的小電流接地系統(tǒng)故障選線裝置設計

基于DSP的小電流接地系統(tǒng)故障選線裝置設計DSP-basedSystemofSmallCurrentGroundingFaultLineSelection

基于DSP的小電流接地系統(tǒng)故障選線裝置設計[]本文針對以往小電流接地電網(wǎng)中單相接地故障選線裝置運行不良的情況，根據(jù)目前較為完善的小波算法對硬件系統(tǒng)的要求，提出了一種基于TMS320VC33型DSP的軟硬件解決方案。文章介紹了該方案的實現(xiàn)原理，組成結(jié)構(gòu)與運行情況。該方案充分利用DSP芯片的優(yōu)越的數(shù)字信號處理功能和快速的運算速度，很好的解決了傳統(tǒng)的MCU的運算速度低的問題，實現(xiàn)了包括小波分析在內(nèi)的小電流接地綜合智能選線算法。實踐結(jié)果表明，該軟硬件平臺運算速度快，抗干擾能力強運行穩(wěn)定，具有良好的性價比，是小電流接地電網(wǎng)中一種實用的選線平臺。DSP小電流接地電網(wǎng)故障選線

DSP-BasedSystemofSmallCurrentGroundingFaultLineSelection[]Nowadaysfaultlocationinstrumentsforsing-phase-to-earthfaultbadlyperforminthenon-direct-groundneutralsystem.Inordertosolvethisproblem,thispaperpresentsanewsolutionbasedontheTMS320VC33DSPwhichalsomeetsthewaveletalgorithmrequirementonthehardwaresystem.Therealizationprinciple,thehardwarearchitectureanditsoperatingresultsareintroducedinthecontext.ComparedwiththeconventionalMCU,theDSPownssuperiordigitalsignalprocessingfunctionandhighcalculatingspeed.Theseadvantagesmakethesyntheticallyintellectivealgorithmpossibletobefastprocessedintime.Theoperationresultsshowthatthissoft-hardwareplatformhasafastcalculationspeed,disturbances-proofabilityandagoodrunningrecord.Thissolutionprovestobeanidealearth-faultselectionplatformforitshighperformance-priceratio.DSPnon-direct-groundsystemfaultlineselection 1 1 1 1 2 3 4 4 5 6 8 17 18 19 19 20 20 22 22 23 23 24 24 27 28 28 28 29 32 38 38 38 39 39 40 40 40 41 41 41 42 43 44 46第一章緒論1.1小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線問題的提出按照我國國家標準，電力系統(tǒng)中性點運行方式分為兩種:中性點有效接地系統(tǒng)和中性點非有效接地系統(tǒng)。中性點直接接地或經(jīng)一低值阻抗接地的系統(tǒng)稱為中性點有效接地系統(tǒng)或大電流接地系統(tǒng)，中性點不接地、經(jīng)高值阻抗接地或經(jīng)消弧線圈(消弧電抗器)接地(諧振接地)，稱為中性點非有效接地系統(tǒng)或小電流接地系統(tǒng)。一般以系統(tǒng)的零序電抗和正序電抗的比值/的大小來劃分中性屬于有效接地還是非有效接地，從過電壓防護的觀點要求，非有效接地系統(tǒng)的/應不小于3。在有效接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，由于存在短路回路，所以接地相電流很大，會啟動保護裝置動作跳閘，在小電流接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，由于中性點非有效接地，故障點不會產(chǎn)生大的短路電流，而且相與相之間的線電壓仍保持對稱，不影響對負荷的供電，因此允許系統(tǒng)短時間帶故障運行，這對于減少用戶停電時間，提高供電可靠性是非常有意義的。但小電流接地方式給繼電保護裝置選線帶來了難度。因為故障電流非常小，使得保護裝置很難準確判斷出故障出現(xiàn)，導致長期以來小電流接地故障選線問題成為一個技術(shù)難題。1.2課題研究的意義1.2.1繼續(xù)研究小電流接地系統(tǒng)故障選線的必要性近些年,國內(nèi)外很多學者針對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線問題作了大量的研究，提出了很多種選線方法，它們大體可歸為三類:A故障時外加控制措施改變故障量的方法；B利用故障時穩(wěn)態(tài)分量的方法；C利用故障時暫態(tài)分量的方法。我于2008年做了市場調(diào)查，得到如下統(tǒng)計數(shù)據(jù):某大型地區(qū)電網(wǎng)先后安裝選線裝置170臺，因選線效果不佳，先后退出146臺，退出率為86%:在天津、沈陽、石家莊、唐山、保定、貴陽等地的市區(qū)電網(wǎng)的調(diào)查結(jié)果也基本相似。調(diào)研的結(jié)果表明平均80%的選線裝置退出了運行，現(xiàn)場依舊普遍采用由運行人員手動點滅選線，小電流接地選線裝置處于有名無實的狀態(tài)。經(jīng)過研究分析，我認為以往選線裝置選線效果不佳的原因主要有三方面:(1)選線原理存在紙漏，如選線方法單一、沒有探究選線方法的有效域、沒有抗干擾的措施等等；(2)硬件電路特別是主芯片電路運算能力有限無法滿足算法，無奈大多采用簡化算法來適應硬件的能力；(3)以往的研究缺少實驗的檢驗，由于國內(nèi)沒有有效的實驗設備，在變電站掛網(wǎng)試驗又常受到限制，所以選線裝置存在的很多問題不能通過實驗暴露、分析、解決。基于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線裝置的現(xiàn)狀，決定進行小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的再研究，2001年我們建立了國內(nèi)第一個小電流接地選線的10kV物理模擬實驗室。經(jīng)過多次的實驗研究，找到了改進原有選線理論及裝置的方法和措施。以往的研究者大多集中在選線判據(jù)方面的研究，我們通過對不同故障的選線結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)裝置的選線正確率除了和算法編制的好壞有關外，還和其他一些因素的影響關系密切，忽略對這些因素的處理會導致選線裝置出現(xiàn)誤判的可能。1.2.2研究以DSP為硬件平臺的選線裝置的必要性華北電力大學曾提出的基于模糊控制的小波選線方法以其強大的故障信號提取能力和突出的適應能力在小電流選線算法理論研究領域中開創(chuàng)了一個新的紀元。但一個算法的最終實現(xiàn)必須要有一個與之相配套的、滿足算法要求的硬件平臺。我最初的故障選線裝置的硬件載體采用的是工控機方案，這種方案簡單易行，有利于對實踐理論的快速檢驗。但這樣的方案成本較高不利于后期產(chǎn)品的推廣，為此我一直在尋找一種成本經(jīng)濟的替代方案。由于多通道高采樣率所獲得的龐大暫態(tài)數(shù)據(jù)進行小波變換，需要對采樣信號進行大量的逐層提取與分離，因而乘法運算量十分巨大。而一般的MCU(微處理器)系統(tǒng)的乘法運算是由若干的加法指令組合而成，所以遠遠不能勝任處理如此大量的乘法運算。而且，突變信號持續(xù)時間很短，前面的數(shù)據(jù)處理部分要在短時間內(nèi)完成，這就對處理器工作速度提出了很高的要求。但目前常規(guī)微處理器的指令周期較長，運算能力有限，這些快速的要求對于常規(guī)的微處理器系統(tǒng)是很難達到的。所以有必要尋找一種新的快速處理芯片專門用于數(shù)據(jù)處理以滿足需求。隨著硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，快速數(shù)字信號處理芯片(DSP)的出現(xiàn)為復雜算法的實現(xiàn)提供了硬件支持。1.3論文的主要工作人的基礎上，結(jié)合綜合故障選線算法對硬件平臺的需要，獨立開發(fā)了一套以TMS320VC33型DSP為中央處理器的小電流接地系統(tǒng)故障選線裝置。該裝置目前已通過10KV物理模擬實驗室測試，目前的實驗室故障選線正確率為100%。第二章小電流接地系統(tǒng)及單相接地故障分析研究小電流接地系統(tǒng)故障選線問題，必須要弄清什么是小電流接地系統(tǒng)，小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的機理如何以及目前選線問題的常用處理方法等問題。