摘要：配网各种中性点接地模式保护的共性难题是存在高阻接地故障盲区，是电网安全领域亟待解决的问题。由于配电网线路分布广，负荷不均衡等原因，造成不同地区配电网络中出现单个或多个站点发生单相接地故障现象，容易导致各区域内同一供电设备相继跳闸，为了解决上述普遍存在的共性问题，通过深入研究和分析各种中性点接地方式下的单相接地故障特征，开发并研制了具有多处理器硬件内核的选线录波装置，创新了一种符合接地故障规律的算法和判据。基于此算法和判据所研发的装置经过10 kV真型配网试验平台多种接地试验，最终结果证实其能够精准感知各类接地故障、高耐受接地过渡电阻，消除高阻保护盲区，成倍扩大保护范围，提升整个电网系统的安全性和可靠性。
关键词：高阻接地,接地过渡电阻,采样精度,算法判据,试验验证
0引言
在电力系统中，单相接地是电网运行中的主要故障形式，约占全电网总故障的60%以上，而且相当一部分相间短路故障是由单相接地故障发展而来，直接影响到电力系统的安全运行的水平。如何消除单相接地故障与电力系统中性点方式密切相关，电力系统的安全可靠，在其他条件相同下，只取决于中性点接地方式[1-5]。
经调查研究电网中性点不接地、经消弧线圈或小电阻接地3种基本模式各有利弊，其共性弊端是存在单相接地高阻故障的保护盲区。由于单相高阻接地故障（如导线断线坠地、树枝挂碰、绝缘子闪络、电缆绝缘损伤、老化等）的电压电流的变化都很小，故障特征模糊，现有常规保护难以感知而拒动，导致发展成人身伤亡、起火、大面积停电等重大事故，是电网安全亟待解决的问题[6-10]。
针对上述共性的问题，本文研究了一种精准判断高阻接地故障的选线录波装置，该装置具有高耐受接地过渡电阻的能力，能够灵敏捕捉高阻接地故障信息，在系统绝缘下降的初期就进行预警，以便运维提前进行消缺，防止故障产生；故障发生后，能够准确选相选线，按设定时间发送选线跳闸信号，保障系统快速隔离故障、快速复电。经10 kV真型接地试验证明、该装置能够消除高阻接地故障的保护盲区，颠覆传统保护范围，提升系统的安全性和可靠性。
1多种中性点接地方式的单相接地故障特征分析
配电网中性点接地方式主要有中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地3种方式。单相接地故障发生后，零序等效电路如图1所示。图中，L0为消弧线圈，R0为小电阻。当SL闭合，即为中性点经消弧线圈接地；当SR闭合，则为中性点经小电阻电阻接地；当SL和SR图1零序等效电路均断开时，则为中性点不接地。R d为接地过渡电阻；C为系统对地等效电容，Ic为接地后的电容电流。
图1 零序等效电路
设接地电流为Ijd,正常相电压为Ux,接地后故障相电压为U,接地后中性点零序电压为U。经电路分析可以得出如下公式：
从以上公式可知，单相接地故障电流Ijd的大小由系统相电压Ux、零序阻抗Z0、接地点过渡电阻Rd所决定。系统相电压Ux、零序阻抗Z0是定量，而接地点过渡电阻Rd却是个变量，随接地点介质和环境的不同而不同。所以，单相接地电流Ijd和零序电压U均是受接地过渡电阻Rd影响的变量，当Rd变大时，Ijd和U′0均减小，R d阻值越高，Ijd和U′0就越小，以致低于常规保护的感知范围，形成保护盲区[11-15]。
由以上分析可得出、一个精准判断高阻故障的智能装置须具备两个基本条件：一是在硬件上具有精准采集微弱故障电流和电压的数模转换电路，以及具有强大处理计算功能的微处理器；二是在软件上具有符合各种接地故障、尤其是高阻接地故障的电压和电流变化规律判据。基于此思路，设计了选线录波装置。
2系统设计
2.1硬件电路设计
