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1、Q2 0 0 7 电力行业信息他年会 新型小电流接地选线装置硬件平台方案 范龙文，陈高波，许鹏华 ( 山东理工大学，烟台供电公司，垦利县供电公司) 摘要：本文分析了小电流接地选线装置的硬件特点，介绍了目前流行的硬件结构，并在此基础上提出了一 种基于嵌入式系统的一体式解决方案。该方案采用多处理器结构；取消了采样保持器，采用软件补偿实现采样 同步；采样频率高，可满足暂态选线的要求：体积小，低功耗，成本低，可适用于多种选线理论。 1 引言 配电网采用中性点不直接接地方式运行时，发生 单相接地故障情况下，流过接地点的电流很小，如何 及时准确的选取故障线路成为难题。长期以来国内外 做了大量的研究工作，提
2、出了多种选线理论 I ，2 ，3 】， 推出了多种选线装置。但实际应用效果并不理想。究 其原因，一方面是选线原理不完善，每种选线理论都 有其缺陷。如，工频零序电流比幅比相法不适用于中 性点经消弧线圈接地的系统；零序导纳法需要消弧线 圈配合使用，不适用不接地或消弧线圈不能自动调谐 的系统。另一方面，选线装置在性能、结构、价格 等方面限制了其应用。 本文从工程应用的角度出发，分析了小电流接 地选线装置的硬件特点，介绍了主要的几种硬件结 构，并对其存在的问题进行了分析，在此基础上提出 了一种新的硬件平台方案。该方案采用多处理器结 构，取消了采样保持器，采用软件补偿实现采样同 步；采用F P G A
3、器件实现采样控制及复杂逻辑电路， 可通过修改配置程序实现不同的逻辑功能，采样频率 可调，适用于多种选线理论。该方案基于嵌入式系 统，在降低成本的同时，大幅提高了平台的性能，同 时缩小了装置的体积。 2 小电流接地选线装置的硬件特 点及现状 小电流接地选线装置要完成信号的隔离输入、信 号预处理、AD 转换、数据处理、选线判断、开关 量输入输出、数据通讯等。其中装置的A D 转换精度 和速度，装置的数据处理能力是小电流接地选线装置 首先要考虑的问题，也是衡量一个装置的重要指标。 选线装置要满足配电自动化的要求，提供标准的通讯 一480 一 接口。此外，选线装置应用于特定的环境，对抗干 扰能力有较高
4、的要求，对外形尺寸也有具体的要求。 A D 转换的精度对选线结果有直接的影响，多数的 选线装置采用8 位的A D ，精度不高。不同的选线理 论对A D 转换的速度要求不一样，其中利用故障暂态信 息选线的理论对其要求高。暂态零序电流自由振荡频 率可达几千赫兹 4 5 ，目前的小电流接地选线装置采 样频率普遍较低，不能充分利用故障信息的暂态分 量。 目前的小电流接地选线装置主要有以下两种结 构： 一是采用单C P U 的一体式结构。这种结构的装 置，需要C P U 完成数据采样控制、数据处理等所有任 务。通常C P U 采用中断的方式进行数据采集，只能实 现较低采样频率的数据采集，C P U 效率
5、不高，无法实 现复杂的选线算法，多见于早期的选线装置。 另一种是采用分布式结构。这种结构通常由数据 采集机和工控机组成。工控机具有较强的运算能力， 能够实现复杂的选线算法，近些年来得到了广泛的应 用。但是，工控机结构固定，体积大，需要外置数 据采集机，结构复杂，且工控机成本高。数据采集 机多采用单片机或C P L D 控制，能实现较高的采样频 率，但由于需要将数据上传工控机以及与工控机进行 通讯，整个装置的设计复杂，实时性较差。 3基于嵌入式系统的小电流接地 选线装置方案 随着嵌入式应用技术的发展，高性能的微处理 器、D S P 以及F P G A 的应用，使嵌入式系统的性能有 了大幅度提高。
6、嵌入式系统能够根据应用需求对软硬 件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、 体积等要求。 3 1 系统组成 根据小电流接地选线装置的实际应用特点，提出 以下应用方案：如图所示，系统由信号输入、运放调 理、A D 转换、中央处理单元、开关量输入输出、电 源以及人机接口等组成，各模块通过综合总线连接。 为满足配电自动化要求，系统提供C A N 、S P I 、U S B 和网络接口，通过这些标准接口，系统可完成系统维 护、组网、选线结果上报等功能。本方案采用一个 标准的4 U 机箱，在提高性能的基础上实现了系统的小 型化，结构简单。本方案采用模块化的设计方法，使 整个系统的安装调试更加方便。
7、 l培 仓 佥尘俞 l 黼l 图溉l l 搬f 曰囤 l 翎ll 潭l 俞 拿当 西罔 l 多路l 曰咽 刨 1 特I l 接口I I 伽嘲属口l 咎 中央处理t 元 图1 系统的模块图 3 2 信号处理流程 母线零序电压和馈线零序电流经过一次变换后接入 装置，在装置内进行二次变换，并将电流信号转换成 电压信号。零序电压电流信号经过调理电路滤波、放 大、限压后，送入A D 板进行A D 转换，获得数字信 号，这些数字信号通过串行数据线送入D S P 进行采样 同步补偿，并根据算法的实际需要对数字信号进行预 处理，随后的数据送入C P U 进行接地判断，如发生接 地故障则运行选线算法，给出选线结
8、果并保存故障数 据。 图2 信号处理流程 3 3 高速数据采集系统 本方案的高速数据采集系统，能够根据实际需 要，通过C P U 对F P G A 进行配置，调整输入通道数量 和采样频率，采样频率能在较大的范围内调整。由 于暂态零序电流自由振荡频率可达几千赫兹，为满足 暂态选线的技术要求，本方案的高速数据采集系统典 型数据采样频率为每周波采样点数为2 5 6 点，单线路 的采样频率为1 2 8 1 d i z 。为满足多路信号的高速数据 采集，本方案将模拟信号分为两组，采用两A D 并行 工作的模式，并由可编程逻辑门阵列( F P G A ) 实现 采样时序逻辑的控制。每组有4 路电压信号和1
