CN101242096A - 电流保护控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

电流保护控制方法，步骤：当突然上电时加入延时；稳定运行后，计算出电流有效值超过整定值，如果没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值则判断线路中电流是涌流还是过流/短路，如果是涌流则重新采样；如果是过流/短路则做出保护动作。电流保护控制装置，构成是：电源模块输出连接单片机电源输入；A、C相电流互感器输出分别连电量信号采集模块输入，信号采集模块输出端经A/D转换后连单片机采集信号输入；开关量输入模块连单片机；单片机输出连开关量输出模块的输入，输出模块控制脱扣线圈驱动模块，脱扣线圈驱动模块电源端连接到A、C互感器输出，驱动模块输出连外部脱扣线圈。

Description

电流保护控制方法及装置

技术领域

本发明属于微机继电保护领域，尤其涉及10kV线路过流、短路三段式电流保护以及躲过线路涌流的电流保护控制方法及装置。

背景技术

10kV配电系统是电力系统的一部分。它能否安全、稳定、可靠地运行，不但直接关系到企业用电的通畅，而且涉及到电力系统能否正常的运行，因此，当配电网络中某条线路处于非正常运行状态时，线路断路器应该能及时、可靠地将它切除，以防故障的进一步发生和扩大。另外，当线路中存在变压器空载合闸时，会在线路上出现一个瞬时性涌流。由于其不是故障性的，线路断路器不需动作，但是其幅值很大，会造成线路一次合闸不成功或上级线路断路器误跳的情况。因此，在实际运行中，需要线路断路器既能切断处于过流、短路状态的线路，又可以对线路的过流、短路状态和线路上瞬时出现的涌流进行区分。

目前，线路断路器用电流保护控制装置较少，且现有的装置对于线路过流、短路的判断采取了基于其平均值的判断方法，对于躲过线路涌流采取了线路断路器突然合闸时加入一定的延时时间来实现。这样判断线路的过流、短路状态存在一定的缺陷，并且上级线路断路器在下级线路突然合闸时有可能会因为涌流而误跳。

发明内容

为了解决技术中存在的上述问题，本发明提供一种新电流保护控制方法及装置，具体技术方案如下：

一种电流保护控制方法，包括步骤：当突然上电时延时采样，避开本级线路突然合闸时出现的涌流；在稳定运行后，计算出电流有效值；如果有效值没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌流还是过流/短路；如果是涌流则重新采样；如果是过流/短路则做出保护动作。整定值通过微型CT1二次侧的电流确定的，一般范围是5A-30A。

所述判断电路中电流有效值是由公式： $I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_i^2}$ ，得出；式中，N-离散采样的采样点数；i_i-采样时刻电流的瞬时值。所述整定值可取范围是5A-30A。是所述采样点数是≥10个，采样周期是20ms。采样周期的确定是因为现有电路中工频是50Hz。

由公式： $I_{1m}=\sqrt{i_{1c}^2+i_{1s}^2}$ 计算得到线路电流中基波幅值，式中，i_1c是相电流基波的余弦系数，i_1s是相电流基波的正弦系数；由公式： $I_{2m}=\sqrt{i_{2c}^2+i_{2s}^2}$ 计算得到线路电流中二次谐波幅值，式中，i_2c是相电流二次谐波的余弦系数，i_2s是相电流二次谐波的正弦系数；如果二次谐波幅值与基波幅值的比值大于制动系数，则判断是涌流；反之为过流/短路；制动系数可取范围是10％-15％，它是通过二次谐波与基波幅值的比值的经验范围确定的。

一种实现上述方法的电流保护控制装置，包括电源模块、单片机、A、C相电流互感器、电量信号采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块和脱扣线圈驱动模块；所述电源模块的输出连接单片机的电源输入端；A、C相电流互感器的输出分别连接电量信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端经A/D转换后连接单片机的采集信号输入端；开关量输入模块的输出端连接单片机的输入端；单片机的输出端连接开关量输出模块的输入端，开关量输出模块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱扣线圈驱动模块的电源端连接到A、C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输出端连接外部脱扣线圈。

所述电量信号采集模块包括两个电流互感器CT1、CT2，它们的输入端分别连接A、C相电流互感器的输出端，两个电流互感器的输出信号分别经可调电阻、组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。所述A、C相电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。所述开关量输入模块是10路拨码开关。