选线录波装置实时监控系统各段母线的电压和电流、所有一次设备的零序电流等运行状态，准确判断接地等故障，并输出选线跳闸开关量，与配网主站进行信息交互[16-20]。按照功能划分、选线录波装置的主要构成模块如图2所示。
选线录波装置的核心控制单元是基于标准的4U机箱和板卡式设计结构来构建的，主要是由电源模块、遥信模块、遥控模块、主处理核心模块以及遥测模块等组成，如图3所示。
2.1.1主处理核心模块
主处理核心模块包含2个主处理芯片分别为作为测控芯片和录波芯片，采用STM32F4芯片，是一种高性能微控制器，其采用了90 nm的非易失性存储器工艺和自适应实时存储加速器。选线录波装置根据相关数据手册，设计了处理芯片的最小系统外围电路，时钟电路，如图4所示；还包含了2个以太网通信接口电路，分别作为通信接口以及录波文件FTP协议传输接口，2个RS485接口，1个USB接口等。
2.1.2遥信模块
遥信模块实时检测多路外部开关状态，采用光耦合器件对其进行光电隔离，经限流电阻10 kΩ上拉至3.3 V,使用信号功率放大芯片并口采集经光耦隔离后的开关状态信号，最终将数据串行输出到微处理器。此开入量采集电路，抗干扰能力强、运行稳定，占用较少微处理器引脚资源。
2.1.3遥控模块
遥控模块包含多个继电器无源双触点输出（常开），装置失电告警开出信号（常闭）。由处理器输出控制信号，经信号功率放大芯片提高控制信号的驱动能力。再经由光耦器件实现输入端与输出端的完全电气隔离，抗干扰能力强。
2.1.4遥测模块
遥测模块实时采集电压、电流等模拟量，模块的主处理芯片采用16位、8通道高精度的同步A/D模数转换采集芯片进行模拟量数据采集，器件内置模拟输入箝位保护、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口（图5)。A/D芯片的并行数据接口与微处理器相连接，使用FSMC高速并行总线获取模数转换后的每个采样点的二进制数据。采样电压精度达到0.1 V,电流精度达到1 mA,且误差不超过±2%。
2.2软件设计
软件设计与硬件密切相关，由于装置采用3个微处理器的硬件框架，因此需要分别对3个微处理器进行软件开发。3个微处理器之间的联系如图6所示。
2.2.1主芯片测控软件
主芯片测控软件功能包含了芯片底层的外设驱动程序、模拟量采样计算算法程序、接地故障判断逻辑程序、判据算法、保护逻辑功能程序、开出量控制程序、开入量扫描检测程序、通信程序等等。软件实现的功能类型多样，不同功能之间又存在一些关联性，因此为了软件框架清晰、模块化，程序运行稳定性、高效性、以及易于维护性，而将特定的系统移植到嵌入式微处理器上运行。在特定的系统上将上述需要实现的功能切分成了可独立运行的各个任务，由特定的系统统一管理调配，如图7所示。
微处理器里将电压电流模拟量采样中断处理设置为优先级最高，可打断正在运行的任务。从而确保每100μs能完成所有模拟通道的模－数转换，并把转换后的数字信号数据存入微处理器的内存里。
故障判断任务里面主要做了以下事情：(1)每间隔20 ms对所有的电压电流的数字信号数据进行傅里叶计算，得到所有电压电流的有效值以及相位；(2)获得每间隔5ms扫描更新的开入量信号；(3)单相接地故障检测、遥测越限告警检测。
2.2.2接地判断逻辑
测控模块判断零序电压升高超过接地设定阈值时，根据单相接地三相电压与零序电压的故障特征判断接地故障，选出接地故障相，满足时序定值后，报告单相接地故障，逻辑框图如图8所示。
2.2.3高阻接地零序电压突变判断
由于高阻接地故障发生时，零序电压很小，往往低于常规零序电压启动定值，为此，创新了高阻故障零序电压突变判断方法：当高阻增量被使能时，装置采集判断当前的零序电压值相对前1~3个采样周波时刻的电压值大于零序电压突变设定值时，则报告零序电压突变故障并上传，逻辑框图如图9所示。
