摘要 本文针对小电流接地选线的困难，采用ARM处理器作为控制器的处理器，控制器包含的功能模块丰富，能够满足一般小电流接地判断的要求，使用Windows CE操作系统实现小电流接地选线的嵌入式管理平台，在判断算法上采用零序电流有功功率增量发法作为故障线路的判断依据，通过实验验证该装置能够正确地判断和分析出故障线路。
关键词 小电流接地选线；ARM；Wince
中图分类号TM77文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）49-0139-02
在我国低压配电网中广泛的采用中性点不接地和经消弧线圈[1-2]接地方式，少数采用经高电阻接地方式，这些连接方式都属于小电流接地系统，对于小电流接地系统而言，接线方式很多，而产生接地故障时的故障信息较少，这就对故障的确认带来了一定的难度，目前小电流接地选线装置广泛的采用注入法作为小电流系统接地故障的判断方法，但该方法的自动化程度较低，对人工的依赖性较强，不利于智能电网和电网自动化地发展，本文采用灵虚电流有功功率分量法作为故障选线的判据，在硬件设计上，为了克服单片机的运算速度和处理能力差的缺陷，本文采用ARM9处理器S3C2410作为核心处理器，数据采集采集模块使用高速的ADS774JU，对数据的运算和处理则由ARM处理器完成，嵌入式系统则使用Windows CE 5.0操作系统，使用点阵式液晶进行界面显示，人机交互良好。
1 小电流接地选线依据
1.1 经消弧线圈接地保护的特点
小电流系统是指中性点不直接接地的系统，其中包括中性点经消经弧线圈接地系统、中性点不接地系统和中性点经电阻接地系统。本装置针对于使用消弧线圈的小电流接地系统，采用消弧线圈接地的小电流系统具有如下特点：提高电力系统的稳定性。当电力系统的某一相发生接地故障时，由于消弧线圈的特殊构造，内部带有铁芯的电感线圈可以使流经消弧线圈的电流呈现感性电流，该电流可以与容性电流相抵消，从而可以消除由于接地造成的电弧等危害，从而提高电力系统的可靠性。其次，发生接地故障时，系统可持续供电。发生单行接地故障后，消弧线圈可以有效抑制故障电流，而三相之间的线电压仍然保持平衡，电力系统可以持续运行。其三，有效保护电力设备。发生单相接地故障后，接地故障电流的大小与故障点的位置无关，由于消弧线圈的保护作用，可以有效减小电弧过电压的危害，减少保护设备的动作次数，延长保护设备的使用寿命。
1.2 零序电流有功功率增量法
采用中性点经消弧线圈接地系统的原理图如图1所示，其中回路I的C相发生接地故障。
零序电流有功功率增量法认为，当回路I的C相发生单相接地故障时，会造成回路I故障点处的3相参数不对称，通过对故障点处的电压、电流量进行分解，可以将故障点处地状态量表示为3个对称量之间的叠加，此时系统可以解耦为3个对称系统，正序系统、负序系统和零序系统，三个系统的参数可以进行独立的计算。对于故障点而言，系统的对称性消失，在故障点出存在零序电压源，该电压源为故障点提供零序能量，通过比较可以得出，在故障回路中所产生的零序有功功率最大，所以可以通过比较各个回路中的零序有功功率的大小判断接地故障发生在哪相线路中。这是零序电流有功功率增量法的判断依据。
2 选线装置的总体设计
故障选线装置可以分为三部分，分别为数据采集单元、数据处理单元、执行单元。首先通过电压互感器（PT）和电流互感器（CT）采集外部电网中的信号，所采集的信号包括8路电压信号，其中包括两段母线中的三相电压、零序电压，电流信号则包括所有回路中的零序电流信号。其中通过零序电压可以判断哪路母线出现了接地故障，通过零序电流有功增量判据可知，当出现接地短路现象时，短路故障所在的相电压将这8路电压量通过A/D采集模块后，通过PC104总线传送给处理器，处理器通过判断来确定接地短路的位置，历史数据被保存到NandFlash中，监控界面则通过液晶进行显示，输入操作是通过触摸屏来完成的。控制指令通过控制处理器的I/I模块对外围继电器进行操作，从而起到保护的作用。
