CN101702506B - 一种电力系统短路故障快速检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统短路故障快速检测的装置，包括电源电路、A/D采样电路、电压电流检测电路、数字信号处理电路和保护信号输出电路，其中：电源电路将220V交流电转变为直流电，供给整个装置正常运行使用；电网中的电压、电流经外部的互感器变换后接至电压电流检测电路，经该电路调理整定后，由A/D采样电路将电压、电流信号由模拟量转变为数字量并输出至数字信号处理电路，经数字信号处理器来判断是否发生短路故障，如果判断短路故障发生，则数字信号处理电路控制保护信号输出电路发出保护信号。本发明仅根据每个断路器自身端口的电压、电流信号就可以判断短路故障，其检测时间一般不超过5mS；可方便电网扩容升级和网络改造。

Description

一种电力系统短路故障快速检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统检测领域，尤其涉及一种能够快速检测出电力系统短路故障的检测方法及装置，可用于断路器短路保护。

背景技术

目前，国内供配电电网中所采用的断路器，其短路故障的检测机构主要是机械式结构，利用短路电流所产生的电磁力或者热效应使断路器保护跳闸，其检测短路故障的原理为：电网发生短路故障时，短路电流远远大于额定电流，利用这一特性，通过检测电流是否异常增大来检测短路故障。由于传统断路器在短路故障检测上普遍存在精度不高、整定值偏差范围大、响应速度慢的缺点，在很多场合已经不能满足现代电力系统规模越来越大、电源越来越多、保护要求越来越高的发展需求。

对此，中国专利《新型塑壳智能脱扣器》(专利申请号：200820088517.0)提出了利用微控制器的电子式检测方案，但该发明仍然是通过检测电流大小来判断短路故障是否发生。由于短路电流中不仅存在快速衰减的非周期分量，而且动态变化范围大，加之检测环节存在的互感器磁饱和、检测相移等多种因素的影响，直接对短路电流进行准确检测十分困难，因此此类方法通常要求短路电流远大于额定值时才能准确做出短路故障的判断。其次，该方法的检测速度完全依赖短路电流的上升速度，而由于受到电网分布参数、短路初始状态和负载因素的影响，短路电流的上升速度可快可慢，因此其检测速度并不稳定，不利于短路保护设计。最后，该方法依然无法对短路电流的方向进行区分，尤其是当电网中有两个容量大体相当的电源而负载的短路回馈电流较小时，若其中一个电源的输出端口发生短路时，流经这两个电源保护断路器的短路电流幅值基本相同、方向相反，仅通过电流的幅值大小无法实现选择性保护，最后造成两个电源的断路器同时跳闸。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术仅依靠检测电流幅值判断短路故障的不足，提供一种电力系统短路故障的快速检测方法及装置，其利用短路故障发生时电压跌落、电流增大这一特征状态，通过同时快速检测电网电压和输送功率的异常变化来快速检测电网中的短路故障。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：包括电源电路、A/D采样电路，其特征是还设有电压电流检测电路、数字信号处理电路和保护信号输出电路，其中：电源电路将220V交流电转变为直流电，供给整个装置正常运行使用；电网中的电压、电流经外部的互感器变换后接至电压电流检测电路，经该电路调理整定后，送入A/D采样电路；A/D采样电路将电压、电流信号由模拟量转变为数字量并输出至数字信号处理电路，数字信号处理器根据所检测的电压、电流的数字量，来判断是否发生短路故障，如果判断短路故障发生，则数字信号处理电路控制保护信号输出电路发出保护信号。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)对短路故障的判断准确度高、检测速度快，不论短路电流的上升速度如何，其检测时间一般不超过5mS。

