小波包原理小电流接地选线装置的研发与应用

李也白，唐克义，张霄霄，尹 凯，刘 浩

（1.长兴县供电局，长兴313100；2.天津天大求实电力新技术股份有限公司，天津300384）

配电网中，单相接地是经常发生的一类故障。在我国小电流接地系统应用较为普及，而在小电流接地故障发生时，由于故障稳态特征不明显，导致使用稳态特征分析的小电流选线产品难以迅速、准确地选出接地故障线路，在中性点经消弧线圈接地系统尤为明显。从市场现有设备运行反馈回来的信息来看，效果均不明显，因此，生产实践中希望运用新型智能化的设备，在单相接地故障发生后，快速准确地选出故障线路并及时将之切除，提高线路故障维护工作效率，缩短供电恢复时间，从而保障电力系统运行的可靠性和稳定性，实现经济价值与社会价值的统一。

目前常用的基于传统的零序电流稳态特征提取、比较等原理设计的单相接地选线装置，其检测有效性较低，而基于小波包分析理论对接地暂态数据分析的故障选线方法[1]由于其准确性高，正在电力系统中不断地得到推广、使用。

1 新型选线原理

小电流接地系统单相接地时，接地电容电流的暂态分量往往远远大于其稳态值。原理上看，显著提高故障选线成功率的方法之一就是充分利用暂态信号中的特征分量[2]。暂态信号中提取出的特征分量隐藏在小波函数伸缩和平移产生的可变时频窗中。技术上看，由于小电流接地故障选线装置可以有一定动作延时，而中性点直接接地电网单相接地短路保护则要求瞬时动作，因此，装备具备了小波包技术应用的条件[3～5]。

小波包变换技术克服暂态过程时间短且成分复杂的难题，成为分析暂态过程信号的有力工具[6]。小波包变换在空间（时间）和频率上属于局域性的变换，由于在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，因此从信号中能有效地提取信息，可利用它对奇异信号的敏感度，通过伸缩和平移等运算对信号进行深度细化分析，筛选出信号的任意细节，能很好地处理微弱或突变信号[7]。

2 设计与实现

本文装置采用文献[1]的基于小波包自适应选线原理。当单相接地故障发生时相电压过零点附近时，线路中零序电流暂态能量段主要集中在低频的0～50 Hz 之间，因此，零序电流的暂态特性主要取决于暂态电感电流。将故障和非故障线路进行多层有效分解，0～125 Hz 的第一层频段蕴含能量最大；将各故障线路该频段进行重构，则在零序电流中分析出大量的直流分量，故障线路的重构信号符号是不变的；而非故障线路则明显不同于故障线路，呈现出符号的周期性变化，从而判断是哪条线路出现故障。当单相接地故障发生时相电压峰值附近时，暂态电感电流较暂态电容电流小得多，各线路零序电流的暂态特性均由暂态电容电流确定，因此，按能量最大原则自适应地选择在故障暂态特征最明显的频段下进行分析和比较能有效地利用故障暂态过程中包含的信息。由于原始信号经多层小波包分解后数据量较少，不利于直接通过小波包分解系数来反映各信号之间的关系，因此同样可以进行单枝重构，然后通过比较各线路特征频段下的小波重构后电流瞬时值的符号来实现故障选线，大大提高故障选线的可靠性。

2.1 系统结构

本装置采用双处理芯片加CPLD（complex programmable logic device）复杂可编程逻辑器件结构。其中高端的小波算法处理采用DSP （digital signal processing）数字信号处理芯片，低端的通讯以及人机界面交互采用80196 单片机。DSP 与80196 之间的数据、逻辑交互采用CPLD 完成[8]。各主要芯片的主要功能如下：DSP 来完成小波算法对采样数列的分解及重构，以及故障选线；CPLD 用来完成扩展DSP 的I/O 口和FLASH 的地址线、DSP 和单片机的通讯以及控制A/D 转换芯片MAX125；单片机主要用于控制液晶、机身面板键盘，提供人机对话并采样和计算3 U0。装置选线流程如图1 所示。

图1 小电流接地选线装置选线流程Fig.1 Line selection flow chart of small current grounding device