所述脱扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能电容串联，为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部的脱扣线圈，控制脱扣线圈脱扣。

所述单片机是Microchip公司的PIC16F873，它的管脚9、10连接相应的晶振电路，频率是16MHz；单片机的复位输入端还连接复位电路，单片机的输出端还连接LED组成的显示模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

采用高性能单片机，可以直接应用于只装设A、C两相电流互感器的10kV线路断路器，作为切断过流、短路线路，躲过涌流的电流保护控制装置。它的电源直接取自线路电流互感器，不需要额外的电压互感器等设备。

在电量信号检测方面，它包含电磁干扰抑制电路，具有很高的可靠性；并且免整定，对电流互感器二次侧电流识别范围在3A-50A之间。

在保护时间配合方面，其过流延时时间有16档可选、速断电流倍数4档可选、速断延时时间4档可选、合闸延时时间4档可选，可以充分满足实际运行的需要。

在对线路断路器的分闸控制方面，它的脱扣线圈驱动电路采用的是充电电容和线路电流同时提供电流的方式；由于有了充电电容，线路上电流互感器的功率要求不大，5VA即可，这样电流互感器的尺寸可以做的较小一些，精度也会提高，使其更容易安装和使用。

在线路过流、短路与涌流的识别方面，其采用通过计算电流有效值启动故障判别程序，延时加上二次谐波制动法来识别线路过流、短路状态和涌流。即在装置突然上电时加入延时，避开本级线路突然合闸时出现的涌流；在稳定运行后如果计算出电流有效值超过整定值，利用二次谐波制动来识别线路过流、短路或是涌流，以避开下级线路出现的涌流，并对本级线路实施保护。

附图说明

图1为本发明装置电路原理图；

图2为本发明装置正视图；

图3为本发明装置电源电路原理图；

图4为本发明装置复位电路原理图；

图5为本发明装置中A、C两相电流采集测量原理图；

图6为本发明装置中开关量输入、单片机模块原理图；

图7为本发明装置中开关量输出、LED显示原理图；

图8为本发明装置中脱扣线圈驱动电路原理图；

图9为本发明装置中单片机程序流程图。

图2中A是10路拨码开关、B是A相可调电阻、C是C相可调电阻、D是LED灯、1～5是外部连线

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种电流保护控制方法，包括步骤：当突然上电时延时采样，来避开本级线路突然合闸时出现的涌流；在稳定运行后，计算出电流有效值超过整定值；如果没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌流还是过流/短路；如果是涌流则重新采样；如果是过流/短路则做出保护动作。整定值通过微型CT1二次侧的电流确定的，一般范围是5A-30A。本实施例中，整定值是5A。所述判断电路中电流有效值是由公式： $I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_i^2}$ ，得出；式中，N-离散采样的采样点数；i_i-采样时刻电流的瞬时值。所述采样点数≥10个，采样周期是20ms。本实施例中，优选是采样点数是12个。采样周期的确定是因为现有电路中工频是50Hz。

由公式： $I_{1m}=\sqrt{i_{1c}^2+i_{1s}^2}$ 计算得到线路电流中基波幅值，式中，i_1c是相电流基波的余弦系数，i_1s是相电流基波的正弦系数；

由公式： $I_{2m}=\sqrt{i_{2c}^2+i_{2s}^2}$ 计算得到线路电流中二次谐波幅值，式中，i_2c是相电流二次谐波的余弦系数，i_2s是相电流二次谐波的正弦系数；

如果二次谐波幅值与基波幅值的比值大于制动系数，则判断是涌流；反正为过流/短路；制动系数可取范围是10％-15％，制动系数是通过二次谐波与基波幅值的比值的经验范围确定的，一般是在10％-15％，本实施例中，优选12％。

一种实现上述方法的电流保护控制装置，包括电源模块、单片机、A、C相电流互感器、电量信号采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块和脱扣线圈驱动模块；所述电源模块的输出连接单片机的电源输入端；A、C相电流互感器的输出分别连接电量信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端经A/D转换后连接单片机的采集信号输入端；开关量输入模块的输出端连接单片机的输入端；单片机的输出端连接开关量输出模块的输入端，开关量输出模块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱扣线圈驱动模块的电源端连接到A、C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输出端连接外部脱扣线圈。

所述电量信号采集模块包括两个电流互感器CT1、CT2，它们的输入端分别连接A、C相电流互感器的输出端，两个电流互感器的输出信号分别经可调电阻、组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。所述A、C相电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。所述开关量输入模块是10路拨码开关。

