提高小電網(wǎng)系統(tǒng)故障選線靈敏度的方法和實(shí)驗(yàn)

張國軍，張強(qiáng)，于歡歡

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

提高小電網(wǎng)系統(tǒng)故障選線靈敏度的方法和實(shí)驗(yàn)

張國軍，張強(qiáng)，于歡歡

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，葫蘆島 125105）

為了解決小系統(tǒng)電網(wǎng)漏電故障存在故障信號(hào)微弱、檢測困難的問題，提高小系統(tǒng)電網(wǎng)漏電保護(hù)的靈敏性，提出了應(yīng)用可編程增益放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)增益調(diào)整，以Atmega64單片機(jī)作為微控制器，采用零序功率算法作為選線判據(jù)，設(shè)計(jì)并制作漏電故障選線裝置，在實(shí)驗(yàn)室建立電力系統(tǒng)進(jìn)行漏電實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用可編程增益放大器對(duì)提高小系統(tǒng)電網(wǎng)漏電故障選線的靈敏性具有非常顯著的效果。

電網(wǎng)小系統(tǒng)；可編程增益放大器；靈敏性；故障選線

漏電故障保護(hù)是電力系統(tǒng)保護(hù)中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到工礦企業(yè)的生產(chǎn)安全和工作人員的人身安全。但是目前的各類漏電保護(hù)裝置都存在靈敏度差和可靠性低的問題，尤其在中性點(diǎn)不接地的低壓小電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于小系統(tǒng)電網(wǎng)具有寄生參數(shù)小、漏電故障信號(hào)微弱和易受干擾等特點(diǎn)，給故障線路的檢測帶來很大困難[1]。

由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，同一電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)的多變性，以及單相接地故障時(shí)接地阻抗的隨機(jī)性，使得零序電流不但微小，而且變化范圍很大[2]。如果應(yīng)用固定的處理電路，在發(fā)生直接接地故障時(shí)，尚可檢測到故障時(shí)的較大幅值的電壓和電流，而在臨界電阻接地時(shí)，故障電壓、電流值會(huì)很小，以至于被噪聲信號(hào)淹沒而無法準(zhǔn)確檢測，這就要求處理電路具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能，以保證漏電保護(hù)裝置的高靈敏度。

1 影響小電網(wǎng)系統(tǒng)漏電故障選線靈敏度的因素

1.1 處理電路的局限性

微處理器獲得的數(shù)據(jù)都需要硬件電路的處理，因此信號(hào)采集后數(shù)據(jù)的處理過程是實(shí)現(xiàn)漏電可靠判斷的關(guān)鍵。在采集零序電流和零序電壓信號(hào)時(shí)，由于電力系統(tǒng)漏電故障的多樣性，漏電時(shí)信號(hào)的變化范圍很大，因此放大電路這一環(huán)節(jié)放大倍數(shù)的確定是個(gè)問題。

在單相金屬接地故障時(shí)，故障信號(hào)幅值很大，基本能滿足微處理器的處理要求；而在非金屬接地故障時(shí)，接地電阻較大，信號(hào)幅值過于微小，需要調(diào)整為很高的增益值才能滿足數(shù)據(jù)計(jì)算的需要。

因此，如果增益是固定不變的，則在設(shè)定的增益值過低時(shí)，對(duì)極其微弱的信號(hào)起不到放大作用；而設(shè)定值過高，對(duì)于幅值較大的信號(hào)，又會(huì)導(dǎo)致放大器飽和而產(chǎn)生失真，如圖1所示。

圖1 固定增益，信號(hào)處理前后的波形對(duì)比Fig.1 W aveform com parison of certain gain signalbefore and after processing

圖1中，硬件放大器放大倍數(shù)固定設(shè)置為10，對(duì)于幅值為0.2 V的信號(hào)，經(jīng)過放大調(diào)整后適合微處理器處理；而對(duì)于0.02 V的信號(hào)，幅值仍然很小，模數(shù)轉(zhuǎn)換后采樣精度低；對(duì)于幅值為0.3 V的信號(hào)，經(jīng)過放大調(diào)整后，幅值超過了微處理器的測量范圍，采集的數(shù)據(jù)就不能反映信號(hào)的實(shí)際情況。因此要求放大電路具有增益自適應(yīng)調(diào)整的功能，對(duì)不同幅值的采樣信號(hào)進(jìn)行不同增益調(diào)節(jié)，以滿足對(duì)采樣信號(hào)精度和準(zhǔn)確度的要求。