本章詳細講解了這幾個問題，作為后面幾章深入研究的基礎。2.1小電流接地系統(tǒng)的特點和應用狀況電力系統(tǒng)的中性點接地方式指的是變壓器星型繞組中性點與大地的電氣連接方式。由于對各種電壓等級電網(wǎng)的運行指標的要求日益提高，電力系統(tǒng)中性點接地方式的正確選擇具有越來越重要的實際意義。在緒論中己經(jīng)提到，電力系統(tǒng)中性點接地方式可劃分為兩大類:大電流接地方式和小電流接地方式。采用大電流接地方式的系統(tǒng)我們稱之為大電流接地系統(tǒng):采用小電流接地方式的系統(tǒng)我們稱之為小電流接地系統(tǒng)。大電流接地系統(tǒng)的特點是:(1)當發(fā)生單相接地故障時，由于采用中性點有效接地方式，存在短路回路，所以接地相電流很大；(2)為了防止損壞設備，必須迅速切除接地相甚至三相，因而供電可靠性低；(3)由于故障時不會發(fā)生非接地相對地電壓升高的問題，對于系統(tǒng)的絕緣性能要求也相應降低。小電流接地系統(tǒng)的特點是:(1)由于中性點非有效接地，當系統(tǒng)發(fā)生單相短路接地時，故障點不會產(chǎn)生大的短路電流，因此允許系統(tǒng)短時間帶故障運行；(2)此系統(tǒng)對于減少用戶停電時間，提高供電可靠性非常有意義；(3)當系統(tǒng)在故障下運行時，非故障相相對地的電壓將上升很高，容易引發(fā)各種過電壓，危及系統(tǒng)絕緣，嚴重時會導致單相瞬時性接地故障發(fā)展成單相永久接地故障或兩相故障。

2.1.2小電流接地系統(tǒng)的應用狀況電力系統(tǒng)的中性點接地方式的選擇是一個綜合性問題，它與系統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、供電可靠性、人身安全、設備安全、絕緣水平、繼電保護、通信干擾(電磁環(huán)境)及接地裝置等問題有密切的關系。電力系統(tǒng)中性點接地方式的選擇既是技術(shù)問題，也是經(jīng)濟問題，在選定方案的決策過程中，應結(jié)合系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃進行技術(shù)經(jīng)濟比較，全面考慮，使系統(tǒng)達到更優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標，避免因決策失誤而造成不良后果[8]對于110kV以上的高壓、超高壓和特高壓電力系統(tǒng)，絕緣費用在設備總價格中占相當大比重，必須考慮限制工頻電壓升高和瞬時過電壓，所以一般采用中性點有效接地方式即大電流接地方式，而采用其它措施提高供電可靠性。對于1lOkV以下的中壓電力系統(tǒng)，設備的絕緣裕度受經(jīng)濟因素的制約作用相對較小，降低絕緣水平成為一個相對次要的因素，主要矛盾則轉(zhuǎn)化為單相接地故障電流的危害性，包括供電可靠性、人身與設備安全性，以及對通信干擾等問題的考慮,所以中壓配電網(wǎng)接地方式的選擇一般采用中性點非有效接地方式即小電流接地方式[9]。本文關心的主要是中壓配電網(wǎng)接地方式問題，所以下面僅介紹一下國內(nèi)外配電網(wǎng)接地方式選擇的情次。世界各國以及各地區(qū)配電網(wǎng)中性點接地方式都不盡相同。在90年代以前，國外多數(shù)國家采取中性點經(jīng)小電阻接地的接地方式，并配合快速繼電保護和開關裝置，瞬間跳開故障線路，但由于這種中性點接地方式下供電可靠性以及和通信網(wǎng)的兼容共處問題依然得不到解決，電纜線路的故障也并不是說大多數(shù)都是永久性故障，因此隨著技術(shù)的發(fā)展，在80年代末期，法國電力公司(EDF)通過總結(jié)和研究中壓電網(wǎng)30多年的運行經(jīng)驗，首先做出決定，重新審查中壓電網(wǎng)中性點接地的管理方針，并決定將中性點低阻抗接地方式全部改為諧振接地方式。此后,德國、日本等國也相繼對中性點接地方式做出調(diào)整，推行小電流接地方式[10]。我國配電網(wǎng)中，66kV和35kV電網(wǎng)主要采用中性點經(jīng)消弧線圈接地，3KV-lOkV電網(wǎng)則以中性點不接地方式為主，個別地區(qū)如上海以、北京、廣州等的部分城市電網(wǎng)采用小電阻接地方式。2.2小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的機理小電流接地系統(tǒng)在正常運行時，網(wǎng)絡各相對地電壓是對稱的，其大小為相電壓:如果三相對地電容相等，則各相對地電容電流對稱且平衡，三相電容電流向量和為零，中性點對地電壓為0。當一相接地后其電導不能忽略，中性點對地電壓值升高，在中性點不接地系統(tǒng)，三相電容電流之向量和通過接地電阻產(chǎn)生電壓降，各相對地電壓發(fā)生變化。在中性點經(jīng)消弧線圈或大電阻接地系統(tǒng)，消弧線圈的電流或流過大電阻的電流與三相電容電流之向量和通過接地電阻產(chǎn)生電壓降，各相對地電壓發(fā)生變化[1,2,25]。2.2.1小電流接地系統(tǒng)單相接地故障暫態(tài)過程分析當中心點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的瞬間，流過故障點的暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流組成。兩者在暫態(tài)過程中不能相互補償[1,2,3,11,26]。2.2.1.1暫態(tài)等值回路在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障瞬間，可以用圖2-1所示的暫態(tài)回路表示。圖2-1單相接地暫態(tài)電流的等值回路圖中，C:補償電網(wǎng)的三相對地電容；:三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感；:零序回路中的等值電阻；:消弧線圈的電感；:零序電源電壓,；:相電壓最大值；2.2.1.2暫態(tài)電容電流小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障相和非故障相的電壓都會發(fā)生突然變化,此時暫態(tài)電容電流可以看成是由電壓突然降低相的放電電容電流和由電壓突然升高相的充電電流之和。一般情況下，由于電網(wǎng)中絕緣擊穿而引起的接地故障，經(jīng)常發(fā)生在相電壓接近峰值的瞬間，此時暫態(tài)電容電流可以看成是由故障相電壓突然降低引起的放電電容電流和由非故障相電壓突然升高引起的充電電容電流之和。故障相的電容電流通過母線及其它健全線路流向故障點，電流衰減很快，其振蕩頻率主要取決于線路參數(shù)、故障點的位置及過渡電容的大小，通常高達數(shù)千赫茲，非故障相的電容電流通過電源或變壓器形成回路，由于整個回路的電感比較大，因此衰減較前者慢，振蕩頻率也較前者低。流和由電壓突然升高相的充電電流之和。一般情況下，由于電網(wǎng)中絕緣擊穿而引起的接地故障，經(jīng)常發(fā)生在相電壓接近峰值的瞬間，此時暫態(tài)電容電流可以看成是由故障相電壓突然降低引起的放電電容電流和由非故障相電壓突然升高引起的充電電容電流之和。暫態(tài)時，因為自由振蕩的頻率較高，并且，所以圖2-1中的L可以不考慮。利用組成的串聯(lián)回路和激勵，可以確定暫態(tài)電容電流。（2-1）暫態(tài)電容電流由暫態(tài)自由振蕩分量和穩(wěn)態(tài)工頻分量兩部分組成：（2-2）式中：：電容電流幅值；：暫態(tài)自由振蕩分量的角頻率；：自由振蕩分量的衰減系數(shù)；可見，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、大小和運行方式的不同，會引起暫態(tài)過程的改變。配電網(wǎng)的自振頻率變化范圍一般為300HZ3000HZ。自振頻率和暫態(tài)電容電流的自由振蕩分量的幅值與線路的長度成反比。2.2.1.3暫態(tài)電感電流根據(jù)圖2-1得:（2-3）式中，W:消弧線圈相應分接頭的線圈匝數(shù)；：消弧線圈鐵心中的磁通；接地故障開始前，消弧線圈中沒有電流通過，，考慮由穩(wěn)態(tài)工頻分量組成，得:（2-4）式中，:回路的時間常數(shù)。根據(jù)非線性電路的基本理論，暫態(tài)過程中的鐵心磁通與鐵心不飽和時的方程式相同，根據(jù)上式，考慮，得暫態(tài)電感電流的表達式為：（2-5）式中，:電容電流幅值；2.2.1.4暫態(tài)接地電流暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流疊加而成，故其特性隨著兩者的具體情況而定。即:（2-6）式中第一項為接地電流穩(wěn)態(tài)分量，其余為接地電流的暫態(tài)分量，電力系統(tǒng)中，暫態(tài)電容電流的幅值一般遠大于暫態(tài)電感電流，暫態(tài)電容電流衰減的比暫態(tài)電感電流要快?？梢?