基于MSP430的零序直流小電流接地選線裝置設計

1. 引言

小電流接地系統(tǒng)(NUGS)廣泛應用于國內(nèi)的供用電系統(tǒng)，66kV, 35kV,6kV, 3kV和部分380V系統(tǒng)均為NUGS，接地方式多為不接地系統(tǒng)(NUS)或消弧線圈接地系統(tǒng)(NES)，近年也出現(xiàn)了電阻接地方式(NRS)。因NUGS中單相接地電流很小，但是，長時間的接地運行，極易形成兩相接地短路，弧光接地還會引起全系統(tǒng)過電壓，保護或選線難度很大。為此，生產(chǎn)實踐中希望盡快準確地選出故障線路并及時將之切除。國內(nèi)自1958年以來從第一臺小電流接地故障選線裝置研制成功到現(xiàn)在，電網(wǎng)單相接地故障選線問題的研究已經(jīng)走過了幾十年的歷程，但現(xiàn)場運行的結(jié)果表明 ，裝置的選線效果并不理想，平均80%的選線裝置因為選線效果不佳退出了運行。本文在零序直流選線系統(tǒng)研究的基礎上，從理論上對該電網(wǎng)的物理和數(shù)學模型進行了進一步的分析，由理論分析總結(jié)了一種新的選線方法，并介紹了以MSP430單片機為核心的具體實施方案。

2. 兩分支電網(wǎng)模型的分析

圖1 兩分支零序直流電網(wǎng)模型

　 零序直流小電流選線系統(tǒng)模型如圖1所示，電網(wǎng)的所有參數(shù)均與文獻[1]一樣，CT1、CT2分別為安裝在兩支路上的零序互感器，PT為三個變壓器組成的零序電壓互感器，其連接方法如圖2所示，三個變壓器的原邊星形連接，副邊首尾相連組成一個開口三角，設變壓器原副邊線圈匝數(shù)之比為Ｋ，電網(wǎng)實際產(chǎn)生的零序電壓為U₀,　由電路理論可知，開口三角處取得的電壓信號為3U₀/K。

圖2 PT結(jié)構(gòu)原理圖

由于3個整流管VD1、VD2、VD3的存在，流過檢測電阻R2上的電流信號是一個脈動直流信號，故分析該電網(wǎng)模型時，應將電路分三時段來考慮。建立的等效電路模型如圖3所示：

圖3 等效電路圖

　由此可以得到該條件下兩支路零序電流的瞬時波形如圖4所示：

（a）忽略電容

(b) 考慮電容

圖4 兩分支零序電流電流圖

由圖4(a)可知，在對電網(wǎng)電纜對地電容值很小，其影響可以忽略的零序直流網(wǎng)路中，故障支路零序電流的幅值要遠大于非故障支路的零序電流的幅值;由圖4(b)可知，在電網(wǎng)電纜對地電容值較大的零序直流網(wǎng)絡中，故障支路和非故障支路產(chǎn)生的零序電流的相位剛好相差180^o。 實驗證明，在兩分支零序直流網(wǎng)絡中，故障支路的零序電流和非故障支路的零序電流確實存在如上所述的關(guān)系。

在中性點對地絕緣的電網(wǎng)中，一相接地故障時，故障支路的零序電流的相位滯后零序電壓90^o，而非故障支路的零序電壓卻超前零序電壓90^o，當考慮漏阻時，兩個支路的零序電流的相位跟零序電壓的相位大小關(guān)系不變，仍將出現(xiàn)一定的相位差。

3. 選線裝置的設計

3.1 硬件設計

考慮到選線裝置的性價比，這里采用16位的MSP430F44x系列的單片機來實現(xiàn)，該系列單片機性價比相當高，在系統(tǒng)設計、開發(fā)調(diào)試及實際應用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢。它的一個主要特點是可以工作在各種要求極低功率消耗的場合，而低功耗低功耗設計并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本、由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。隨著設備溫度的降低，器件壽命則相應延長（半導體器件的工作溫度每提高10度，壽命則縮短一半）。

裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖5：

圖5 硬件結(jié)構(gòu)圖

整個硬件裝置的設計主要包括3個部分：模擬部分，數(shù)字部分和人機接口部分，模擬部分實現(xiàn)信號的現(xiàn)場采集和信號調(diào)理，把采集到的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換成符合A/D采樣要求的信號。數(shù)字部分主要是完成選線的算法和實現(xiàn)人機通信，通過內(nèi)置的12位A/D將外部模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,由16位芯片采集到的數(shù)據(jù)進行FFT、比幅法和比相法等算法的處理。人機接口部分主要實現(xiàn)整定值的輸入，歷史數(shù)據(jù)的記錄和查詢，以及故障顯示及報警等功能。

3.2 軟件設計

　　軟件部分采用模塊化設計，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于系統(tǒng)的功能組合。其中包括數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊、報警模塊、整定值輸入模塊、主程序模塊等，故障選線模塊的程序框圖如圖6所示

圖6 選線模塊軟件流程圖

其中t1、t2別為電壓和電流的整定值，當開口三角的取樣電壓大于t1,說明有故障發(fā)生，然后將兩個CT的取樣電流值之差的絕對值與t2進行比較，從而來確定是采用比幅法還是比相法來選出故障線路。

4. 結(jié)論

　　本文設計的選線裝置采用高性能的單片機，其豐富的片內(nèi)資源，使得外圍擴展器件少，體積小，降低了成本，也降低了故障率，減少了設備的維護工作量。依據(jù)本文所采用的選線原理設計的選線系統(tǒng)在一定誤差下該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)橫向選擇性和縱向選擇性，選線裝置在此基礎上再做進一步的開發(fā)工作,將會具有很大的實用價值。

參考文獻：

[1] 袁振海等.零序直流小電流選線系統(tǒng)有源二端口網(wǎng)絡研究.電工技術(shù)學報.2005,20 (1):38~44

[2] 陳茂勇等.基于MSP430單片機的智能無功補償控制器的設計.微計算機信息,2005,21(5):32~33