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摘要：介绍了一种利用暂态小波分析法和谐波分析法及故障录波技术的分散式信号采集改进型双CPU控制选线装置的设计。该设计的采集下放单元每路采用一个CPU的多单元架构，中央控制系统采用PC104或80C51F等系列双CPU控制增加判线可靠性和快速响应时间，它很好地满足了暂态分析对硬件的要求。其原理利用了小电流系统发生单相接地时零序电流“相对幅值”与“相对相位”的关系，而没有采用以往装置的“绝对整定值”概念，从而克服了系统运行方式多变、接地电流小、接地时间短而引起采集时间短，判线时间长造成的误判。当系统发生单相接地时可迅速、准确地判断出故障线路号。判线准确率高达99%以上，为现场迅速处理接地故障提供了极大的保障。实际现场运行表明本设计具有很好的应用推广价值。
关键词：小电流接地系统；故障录波；暂态分析；双CPU控制；分散式采集信号
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-368-02
我国城市电网及厂矿企业的中压系统，一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，简称小电流接地系统。当小电流接地系统中发生单相接地时，由于故障点电流较小，且由于系统三相电压仍然对称不影响对负荷的正常供电，一般允许继续带故障运行1-2小时。但长期运行，由于非故障的两相对地电压升高 倍，可能引起绝缘薄弱的环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电。同时，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。因此，当发生单相接地故障时，必须及时找到故障线路予以切除，以防止单相接地故障进一步扩大。
配电网中性点采用小电流接地方式有着一系列的优点，所以在配电系统应用广泛。但是由于小电流接地电网单相接地时故障电流非常小，单相接地保护问题一直没有很好地解决[1]。从八十年代单片机出現，小电流选线无论是从理论上，还是设计制造上都经过了二十多年发展。我国现有的选线装置在理论和设计上也经过了零序定值原理、基波群体比幅比相法、五次谐波法、功率方向法、首半波法，有功电流法、残流增量法、信号注入法、注入变频信号法，有功能量法等多种方法[1～6]应用过程，多数选线原理上都是基于稳态原理，从理论分析及实验室模拟均能正确，但在实际应用中暴露出判线时间及受外部因素等影响准确性的问题。
本文介绍采用分散式每路信号单独采集模式下，利用暂态小波分析法和谐波分析法及故障录波技术的理论来判断接地回路的新型双CPU控制小电流选线装置的设计。它基于故障录波技术提取暂态突变信号中的暂态分量[2]，应用暂态信息进行选线，稳态信息进行比较判断，双CPU运行提高了选线正确率。
1装置硬件构成及动作原理
在0.38kV～66kV中性点不接地或经消弧线圈接地以及中性点经电阻接地的电力系统。无论是金属性接地，还是间隙性接地、弧光接地、伴随铁磁谐振接地均能准确地选出接地线路，而不受出线形式（架空线和电缆线）的限制。小电流接地选线装置的基本单元为安装于高压出线柜中的采集单元，每个系统所用装置均由多个采集单元（CJMK）和一个中央控制单元（ZYDY）安装于主控室构成，其连接示意如图1：
图1系统连接图
我国（6-35KV）配电网一般采用中性点非有效的接地方式[3]。按规程规定，当电容电流大于一定值时，采用经消弧线圈接地。由于消弧线圈的补偿，稳态接地残流过小，接地故障辩识、故障选线困难。为了满足目前配电网自动化改造的要求，经消弧线圈接地系统的保护与控制日益受到国内外专家的关注，我们针对此情况，经多年研究、试验发现在暂态情况下瞬间，接地线路符合基本判线依据。为了避免漏采数据，所以在设计上采用多CPU框架结构，主要是为了增加在单位时间内对单段线路的采集点数，以避免瞬间接地时漏采数据的发生，对于每条线路利用一个采集控制单元（CJMK）来有针对性的完成信号选取和初步判断，在信号选取上主要是利用暂态分析和故障录波技术，把并未被完全补偿的暂态信息保存，用来做为判断信息，并对信息分析判断。把有用信息上传由中央控制单元（ZYDY）完成判断，通过双CPU架构迅速完成判线，并发出最终相关判断信息。