，不論電網(wǎng)的中性點不接地或者經(jīng)消弧線圈接地，暫態(tài)接地電流的幅值和頻率主要由暫態(tài)電容電流所決定，其幅值同時和初相角有關。由以上分析可知，小電流接地系統(tǒng)的暫態(tài)過程，基本上受中性點的運行方式的影響較小，中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地時具有相似的性質(zhì)。2.2.2小電流接地系統(tǒng)單相接地故障穩(wěn)態(tài)過程分析2.2.2.1中性點不接地系統(tǒng)零序無功基波分析研究無功時，由于線路電阻和電抗以及線路電導的影響遠小于線路的電納的影響，此時，系統(tǒng)可以視為經(jīng)容抗接地的接地系統(tǒng)，該電容是由電網(wǎng)中的電纜、架空線路、電機、變壓器等所有電氣產(chǎn)品的對地耦合電容所組成的。當發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)故障點的穩(wěn)態(tài)電流大部分是單相對地電容電流[1,2,11,25]當某一相發(fā)生接地故障時，相當于在該相對地電容中并聯(lián)接入故障電阻RJ，中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障時的電路圖如圖2-2所示:圖2-2中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障電路圖可以得到此時的等值電路圖如圖2-3所示:圖2-3中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障等值電路圖發(fā)生單性接地故障時，對稱性遭到破壞,中性點發(fā)生偏移，導致三相對地電壓發(fā)生變化。中性點電位偏移關系式為:（2-7）由上式可做出中性點電位隨故障電阻變化的相量軌跡圖如圖2-4。圖2-4中性點電壓偏移軌跡由上圖可以看出，故障相電壓不一定最低，超前故障相的那一相的相電壓最高，利用這個規(guī)律可以識別故障相。線路l:(2-8)即非故障線路流過本身的電容電流，方向超前。線路2:(2-9)(2-10)即故障線路零序無功電流大小為非故障線路零序電容電流之和，方向與非故障線路相反。顯然當母線故障時，所有線路都流過本身電容電流，方向超前。2.2.2.2中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)零序無功基波分析與中性點不接地系統(tǒng)相比，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的主要特點是在中性點接入了消弧線圈，用以補償故障點的電容電流。消弧線圈的補償作用使得故障線路的故障信息發(fā)生了改變，有別于中性點不接地系統(tǒng)。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障時的電路圖如圖2-5所示:圖2-5中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障電路圖發(fā)生單性接地故障時，對稱性遭到破壞，中性點發(fā)生偏移，導致三相對地電壓發(fā)生變化。中性點電位偏移關系式為:(2-11)可以得到此時的等值電路圖如圖2-6所示：圖2-6中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障等值電路圖由上式可做出中性點電位隨故障電阻變化的相量軌跡圖如圖2-7。圖2-7中性點電壓偏移軌跡由上圖可以看出，故障相電壓不一定最低，當欠補償時，超前故障相的那一相的相電壓最高；全補償時，故障相電壓最低；過補償時，落后故障相的那一相的相電壓最高；利用這些規(guī)律可以識別故障相。線路l：(2-12)即非故障線路流過本身的電容電流，方向超前。線路2：(2-13)(2-14)即故障線路零序無功電流大小為非故障線路零序電容電流與消弧線圈零序電感電流之和，方向與消弧線圈的補償度有關，當消弧線圈零序電感電流小于正常線路零序電容電流之和時，故障線路零序無功電流方向與非故障線路相反，當消弧線圈零序電感電流等于正常線路零序電容電流之和時，故障線路零序無功電流為零，當消弧線圈零序電感電流消弧大于正常線路零序電容電流之和時，故障線路零序無功電流方向與非故障線路相同。顯然當母線故障時，所有線路都流過本身電容電流，方向超前。2.2.2.3中性點不接地系統(tǒng)零序有功基波分析由于線路電阻和電導與電抗和電納相比影響很小，所以一般分析的時候可以將其忽略，不會影響分析的精度，但是當分析有功分量的規(guī)律的時候就不能將其忽略了。利用疊加定理，可以將無功分量和有功分量分開來考慮。分析有功分量的時候可以只考慮有功分量的電路。中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障時的電路圖如圖2-8所示：圖2-8中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障零序有功分量電路圖可以得到此時的等值電路圖如圖2-9所示：圖2-9中性點不接地系統(tǒng)單相接地故障零序有功分量等值電路圖因為線路零序電阻和線路對地電容是并聯(lián)關系，因此，中性點的電壓主要是由零序無功分量決定，零序有功分量幾乎沒有什么影響。線路1：(2-15)即非故障線路流過本身的有功電流,方向與同相。線路2：(2-16)(2-17)即故障線路零序有功電流大小為非故障線路零序有功電流之和，方向與非故障線路相反。顯然當母線故障時，所有線路都流過本身的零序有功電流，方向與相同。2.2.2.4中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)零序有功基波分析分析零序有功分量時，中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)與中性點不接地系統(tǒng)相比，主要差別相當于在中性點接入一個電阻，此電阻為消弧線圈的電阻。中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障時的電路圖如圖2—10所示：圖2-10中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障零序有功分量電路圖。可以得到此時的等值電路圖如圖2-11所示：圖2-11中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地故障零序有功分量等值電路圖中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的中性點電壓和中性點不接地系統(tǒng)的一樣，主要是由零序無功分量決定，零序有功分量幾乎沒有什么影響。線路1：（2-18）即非故障線路流過本身的有功電流方向與同相。線路2:（2-19）即故障線路零序有功電流大小為非故障線路零序有功電流與消弧線圈零序有功電流之和，方向與非故障線路相反。顯然當母線故障時，所有線路都流過本身的零序有功電流，方向與相同。2.2.2.5小電流接地系統(tǒng)五次諧波分量分析在中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，消弧線圈的補償是針對零序基波電流的，其容量主要依據(jù)電網(wǎng)的總電容電流來確定，因此消弧線圈的電抗L滿足（2-20）其中是各條出線的零序?qū)Φ仉娙?，補償系數(shù)k接近于1。然而對于N次諧波，在一定的中性點諧波電壓下，電容容抗將減小至基波情況的N分之一，而消弧線圈的電抗則要增加基波情況N倍.所以對于諧波電流，消弧線圈的阻抗要比全部分布電容的阻抗大的多，從而不會對零序諧波電流的大小和方向有大的影響。因此，對于中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)和中性點不接地系統(tǒng)對于諧波分量有相同的規(guī)律。在電力系統(tǒng)中含量比較大的諧波主要是奇數(shù)次諧波，且隨著諧波頻率的增加含量越來越少。三次諧波電流會在變壓器三角形一側(cè)形成環(huán)流，因此一般其含量很小。系統(tǒng)中含量較大的是五次諧波，下面將主要分析小電流接地系統(tǒng)中的五次諧波分量。當某一相發(fā)生接地故障時，相當于在該相對地電容中并聯(lián)接入故障電阻Rd，此時的情況和中性點不接地的情況非常類似，僅僅是電容的容抗值和諧波電壓和諧波電流的幅值不同，電路圖如圖2-12所示：圖2-12小電流接地系統(tǒng)單相接地故障電路圖可以得到此時的等值電路圖如圖2-13所示:圖2-13小電流接地系統(tǒng)單相接地故障等值電路圖電力系統(tǒng)中的諧波，主要來源于非線性負載，非線性負荷可認為是諧波電流源，系統(tǒng)中的畸變的電流，引起電壓波的畸變，產(chǎn)生了諧波電壓。線路1:（2-21）即非故障線路流過本身的電容電流，方向超前零序諧波電壓。線路2：(2-22)（2-23）即故障線路零序五次諧波電流大小為非故障線路零序五次諧波電流之和，方向與非故障線路相反。顯然當母線故障時，所有線路都流過本身五次諧波電容電流，方向超前零序諧波電壓。2.3現(xiàn)有選線方法綜述目前電力系統(tǒng)中投運的選線裝置采用的方法主要有比幅比相法、五次諧波法、有功法、小波法[11,24]等。