无法满足实时性要求，或者因为选线原理有一定的缺陷，在灵敏度和可靠性方面尚欠理想，装置在实际使用中的表现不能令人满意。 作为选线技术的发源地，我们小电流接地系统单相接地故障选线课题组对选线技术进行了长期的研究，并且取得了相当大的成就。2001年1月-2001年12月，课题组建立了国内第一个小电流接地选线的10kV物理模拟实验室，经过多次的实验研究，找到了改进原有选线理论及装置的方法和措施，成功研制出基于工控机技术的小电流接地系统单相接地选线装置。该装置业已投入现场运行，选线成功率高，充分的验证了选线原理和选线判据的有效性和可靠性。 基于工控机技术的小电流故障选线装置虽然具有速度快、内存大、硬盘大等优点，但是由于存在易损元件、环境适应性差、成本较高，不利于该项技术的进一步推广。相反，采用单片机控制不仅能够大大降低成本，而且可以提高装置的可靠性。尤其是近年来，随着计算机硬件的发展，高速度、高性能的单片机产品的出现以及相关应用系统的日臻完善，单片机的应用正在不断地走向深入，这为基于单片机控制的小电流故障选线装置的实现提供了非常好的硬件基础。各种单片机控制的小电流选线装置纷纷投入运行。但是现有的单片机控制的小电流选线装置中，因为内存空间不够大或者速度跟不上，导致选线算法单一，不能很好的满足小电流选线实时接收数据、实时判断的要求，从而选线精度大打折扣。所以，进一步深入研究装置的单片机实现方式是十分有必要的。本文提出了基于单片机方式的硬件电路的开发方案和软件系统设计方案，尝试了使用C8051F120 单片机来解决小电流故障选线问题，具有成本低、体积小、速度快、内存大等优点。其CPU 速度为100MIPS，A/D采样速率达每周期50个点，完全满足小电流选线技术对速度的要求。而且扩展的内存空间达1M，外存采用128M的FLASH芯片，分别满足了选线程序及故障录波的需要。2 小电流接地系统单相接地故障分析