1.2 傳感器精度低

小電網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生漏電故障時(shí)信號(hào)十分微小，如果不能可靠地檢測出故障信號(hào)，就不能做出正確、可靠的故障選線。因此，要選擇精密的測量器件。普通的零序電流互感器檢測的多是大電流信號(hào)，精度低，不適合檢測微弱的零序電流信號(hào)。小系統(tǒng)接地故障時(shí)信號(hào)多為毫安級(jí)，因此選擇ZTA120BT型零序電流互感器，可測量范圍為20 mA～1 A，輸出電流范圍為0.2～10mA，滿足小系統(tǒng)的零序電流檢測要求。

2 應(yīng)用可編程放大器處理信號(hào)

2.1 可編程增益放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)處理電路的局限性，需要設(shè)計(jì)根據(jù)信號(hào)的幅值大小合理調(diào)整放大器的增益，并自動(dòng)調(diào)整增益的高精度、高性能的數(shù)據(jù)采集電路，使輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬電壓信號(hào)接近模數(shù)轉(zhuǎn)換的滿量程值，得到高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。

系統(tǒng)采用硬件電路包括零序電壓電流采集電路、前級(jí)放大電路、程控放大電路、濾波電路、信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示。傳感器檢測故障信號(hào)，經(jīng)過程控放大、濾波、整型處理后，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)經(jīng)過分析運(yùn)算處理，根據(jù)當(dāng)前采集的信號(hào)幅值確定可編程增益放大器的增益調(diào)節(jié)值。如果信號(hào)幅值很小，則設(shè)置較大的增益值；如果信號(hào)幅值較大，則設(shè)置低增益值，以合理滿足單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理精度的需要。

圖2 可編程增益放大器自適應(yīng)調(diào)節(jié)框圖Fig.2 Block diagram of programmable gain am plifier for adaptive adjusting

在進(jìn)行零序電壓和零序電流信號(hào)的采集時(shí)，信號(hào)的噪聲是隨機(jī)的，在程控放大的前后進(jìn)行濾波處理。

對(duì)于前級(jí)信號(hào)放大電路，先對(duì)某些放大的噪聲信號(hào)濾波，再進(jìn)入程控放大器，最后應(yīng)用后級(jí)濾波電路消除程控放大器帶來的噪聲，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的可靠檢測。

2.2 可編程增益放大器電路設(shè)計(jì)

可編程增益放大器的作用是提高系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集時(shí)的信號(hào)調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)采用的是可編程增益放大器PGA204/205，這兩種芯片數(shù)字控制可編程增益，具有很高的精度，PGA204的放大倍數(shù)可以設(shè)置為G=1、10、100、1000，PGA205的放大倍數(shù)可以設(shè)置為G=1、2、4、8。將兩種芯片結(jié)合起來使用，可達(dá)到理想的增益調(diào)節(jié)要求，滿足此信號(hào)采集系統(tǒng)需要。應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3中，引腳PA0、PA1、PA2、PA3由單片機(jī)編程控制，IN為信號(hào)輸入端，OUT為信號(hào)輸出端，REF2.5接2.5 V參考電壓。CPU采集信號(hào)后根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱調(diào)整可編程增益放大器的增益，將待處理信號(hào)調(diào)整到合適的量程范圍，這樣可以保證模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度?？梢詫?duì)變化范圍較大的信號(hào)進(jìn)行采集處理，測量精度高，通用性強(qiáng)。經(jīng)程控放大器處理后，同樣對(duì)于圖1的信號(hào)，采集后的波形如圖4所示。?