1)基波比幅比相法基波比幅比相方法是最早被提出的選線方法，它的基本原理是:在中性點不接地系統(tǒng)中，故障線路零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，方向與非故障線路的零序電流方向相反，依據(jù)這個特點可檢測故障線路。基波比幅比相法是目前應用最為廣泛的一種方法，在不接地系統(tǒng)中，這種方法的應用效果較好，但是在消弧線圈接地系統(tǒng)中由于消弧線圈的補償作用，選線法則會失效。2)五次諧波法電力系統(tǒng)由于變壓器、線路設備的非線形影響，線路電流中存在著諧波分量，其中五次諧波含量最大，發(fā)生單相接地故障時，諧波分量還會有一定程度增加。對于中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)，消弧線圈對五次諧波所呈現(xiàn)的感抗是基波的5倍，而線路分布電容對五次諧波所呈現(xiàn)的容抗卻是基波的1/5,因此消弧線圈基本上不能補償五次諧波的電容電流。所以在消弧線圈接地系統(tǒng)中，對于五次諧波分量，依然可以近似看成故障線路的電流大小等于所有非故障線路的電流之和，方向與非故障線路的電流方向相反。五次諧波法解決了中性點經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)的故障選線問題，它的一個不足是故障電流中五次諧波含量僅占基波的10%左右，在經(jīng)過電阻接地的情況下數(shù)值就會更小，易造成誤判。3）有功法有功法的原理是由于線路、消弧線圈都存在對地電導，所以故障電流中含有有功分量，且故障線路的有功分量比非故障線路大而方向相反，據(jù)此檢測故障線路。有功法的缺點是故障電流中有功分量也很小，易受零序電流過濾器中不平衡電流等因素的影響。4）小波法小波法是90年代后期發(fā)展起來的一種新的選線方法。小波法的理論依據(jù)是:由于電網(wǎng)中絕緣被擊穿而引起的接地故障，經(jīng)常發(fā)生在相電壓接近于最大值的瞬間，因此，可以將故障后的暫態(tài)容性電流看成是以下兩個電流之和:其一是由于故障相電壓突然降低而引起的放電電容電流，它通過母線及其它非故障線路流向故障點，放電電流衰減很快，其振蕩頻率主要取決于線路參數(shù)、故障點的位置以及過渡電容的大小，通常高達數(shù)千赫茲，其二是由于非故障相電壓突然升高而引起的充電電容電流，它要通過電源或變壓器形成回路，由于整個回路的電感比較大，因此充電電流衰減的較慢，振蕩頻率也比較低。由此可見，由于線路分布電容的充放電，在各條線路中引起高頻振蕩.其振蕩頻率于線路的RLC參數(shù)密切相關，而與系統(tǒng)的消弧線圈補償關系不大。非故障線路中暫態(tài)電流的大小和頻率主要取決于本線路的參數(shù)，故障線路中暫態(tài)電流則是其它各線路電流之和，在變化方向上，非故障線路暫態(tài)電流與故障線路暫態(tài)電流的變化相反。依據(jù)這兩點就可以作為故障線路判斷的標準。暫態(tài)電流的大小取決于接地瞬間故障相電壓的瞬時值，其衰減主要由接地電阻決定。小波法的缺點是暫態(tài)過程持續(xù)時間較短，而且無法重現(xiàn)，一般情況下一個周波之后就衰減的很小了，因此必須能夠捕獲暫態(tài)信息并做出正確判斷。2.4小結(jié)本章講述了電力系統(tǒng)中性點接地方式的種類和發(fā)展情況，給出了小電流接地系統(tǒng)的概念，簡要分析了小電流接地方式的性能以及小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的機理，最后介紹了現(xiàn)有選線方法的選線原理和評價。這一章是研究小電流接地系統(tǒng)故障選線問題的基礎知識，為后面幾章進一步研究選線理論和DSP(數(shù)字信號處理器)實現(xiàn)方式提供了理論前提。第三章DSP技術(shù)簡介及其開發(fā)流程介紹障選線裝置的硬件載體采用的是工控機方案，這種方案簡單易行，有利于對實踐理論的快速檢驗。但這樣的方案成本較高不利于后期產(chǎn)品的推廣，為此我一直在尋找一種成本經(jīng)濟的替代方案。本文采用的是以DSP作為中心處理器的實現(xiàn)方案，其較工控機方案更為經(jīng)濟，較傳統(tǒng)的單片機方案更能滿足我們基于模糊控制的小波選線方法對硬件的需要。本裝置采用的主演要處理芯片是TI公司的TMS320VC33型DSP，這是一款高性能的浮點DSP芯片。本章首先介紹了DSP技術(shù)，分析了DSP芯片與MCU(單片機)的異同之處，然后重點介紹了TMS320VC33型DSP的特點及CPU內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，并在此基礎上介紹了DSP的開發(fā)環(huán)境及其使用的關鍵技術(shù)[28,29]。3.1DSP技術(shù)介紹數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O備[26,27]，以數(shù)字的形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。一些新興的學科如:人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡等都與數(shù)字信號處理密不可分。數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法一般有以下幾種:1)在通用的計算機(如PC機)上用軟件(如C語言)實現(xiàn)；2)在通用的計算機系統(tǒng)中加上專用的加速處理機實現(xiàn)；3)用通用的單片機(如MCS51,96系列等)實現(xiàn)，這種方法只適用一些十分簡單數(shù)字信號處理；4)用通用的可編程DSP芯片實現(xiàn)。與單片機相比，DSP芯片具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復雜的數(shù)字信號處理算法；5)用專用DSP芯片實現(xiàn)。在上述幾種方法中，第1種方法的缺點是速度較慢，一般可用于DSP算法的模擬,第2種和第5種方法專用性強，應用受到很大的限制，第2種方法也不便于系統(tǒng)的獨立運行，第3種方法只適用于實現(xiàn)簡單的DSP算法，只有第4種方法才使數(shù)字信號處理的應用得心應手。數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎，因此具有數(shù)字信號處理的全部優(yōu)點:1)接口方便。DSP系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎的系統(tǒng)或設備都是相兼容的，與這樣的系統(tǒng)接口以實現(xiàn)某種功能要容易得多；2)編程方便。DSP系統(tǒng)中的可編程DSP芯片可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方便地對軟件進行修改和升級；3)穩(wěn)定性好。DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高；4)精度高。僅一個16位數(shù)字系統(tǒng)就可以達到的精度；5)可重復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元件參數(shù)性能變化比較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)；6)集成方便。DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。3.1.1DSP芯片簡介DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，能夠?qū)崟r快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP產(chǎn)品應用于工業(yè)控制的測控領域，特點是采集精度高、采集速度快，計算能力強，可以作為多CPU系統(tǒng)的下位機，直接對現(xiàn)場進行測控，并完成大量的計算。并有強大的通訊能力，便于上位機管理，以及多機系統(tǒng)中各節(jié)點之間的協(xié)調(diào)。其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。其一般有如下主要特點:1)具有專用乘法器，在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；2)采用程序和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高一倍；3)片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；5)快速的中斷處理和硬件I/0支持；6)有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；7)以并行執(zhí)行多個操作；8)支持流水線操作，使取址、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行，減少指令執(zhí)行時間，增強了處理器的處理能力。