所述脱扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能电容串联，为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部的脱扣线圈，控制脱扣线圈脱扣。

所述单片机是Microchip公司的PIC16F873，它的管脚9、10连接相应的晶振电路，频率是16MHz；单片机的复位输入端还连接复位电路，单片机的输出端还连接LED组成的显示模块。

如图3、4所示，电源模块由电流互感器、全波整流电路、稳压电路、瞬态过压抑制电路、共模和差模抑制电路组成。线路A、C两相电流互感器输出电流在微型电流互感器取样后并联接到一起，经过控制器内部另一微型电流互感器、全波整流电路、稳压电路，分别输出+12V、+5V电源。电路中的过电压抑制电路，共模、差模抑制电路起到电磁干扰抑制和保护的作用。在输出的两路电压中，+12V电压为继电器提供工作电源；+5V电压为单片机供电，经过去耦电容和旁路电容保证输出的稳定。另外，经过电阻分压为后级电路提供+2.5V直流偏置电压。

如图4所示，复位模块由电阻、电容、快速二极管组成。利用阻容器件R、C的充电特性提供复位信号。设计限流电阻以保护单片机复位引脚内部电路；二极管选用开关二极管1N4148，使电容C能够在电源掉电时快速放电，确保再次上电时电容C没有积累电荷，能够可靠复位。

显示模块是由LED显示灯组成，作为整定值设定的标志，即在用户在控制器输入端施加5A电流时，调节可调电阻，当LED显示器由不亮变为均匀闪烁时，整定值设定完毕。LED显示灯并接在继电器线圈两端。

如图5所示，电量信号采集模块由两只电流互感器、两路可调电阻、阻容滤波电路组成，分别接入单片机的2、3引脚。

如图6所示，开关量输入模块采用10路拨码开关，分别连接单片机的4、11、21、22、23、24、25、26、27、28引脚。

如图7所示，开关量输出模块由继电器、驱动三极管和保护电路组成，单片机输出引脚13与三极管的控制极连接，继电器两端反相并联快速二极管IN4148。

如图8所示，脱扣线圈驱动模块由升压电路、储能电容、整流桥组成，作为输出端口连接控制装置外部的脱扣线圈。

装置采用单片机PIC16F873作为控制芯片，利用片内A/D转换器采集A、C两相电流，由单片机进行处理。该单片机内的控制程序实现电流保护控制方法。

本发明采用通过计算电流有效值启动故障判别程序，延时加上二次谐波制动法来识别线路过流、短路状态和涌流。线路出现大电流时，可能是线路过流、短路，也有可能是线路上某台变压器空载合闸出现的涌流。若是线路出现涌流，电流中二次谐波含量会比较大，其幅值占到基波幅值的10％以上。而在线路过流、短路稳态下，电流中二次谐波的含量很少。因此，利用二次谐波与基波幅值上的比例，就可以在线路出现大电流时，正确辨别线路的过流、短路状态，躲过涌流。

在考虑衰减直流分量影响和有限整次谐波污染的情况下，线路电流可用公式1表示：

式中I₀e^-t/τ-衰减直流分量，τ为衰减时间常数；k-谐波分量的谐波次数；I_km-k次谐波的幅值，且 $I_{\mathrm{km}}=\sqrt{a_k^2+b_k^2}$ ；_k-k次谐波的初相角，且

；a_k-k次谐波的余弦系数，且a_k＝I_kmsin_k；b_k-k次谐波的正弦系数，且b_k＝I_kmcos_k；

电流有效值的计算公式如公式2所示。

$I=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}^2\mathrm{dt}}---\left(2\right)$ ；式中，i-电流的瞬时值；T-电流的周期；I-电流的有效值；

离散化得到电流有效值的计算公式3如下所示：

$I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_i^2}---\left(3\right)$ ；式中，N-离散采样的采样点数；i_i-采样时刻电流的瞬时值；

采样周期(20ms)内采样12个点，经过单片机PIC16F873内部ADC转换为数字量后存放起来并计算，观察计算值是否超过整定值。若未超过，重新采样并计算，开始一轮新的循环；若超过，启动涌流识别程序。

用傅氏系数表达的基波、二次谐波零序电流分别如公式3，4所示：

i₁＝i_1ccosωt+i_1ssinωt…………(3)

i₂＝i_2ccos2ωt+i_2ssin2ωt…………(4)