基本采集模块CJMK除用于接收开口三角电压外，其余均输入零序电流互感器的零序电流，并有继电器输出可用于报警和跳闸信号，每个采集单元之间用双芯屏蔽通信线连接，并最终引到主控室，通过RS-485与中央单元连接。
装置采用了多种判线原理主要分为：a）对于中性点不接地系统，采用暂态分量和基波零序电流比幅比相原理；b）对于中性点经消弧线圈接地系统采用暂态原理为主，结合五次谐波电流比幅比相原理。当系统发生单相接地时，必然经过高频振荡过程，因电容电流超前于电感，在接地的初始阶段，零序电流呈现容性，暂态信号的频率较高，达到几百赫兹甚至几千赫兹，对于高频信号，消弧线圈不能补偿.对于故障线路，暂态高频信号幅值最大，是所有非故障线路之和；对于在此特定频率段高频信号故障线路与非故障线路满足以下两点：故障线路暂态高频信号幅度为最大。故障线路与非故障线路反向。如果在稳态过程，系统仍存在高次谐波电流，对于高次谐波电流仍满足以上两点，可根据它进行相关计算判断。C）根据现场实际情况，我们在控制单元里增加了单线路定时自动或手动测试最大值保存电路，在发生接地时，作为数据比较。
中央控制单元ZYDY为系统的核心，通过双CPU来接收采集单元CJMK的数据信息
实现对接地线路快速选则。中央控制单元可对PT开口三角电压值给于设定，使PT接地值大于设定值，一般设定为30V，当发生接地时，作为启动信号，中央控制单元发出采集命令，各回路上的采集单元，同时采集零序电流信号给两个CPU通过不同算法对其进行计算分析判断，因为采用不同计算方式，同时对一组信号分析比较，所以提高了选线可靠性，对计算出的接地线路，通过液晶屏显示线路编号、接地时间、跳闸指令、报警信号等信息并打印。软件流程见图2。 中央控制单元CPU根据需要可分为两类，即采用80C51F的中央单元或采用工控机（PC104）的中央控制单元。采用80C51F的中央控制单元主要用于没有上位机系统的自动化水平较低的常规变电所。采用工控机的主要针对已经上变电综合自动化的变电所或与制造厂家配套。
图2软件结构原理图
2硬软件配置
图3为CJMK的结构图，主要是小电流接地系统在发生单相接地故障时，对系统的零序电流或零序电压进行采集，对接地线路具有跳闸功能，并通过485口上传给数据处理单元（但两种采集不可混用）。
中央控制单元主要用来对采集单元上传信号进行分析、判断，并显示相关信息和发出指令，其硬件框图见图3。
本选线设计以故障录波技术为基础，完整记录接地暂态过程，准确提取暂态信号特征量[1]。采用双CPU结合模式来增强快速反应和通过多种比较的办法完成解决瞬间接地及间歇性接地和弧光接地的选线难题。采用多CPU并行处理技术，即每一条出线的零序信号用单独的CPU完成采样，解决对暂态高频信号采样点数少，精度低的问题，保证所有线路在同一时刻采集。利用高速高分辨率A/D，采用自适应DSP实时数据采集处理技术，完全适应暂态高频电流的采样要求，可快速、准确地进行判断。不论系统电容电流大小，测量无死区。采用分散式方案，采集单元就地安装在开关柜上，有效解决了集中式选线装置存在采集点不足问题。本设计采用能对突变的、微弱的非平稳故障信号（暂态信号）进行精确处理的多种选线算法进行平行选线判断比较，利用故障录波技术，很好地解决了系统采用消弧线圈装置后，传统选线方法（利用稳态信息）进行选线准确率低，计算慢的问题。
图3 CJMK硬件结构框图
3结语
分散式信号采集模块可就地安装，简化整套系统接线，降低系统安装费用，减少二次阻抗损耗及不平衡，降低现场信号传输中的干扰。解决了传统选线装置带来如下问题：a）增加了零序CT的二次负载。b）二次线长短不一，CT二次负载不平衡。c）长线传输引入干扰信号。双CPU中控构架可迅速提高判线速度和准确性。
本设计的改进型小电流选线装置采用了全新的理论和先进的硬件配置，具有如下优点和特点：不受系统加装消弧线圈的影响；对弧光接地工况、瞬间接地及间歇性接地的选线效果突出。对有消弧线圈的系统，可做到准确判线，自其问世以来已在多家公司生产并且在数十家电力系统中应用均取得较好效果，有很好的使用价值。
参考文献
[1]薛永端，陈羽，徐丙垠.利用暂态特征的新型小电流接地故障检测系统.电力系统自动化.2004.28（24）：83-88.
[2]张帆，潘贞存，张惠芬.基于零序电流暂态极大值的小电流接地选线新判据.电力系统自动化.2006.4
[3]瞿敏，张炳达，刘长胜.基于S注入法的小电流系统消谐与选线一体化方案研究.现代电力.2003，（4）：35-39.