装置采用14 位AD 芯片MAX125，可采样8路输入，同时采样其中4 路。但是由于MAX125 为5 V 逻辑电平，因此不能与DSP 的3.3 V 逻辑电平直接交互。CPLD 的IO 管脚支持2.5 V，3.3 V，5 V的逻辑电平，因此为解决MAX125 与DSP 之间的信号电平匹配提供了方法。同时CPLD 还实现了对MAX125 的时序控制。本装置取A/D 采样频率为4 kHz，即每个工频周期采样为80 点，每个采样点间隔250 us，用于小波重构算法的计算。CPLD 通过对输入的24 M 时钟进行周期计数，当达到采样周期时，即250 us 的计数周期，触发采样使能信号CONVST，MAX125 采样完成后产生采样完成中断，CPLD 将中断传送给DSP。DSP 在响应中断后读取采样数据，而且整个读取过程是透明的，DSP只需触发读信号，具体读取那个芯片的数据则有CPLD 判断实现。CPLD 控制MAX125 以及DSP 读取数据的逻辑框图如图2 所示。

图2 CPLD 控制逻辑框图Fig.2 CPLD control logic diagram

与采用串口通讯的方式不同，用CPLD 实现双处理器间的数据交互最大的特点是速度快。当单片机要下送数据给DSP 时，对于单片机而言只是对一个外围地址写数据，CPLD 将所写的数据分析出来并放入缓存中同时对DSP 发数据中断，DSP在中断中将数据读走。由于整个过程速度是很快的，因此单片机完全不用考虑时序，以及DSP 的数据读取是否完成，直接进入下一个循环的数据传输。同时DSP 对单片机的数据传输也是这个过程。

在整个数据的交互过程中CPLD 实现了将单片机模拟为DSP 的一个外围器件，同时也将DSP模拟为单片机的一个外围器件。CPLD 对这两个器件是完全透明的，数据的交互是一个总线读写过程没有任何延迟[9]。

当上电或者修改选线定值后，单片机将每路母线的出线数传送给DSP。一旦发生接地故障，单片机发送选线指令，DSP 进入选线状态。根据各路母线的定值，DSP 对同一母线的出线进行小波变换，选取其能量最大的特征频段，再进行反变换，进而判断接地线路并上送单片机。至此，DSP 的选线过程完成。

3 案例分析

为验证产品选线原理的准确性，设备研发样机选择在接地故障常发的浙江省某县35 kV 里塘变电站进行安装运行测试。2012年7月12日17时32 分54 秒，该县电力公司自动化监控系统发现35 kV 里塘变10 kV 母线A 相金属性接地，并发出一系列信号，包括：街道330 线、龙山333 先、白水334 线小电流接地信号。但维修人员无法准确判断接地线路，如果按照原有习惯只能通过逐条试拉进行判断，则降低了供电可靠性。而本次通过新安装的小电流选线系统发出的白水334 线小电流接地（新）信号，维修人员将白水334 线作为优先试拉的线路，结果试拉后，接地现象消失。监控系统信号如表1 所示。

表1 监控系统接地信号显示Tab.1 Ground signal display of monitoring system

故障期间，站内零序电压如图3 所示。

图3 变电站内零序电压显示Fig.3 Display of zero sequence voltage in the substation

2012年4月设备研发样机在天津某区35 kV开发区变电站进行安装运行测试。开发区站共有2条35 kV 进线、12 条10 kV 出线，主要为该城区供电。2012年10月12日14 时36 分05 秒，设备发出东风线接地报警，与监控系统捕捉到的故障相同。2012年7月设备研发样机在浙江省某县碧莲35 kV 变电站、大岙35 kV 变电站、岩坦35 kV 变电站、鹤盛35 kV 变电站各安装1 台进行安装运行测试。其中2012年11月17日11 时14 分23 秒岩坦35 kV 变电站维护工程中773 线发生接地报警，设备成功捕捉，与监控系统捕捉到的故障相同。

由以上案例可以看出在接地故障发生时，使用小波包原理的产品的选线准确性得到了验证。

4 结语

通过新原理小电流接地选线装置的研究与实施，改善和加强了配电网暂态接地保护的性能[10、11]。基于小波包重构算法的选线技术具有强抗过渡电阻能力，不受故障时刻和补偿度影响，实现无死区的小电流接地故障选线，具有极高的准确性和可靠性。

我国配电网规模庞大，具有众多的大中型的工矿企业，且多采用小电流接地系统，而小电流接地选线一直属于配电网继电保护最薄弱的一环，因此，本次研究出的新原理小电流接地选线装置在电力系统的应用，可以尽快查找出故障线路，缩短停电时间，为保证电网的安全稳定运行做出贡献，有较强的推广应用价值，并将获得良好的社会和经济效益。

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