小电流接地系统选线装置的实用化研究

论文摘要

小电流接地系统由于其供电可靠性高的特点,在我国低压电网中得到普遍采用,但是由于其故障特征不明显,单相接地后的故障选线问题虽经研究部门的多年不懈努力仍未取得圆满解决。本文针对这一问题,从选线算法、不平衡电流的影响、装置的软硬件实现三个方面开展研究。算法方面将Prony算法和数学形态学相结合,组成新的选线算法,利用暂态信息中含有的丰富的故障特征量提高选线准确率;针对现场环境中对选线结果容易造成误判的不平衡电流作了详细的分析,探讨其产生的具体原因,澄清了一些谬误,并给出了相应的解决方法;新算法对硬件平台提出了更高的要求,从提高采样速率和信号处理能力入手,设计了基于双CPU的硬件平台,给出了装置采用的抗干扰措施,以及在算法实现、硬件控制方面的程序流程。稳态算法由于算法简便、对硬件要求低等优点,在选线装置中得到普遍应用,但在有些情况下稳态含量减少,特别是受到消弧线圈的影响,使得利用稳态算法选线困难。本文利用形态滤波器良好的去噪能力首先得到良好的选线数据,再利用Prony算法提取出选线数据对应频率的幅值和相位,组成了一种新的暂态选线算法。通过大量仿真发现该算法利用暂态含量有效的弥补了稳态判据的不足,基本不受消弧线圈的影响,是一种可靠、有效的选线算法。在选线过程中,不平衡电流的存在严重影响到选线的正确与否。本文从理论上对电流互感器、三相负荷、电源以及对地电容引起的不平衡电流做出分析,明确了不对称负荷、电源产生不平衡电流的条件。运用Prony分析方法,提取故障前后零序电流的基频分量和自由振荡分量,分析其在暂态过程和稳态过程中幅值和相位的差别,阐明了不平衡电流对选线装置的影响,提出故障前后零序电流对应相减方法的适用范围以及利用零序电流的高频分量提高选线可靠性的方法。仿真实验表明了理论分析的正确性,验证了所提解决方法的有效性。对于本文所提出的暂态算法及不平衡电流处理方法,对选线装置提出了更高的要求。本文设计了基于双CPU的硬件平台,提高了采样速率和信号处理能力。在强电磁环境中,选线装置的抗干扰性能是能否正确选线的前提与关键。本文特别针对选线装置的各个部分进行抗干扰处理,达到了良好的效果。在软件设计方面DSP部分主要涉及选线计算和管理调度方面的程序,单片机方面侧重于硬件底层装置的驱动程序。两者相互配合,组成一个完整的选线装置。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究现状
• 1.2.1 单一选线算法的研究现状
• 1.2.2 综合选线方法的研究现状
• 1.2.3 不平衡电流对选线的影响
• 1.2.4 小电流单相接地选线装置的发展现状
• 1.3 本文所做的主要工作
• 第2章 基于Prony 与数学形态学的综合选线算法研究
• 2.1 小电流接地系统单相接地暂态过程分析
• 2.1.1 等效暂态回路
• 2.1.2 暂态过程中的容性电流
• 2.1.3 暂态过程中的感性电流
• 2.1.4 暂态过程中的接地电流
• 2.2 Prony 算法
• 2.2.1 Prony 算法理论分析
• 2.2.2 改进的Prony 算法
• 2.2.3 Prony 算法与傅氏算法、FFT 和最小二乘算法的比较
• 2.3 数学形态学的基本原理
• 2.3.1 数学形态学的基本运算
• 2.3.2 组合形态滤波器的组成
• 2.4 Prony 与数学形态学的综合选线算法
• 2.4.1 形态滤波器对选线数据的预处理
• 2.4.2 Prony 算法对故障信息的处理
• 2.4.3 算法实现
• 2.5 算法评价
• 2.5.1 典型算例分析
• 2.5.2 算法总结
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于Prony 算法的不平衡电流分析
• 3.1 小电流接地系统单相接地故障稳态过程分析
• 3.1.1 中性点不接地系统单相接地故障稳态分析
• 3.1.2 中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障稳态分析
• 3.2 不平衡电流的相关分析
• 3.2.1 零序电流互感器不对称
• 3.2.2 三相负荷、电源不对称
• 3.2.3 三相对地电容不对称
• 3.3 不平衡电流的处理
• 3.3.1 电流互感器不对称产生的不平衡电流处理
• 3.3.2 三相负荷、电源不对称产生的不平衡电流处理
• 3.3.3 三相对地电容不对称产生的不平衡电流处理
• 3.3.4 综合情况下自由振荡分量的有效性
• 3.4 本章小结
• 第4章 装置硬件系统可靠性设计
• 4.1 装置的硬件系统总体结构
• 4.1.1 DSP 模块
• 4.1.2 人机交互模块
• 4.1.3 双CPU 信息交换媒介—双口RAM
• 4.2 硬件系统抗干扰分析
• 4.2.1 干扰的来源
• 4.2.2 干扰对选线装置的影响
• 4.3 硬件抗干扰措施
• 4.3.1 电源抗干扰设计
• 4.3.2 开关量输入部分抗干扰设计
• 4.3.3 模拟量输入部分抗干扰设计
• 4.3.4 通信模块的抗干扰设计
• 4.3.5 接地设计
• 4.3.6 印刷电路板设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 装置软件系统的设计
• 5.1 软件系统的总体构架及编程设计原则
• 5.1.1 软件系统的总体构架
• 5.1.2 软件设计原则
• 5.2 DSP 侧软件的工程实现
• 5.2.1 A/D 转换与故障判别部分
• 5.2.2 选线算法部分
• 5.3 单片机侧软件的工程实现
• 5.3.1 单片机软件开发平台
• 5.3.2 液晶显示部分
• 5.3.3 键盘扫描、LED 灯部分
• 5.3.4 打印机的控制
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 详细摘要