2.2.4综合选线逻辑
针对不同的中性点接地模式，装置综合使用了零序有功、零序无功、干预扰动、相电流不平衡等选线算法。对于中性点不接地系统，主要采用零序无功法选线；对于中性点经小电阻接地系统，主要采用零序有功法选线；对于中性点经消弧线圈接地，并配合故障相主动干预保护或中性点并联中电阻时，主要采用干预干扰法选线；对于能采集馈线三相电流的，可使用相电流不平衡法选线，如图10所示。
2.2.5录波软件
录波软件的环境和框架与测控软件基本统一，只是实现的功能代码模块不一样。包含了储存卡驱动程序、生成符合录波文件格式的程序、文件传输协议程序、通信程序等。实现录波功能软件设计上分3大块：(1)完成储存卡驱动程序；(2)把储存卡的底层读写操作函数与文件系统关联起来，从而使得能通过文件系统的接口函数在储存卡上创建、写入、读取、删除文件的操作；(3)按照录波格式生成录波文件。程序流程如图11所示。
当故障自动启动录波或手动启动录波生成新的录波文件，装置会自动上传波形文件到服务器上。
2.2.6显示软件
显示软件的开发由两部分组成：(1)DGUS配置软件进行界面组态设计；(2)显示芯片与录波芯片通信和对DGUS屏触摸操作的响应。如图12所示。
使用DGUS配置软件结合PhotoShop软件，通过添加显示控件、触摸控件、虚拟键盘等控件，并进行UI界面优化，实现人机交互功能。
显示微处理器通过串口的方式把电压、电流、开关状态、事件记录等信息发送到彩色液晶屏上显示出来。
程序编写按照定义的通信格式进行编写，把数据封装成每一帧报文传输出去。以及显示微处理器还要显示按键等功能。显示效果如图13所示。
3主要功能特点
综上所述，装置主要功能特点如下。
(1)故障判断及保护
装置具有对单相接地、开关量变位、电压／电流越限、突变等多种故障判断的功能。能够区分接地故障的性质是瞬时性、永久性或是持续间歇性，采取分类保护：对瞬时性接地故障仅选线报警，对永久性或持续间歇性接地故障除了选线报警、同时开出跳闸切除故障线路。如此智能化的接地保护方案既满足及时切除永久故障线路、防止故障的发展，又能屏蔽瞬时接地故障跳闸，降低线路跳闸率。
(2)选线
装置判据归纳了不同接地系统下单相接地的故障特征，按三相电压、零序电压以及零序电流的幅值和相位之间的制约关系判断故障类型，精准识别高阻接地并选线，选线门槛值低至5mA（二次值），对各种中性点接地模式，采用综合选线法，选线准确率大于99%。
(3)事件记录
事件记录包括故障时刻所有电压电流的幅值、相位、开关量、故障类型、故障时间、选线线路等数据，事件记录界面如图14所示。
(4)故障录波
当装置检测到系统发生故障时，将自动启动录波。录波频率5kHz,可记录故障前3~5个周波，故障后录波时长1~5 s,得到的波形文件可在监控屏或计算机上使用软件查看，如图15所示。可循环存储512份录波文件，波形文件格式符合Comtrade99标准。
(5)谐波在线监测
装置可以实时监测系统的谐波分量，如2分频、3倍频、5倍频谐波分量等。谐波分量可在装置的实时参数界面查看，也通过遥测通信实时传输到监控屏或后台显示。
4性能验证
4.1中性点经消弧线圈接地系统试验
选线录波装置在真型配网故障模拟试验平台进行试验，该真型配网故障模拟试验平台系统电压为10 kV,接地方式为经消弧线圈接地，系统容流为11 A,试验平台接线图如图16所示。
2023年5月16日将选线录波装置接入进行真型配网故障模拟试验平台，中性点设置为经消弧线圈接地，进行多种接地故障类型试验，装置均准确选相选线，保护动作正确。