3.1.2DSP與MCU的比較DSP實際上是一種特殊的MCU(單片機)，只不過DSP內(nèi)部結(jié)構(gòu)專為數(shù)值處理進行了優(yōu)化，使其主頻和運算速度遠比MCU快，外部特性與MCU基本相同，與MCU相比具有如下特點:1)多條地址、數(shù)據(jù)和控制總線，可是多個控制和運算部件并行工作，提高CPU的處理能力。例如，CPU完成一條指令一般要有取指、譯碼、執(zhí)行和存儲4個步驟。MCU順序執(zhí)行上述4個步驟，因此其一個指令周期要由多個機器周期組成，而DSP并行執(zhí)行上述4個步驟，所以指令周期等于機器周期。也就是說，上述4步DSP以流水線方式運行，提高了CPU的執(zhí)行速度。2)DSP中有一個特殊的硬件乘法器，乘法運算一條指令完成，并且乘法器是獨立的，可以和加法器等運算部件并行工作，提高了CPU的數(shù)字處理能力。3)DSP中有一些特殊的指令，用來加速數(shù)字處理。比如，連乘加(MAC)指令，一個指令周期內(nèi)同時完成乘法和加法運算。4)頻率一般比MCU高很多。從指令周期來看，低檔的DSP一般為50ns；中檔的DSP一般為10ns；高檔的DSP一般為5ns。從處理能力來看低檔的DSP一般為20MIPS；中檔的DSP一般為IOOMIPS；高檔的DSP一般為1600MIPS。5)片內(nèi)具有軟件插等待寄存器，方便與慢速器件接口。6)片內(nèi)具有PLL(數(shù)字鎖相環(huán)電路)，是片內(nèi)高頻、片外低頻協(xié)調(diào)工作，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。7）與MCU相比，DSP有較大的片內(nèi)存儲體(RAM,ROM,FlashMemory等)，少則幾K字節(jié)，多則幾十K字節(jié)，甚至幾百K字節(jié)。8)豐富的片上外設(定時器、異步串口、同步串口、DMA控制器、HPI接口、A/D和通用I/0等)。DSP的外部硬件結(jié)構(gòu)和MCU相同，由地址、數(shù)據(jù)和控制三個總線組成，所以外部硬件構(gòu)成和MCU大致相同，只不過DSP的外部總線要比MCU快得多，所以在選擇外部器件時注意要選用高速器件，做PCB板時，一般應采用多層板，這樣才能保證DSP系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在軟件開發(fā)上，DSP與MCU相比，更好地支持模塊化編程，且更便于工程化管理。所謂工程化管理，就是在一個項目中，盡可能地將硬件開發(fā)人員和軟件開發(fā)人員分離開，軟件開發(fā)人員基本上不需要了解系統(tǒng)的硬件資源，只需專注于算法的研究和編程，而軟件和硬件之間的聯(lián)系由項目的技術(shù)負責人完成，既由既懂硬件又懂軟件的系統(tǒng)分析員來完成。MCU的匯編程序，起始于ORG語句，程序在編程時已經(jīng)絕對定位，這么做的好處是簡單，初學者很容易上手，缺點是模塊化編程差，無法支持工程化管理。而DSP引進了一個非常簡單，但又非常有效的概念-Section,中文稱為“段”。“段”既為一塊連續(xù)的存儲空間，可以用來存放程序或數(shù)據(jù)，“段”沒有絕對定位，所以軟件開發(fā)人員只需要將不同的代碼和數(shù)據(jù)放到不同的“段”中，而無需關心這些“段”究竟定位在系統(tǒng)的哪些地方。因此，一方面便于程序的模塊化編程，另一方面可以將軟件開發(fā)人員和硬件開發(fā)人員基本上分離開，便于工程化管理。在軟/硬件的調(diào)試方面，DSP與MCU有較大的區(qū)別。MCU的軟/硬件調(diào)試用替代方式來進行的，也就是說MCU的仿真器是一套完整的MCU系統(tǒng)，用MCU仿真器的方針頭代替被仿真的目標系統(tǒng)的MCU，甚至還可以用仿真器上的存儲器代替目標系統(tǒng)的存儲器。而DSP是用接口方式來仿真，DSP仿真器上沒有任何DSP資源，所有資源都在DSP目標系統(tǒng)上，DSP仿真器只提供獨立于DSP的JTAG標準接口(IEEE1149.1標準)，DSP芯片上有專門用于仿真調(diào)試的信號引腳，用戶只需按JTAG標準，在DSP目標板上作一接口(14芯雙排插針)，二者相連即可對DSP進行仿真調(diào)試。仿真器不占用DSP的任何資源，仿真器硬件與DSP無關，不同系列DSP的仿真器硬件相同，所不同的只是編譯軟件和調(diào)試軟件，節(jié)省了用戶的開發(fā)投資。3.1.3DSP系統(tǒng)的構(gòu)成圖3-1所示為一個典型的DSP系統(tǒng)。圖中的輸入信號可以有各種各樣的形式。例如，它可以是麥克風輸出的語音信號或是電話線來的已調(diào)數(shù)據(jù)信號?？梢允蔷幋a后在數(shù)字鏈路上傳輸或存儲在計算機里的攝像機圖像信號等。圖3-1典型的DSP系統(tǒng)輸入信號首先進行滯限濾波和抽樣，然后進行A/D(AnalogtoDigital)變換將信號變成數(shù)字比特流。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入滯限信號最高頻率的2倍。DSP芯片的輸入是A/D變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號，DSP芯片對輸入的數(shù)字信號進行某種形式的處理，如進行一系列的乘累加操作(MAC)。數(shù)字處理是DSP的關鍵，這與其它系統(tǒng)(如電話交換系統(tǒng))不同，在交換系統(tǒng)中，處理器的作用是進行路由選擇，它并不對輸入數(shù)據(jù)進行修改，因此雖然兩者都是實時系統(tǒng)，但兩者的實時約束條件不同。最后，經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng)D/A(DigitaltoAnalog)變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形。必須指出的是，上面給出的DSP系統(tǒng)模型是一個典型模型，但并不是所有的DSP系統(tǒng)都必須具有模型中的所有部件。如語音識別系統(tǒng)在輸出端并不是連續(xù)的波形，而是識別結(jié)果，如數(shù)字、文字等，有些輸入信號本身就是數(shù)字信號(如CD：CompactDisk)，因此就不必進行模數(shù)變換了。3.1.4DSP芯片的應用自從20世紀70年代末80年代初DSP芯片誕生以來，DSP芯片得到了飛速的發(fā)展。DSP芯片的高速發(fā)展，一方面得益于集成電路技術(shù)的發(fā)展，另一方面也得益于巨大的市場，現(xiàn)代數(shù)字信號處理器DSP是執(zhí)行高速數(shù)字信號處理的IC電路，他恰好適應多媒體、信息化社會的需求，因而迅速發(fā)展壯大。在這30年的時間里，DSP芯片己經(jīng)在信號處理、通信、雷達等許多領域得到廣泛的應用。目前，DSP芯片的價格越來越低，性能價格比日益提高，具有巨大的應用潛力。其主要應用方面有:1)信號處理，如數(shù)字濾波、自適應濾波、快速傅立葉變換、相關運算、頻譜分析、卷積、模式匹配、加窗、波形產(chǎn)生等。2)通信，如調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮、擴頻通信、糾錯編碼、可視電話等。3)語音，如語音編碼、語音識別、語音合成、語音增強、語音郵件等。4)圖形/圖像，如三維圖像處理、圖像壓縮與傳輸、動畫、機器人視覺等。5)軍事，如保密通信、雷達處理、聲納處理、導航、導彈制導等。6)自動控制，如引擎控制、聲控、自動駕駛、機器人控制、自動盤控制等。7)家用電器，汽車電子系統(tǒng)及其它應用領域。應用DSP的領域可以說是不勝枚舉，例如電視會議系統(tǒng)、視聽機器等領域中也大量應用DSP芯片。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，將會出現(xiàn)許許多多DSP芯片應用的新領域。3.2TMS320VC33型DSP介紹TMS320VC33型DSP是一款應用0.18um四成金屬CMOS技術(shù)制造的32位浮點運算處理器，其隸屬于TI公司TMS320C3X系列，給用戶提供了相當豐富的硬件和軟件資源[28,29]。