式中，i_1c＝i_1msin_i1，相电流基波的余弦系数；i_1s＝i_1mcos_i1，相电流基波的正弦系数；i_2c＝i_2msin_i2，相电流二次谐波的余弦系数；i_2s＝i_2mcos_i2，相电流二次谐波的正弦系数；

单片机需要对离散型的采样信号进行计算，假设每一个周期中的采样次数为N，采样顺序为M＝0-(N-1)，则有公式5，6如下：

$i_{\mathrm{kc}}=\frac{2}{N}\underset{M=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{Mg}\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)g\cos \left(\mathrm{kgMg}\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)---\left(5\right)$

$i_{\mathrm{ks}}=\frac{2}{N}\underset{M=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{Mg}\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)g\sin \left(\mathrm{kgMg}\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)---\left(6\right)$

本设计选取N＝12，则有公式7～12如下：

$i_{1c}=\frac{2}{12}\underset{0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)g\cos \left(\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)=\frac{1}{6}[(f_0-f_6)+\frac{1}{2}(f_2-f_4-f_8+f_{10})+$

$\frac{\sqrt{3}}{2}(f_1-f_5-f_7+f_{11})]$ …………(7)

$i_{1s}=\frac{2}{12}\underset{0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)g\sin \left(\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)=\frac{1}{6}[(f_3-f_9)+\frac{1}{2}(f_1-f_7-f_{11}+f_5)+$

$\frac{\sqrt{3}}{2}(f_2-f_8-f_{10}+f_4)]$ …………(8)

$I_{1m}=\sqrt{i_{1c}^2+i_{1s}^2}---\left(9\right)$

$i_{2c}=\frac{2}{12}\underset{0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)g\cos \left(2\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)=\frac{1}{6}[(f_0-f_3+f_6-f_9)+\frac{1}{2}(f_1-f_2-f_4+f_5+$

$f_7-f_8-f_{10}+f_{11}\left)\right]$ …………(10)

$i_{2s}=\frac{2}{12}\underset{0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}f\left(\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)g\sin \left(2\mathrm{Mg}\frac{\mathrm{\π}}{6}\right)=\frac{1}{6}g\frac{\sqrt{3}}{2}(f_1+f_2-f_4-f_5+f_7+f_8-f_{10}-f_{11})$

$=\frac{\sqrt{3}}{12}(f_1+f_2-f_4-f_5+f_7+f_8-f_{10}-f_{11})$ ………(11)

$I_{2m}=\sqrt{i_{2c}^2+i_{2s}^2}---\left(12\right)$ ；式中的f₀～f₁₁分别为M＝0-11次采样时的相电流瞬时值；I_1m、I_2m分别为基波、二次谐波的幅值。

动作方程依据：利用二次谐波与基波幅值上的比例，识别线路的过流、短路状态，躲过涌流。

与此相应的动作方程为公式13，如下所示：

$\frac{I_{2m}}{I_{1m}}>k^{\′}---\left(13\right)$ ；式中，k′-整定的二次谐波制动系数；

上述公式以及求解均可由单片机内的程序实现。

程序流程如图9所示，具体步骤为：

(1)初始化；

(2)合闸延时(可调)；

(3)采集A、C两相电流并判断电流有效值是否超过整定值；

(4)否，则重新采样，返回步骤3；是，则对超过整定值的相电流进行离散傅立叶分解，求出二次谐波含量和基波含量的比值。若比值超过设定的比值，则认为线路中有变压器突然空载合闸，没有过流、短路故障，也返回步骤3。若比值未超过设定的比值，则在由开关量输入设置的延时时间内连续判断线路是否存在过流、短路状态；如果不是持续性的过流、短路，返回步骤3，如果是持续性的过流、短路，则控制线路断路器分闸。

(5)结束。

装置的内部结构和外部连接方式如图1所示。装置有5根外部引出线，其中3根连接A、C相电流互感器，电流互感器的公共端连接机壳，接入大地；另外2根连接脱扣线圈，控制断路器分闸。虚线框内为装置的内部结构，连接方式为导线连接。

装置的正视图如图2所示。通过对可调电阻B、C的调节，可以将整定值调整为5A。调节方法如下：将装置与A相电流互感器连接好，并将互感器输出电流调整为5A，然后逆着图中箭头方向调节可调电阻B。当LED灯D由不亮变为均匀闪烁，A相整定值即已调整为5A。C相整定值调整方法同A相的调整方法。