(2)能够在短路电流远未上升到峰值之前就能够检测出短路故障，有助于提高断路器的短路限流能力，降低短路电流的焦耳能量和电应力对电网和相关设备造成的危害。

(3)具有短路电流方向的识别能力，并能够以此实现选择性保护。

(4)具有CAN网络通信接口，可以根据电网容量和电源配置的发展变化，通过CAN通信灵活地在线更改保护整定参数，方便后期维护和升级。

(5)本装置仅根据每个断路器自身端口的电压、电流信号就可以判断短路故障，不需要电网内其他断路器的电压、电流信号辅助判断或动作联锁，方便电网扩容升级和网络改造。

附图说明

图1是本发明短路故障快速检测装置的电路原理框图。

图2是图1中电压电流检测电路的原理图。

图3是图1中数字信号处理电路的原理图。

图4是图1中保护信号输出电路的原理图。

图5是图1中电源电路的原理图。

图6是图1中A/D采样电路的原理图。

图7是本发明装置的试验结果。

具体实施方式

本发明提供的电力系统短路故障快速检测的装置，其电路组成框图如图1所示：主要由电源电路、电压电流检测电路、A/D采样电路、数字信号处理电路、保护信号输出电路组成。电源电路可将220V交流电转变为直流电+12V、-12V和+5V，供给整个装置正常运行使用。电网中的电压、电流经外部的互感器变换后接至本装置的电压电流检测电路，经该电路调理整定后，送入A/D采样电路。A/D采样电路将电压、电流信号由模拟量转变为数字量并输出至数字信号处理电路，数字信号处理器检测电压、电流的数字量，并根据本发明所提出的短路故障检测方法，判断是否发生短路故障。如果判断短路故障发生，则数字信号处理电路控制保护信号输出电路发出保护信号，使得断路器保护跳闸，从而实现对电力系统设备的保护。

所述电压电流检测电路，由两个运算放大器U1、U2及其外围电路组成，其中：

运算放大器U1及其外围电路组成的结构是：U1的反向端和正向端与通用互感器次级线圈的引脚相连，U1的正向端接地，U1的反向端和输出端串接一个电阻，U1的输出端通过电阻与电容组成的RC滤波电路，接至A/D采样电路中的模数转换芯片U11的输入端；通用互感器初级线圈的两个引脚分别经一个电阻连接外部待测电压。

运算放大器U2及其外围电路组成的结构是：U2的反向端与通用互感器次级线圈的引脚1和3相连，该次级线圈的引脚2和4均接地且与U2的正向端相连，U2的反向端和输出端串接一个电阻，U2的输出端通过电阻与电容组成的RC滤波电路，接至A/D采样电路中的模数转换芯片U11的输入端；通用互感器初级线圈的两个引脚开路，被测量电流的导线从通用互感器中心圆孔穿过。

上述电压电流检测电路的结构及其部件具体连接关系如图2所示：图2中的T1、T2、T3、T4采用通用互感器DVDI-001，U1、U2采用运算放大器TL084或其它具有类似功能的运算放大器。T1的1脚和2脚分别通过R1和R2连接外部待测电压，T1的3脚和4脚分别连接运算放大器U1的2脚和3脚，T1的4脚和U1的3脚均连到地。U1的2脚连接电阻R3的一端，U1的1脚连接R3的另一端。电阻R4与电容C1组成RC滤波电路，其输入接U1的1脚，输出接图6中芯片U11的20、21脚。T2的1脚和2脚分别通过R5和R6连接外部待测电压，T2的3脚和4脚分别连接U1的6脚和5脚，同时T2的4脚和U1的5脚均连到地，U1的6脚接R7一端，U1的7脚接至R7的另一端。电阻R8与电容C2组成RC滤波电路，其输入接U1的7脚，输出接图6中芯片U11的19、18脚。T3的1脚和3脚连接U2的2脚，T3的2脚和4脚以及U2的3脚均接地。U2的2脚接R9的一端，U2的1脚接R9的另一端。电阻R10与电容C3组成RC滤波电路，其输入接U2的1脚，输出接芯片U11的16、15脚。T4的1脚和3脚连接U2的6脚，T4的2脚和4脚以及U2的5脚均接地。U2的6脚接R11的一端，U2的7脚接R11的另一端。电阻R12与电容C4组成RC滤波电路，其输入接U2的7脚，输出接芯片U11的14、13脚。