3.2.1TMS320VC33的硬件資源(1)具有高速的浮點運算能力，最高可以達到150MFlop和75MIPS的處理速度；(2)內(nèi)存空間大，具有34Kx32位的片內(nèi)雙靜態(tài)RAM，既降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，又提高了系統(tǒng)的運行速度；(3)分開的程序總線、數(shù)據(jù)總線和DMA總線，讀寫數(shù)據(jù)和DMA操作可以并行進行；(4)雙電源供電，即核心電壓1.8V，外圍電壓l1V，降低了功耗；(5)具有四個內(nèi)部譯碼頁選(、、和)可以大大簡化與I/0及存儲器的接口；(6)具有BootLoader功能，可以將程序裝載到DSP內(nèi)部的高速的RAM中運行；(7)具有四個外部中斷，中斷觸發(fā)方式有兩種:邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)；(8)具有符合IEEE1149標準的片內(nèi)掃描仿真接口(JTAG)，仿真速度更快；(9)具有一個64x32bit的Cache，提高了程序的運行速度；(10)具有32條數(shù)據(jù)線和24條地址線，可以尋址16M；(11)具有2個地址發(fā)生器、2個輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU),8個輔助寄存器和8個擴展精度寄存器；(12)片內(nèi)存儲器可以映射的外設包括1個串口、2個32位定時器和1個DMA控制器；(13)提供了2個通用的外部引腳XFO,XFI，可由軟件設置為輸入輸出，也作TMS320VC33在多處理器通信中的互鎖操作。3.2.2TMS320VC33的軟件資源(1)具有豐富的指令系統(tǒng)，它支持數(shù)據(jù)傳送類、二操作數(shù)算術(shù)/邏輯類、三操作數(shù)算術(shù)/邏輯類、程序控制類、互鎖操作類及并行操作類指令；(2)靈活的程序控制，它提供了重復、跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、陷阱及返回等類型的程序控制；(3)高效的流水線操作；(4)尋址方式多種多樣，可采用6種尋址類型，并支持5種尋址方式。3.3DSP系統(tǒng)的設計與開發(fā)圖3-2為一般情況下DSP系統(tǒng)設計與開發(fā)的流程圖[26,27]。圖3-2DSP系統(tǒng)設計與開發(fā)的流因論文對軟件不做設計，故只給與軟件開發(fā)流程圖，系統(tǒng)軟件有四大部分組成：初始化、采樣、處理判斷和通訊顯示，系統(tǒng)軟件流程圖如圖3-3。圖3-3系統(tǒng)軟件流程圖上圖可以看出，在DSP系統(tǒng)設計與開發(fā)之前，首先應該對DSP系統(tǒng)的應用目標有清楚的了解，以便確定系統(tǒng)的性能指標、信號處理等要求。第二步是定義系統(tǒng)要求，包括信號處理和非信號處理方面(應用環(huán)境、可靠性、可維護性、功耗、體積、重量、成本等)的要求。然后分析要處理的輸入信號特性和所要求的處理結(jié)果，確定要采用的DSP算法，再根據(jù)這個處理要求，系統(tǒng)預算量的大小、對運算量精度的要求以及系統(tǒng)成本限制、體積、功耗等要求選擇合適的DSP芯片。第三步是綜合考慮上述信號處理和非信號處理要求，確定系統(tǒng)的最終配置，進行具體的應用設計。應用設計分為硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件設計是設計DSP芯片的外圍電路和其它電路。軟件設計和編程主要是根據(jù)體統(tǒng)要求和所選擇的DSP芯片使用C語言或者匯編語言編寫DSP程序。匯編語言的編譯效率要比C語言高一些，但程序的可讀性很差，不便于系統(tǒng)的更新?lián)Q代。隨著DSP芯片價格的不斷下降，買一款性能優(yōu)越DSP芯片用C語言開發(fā)的代價要低于用匯編語言開發(fā)。所以目前用C語言或者用C語言和匯編語言混合開發(fā)己成為主流。使用這種方式既能滿足系統(tǒng)實時運算的要求，又能大大縮短軟件開發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性。硬件和軟件設計完成之后，進入軟硬件聯(lián)合調(diào)試階段。這個階段的任務是使軟件和硬件相結(jié)合，完成系統(tǒng)原理樣機的功能調(diào)試，軟硬件的調(diào)試可以借助于DSP開發(fā)工具，如Simulator(軟件仿真器)和Emulator(硬件仿真器)。系統(tǒng)的測試與調(diào)試完成之后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接運行在應用系統(tǒng)上面。3.4小結(jié)本章較為詳實的講述了數(shù)字信號處理技術(shù)及其應用領域和應用前景，然后說明了裝置要采用的處理芯片TMS320VC33型DSP的硬件資源，最后介紹了DSP系統(tǒng)的硬件設計與開發(fā)流程。第四章DSP選線裝置的硬件系統(tǒng)設計本文設計這套硬件裝置可同時對30路模擬通道進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)有效位為16位，可存儲10個故障波形，最高采樣率為500K。4.1選線裝置硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)整個裝置采用插件式硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意如圖4-1所示。圖4-1裝置結(jié)構(gòu)示意圖電力系統(tǒng)電氣信號由高精度互感器變換至低電壓信號送至DSP主板，DSP主板負責信號的采樣、錄波和對系統(tǒng)狀態(tài)的判斷，故障時經(jīng)光電隔離將故障信息送交遠動，啟動打印機打印故障報表，液晶顯示故障線路并語音報警。裝置運行時可實時通過以太網(wǎng)將液晶的顯示信息送交主控室。裝置運行參數(shù)的修改和軟件維護可通過MODEM遠程實現(xiàn)，也可由裝置上的鍵盤進行現(xiàn)場修改。4.2DSP主板的結(jié)構(gòu)在整個裝置中，DSP主板是核心部分，負責數(shù)據(jù)的采樣、錄波和系統(tǒng)狀態(tài)的判斷，其數(shù)據(jù)流程結(jié)構(gòu)原理圖見圖4-2。圖4-2DSP主板數(shù)據(jù)流程結(jié)構(gòu)原理圖它分為四個功能子模塊:DSP模塊、前置高速數(shù)據(jù)采集模塊、高速A/D和復位模塊。4.2.1DSP模塊DSP模塊負責裝置的主體運算、錄波和故障判斷等，在主板設計中最為重要。其主要由TMS320VC33型DSP、擴展存儲器和復位電路組成.程序和裝置的參數(shù)存入EPROM，上電后自動裝載至RAM,NVRAM用于存儲錄波數(shù)據(jù)。TMS320VC33型DSP[28,29]，是一款應用0.18um四成金屬CMOS技術(shù)制造的32位浮點運算處理器，其隸屬于TI公司TMS320C3X系列，給用戶提供了相當豐富的硬件和軟件資源。1).TMS320VC33的硬件資源；(1)具有高速的浮點運算能力，最高可以達到150MFlop和75MIPS的處理速度；(2)內(nèi)存空間大，具有34Kx32位的片內(nèi)雙靜態(tài)RAM，既降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，又提高了系統(tǒng)的運行速度；(3)分開的程序總線、數(shù)據(jù)總線和DMA總線，讀寫數(shù)據(jù)和DMA操作可以并行進行；(4)雙電源供電，即核心電壓1.8V，外圍電壓11V,降低了功耗；(5)具有四個內(nèi)部譯碼頁選（、、和）可以大大簡化與I/O及存儲器的接口；(6)具有BootLoader功能，可以將程序裝載到DSP內(nèi)部的高速的RAM中運行；(7)具有四個外部中斷，中斷觸發(fā)方式有兩種:邊沿觸發(fā)和電平觸發(fā)；(8)具有符合IEEE1149標準的片內(nèi)掃描仿真接口(JTAG)，仿真速度更快；(9)具有一個64x32bit的Cache，提高了程序的運行速度；(10)具有32條數(shù)據(jù)線和24條地址線，可以尋址16M(11)具有2個地址發(fā)生器、2個輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU),8個輔助寄存器和8個擴展精度寄存器；(12)片內(nèi)存儲器可以映射的外設包括1個串口、2個32位定時器和1個DMA控制器；(13)提供了2個通用的外部引腳XFO,XFI，可由軟件設置為輸入輸出，也作TMS320VC33在多處理器通信中的互鎖操作。2).TMS320VC33的軟件資源(1)具有豐富的指令系統(tǒng)，它支持數(shù)據(jù)傳送類、二操作數(shù)算術(shù)/邏輯類、三操作數(shù)算術(shù)/邏輯類、程序控制類、互鎖操作類及并行操作類指令；(2)靈活的程序控制，它提供了重復、跳轉(zhuǎn)、調(diào)用、陷阱及返回等類型的程序控制；(3)高效的流水線操作；(4)尋址方式多種多樣，可采用6種尋址類型，并支持5種尋址方式。其引腳見圖4-3。