整定值调整完毕后，进行保护时间的设置。图2中10路拨码开关A的1～4路设置过流延时时间，有16种选择，具体时间可以根据需要在单片机程序里面固定；5～6路设置速断倍数，即短路电流的阈值，可有4种选择；7～8路设置速断延时时间，有4种选择；9～10进行合闸躲涌流延时的设置，有四种选择。这样，断路器的实际动作时间为合闸延时与过流、速断延时时间的总和。例如，过流延时时间设置为2000ms，过流延时时间设置为800ms，则断路器总动作时间即为2000ms+800ms＝2800ms。

在上述步骤都进行完毕后，将装置与线路断路器连接好并固定。图2中连线1～3连接电流互感器，4～5连接脱扣线圈。当线路断路器突然上电时，装置启动内部延时程序，躲过此时的涌流；在线路稳定运行后，若出现涌流，装置根据算法能将其识别出来，不会使断路器误动作；只有在线路处于过流、短路状态下，装置才控制其开关量输出电路，使其接通脱扣线圈驱动电路。脱扣线圈得电后，击打断路器操动机构的锁扣环节，解除其死锁状态，断路器分闸。

在结构上，装置采用插件式结构，独立封闭单元机箱，密封性好，抗干扰、坚固可靠，抗振动能力强。

Claims (10)

1、一种电流保护控制方法，其特征是包括步骤：当突然上电时延时采样，避开本级线路突然合闸时出现的涌流；在稳定运行后，计算出电流有效值，如果有效值没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌流还是过流/短路；如果是涌流则重新采样，如果是过流/短路则做出保护动作。

2、根据权利要求1所述的电流保护控制方法，其特征是所述电路中电流有效值是由公式： $I=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_i^2}$ 得出，式中，N-离散采样的采样点数；i_i-采样时刻电流的瞬时值；所述整定值可取范围是5A-30A。

3、根据权利要求2所述的电流保护控制方法，其特征是所述采样点数≥10个，采样周期是20ms。

4、根据权利要求1或3所述的电流保护控制方法，其特征是

由公式： $I_{1m}=\sqrt{i_{1c}^2+i_{1s}^2}$ 计算得到线路电流中基波幅值，式中，i_1c是相电流基波的余弦系数，i_1s是相电流基波的正弦系数；

由公式： $I_{2m}=\sqrt{i_{2c}^2+i_{2s}^2}$ 计算得到线路电流中二次谐波幅值，式中，i_2c是相电流二次谐波的余弦系数，i_2s是相电流二次谐波的正弦系数；

如果二次谐波幅值与基波幅值的比值大于制动系数，则判断是涌流；反之为过流/短路；制动系数可取范围是10％-15％。

5、一种实现权利要求1所述方法的电流保护控制装置，其特征是包括电源模块、单片机、A、C相电流互感器、电量信号采集模块、开关量输入模块、开关量输出模块和脱扣线圈驱动模块；所述电源模块的输出连接单片机的电源输入端；A、C相电流互感器的输出分别连接电量信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端经A/D转换后连接单片机的采集信号输入端；开关量输入模块的输出端连接单片机的输入端；单片机的输出端连接开关量输出模块的输入端，开关量输出模块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱扣线圈驱动模块的电源端连接到A、C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输出端连接外部脱扣线圈。

6、根据权利要求5所述的电流保护控制装置，其特征是所述电量信号采集模块包括两个电流互感器CT1、CT2，它们的输入端分别连接A、C相电流互感器的输出端，两个电流互感器CT1、CT2的输出信号分别经可调电阻、组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。

7、根据权利要求6所述的电流保护控制装置，其特征是所述A、C相电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。

8、根据权利要求7所述的电流保护控制装置，其特征是所述脱扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能电容串联，为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部的脱扣线圈，控制脱扣线圈脱扣。

9、根据权利要求5或8所述的电流保护控制装置，其特征是所述单片机是Microchip公司的PIC16F873，它的管脚9、10连接相应的晶振电路，频率是16MHz；单片机的复位输入端还连接复位电路，单片机的输出端还连接LED组成的显示模块。

10、根据权利要求9所述的电流保护控制装置，其特征是所述开关量输入模块是10路拨码开关。

Images