电压电流检测电路的工作原理为：当检测电压时，外部电压通过电阻加到通用互感器的原边，并按照变比系数在通用互感器的副边产生感应电流，该电流通过运算放大器输入、输出端之间的测量电阻变换为A/D转换芯片可测量的低电压信号，并通过电阻、电容组成的滤波电路滤除其中的高频谐波；当检测外部电流时，通用互感器原方开路，外部电流通过通用互感器的中心圆孔，通用互感器的副方在外部电流所产生电磁场的激励下按变比系数产生感应电流，该电流通过运算放大器输入、输出端之间的测量电阻变换为A/D转换芯片可测量的低电压信号，并通过电阻、电容组成的滤波电路滤除其中的高频谐波。

所述数字信号处理电路，主要由数字信号处理器U3、+3.3V电源芯片U4、20MHz晶振G1、光偶U5、光偶U6、CAN通信芯片U7、逻辑门芯片U8等组成，其中：U3的输入端与U4、G1、U11、U12、两个光偶芯片和CAN通信芯片U7相连，U3的输出端与U8、U9相连，两个光偶芯片和U7组成符合CAN2.0B协议的现场总线通讯接口电路。

上述数字信号处理电路的结构及其部件具体连接关系如图3所示：U3的123脚连接G1的3脚，G1的4脚接+3.3V电源，G1的2脚接地。U3的12脚通过电感L1连接到+3.3V，该脚同时通过电容C5连接到地。U3的10脚通过串联的电容C6和电阻R4接到U3的11脚，U3的10脚和11脚之间接电容C7。U3的133脚接电源芯片U4的8脚，U4的8脚同时通过电阻R13上拉到+3.3V电源。U4的1、2脚接地，3、4脚接+5V电源。U3的72脚接三极管Q1的2脚，Q1的3脚接地，Q1的1脚通过电阻R15连接到光偶U5的3脚，U5的8脚接CAN通信+5V电源5V_CAN，6脚接CAN驱动芯片U7的1脚，U5的8脚和6脚之间接电阻R14。U5的5脚和U7的2脚接CAN通信+5V电源地，U3的70脚接至光偶U6的6脚，该脚同时通过电阻R16上拉到+3.3V电源。U6的2脚接到CAN通信+5V电源5V_CAN，3脚通过电阻R17连接到U7的4脚。U3的127、130、132、134、136、138、143、5、9、13、15、17脚分别连接到A/D芯片U11的43、42、41、40、39、38、34、33、32、31、30、29脚。U3的84脚接逻辑门芯片U8的2、3脚，U3的87脚接芯片U8的5、6脚，U8的1、4脚分别接自身的8、9脚，U8的4脚接U11的44脚。

由于本装置需要对检测数据进行实时快速计算，因此数字处理芯片需要具备较强的计算能力。在本实施例中，U3采用美国TI公司数字信号处理器TMS320F2407A，该芯片采用了高性能静态CMOS技术，具有40MIPS的高速运算能力，能快速的实现数据运算和处理。此外，该芯片还具有32K字的FLASH程序存储器、1.5K字的数据/程序RAM、544字双口RAM和2K字单口RAM、16路12位A/D转换通道、CAN2.0B控制器、串行通信接口等，其丰富的外部接口和强大的数据处理功能，能够满足本实施例的需求。

图3中，光偶芯片U5、U6和CAN通信驱动芯片U7组成符合CAN2.0B协议的现场总线通讯接口电路。U5、U6采用光偶芯片6N137或其它具有类似功能的光偶芯片，可将数字信号处理器U3输出的+3.3V电平信号转换为隔离的+5V电信号，避免CAN通信总线和U3之间的相互干扰。U7采用82C250芯片或其它具有类似功能的芯片，该芯片可提供标准的CAN通信驱动能力。通过CAN通信接口电路，操作人员可以利用CAN通信的方式实时了数字信号处理器U3工作状态以及当前电网中电压、电流、功率等市电参数，并可方便的通过CAN通信调整本装置中的各项软件参数，使得本装置可以灵活的适应电网的不断改造和扩容。