(1)试验案例
以馈线线第8路的A相永久性高阻接地试验为例，装置判断记录如图17~18所示，故障录波波形如图19所示。
中性点经消弧线圈接地配电系统当线路发生单相接地时，由于补偿电流的影响，接地线路的零序电流与非接地线路的零序电流在幅值和相位上难以区分，导致选线准确率不高。
(2)试验过程
由图17事件记录可见，2023-5-16 14:36:37,708#线A相高阻接地(Ua 56.9 V/Ub 69.9 V/Uc 49.5 V/3U022.5 V),故障相Ua幅值非最低，3U0 22.5 V小于常规3U0启动电压25 V,装置准确判断：A相高阻接地。
(3)试验结果
装置准确判断A相高阻接地故障发生，准确选出故障线路708#线。
4.2中性点经小电阻接地试验
选线录波装置在10 kV中性点小电阻接地真型试验平台进行试验，试验平台一次线路如图20所示，该系统电源来自电网10 kV中性点经16Ω小电阻接地变电站的馈线，高阻接地故障点分别为沙地、水泥地、碎石、草地，其场景如图21所示。
(1)试验案例
2023年3月25日将选线录波装置接入该试验平台，做了不同类型的高阻接地试验。
(2)试验过程
选线录波装置判断记录如图22所示。
图22 选线录波装置记录
14∶42∶49.042,I02#线B相经湿沙地接地，装置记录：UA 58.5/UB 57.9/UC 59.0/U0 1.1(V);I02 0.044<199°;装置判断：I02#线B相高阻接地。
14∶43∶30.916,I01#线A相经草坪接地，装置记录：UA 57.8/UB 58.6/UC 58.7/U0 0.5(V);I01 0.021<172°;装置判断：I01#线A相高阻接地。
14∶44∶29.300,I03#线C相经湿碎石接地，装置记录：UA 58.6/UB 58.7/UC 58.2/U0 0.5(V);I03 0.033<199°;装置判断：I03#线C相高阻接地。
(3)试验结果
装置准确判断高阻接地故障且选相选线均正确。部分试验录波如图23所示。
由以上试验可见，中性点经小电阻接地系统发生高阻接地故障时，三相电压、零序电压、零序电流均很小，远低于常规的零序保护范围，形成保护盲区。选线录波装置能够灵敏感知高阻接地故障，准确选相选线，消除高阻保护盲区。
图23 I03#路C相经湿碎石接地
5结束语
(1)单相接地故障电流的大小由系统相电压、零序阻抗、接地点过渡电阻所决定。接地电流和零序电压均是受接地过渡电阻影响的变量，过渡电阻值越高，接地电流和零序电压就越小，以致低于常规保护的感知范围，形成高阻保护盲区。
(2)选线录波装置由多个先进的微处理器控制内核、高分辨率采样的数模转换芯片电路、稳定的嵌入式操作系统等所构成，采样电压精度0.1 V,电流精度1 mA,耐受接地过渡电阻能力大于10 000Ω,为精准感知高阻接地故障提供了坚实的硬件基础。
(3)装置接地判据归纳了多种中性点接地模式的单相接地故障电量变化特征，具有创新的零序多比法、零序增量法、干预干扰法、相电流不对称法等接地故障综合判断方法，能够在零序电压和接地电流都很微弱的高阻接地状态，准确启动接地选相选线判断和保护动作，消除高阻盲区，扩大保护范围，增强系统运行安全可靠性。
(4)通过10 kV不同中性点接地模式的真型试验平台的多种类接地故障试验，证明选线录波装置能够准确判断各种接地故障，特别能精准判断高阻接地故障，选线准确率大于99%,对瞬时、永久、间歇性接地故障智能分类处理、可靠保护的技术优势，适用于各种中性点接地方式系统。
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