圖4-3TMS320VC33芯片圖表4-1TMS320VC33芯片引腳說明符號數(shù)量說明D31—D03232位的數(shù)據(jù)口A23-A02424位的地址口R/W1讀/寫控制輸入端STRB1外部通道控制閥門（起濾波作用）PAGE34四個內(nèi)部譯碼頁選RDY1讀控制器RESET1復位控制器INT3-INT04外部中斷CLKR01串口接收時鐘CLKX01串口發(fā)送時鐘DR01數(shù)據(jù)接收口DX01數(shù)據(jù)發(fā)送口表4-2TMS320VC33型DSP的存儲地址分配圖808000hDMAGlobalControl直接存儲器存取全局控制寄存器808004hDMASourceaddress直接存儲器存取原地址寄存器808006hDMADestinationAddress直接存儲器存取目標地址寄存器8080008hDMATransferCounter直接存儲器存取傳遞計數(shù)寄存器808020hTimer0Globalcontrol定時器0全局控制寄存器808024hTimer0counter定時0計數(shù)器808028hTimer0PeriodRegister定時0周期控制寄存器808030hTimer1Globalcontrol定時1全局控制寄存器808034hTimer1Counter定時器1計數(shù)器808038hTimer1PeriodRegister定時器0周期控制寄存器808040hSerialGlobalcontrol串口全局控制寄存器808042hFSX/DX/CLKXSerialPortControl串口控制器808043hFSR/DR/CLKRSerialPortControl串口控制器808044hSerialR/XTimerControl串口收發(fā)定時控制器808045hSerialR/XTimerCounter串口收發(fā)定時計數(shù)器808046hSerialR/XTimerPeriodRegister串口收發(fā)定時周期計數(shù)器808018hData-Transmit數(shù)據(jù)傳送寄存器80804ChData-Receive數(shù)據(jù)接收寄存器808064hPrimary-BusControl總線控制器DSP片內(nèi)RAM存貯器存儲容量為34Kx32位，由于要用全C語編程，片內(nèi)的存儲容量不能達到程序的要求。我們在主板設計時擴展了兩片SRAM，片外存儲容量為256Kx32位，非常適合于作大數(shù)據(jù)量處理。128Kx8位EPROM存儲器，存儲固化程序。1Mx8位帶電保持NVRAM存儲器，存儲錄波數(shù)據(jù)。16Kx8位串行EEPROM存貯器，用于程序定值的存儲。4.2.2前置高速數(shù)據(jù)采集模塊這部分負責電力系統(tǒng)電氣量的采集。其采樣方式采用同時采樣、分時轉(zhuǎn)換，即用定時觸發(fā)信號啟動多路同時采樣，采用中斷方式在AID轉(zhuǎn)換結(jié)束時響應中斷，采樣通道數(shù)由通道選擇寄存器設定。30路模擬輸入信號首先經(jīng)一階RC濾波器及采樣保持器，再經(jīng)多路模擬開關和運放比例衰減，連接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端上。4.2.2.1前置采集模塊前置采集模塊由一階RC電路組成的濾波器、LF398A采樣保持器和DG508多路開關組成，原理圖見圖4-6。圖4-4前置采集回路A/D轉(zhuǎn)換器在進行A/D轉(zhuǎn)換期間，通常要求輸入的模擬量應保持不變，以保證A/D轉(zhuǎn)換的準確進行。因此，采樣信號應送至采樣保持電路(亦稱采樣保持器)進行保持。采樣保持器對系統(tǒng)精度有很大影響，特別是對一些瞬變模擬信號更為明顯。采樣保持器通常由保持電容、輸入輸出緩沖放大器、模擬開關等組成，如圖4-7所示，在采樣期間，模式控制開關閉合，接通輸入信號，A1是輸出阻抗很低的高增益放大器，通過閉合的開關對電容快速充電，此電容器的電壓跟蹤輸入信號的電平變化。在保持期間，開關斷開，因為A2的輸入阻抗很高，電容器上的電壓可基本保持不變，即基本保持充電時的最終值。圖4-5采樣/保持電路原理目前，除電容根據(jù)用戶需要外接以外，電路的其它部分大都集成在一塊芯片上。通?？蓪⒉蓸颖３制鞣譃槿N類型[30]:通用型(如LF398,AD582)、高速型(如HTS-0025,HTS-0300)、高分辨率型(如DAC1138,SHA1144)。LF398A[31]是一款單片通用型采樣保持器，由高性能的運放、模擬開關和一個結(jié)場效應集成放大器組成，外接保持電容，即可構(gòu)成完整的采樣保持電路，它是一種具備放大功能的采樣保持電路。它的價格低廉，在國內(nèi)應用非常廣泛。它有8個引腳，結(jié)構(gòu)框圖和典型連線圖如圖4-8所示。圖4-6LF398A結(jié)構(gòu)框圖和連線圖2腳接1K電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓，7腳和8腳是兩個控制端，控制開關的關斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應根據(jù)控制信號的電平來選擇。如7腳接地，則8腳接控制信號大于1.4V時，LF398A處于采樣狀態(tài)，如8腳為低電平，則LF398A處于保持狀態(tài)。6腳外接保持電容，它的選取對采樣保持電路的技術(shù)性能指標至關重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。LF398A的其它幾個參數(shù)為:,,漂移電壓2mV，供電電壓值在5V-18V間選擇。當系統(tǒng)中有多個變化較為緩慢的模擬量輸入時，常常采用模擬多路轉(zhuǎn)換器，利用它將各路模擬量輪流與A/D轉(zhuǎn)換器接通。這樣使用一片A/D轉(zhuǎn)換器就可完成多個模擬輸入信號的依次轉(zhuǎn)換，從而節(jié)省了硬件電路。在A/D接口中，模擬多路開關用于切換模擬信號，通常是多路輸入，一路輸出。目前已有多種型號的模擬多路開關集成芯片，它們的功能基本相同，僅在某些參數(shù)和性能指標上有所差異。DG508[32]是一款單路8選1模擬多路轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝制造，標準16引腳DIP封裝，引腳如圖4-9。其能直接與DTL/TTL/CMOS接口，具有雙向傳輸能力，功耗30uW。開關接通電阻為180，開關斷開時間為0.8us，開關接通時間為0.8us，具有內(nèi)部過電壓保護。圖4-7DG508引腳圖表4-3DG508真值表En選擇通道號X00001111X00110011X010101010(低電平)1（高電平）1111111不接通12345678引腳符號功能4，5，6，7，9，10，11，12In作為輸入端，實現(xiàn)8選1功能8OUT輸出選擇結(jié)果13正電源電壓輸入端3負電源電壓輸入端14Ground電源參考地1，15，16地址邏輯輸入2En禁止邏輯上輸入，當該端為低電平時，禁止輸入，通道均不接通；當該端為高電平時，為允許輸入，通道接通當EN有效(高電平)時，:三個輸入端狀態(tài)3組合決定接通八路輸入模擬信號的某一路，即將與OUT端接通。4.2.2.2A/DA/D轉(zhuǎn)換模塊主要由LTC1608和74LCX16245組成，負責將采集到的信號由模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。其接線原理圖如下:圖4-8A/D轉(zhuǎn)換模塊接線圖LTC1608[33]的分辨率為16位，轉(zhuǎn)換率為500KSPS，模擬信號輸入范圍為±10V,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸出編碼以2進制補碼形式給出。其引腳見圖4-9。圖4-9LTC1608引腳圖表4-5LTC1608的引腳說明引腳符號說明1AIN+模擬輸入正電壓，其范圍是2.5V2AIN-模擬輸入負電壓，可以接地3VREF2.5V參考電壓輸出4REFCOMP4.375V參考電壓補償，不推薦作為外部參考5-8AGND模擬地9DVDD5V數(shù)字電壓10DGND內(nèi)部邏輯數(shù)字地，接模擬地11-26D15-D0三態(tài)數(shù)據(jù)輸出27BUSY顯示A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)，低電平表示正在轉(zhuǎn)換，上升沿表示A/D可用28OGND輸出驅(qū)動的數(shù)字地29OVDD輸出驅(qū)動的數(shù)字電壓30RD讀控制輸入端，當CS為低電平時，它的邏輯低電平激活輸出驅(qū)動31CONVST轉(zhuǎn)換啟動輸入端，當為低電平時啟動轉(zhuǎn)換32CS片選輸入端。低電平有效，允許讀控制和轉(zhuǎn)換啟動33SHDN停止輸入端，低電平為停止狀態(tài)34VSS-5V電壓輸入35，36AVDD5V模擬電壓輸入74LCY16245[34]，是一款5V電壓輸入輸出的16位雙向收發(fā)器。主板的復位在外界干擾的情況下，嵌入式系統(tǒng)會出現(xiàn)程序跑飛、數(shù)據(jù)溢出和不明死機等情況，此時系統(tǒng)已不能正常的工作，這就需要將系統(tǒng)及時的復位重起?？撮T狗電路實時監(jiān)控主板的狀態(tài)，一旦DSP主板在滿足下列幾種情況之一時，就被可靠地復位:(1)上電復位脈沖(寬度為18ms)；(2)電源故障，即當+5V主電源電壓跌至+4.65V時，產(chǎn)生復位脈沖；(3)看門狗電路，即在規(guī)定時間(18ms)內(nèi)，如果沒有刷新看門狗電路，則產(chǎn)生復位脈沖(寬度為18ms)。