2.1 处理单元
2.1.1 S3C2410
整个处理器单元是小电流接地选线装置的核心，采用三星公司的S3C2410是一款32位的RISC处理器，最高工作频率可以达到266MHz，处理速度满足控制要求，内部还集成有大量的功能模块，方便外围电路的设计，内部集成了16K的程序缓冲区和16K的数据缓冲区，支持MMU，存储方面，内部的NandFlash控制器可以轻松实现对NandFlash的控制，同时支持NandFlash引导程序启动，支持其他的Norflash、SDRAM等存储。通信方面内部集成有通用串口控制器，可以实现3路串口的控制，还支持IIC和IIS总线操作，内部集成有USB控制器，可以轻松实现外围USB接口，网络通信可以通过扩展网卡实现。内部带有6路10位的A./D转换模块。显示方面集成有LCD控制器，可以实现对STN和TFT型液晶的控制。内部大量的I/O单元对大量的外围控制器件进行操作。
2.1.2 串口通信
在电流选线装置的外围还存在一定的智能设备，与这些智能设备的通信则可以使用串口通信来完成，2410集成有UART控制单元，在进行电路设计时需要添加串口驱动芯片来实现电平转换，本设计中使用MAX3223来实现两路串口的驱动，驱动电路的设计如图2所示。
2.1.3 网络通信
网络通信单元使用DM9000A作为网络控制器。DM9000A是Davicom公司推出的一款性价比较高的嵌入式网卡芯片。网卡内集成了10M/100M自适应的PHY和4K字的SRAM，支持3.3V和5V的电源。该芯片采用48引脚的TSOP封装，占用的空间较小，支持8位数据和16位数据操作模式，可以外接EEPROM作为存储器件，DM9000A采用的总线方式为ISA总线方式，支持RJ45标准的网线接口。网络通信模块主要提供选线装置与主站之间的通信。
2.1.4 数据存储
对于系统运行中的数据和程序存储使用SDRAM来实现，本设计中选用48LC16M16A2作为控制器的SDRAM芯片，单片容量为32MB，采用3.3±0.3V单电源供电，封装形式为标准54引脚TSOP，具有16位的数据总线宽度，可选用两片并联的方式，使SDRAM的总线宽度达到32位。两片SDRAM的32条数据线分别连到SC2410的高16位地址和低16位地址上。实现两片SDRAM的并行扩展。
对于系统镜像的存储则使用NorFlash来完成，本设计中选用Intel公司的F28128J3作为NOR Flash芯片。单片容量为32MB，采用3.3V的单电源供电，封装形式为56引脚TSOP封装，具有16位数据总线宽度，地址线为25位，使用独立的地址总线和数据总线的操作方式，通常情况下操作系统的镜像小于32MB，可以满足一般情况下的需要。
对于历史数据和程序的存储则使用NANDFlash，NandFlash已经成为当今嵌入式领域的主流存储器。本设计中采用K9F8G08U0M作为NAND Flash芯片，该芯片的容量为1GB，供电电源为2.7V-3.6V，采用48引脚的TSOP封装，在寻址方式上采用I/O寻址，地址线与数据线公用，该寻址方式与网卡的寻址方式相类似。由于2410中带有NandFlash控制器，可以轻松的实现对NandFlash的操作。
2.2 数据采集单元
数据采集单元对整个选线装置起到很大的作用，采集的电压信号的准确与否直接影响判断算法判断的准确性。由于所涉及的外围电压量太多，使用2410自带的6路串口难以实现判断需要，如果使用处理器集成的ADC模块，将加大处理器的工作负担，所以本设计采用外部A/D模块，使用ADS774JU作为数据采集的控制芯片，该芯片为8路12位的数据采集芯片，在精度上满足选线装置的要求，根据各个变电站回路的不同，可以进行级联，对各个A/D芯片的控制可以通过处理器的I/O口进行使能控制。
电路设计上，由于选用的A/D芯片为1通道转换芯片，所以在信号接入A/D芯片前通过多路转换开关对采样信号进行选择，然后将信号传送到A/D芯片中进行模数转换，转换后，信号将通过PC104总线传送到处理器。