圖3 可編程增益放大器應(yīng)用電路Fig.3 Circuitof the programmablegain amplifier

圖4 程控增益信號(hào)處理前后的波形對(duì)比Fig.4 W aveform comparison ofadaptiveadjusting gain signalbefore and after processing

同樣對(duì)于圖1中幅值分別為0.2 V、0.02 V、0.3 V的信號(hào)，首次單片機(jī)將以較小的增益值處理，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值，不斷調(diào)整可編程增益放大器的增益，最后設(shè)置為合適的增益。對(duì)于0.2 V的信號(hào)，放大器增益可調(diào)節(jié)設(shè)置為10；而對(duì)于0.02V的信號(hào)，放大器增益可調(diào)節(jié)設(shè)置為100；對(duì)于為0.3 V的信號(hào)，放大器增益可調(diào)節(jié)為8，放大結(jié)果峰值都在5 V范圍內(nèi)，經(jīng)過調(diào)理電路后適合單片機(jī)處理。

3 濾波器處理電路

有時(shí)可編程增益放大器設(shè)置的增益值較高，在對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，噪聲信號(hào)同時(shí)被放大，這就要求系統(tǒng)具有高品質(zhì)的濾波性能，能夠可靠地去掉干擾信號(hào)，保留有價(jià)值的信號(hào)。

設(shè)計(jì)采用了集成濾波器芯片MAX260（如圖5所示），它是CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，可以采用微處理器來精確控制的濾波器函數(shù)，不需要配置外圍元件，就可設(shè)置低通、高通、帯通、全通和帶阻濾波器。

圖5 MAX260應(yīng)用電路Fig.5 Application circuitofMAX260

MAX260芯片含有2個(gè)二階濾波器，每個(gè)濾波器可在程序控制下設(shè)置中心頻率、品質(zhì)因數(shù)、濾波器工作方式等。應(yīng)用中將MAX260中的2個(gè)濾波器級(jí)聯(lián)構(gòu)成4階帯通濾波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)50Hz工頻信號(hào)的有效可靠濾波。

4 漏電實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)室條件下搭建模擬的電力系統(tǒng)，并分別在3條支路的出口處安裝零序電流互感器以測量零序電流。零序電壓是通過在中性點(diǎn)上加入電壓互感器采集的。將采集的信號(hào)經(jīng)硬件電路處理后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算處理，應(yīng)用零序無功功率算法，進(jìn)行漏電故障選線。

首次系統(tǒng)電容參數(shù)取2.5μF，分別對(duì)系統(tǒng)設(shè)置不同的漏電電阻使系統(tǒng)處于漏電故障狀態(tài)，測量此時(shí)的零序電流、零序電壓及零序無功功率，記錄各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)和報(bào)警狀態(tài)。再依次改變系統(tǒng)電容參數(shù)為1μF、0.1μF和0.05μF，分別進(jìn)行測試并記錄結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

表1為系統(tǒng)電容為2.5μF，采樣電阻為12Ω時(shí)，將系統(tǒng)三相中的一相分別通過0、2.5、3.4、5、10 kΩ電阻接地時(shí)的漏電數(shù)據(jù)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可以看出，在對(duì)信號(hào)的增益設(shè)為固定值200時(shí)，只有在漏電電阻為0的情況下，采樣信號(hào)失真，其他情況信號(hào)正常，尚可做出合理的漏電故障判斷。

表1 系統(tǒng)對(duì)地電容為2.5μF時(shí)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)Tab.1 System datawhen system capacitance to earth is2.5μF

表2為在系統(tǒng)電容為0.1μF，采樣電阻為12Ω時(shí)，重復(fù)做同樣的實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可以看出，如果不改變對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)，仍設(shè)為固定值200時(shí)，只有在漏電電阻為10.0 kΩ的情況下，零序電壓采樣信號(hào)正常，其他情況零序電壓信號(hào)都已失真，這時(shí)在2.5、3.4和5.0 kΩ接地電阻接地時(shí)，零序功率值接近，而且浮動(dòng)范圍較大，整定值確定很困難。