9、 4 路 电流信号，可同时监测两段1 4 路出线的母线。 A D 的最小采样频率为：1 2 8I d l z ：l ：1 8 = 2 3 0 4 k H z 为提高系统的可靠性，减轻主C P U 的负担，A D 采用A n a l o gD e v i c e 公司的A D 7 6 6 5 。采用这种专用 数据采集芯片，能够自动完成所有输入通道的数据采 集而无需C P U 干预。A D 7 6 6 5 是一种逐次逼近型的 16 位快速模数转换器，转换速率为5O0 K S P S ( S a m p l e S P e rS e c o n d ) 或5 7 0 K S P S 。器件内部 包含
10、了一个高速的1 6 位数转换电路，一个适用于不 同输入范围的电阻电路，一个用于控制转换的内部时 钟，一个纠错电路。输出方式既可以是串行接口也 可以是并行接口。 图3 数据采集结构示意图 该数据采集系统取消了采样保持器，采用软件 补偿的方法进行采样同步补偿，进一步简化了系统结 构。由于系统的采样频率高，补偿后的误差很小， 不影响选线的精度。 3 4 中央处理单元 中央处理单元由主控C P U 、D S P 、F P G A 、存储 器及其外围器件构成。为减轻主C P U 的负担，系统 采用了c P u + D S P + F P G A 的结构，D S P 完成采样数据的 同步补偿并能根据实际的
11、算法需要对采样数据进行预 处理，并缓冲数据；F P G A 实现逻辑控制以及输入输 出控制，包括数据采样控制。 由于取消的了采样保持器，需要对A D 的采样数 - 48 i 据进行不问断的数据处理，且本方案的数据采样频率 高，需要高性能的处理器完成对采样数据的补偿，如 果仅仅依靠C P U 来实现，将占用主C P U 大量的资源。 为防止采样数据丢失，一般情况下需要外加FIF 0 ( F i r s tI n p u tF i r s tO u t p u t ) 。F I F O 为先进先出存 储器，A D 顺序写入数据，用户可以同时顺序将数据实 时地读出。F I F O 通常应用的标志位为
12、：“半满一H F ” 与“溢出一F F ”，F I F O 的操作在H F = 0 时，用户 可以一次将采样数据连续读出，同时不问断A D 向F I F O 写入数据。如果F I F O 的F F 位为0 ，表示F I F O 溢出， 读出的数据将会丢失数据，所以用户必需保持F I F o 不 溢出。但是外加F I F O 的这种方法只能暂缓中断的问 题，不能根本解决问题。因此，在多路信号高采样 频率下，一般系统即使采用F I F 0 也很难保持稳定运 行。 为减轻C P U 的负担，本方案采用D S P 对A D 采样 数据进行补偿和预处理。D S P 是一种具有特殊结构的 微处理器。D S
13、 P 芯片的内部采用程序和数据分开的哈 佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操 作，提供特殊的D S P 指令，可以并行执行多个操作， 可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。同时片 内具有快速R A M ，可以作为数据采集和C P U 之间的缓 冲器。D S P 与C P U 之间以数据块的形式传递数据，因 而大大减轻连续采样给C P U 带来的负担，同时克服了 数据采集连续性与数据处理非连续性的矛盾。 F P G A ( F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y ) 内部有丰富的触发器和I 0 引脚，能够实现复杂的 逻辑。F
14、P G A 是由存放在片内R A M 中的程序来设置其工 作状态的，因此，工作时需要对片内的R A M 进行编 程。F P G A 有多种配置模式，本方案中F P G A 工作在外 设模式，由主C P U 对其编程。F P G A 的应用，提高了 系统集成度，简化了装置的结构，提高了系统的可靠 性。同时，由于F P G A 的现场可编程性，装置可以根 据需要对采样频率和信号通道数进行调整，实现系统 “硬件”的升级。 一4 82 4 小结 小电流接地选线装置作为专用的继电保护设备， 具有特殊的硬件要求。嵌入式系统能够根据应用需求 对软硬件进行裁剪，很好的满足应用系统的性能、可 靠性、成本、体积等
15、要求。该硬件平台方案专门针 对小电流接地选线装置的特点而提出，采用多处理器 结构；取消了采样保持器，采用软件补偿实现采样同 步；采样频率高，能够充分利用故障信息，提高选线 可靠性；结构简单，可实现硬件的在线配置，适用于 多种选线理论；体积小，低功耗，成本低，有利于 大规模应用；模块化的设计方法，使整个系统的安装 调试更加方便。 参考文献 1 桑在中，潘贞存，丁磊，等“S 注入法”选线定位原理及 应用中国电力，1 9 9 7 2 徐丙垠，薛永端，李天友，等小电流接地故障选线技术综 述电力设备，2 0 0 5 3 薛永端，徐丙垠，李天友，等利用暂态信号的配电网小电 流接地故障检测技术电力设备，2 0 01 4 贺家李，宋从矩电力系统继电保护原理 M 北京：中 国电力出版社，2 0 0 1 5 要焕年，曹梅月电力系统谐振接地 M 北京：中国电 力出版社，2 0 0 0 作者简介 范龙文( 19 8 0 一) ，硕士研究生，研究方向电力系统 故障检测。 陈高波( 197 8 一) ，助理工程师，电力系统输配电线路 运行故障研究。
