基于MSP430的零序直流小电流接地选线装置设计

1. 引言  
　　
小电流接地系统(NUGS)广泛应用于国内的供用电系统，66kV, 35kV,6kV, 3kV和部分380V系统均为NUGS，接地方式多为不接地系统(NUS)或消弧线圈接地系统(NES)，近年也出现了电阻接地方式(NRS)。因NUGS中单相接地电流很小，但是，长时间的接地运行，极易形成两相接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，保护或选线难度很大。为此，生产实践中希望尽快准确地选出故障线路并及时将之切除。国内自1958年以来从第一台小电流接地故障选线装置研制成功到现在，电网单相接地故障选线问题的研究已经走过了几十年的历程，但现场运行的结果表明 ，装置的选线效果并不理想，平均80%的选线装置因为选线效果不佳退出了运行。本文在零序直流选线系统研究的基础上，从理论上对该电网的物理和数学模型进行了进一步的分析，由理论分析总结了一种新的选线方法，并介绍了以MSP430单片机为核心的具体实施方案。  
　　
2. 两分支电网模型的分析  


  
图1 两分支零序直流电网模型  
零序直流小电流选线系统模型如图1所示，电网的所有参数均与文献一样，CT1、CT2分别为安装在两支路上的零序互感器，PT为三个变压器组成的零序电压互感器，其连接方法如图2所示，三个变压器的原边星形连接，副边首尾相连组成一个开口三角，设变压器原副边线圈匝数之比为Ｋ，电网实际产生的零序电压为U0,　由电路理论可知，开口三角处取得的电压信号为3U0/K。   

  
图2 PT结构原理图  

由于3个整流管VD1、VD2、VD3的存在，流过检测电阻R2上的电流信号是一个脉动直流信号，故分析该电网模型时，应将电路分三时段来考虑。建立的等效电路模型如图3所示：  

  
图3 等效电路图  


  
由此可以得到该条件下两支路零序电流的瞬时波形如图4所示：  
　

　　   
（a）忽略电容  


(b) 考虑电容  
图4 两分支零序电流电流图  

由图4(a)可知，在对电网电缆对地电容值很小，其影响可以忽略的零序直流网路中，故障支路零序电流的幅值要远大于非故障支路的零序电流的幅值;由图4(b)可知，在电网电缆对地电容值较大的零序直流网络中，故障支路和非故障支路产生的零序电流的相位刚好相差180o。 实验证明，在两分支零序直流网络中，故障支路的零序电流和非故障支路的零序电流确实存在如上所述的关系。

在中性点对地绝缘的电网中，一相接地故障时，故障支路的零序电流的相位滞后零序电压90o，而非故障支路的零序电压却超前零序电压90o，当考虑漏阻时，两个支路的零序电流的相位跟零序电压的相位大小关系不变，仍将出现一定的相位差。  
　　
3. 选线装置的设计  
　　
3.1 硬件设计  
　　
考虑到选线装置的性价比，这里采用16位的MSP430F44x系列的单片机来实现，该系列单片机性价比相当高，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优势。它的一个主要特点是可以工作在各种要求极低功率消耗的场合，而低功耗低功耗设计并不仅仅是为了省电，更多的好处在于降低了电源模块及散热系统的成本、由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。随着设备温度的降低，器件寿命则相应延长（半导体器件的工作温度每提高10度，寿命则缩短一半）。  

装置的硬件结构如图5：  

  
图5 硬件结构图   

整个硬件装置的设计主要包括3个部分：模拟部分，数字部分和人机接口部分，模拟部分实现信号的现场采集和信号调理，把采集到的电压和电流信号转换成符合A/D采样要求的信号。数字部分主要是完成选线的算法和实现人机通信，通过内置的12位A/D将外部模拟信号转换成数字信号,由16位芯片采集到的数据进行FFT、比幅法和比相法等算法的处理。人机接口部分主要实现整定值的输入，历史数据的记录和查询，以及故障显示及报警等功能。  
　　
3.2 软件设计  
　　
软件部分采用模块化设计，使得程序结构清晰，便于系统的功能组合。其中包括数据存储模块、显示模块、报警模块、整定值输入模块、主程序模块等，故障选线模块的程序框图如图6所示  
　
　　　　　　　　　   
图6 选线模块软件流程图  

其中t1、t2别为电压和电流的整定值，当开口三角的取样电压大于t1,说明有故障发生，然后将两个CT的取样电流值之差的绝对值与t2进行比较，从而来确定是采用比幅法还是比相法来选出故障线路。