基于MSP430的零序直流小電流接地選線裝置設(shè)計(jì)

1. 引言

小電流接地系統(tǒng)(NUGS)廣泛應(yīng)用于國(guó)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(zhǎng)時(shí)間的接地運(yùn)行，極易形成兩相接地短路，弧光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過電壓，保護(hù)或選線難度很大。為此，生產(chǎn)實(shí)踐中希望盡快準(zhǔn)確地選出故障線路并及時(shí)將之切除。國(guó)內(nèi)自1958年以來從第一臺(tái)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(chǎng)運(yùn)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?yàn)檫x線效果不佳退出了運(yùn)行。本文在零序直流選線系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，從理論上對(duì)該電網(wǎng)的物理和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了進(jìn)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(jī)為核心的具體實(shí)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(xiàn)[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(gè)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(gè)變壓器的原邊星形連接，副邊首尾相連組成一個(gè)開口三角，設(shè)變壓器原副邊線圈匝數(shù)之比為Ｋ，電網(wǎng)實(shí)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(hào)為3U₀/K。

圖2 PT結(jié)構(gòu)原理圖

由于3個(gè)整流管VD1、VD2、VD3的存在，流過檢測(cè)電阻R2上的電流信號(hào)是一個(gè)脈動(dòng)直流信號(hào)，故分析該電網(wǎng)模型時(shí)，應(yīng)將電路分三時(shí)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(shí)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(duì)電網(wǎng)電纜對(duì)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(yuǎn)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(duì)地電容值較大的零序直流網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)證明，在兩分支零序直流網(wǎng)絡(luò)中，故障支路的零序電流和非故障支路的零序電流確實(shí)存在如上所述的關(guān)系。

在中性點(diǎn)對(duì)地絕緣的電網(wǎng)中，一相接地故障時(shí)，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(dāng)考慮漏阻時(shí)，兩個(gè)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(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

考慮到選線裝置的性價(jià)比，這里采用16位的MSP430F44x系列的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，該系列單片機(jī)性價(jià)比相當(dāng)高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)勢(shì)。它的一個(gè)主要特點(diǎn)是可以工作在各種要求極低功率消耗的場(chǎng)合，而低功耗低功耗設(shè)計(jì)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(shè)備溫度的降低，器件壽命則相應(yīng)延長(zhǎng)（半導(dǎo)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(gè)硬件裝置的設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：模擬部分，數(shù)字部分和人機(jī)接口部分，模擬部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)采集和信號(hào)調(diào)理，把采集到的電壓和電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合A/D采樣要求的信號(hào)。數(shù)字部分主要是完成選線的算法和實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信，通過內(nèi)置的12位A/D將外部模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),由16位芯片采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT、比幅法和比相法等算法的處理。人機(jī)接口部分主要實(shí)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(bào)警等功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，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(chǔ)模塊、顯示模塊、報(bào)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(dāng)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(gè)CT的取樣電流值之差的絕對(duì)值與t2進(jìn)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(shè)計(jì)的選線裝置采用高性能的單片機(jī)，其豐富的片內(nèi)資源，使得外圍擴(kuò)展器件少，體積小，降低了成本，也降低了故障率，減少了設(shè)備的維護(hù)工作量。依據(jù)本文所采用的選線原理設(shè)計(jì)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(chǔ)上再做進(jìn)一步的開發(fā)工作,將會(huì)具有很大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[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(luò)研究.電工技術(shù)學(xué)報(bào).2005,20 (1):38~44

[2] 陳茂勇等.基于MSP430單片機(jī)的智能無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(5):32~33