本数字信号处理电路利用A/D芯片传送来的电压、电流数字信号，通过相应的短路故障检测方法，判断是否发生短路故障。

所述保护信号输出电路，其结构如图4所示：该电路主要由电平比较器U9和固态继电器U10构成，其主要功能是将数字处理电路发出的IO信号转化为电气隔离的触点信号。在本实施例中，其连接关系为：U3的IO口83脚通过R20连接U9的8脚，电阻R18、R19串联接在+12V与地电位之间，R18、R19的连接端同时与U9的9脚相连。U9的3脚连+12V电源，12脚接地，14脚通过R21上拉到+12V，同时接到输出固态继电器U10的3脚。U10的4脚通过R22接地，1、2脚为触点信号的输出脚，可连接到断路器的分励脱扣端。

保护信号输出电路的工作原理是：当数字信号处理电路判断短路故障发生后，通过IO脚发出信号，该信号通过电阻R20接至电平比较器U9，与R18和R19的串联分压点的电压比较，当该信号电压高于分压点的电压时，电平比较器U9的输出端14脚输出高电平，并驱动固态继电器U10的触点动作，使得U10输出端1脚和2脚的触点状态由“断开”转为“闭合”。为了保证快速性，U10选用固态继电器R240D5R，该继电器采用电力电子器件代替传统继电器的电磁线圈，其动作时间小于0.1mS，远快于传统继电器，能够保证短路故障发生时以最快的速度发出保护信号，让断路器保护跳闸。

电源电路可采用现有技术，也可以采用如图5所示的结构：由降压变压器、二极管、电容、DC/DC开关电源、电源稳压芯片构成，其工作原理为，图中的TV1为焊接式变压器S10-10，将220V交流市电降压到18V。二极管D1～D8选用二极管FR107，其连接为全桥整流电路，将18V交流整流为直流。电容C9～C14为电解电容，为电源电路提供直流滤波及储能的作用。U13、U14为电源稳压芯片7812和7912，可将整流电路输出的直流电压调整到+12V和-12V，U15为DC/DC开关电源模块ZUS 2405，可将整流电路输出的直流电压调整到+5V。

A/D采样电路可采用现有技术，也可以采用如图6所示的结构：图中A/D采样芯片U11选用美国AD公司的AD7864，该芯片是一种高速12位的模数转换芯片，可同时对4路模拟量进行采样处理，其转换时间不大于2μS，并且可以在+5V单电源供电的情况下对正负信号均能进行采样处理。U11的21、20、19、18、16、15、14、13分别接入电压电流检测电路输出的ADCIN1～ADCIN4，一次采样过程就能采集到线电压Uab、Ubc和线电流Ia、Ib四路模拟信号，满足数字信号处理器的计算需求。U7为电平转换芯片LVCC3245，能够将+3.3V电平信号抬高到+5V，以满足数字信号处理器与A/D转换芯片之间部分操作信号的电平匹配要求。

本发明提供的电力系统短路故障快速检测的装置可用于断路器短路保护，其主要是采用以下步骤的检测方法来判断是否发生短路故障，具体是：

(1)数字信号处理器设置数据变量空间并初始化

在数字信号处理器中的数据存储区中设置两组具有N个单元的数据变量空间，分别存放电压Uab和Ubc的数值，其中N为每个工频周波内单一电压信号的采样次数，数据变量空间内各数据单元的初始值赋为0。