[4]曾祥君，等.基于注入变频信号法的经消弧线圈接地系统控制与保护新方法.中国电机工程学报，2000，20（1）：29-32.
[5]肖白，束洪春，高峰.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述.继电器.200101，29（4）：16-20.
作者简介：劉艳亮（1980—），男，山西长治人，大学本科，2003年毕业于太原理工大学，工学学士，工程师，现从事煤矿机电技术管理工作。
关键词：小电流接地系统；故障录波；暂态分析；双CPU控制；分散式采集信号
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-368-02
我国城市电网及厂矿企业的中压系统，一般采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，简称小电流接地系统。当小电流接地系统中发生单相接地时，由于故障点电流较小，且由于系统三相电压仍然对称不影响对负荷的正常供电，一般允许继续带故障运行1-2小时。但长期运行，由于非故障的两相对地电压升高 倍，可能引起绝缘薄弱的环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电。同时，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。因此，当发生单相接地故障时，必须及时找到故障线路予以切除，以防止单相接地故障进一步扩大。
配电网中性点采用小电流接地方式有着一系列的优点，所以在配电系统应用广泛。但是由于小电流接地电网单相接地时故障电流非常小，单相接地保护问题一直没有很好地解决[1]。从八十年代单片机出現，小电流选线无论是从理论上，还是设计制造上都经过了二十多年发展。我国现有的选线装置在理论和设计上也经过了零序定值原理、基波群体比幅比相法、五次谐波法、功率方向法、首半波法，有功电流法、残流增量法、信号注入法、注入变频信号法，有功能量法等多种方法[1～6]应用过程，多数选线原理上都是基于稳态原理，从理论分析及实验室模拟均能正确，但在实际应用中暴露出判线时间及受外部因素等影响准确性的问题。
本文介绍采用分散式每路信号单独采集模式下，利用暂态小波分析法和谐波分析法及故障录波技术的理论来判断接地回路的新型双CPU控制小电流选线装置的设计。它基于故障录波技术提取暂态突变信号中的暂态分量[2]，应用暂态信息进行选线，稳态信息进行比较判断，双CPU运行提高了选线正确率。
1装置硬件构成及动作原理
在0.38kV～66kV中性点不接地或经消弧线圈接地以及中性点经电阻接地的电力系统。无论是金属性接地，还是间隙性接地、弧光接地、伴随铁磁谐振接地均能准确地选出接地线路，而不受出线形式（架空线和电缆线）的限制。小电流接地选线装置的基本单元为安装于高压出线柜中的采集单元，每个系统所用装置均由多个采集单元（CJMK）和一个中央控制单元（ZYDY）安装于主控室构成，其连接示意如图1：
图1系统连接图
我国（6-35KV）配电网一般采用中性点非有效的接地方式[3]。按规程规定，当电容电流大于一定值时，采用经消弧线圈接地。由于消弧线圈的补偿，稳态接地残流过小，接地故障辩识、故障选线困难。为了满足目前配电网自动化改造的要求，经消弧线圈接地系统的保护与控制日益受到国内外专家的关注，我们针对此情况，经多年研究、试验发现在暂态情况下瞬间，接地线路符合基本判线依据。为了避免漏采数据，所以在设计上采用多CPU框架结构，主要是为了增加在单位时间内对单段线路的采集点数，以避免瞬间接地时漏采数据的发生，对于每条线路利用一个采集控制单元（CJMK）来有针对性的完成信号选取和初步判断，在信号选取上主要是利用暂态分析和故障录波技术，把并未被完全补偿的暂态信息保存，用来做为判断信息，并对信息分析判断。把有用信息上传由中央控制单元（ZYDY）完成判断，通过双CPU架构迅速完成判线，并发出最终相关判断信息。
基本采集模块CJMK除用于接收开口三角电压外，其余均输入零序电流互感器的零序电流，并有继电器输出可用于报警和跳闸信号，每个采集单元之间用双芯屏蔽通信线连接，并最终引到主控室，通过RS-485与中央单元连接。