表3為采用可編程增益放大器后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)參數(shù)與表1相同，根據(jù)數(shù)據(jù)可以看出，此時(shí)采樣數(shù)據(jù)正常，消除了信號(hào)的失真問題。零序功率分界值明顯，設(shè)定合理的零序功率整定值，就可以正確地選擇出漏電支路和非漏電支路。使選線方法的正確性得到保證，并且報(bào)警系統(tǒng)安全可靠。

表3 采用可編程增益放大器后系統(tǒng)對(duì)地電容為0.1μFTab.3 After using the programmable gain am plifier，the system capacitance to earth for 0.1μF

系統(tǒng)電容參數(shù)為1μF和0.05μF時(shí)，測試結(jié)果和分析結(jié)論與系統(tǒng)電容參數(shù)為0.1μF時(shí)的情況一致，不再贅述。

5 結(jié)語

本文分析了小電網(wǎng)系統(tǒng)漏電故障特點(diǎn)，以及在故障信號(hào)測量的靈敏性上需要解決的難點(diǎn)。應(yīng)用可編程增益放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)增益調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，擴(kuò)大了信號(hào)的采集范圍，提高了信號(hào)采集的精度和靈敏度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，彌補(bǔ)了小電網(wǎng)系統(tǒng)中零序信號(hào)微弱、變化范圍大、難以檢測的不足。

[1]徐靖東，張保會(huì)，尤敏，等（Xu Jingdong，Zhang Baohui，You Min，etal）.基于暫態(tài)零序電流特征的小電流接地選線裝置（Fault line selection device fornon-solid earthed network based on transient zero-sequence current features）[J].電力自動(dòng)化設(shè)備（Electric Power Automation Equipment），2009，29（4）：101-105.

[2]田宏杰，汪華（Tian Hongjie，Wang Hua）.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的方案研究（Projectof fault line detection for single-phase-to-earth in small currentneutralgrounding system）[J].機(jī)電工程技術(shù)（Mechanic and Electric Engineering Technology），2009，38（1）：92-94，112，116.

[3]李孟秋，王耀南，王輝，等（LiMengqiu，Wang Yaonan，Wang Hui，etal）.小電流接地系統(tǒng)單相接地故障點(diǎn)探測方法的研究（A new approach on detecting the singleto ground fault location on power system with neutral unearthed）[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2001，21（10）：6-9，23.

[4]李國富，陳維江（LiGuofu，ChenWeijiang）.配電系統(tǒng)零序功率選線法的可靠性分析（Analysison the reliability of the zero-sequence active power faulty line identifying method in distribution systems）[J].電力設(shè)備（Power E－quipment），2005，6（4）：14-19.

[5]陳志亮，范春菊（Chen Zhiliang，F(xiàn)an Chunju）.基于5次諧波突變量的小電流接地系統(tǒng)選線（Fault line selection for small current neutral grounding system based on the fifth harmonic currentmutation in distribution system）[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)（Proceedingsof the CSU-EPSA），2006，18（5）：37-41，69.

Method and Experimentof Im proving Sensitivity of Leakage Fault Line Selection in Small Power System

ZHANGGuo-jun，ZHANGQiang，YUHuan-huan
（SchoolofElectricaland Control Engineering，Liaoning Technology University，Huludao125105，China）

In order to solve the problem that the faultsignal isweak and difficult to detect in the leakage faultof small power system，it is important to improve the sensitivity of the fault line selection.This paper uses programmable gain amplifier to adjustsignal gain automatically.The system uses the MCU of Atmega64 and applied zero sequence power algorithm for line selection criterion.The leakage fault line selection device is produced and applied to an established electric power system forexperiment in the lab.The results show that themethod is feasible for leakage faultdiagnosis，and isgood for improving the accuracy of the fault line selection system.

smallpowersystem；programmablegain amplifier；sensitivity；fault line selection

TM733

A

1003-8930（2013）05-0100-05

張國軍（1960—），男，博士，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與電器專業(yè)。Email：zhangguojun_305@163.com

2010-10-25；

2011-11-30

張強(qiáng)（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)專業(yè)。Email：fenqingxiaoqiang@163.com

于歡歡（1986—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)專業(yè)。Email：yuhuanhuan@163.com