2.3 执行单元
执行单元的控制是通过I/O模块进行控制的，根据外围控制器件的多少设计相应的I/O扩展模块，考虑到外围控制继电器较多，我们采用CPLD进行扩展，本设计中选用alter公司的EPM570T100C4芯片，该芯片的供电电源为3.3V，内核供电可以使用1.8V、1.5V和2.5V也可以使用3.3V的供电方式。其中可用I/O口为76个，其中内部集成了4路外部有源晶振输入引脚，可以为CPLD提供4个不同频率的时钟信号。内部的可编程逻辑元件的数量为570个，外部晶振采用12MHz的有源晶振。能够满足外围大量控制器件的需要。
3 软件设计
3.1 操作系统的选择
考虑到开发周期和开发成本，通过对嵌入式操作系统的对比，本设计选用Windows CE作为装置的操作系统，该操作系统具有如下特点：1）操作界面与PC中Windows系统风格一样，方便用户使用；2）操作系统的内核可进行裁剪，用户可以按照自己的需要进行组建的添加与删除；3）功能组件多便于操作人员进行开发，加快工程进展速度；4）开发平台与微软的编程工具类似，使用方便；5）支持MFC框架程序，便于控制陈旭的开发。操作系统的选择对于嵌入式装置的研发至关重要，与硬件相关的驱动程序，在开发前期都需要集成到操作系统中，然后下载到目标板中，所以很大程序上操作系统选择决定了整个装置的研发进度。
3.2 控制程序的设计
3.2.1 控制算法的设计
根据零序电流有功增量法，编写相应的控制算法程序，整个控制算法是通过对零序电压和电流的判断实现的，判断过程可以分为两部分，一部分判断接地短路发生在哪一母线，然后判断发生接地短路母线中的哪一相发生短路。另一部分则是判断哪一回路发生了接地短路，从而确定相应的回路。整个判断过程如下，通过零序电压互感器获得两个母线侧的零序电压，当发生短路接地故障时，零序电压互感器会采得相应的偏差电压，当未发生短路接地故障时，零序电压互感器所测得的数值为0，通过该判据可以判断发生短路接地的母线。然后通过各相中的电压互感器获得各个相电压的数据，观察3相中的相电压可以看出，发生短路接地的所在的相电压与未发生短路接地故障的相电压的数值有所不同，根据该判据可以判断出发生短路接地故障所处地相电压。相位判定完毕后则需要对发生短路接地的回路进行判断，对回路的判断是通过零序电流互感器的数值进行判断的，发生接地故障线路中的电流比其他两相中的电流数值要大，所以通过判断零序电流数值的大小可以判断接地故障所发生的回路。
3.2.2 监控界面的设计
对于选线装置界面的设计，则使用Visual Studio中的智能设备模型进行编写，编写的监控程序主要包括对电网数据显示、电网数据存储和对外围继电器的监控等功能，对电网线路的监控可以通过电网数据的显示来实现，其中包括母线各相电压、零序电压、零序电流的大小，整个电网中各个保护继电器的工作状态等，要将于选线相关的电网信息包含在监控界面中。
3.2.3 数据存储的设计
数据存储主要使用Wince中的小型数据库，完成线路中各相电压、电流的录入，当故障发生后，也要及时录入发生故障的线路号和各个继电保护装置的工作状态。根据整个电网控制的需要将数据通过网口传送给主站。
4 结论
通过使用嵌入式技术搭建的硬件平台，在数据采集、处理能力和人机交互方面都大大提高了整个装置的性能，采用零序电流有功功率增量法实现了故障选线的控制算法。整个控制器的整体性能较好，具有很广阔的市场前景。
参考文献
[1]陈晓科，徐玉琴.小电流接地系统单相接地故障选线新发展[J].电力自动化设备，2002，22(9)：66-69.
[2]邢亚辉，王海军，吕艳萍.基于线路零序频率特性的小电流接地系统故障选线[J].电力自动化设备，2006，26(4)：59-62.
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