装置采用了多种判线原理主要分为：a）对于中性点不接地系统，采用暂态分量和基波零序电流比幅比相原理；b）对于中性点经消弧线圈接地系统采用暂态原理为主，结合五次谐波电流比幅比相原理。当系统发生单相接地时，必然经过高频振荡过程，因电容电流超前于电感，在接地的初始阶段，零序电流呈现容性，暂态信号的频率较高，达到几百赫兹甚至几千赫兹，对于高频信号，消弧线圈不能补偿.对于故障线路，暂态高频信号幅值最大，是所有非故障线路之和；对于在此特定频率段高频信号故障线路与非故障线路满足以下两点：故障线路暂态高频信号幅度为最大。故障线路与非故障线路反向。如果在稳态过程，系统仍存在高次谐波电流，对于高次谐波电流仍满足以上两点，可根据它进行相关计算判断。C）根据现场实际情况，我们在控制单元里增加了单线路定时自动或手动测试最大值保存电路，在发生接地时，作为数据比较。
中央控制单元ZYDY为系统的核心，通过双CPU来接收采集单元CJMK的数据信息
实现对接地线路快速选则。中央控制单元可对PT开口三角电压值给于设定，使PT接地值大于设定值，一般设定为30V，当发生接地时，作为启动信号，中央控制单元发出采集命令，各回路上的采集单元，同时采集零序电流信号给两个CPU通过不同算法对其进行计算分析判断，因为采用不同计算方式，同时对一组信号分析比较，所以提高了选线可靠性，对计算出的接地线路，通过液晶屏显示线路编号、接地时间、跳闸指令、报警信号等信息并打印。软件流程见图2。 中央控制单元CPU根据需要可分为两类，即采用80C51F的中央单元或采用工控机（PC104）的中央控制单元。采用80C51F的中央控制单元主要用于没有上位机系统的自动化水平较低的常规变电所。采用工控机的主要针对已经上变电综合自动化的变电所或与制造厂家配套。
图2软件结构原理图
2硬软件配置
图3为CJMK的结构图，主要是小电流接地系统在发生单相接地故障时，对系统的零序电流或零序电压进行采集，对接地线路具有跳闸功能，并通过485口上传给数据处理单元（但两种采集不可混用）。
中央控制单元主要用来对采集单元上传信号进行分析、判断，并显示相关信息和发出指令，其硬件框图见图3。
本选线设计以故障录波技术为基础，完整记录接地暂态过程，准确提取暂态信号特征量[1]。采用双CPU结合模式来增强快速反应和通过多种比较的办法完成解决瞬间接地及间歇性接地和弧光接地的选线难题。采用多CPU并行处理技术，即每一条出线的零序信号用单独的CPU完成采样，解决对暂态高频信号采样点数少，精度低的问题，保证所有线路在同一时刻采集。利用高速高分辨率A/D，采用自适应DSP实时数据采集处理技术，完全适应暂态高频电流的采样要求，可快速、准确地进行判断。不论系统电容电流大小，测量无死区。采用分散式方案，采集单元就地安装在开关柜上，有效解决了集中式选线装置存在采集点不足问题。本设计采用能对突变的、微弱的非平稳故障信号（暂态信号）进行精确处理的多种选线算法进行平行选线判断比较，利用故障录波技术，很好地解决了系统采用消弧线圈装置后，传统选线方法（利用稳态信息）进行选线准确率低，计算慢的问题。
图3 CJMK硬件结构框图
3结语
分散式信号采集模块可就地安装，简化整套系统接线，降低系统安装费用，减少二次阻抗损耗及不平衡，降低现场信号传输中的干扰。解决了传统选线装置带来如下问题：a）增加了零序CT的二次负载。b）二次线长短不一，CT二次负载不平衡。c）长线传输引入干扰信号。双CPU中控构架可迅速提高判线速度和准确性。
本设计的改进型小电流选线装置采用了全新的理论和先进的硬件配置，具有如下优点和特点：不受系统加装消弧线圈的影响；对弧光接地工况、瞬间接地及间歇性接地的选线效果突出。对有消弧线圈的系统，可做到准确判线，自其问世以来已在多家公司生产并且在数十家电力系统中应用均取得较好效果，有很好的使用价值。
参考文献
[1]薛永端，陈羽，徐丙垠.利用暂态特征的新型小电流接地故障检测系统.电力系统自动化.2004.28（24）：83-88.
[2]张帆，潘贞存，张惠芬.基于零序电流暂态极大值的小电流接地选线新判据.电力系统自动化.2006.4
[3]瞿敏，张炳达，刘长胜.基于S注入法的小电流系统消谐与选线一体化方案研究.现代电力.2003，（4）：35-39.
[4]曾祥君，等.基于注入变频信号法的经消弧线圈接地系统控制与保护新方法.中国电机工程学报，2000，20（1）：29-32.
[5]肖白，束洪春，高峰.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述.继电器.200101，29（4）：16-20.
作者简介：劉艳亮（1980—），男，山西长治人，大学本科，2003年毕业于太原理工大学，工学学士，工程师，现从事煤矿机电技术管理工作。