4.3開關量輸出模塊開關量輸出模塊負責故障信息向遠動上傳，開關量輸出信號為共電源型，通過連接器BUS1輸出，電源為24V,30路開關量輸出信號首先鎖存到數(shù)據(jù)緩沖器上，再經(jīng)過光電隔離器輸出。每路數(shù)字量輸出均由開出使能寄存器控制，只有當開出使能OUTEN+為“1”,OUTEN-為“0”時，數(shù)字量輸出才能被使能，否則數(shù)字量輸出為“斷”。原理圖見圖4-10。4-10開關量輸出模塊原理圖74ACT273是一款帶清除端的8D型觸發(fā)器。4.3.1異步串行通訊模塊裝置采用ST162552[39]，雙路串行通訊收發(fā)器。ST16C2552是EXAR公司生產(chǎn)的通用異步接收、發(fā)送器(UART)。它提供兩組獨立的UART接口((A組和B組)，具有16字節(jié)的發(fā)送和接收FIFO,Modem控制接口和通訊狀態(tài)寄存器。此外ST16C2552還具有回讀功能，可以在線診斷。通過對ST162552的編程，可以控制串行數(shù)據(jù)傳輸格式和速度。串口A為光電隔離RS422/485可選，可以用來進行主從通訊。串口B為光電隔離RS422接口。ST162552為標準串口，內(nèi)置收發(fā)FIFO各16個字節(jié)。ST162552提供兩組內(nèi)部寄存器(A組和B組)，每組包含12個寄存器，用于監(jiān)視和控制對應通道的UART。4.4裝置硬件系統(tǒng)的抗干擾措施微機系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的[40]，其中系統(tǒng)的抗干擾性能是系統(tǒng)可靠性的重要指標。所以抗干擾設計是計算機應用系統(tǒng)研制中不可忽視的一個重要內(nèi)容。工業(yè)生產(chǎn)中的干擾一般都是以脈沖的形式進入微機，干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條，即空間干擾(場干擾)，通過電磁波輻射竄入系統(tǒng)，過程通道干擾，干擾通過與主機相聯(lián)的前向通道、后向通道及與其它主機的相互通道進入,供電系統(tǒng)干擾。一般情況下空間干擾在強度上遠小于其它兩個渠道竄入的干擾?？垢蓴_設計的基本原則是:抑制干擾源，切斷干擾傳播途徑，提高敏感元件的抗干擾性能。4.4.1電路板設計合理設計系統(tǒng)電路板，能有效地切斷干擾的傳播途徑和抑制干擾源，同時還可以提高敏感元件(如DSP、數(shù)字IC、A/D、D/A等容易被干擾的對象)的抗干擾能力。主要采取:(1)電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號分區(qū)。盡可能使干擾源(如電機、繼電器)遠離敏感元件。大功率器件盡量布置在電路板的邊緣。(2)布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應噪聲，電源線和地線要盡量粗，除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲，連接線避免90度的折線，以減少高頻噪聲發(fā)射。(3)不用的DSP管腳，特別是中斷的入口，不要懸空，一般要通過上拉電阻接電源。(4)電路板上每個IC要并接一個0.OluF-0.1uF高頻電容，以減少IC對電源的影響。(5)注意晶振布線，晶振與DSP引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離(圈)起來，晶振外殼接地并固定。此措施可解決許多疑難問題。把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地要分離，最后接于電源地一點匯集呈“星形”狀。4.4.2電源電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。DSP對電源噪聲很敏感，因此，應采用抗干擾的開關電源或給DSP電源加濾波電路或穩(wěn)壓器，以減少電源噪聲對DSP的干擾。4.4.3器件的選擇盡可能選用同一類型(例如都為TTL或都為CMOS)的數(shù)字IC，以提高芯片間的兼容性及匹配性，在滿足速度要求的情況下，盡量降低DSP的晶振頻率和選用低速數(shù)字IC，以提高敏感元件的抗干擾性能。4.4.4接口電路接口電路的抗干擾，主要是抑制干擾源，即盡可能減少干擾源的du/dt和di/dt。減小du/dt最有效的方法是在干擾源的兩端并聯(lián)電容，而減小di/dt則是在干擾源回路串聯(lián)電感或電阻以及增加續(xù)流二極管等。(1)開關量輸入/輸出。若控制繼電器，應在線圈上并接續(xù)流二極管，消除線圈斷開時的反電勢干擾，接入穩(wěn)壓管可減少因續(xù)流管帶來的線圈斷開的時間滯后。同時應在繼電器的觸點上并接RC抑制火花(見圖4-11)。若采用固態(tài)繼電器(雙向晶閘管，無觸點)干擾小，但要同控制晶閘管電路一樣，需并接RC吸收電路。對于開關量的輸入，應通過光耦隔離來抑制干擾的侵入。圖4-11繼電器抗干擾措施(2)A/D過程通道。除了考慮外界干擾外，主要是消除地回路電流。措施是一點接地或采用信號隔離。對有些傳感器，必須接地以獲得準確的測量值，若是較大的系統(tǒng)，一點接地是有局限性的。最有效的方法是采用信號隔離器，切斷地回路電流使信號線性地通過，且防止各通道間串擾。4.4.5復位電路復位電路是最容易受干擾的(因為DSP內(nèi)部的復位電路的阻抗都比較高，為10～50),影響也是最大的。因此，必須采取抗干擾能力較強的復位電路。4.4.6控制系統(tǒng)的內(nèi)外屏蔽結(jié)構(gòu)在微機測控系統(tǒng)內(nèi)部，可使用對電磁波屏蔽強，厚度?0.7mm的鍍鋅鐵板進行電路板之間、電路板與電源之間和測量電路與高壓控制電路之間的屏蔽。鐵板與電路板的地應絕緣，各屏蔽鐵板應采用導電性能高的鍍銀導線與機殼地連接。在微機測控系統(tǒng)的外屏蔽設計中，控制部分的機箱應盡可能選擇安裝方便的標準工業(yè)級機箱的結(jié)構(gòu)，有條件的還應采用雙層屏蔽fm4.5小結(jié)本章先介紹了選線裝置硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，著重講述了DSP主板的硬件構(gòu)成，這部分是裝置硬件設計的主體內(nèi)容，完成從信號的采集、處理、到存儲、發(fā)送結(jié)果所有功能，為選線軟件的設計提供硬件基礎。然后談了談通訊模塊，最后介紹了本裝置中采用的一些硬件的抗干擾措施。結(jié)論要論述了小電流接地系統(tǒng)的特點、優(yōu)點和意義，指出了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線的重要性，然后分析了小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后的各種故障信息及其特征規(guī)律，在此基礎上，對目前常用的各種算法分別進行了評價，指出其優(yōu)、缺點及適用范圍，最后提出了基于DSP技術(shù)的軟硬件實現(xiàn)方案。1.本文的主要工作和貢獻(1)分析總結(jié)了小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的各種故障信息和故障特征，對目前常用的各種算法進行了比較評價，從使用的故障信號、抗干擾能力和適用范圍等各個方面進行了綜合評估，總結(jié)了各種算法的優(yōu)劣。（2）根據(jù)綜合故障選線算法對硬件平臺的要求，提出了故障選線裝置采用以TMS320VC33型DSP作為中心處理器的方案，其較課題組原先的工控機方案更為經(jīng)濟，更能適應市場的需求，較傳統(tǒng)的單片機方案更能滿足我們包括小波選線方法在內(nèi)的綜合選線算法對硬件的需要。（3）較為具體的介紹了以TMS320VC33型ASP為核心的故障選線裝置各個子功能模塊的硬件實現(xiàn)方案和抗干擾技術(shù)，并加以實現(xiàn)。依托DSP硬件平臺及相關集成開發(fā)環(huán)境成功的將原先工控機的綜合故障選線算法軟件移植到以DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)，并保證了算法的不簡化，功能的不缺短。裝置的軟硬件均采用模塊化設計，便于系統(tǒng)擴展和移植。（4）在10KV物理實驗室對裝置進行軟硬件聯(lián)調(diào)，裝置對各種實驗室模擬的單相接地故障均能快速準確的進行判斷，初步具備了小電流接地選線裝置DSP實現(xiàn)方案的產(chǎn)品化。2.發(fā)展方向采用DSP實現(xiàn)方式能夠降低成本，提高裝置的可靠性。本文提出基于DSP實現(xiàn)方式的裝置硬件設計方案，并加以實現(xiàn)。實踐證明DSP的實現(xiàn)方式是完全可行的，今后應加大對裝置的產(chǎn)品化進度。此外DSP的實現(xiàn)方案在配電自動化的領域(如故障測E,可調(diào)節(jié)式消弧線圈、分布式采集處理模塊、電能質(zhì)量等等)都將會有越來越廣闊的前景!致謝語本論文是在導師的悉心指導下完成的。在跟隨老師做論文的一年里，老師的高尚的人格，淵博的知識和一顆愛學生的心深深地打動著我，使我學到了許多知識同時也明白了很多做人的道理。我想這是我們青年人最寶貴