在数字信号处理器中的数据存储区中分别设置数据变量Ia、Ic、P、Uac、Uac_1、Uac_2、Umab、Umbc、Umac，并将这些数据变量的初始值赋为0。

(2)采集电网中电流的当前值

数字信号处理器采集A/D采样电路传送来的A相和C相电流的当前数值，分别赋值给Ia和Ic。

(3)计算电网当前功率

数字信号处理器分别读取每组数据变量空间内第k个单元的电压数据Uab(k)、Ubc(k)，利用公式(A)计算电网当前功率，并存入P中。

P＝Uab(k)×Ia-Ubc(k)×Ic    (A)

(4)采集电网中两路线电压的当前值并计算第三路线电压的当前值

数字信号处理器采集当前A/D采样电路传送来的电压信号Uab和Ubc，分别存入各自数据变量空间的第k个单元。计算第三路线电压Uac，其中Uac＝Uab(k)+Ubc(k)，Uac_1＝Uab(k-1)+Ubc(k-1)，Uac_2＝Uab(k-2)+Ubc(k-2)。

(5)计算电网电压的幅值

利用公式(B)分别计算线电压Uab、Ubc、Uac的幅值Umab、Umbc、Umac。其中，在计算Uabm和Ubcm时U(k)、U(k-1)、U(k-2)分别赋值为各自数据变量空间内第k、k-1、k-2个数据单元。计算Uacm时，U(k)、U(k-1)、U(k-2)分别赋值为步骤(4)计算出的Uac、Uac_1、Uac_2。

$\mathrm{Um}=\frac{1}{2}\sqrt{U^2(k-1)+\frac{1}{4{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)}{(U\left(k\right)-U(k-2))}^2}---\left(B\right)$

(6)判断短路故障是否发生

电压幅值Umab、Umbc、Umac中任意一项数值若低于与电网电压额定值的50％并且当前功率P高于额定功率时，判定短路故障发生。若判定短路故障发生，再根据当前功率P的符号判断短路电流的方向：若当前功率P为正，则判定短路电流的方向为流出；若当前功率P为负，则判定短路电流的方向为流入。

(7)重复步骤(2)

令k＝k+1，若k等于N时，将k重新赋值为0，返回步骤(2)，再次执行步骤(2)至(7)各步骤，直至对电力系统短路故障快速检测工作结束。

本发明提供的上述方法是以检测电网电压幅值为主要判断依据的，由于短路故障发生时电压跌落先于短路电流增大，因此其检测速度比传统的电流检测法快。此外，该方法还加入功率检测作为辅助判断条件，以提高判断准确度。并且，由于功率的符号可以指明功率流动的方向性，因此还能够方便地判断短路电流的方向。

短路故障发生时，由于电网电压可能会跌落到0V，如果直接用当前电流和当前电压来计算功率，可能会造成计算出的当前功率数值接近于0，而失去判断意义，因此本方法在计算当前功率时，所用的电压值是数字信号处理器存储的上一周波对应时刻的电压值，而电流用的是当前的采样值。当电网正常运行时，电网电压周期性的重复，上一周波的电压与当前周波的电压一致。当短路故障发生时，由于功率计算中所用的是上一周波的电压值，电压值并不会发生变化，只有电流值发生变化，功率的变化情况完全对应着电流的变化情况，因此可以用检测功率代替检测电流来判断短路故障是否发生。

本发明用于断路器短路保护时，其短路故障检测试验的结果如图7所示：图中曲线Ua、Ub、Uc分别表示电网中A、B、C三相相电压波形，曲线Ia为A相电流波形，曲线S是本装置的保护输出信号。本装置的保护输出信号为图4中芯片U10输出脚1和输出脚2之间的触点状态信号，该信号有“断开”和“闭合”两种状态。为了清晰的显示该触点信号的状态变化情况，在试验中将芯片U10输出1脚接100V直流电源，并测量2脚电压，当输出脚1和输出脚2之间的触点状态信号由“断开”变为“闭合”时，可在2脚检测到100V电压。

由图7可见，当短路故障发生时，电网中A、B、C三相电压在第38mS左右同时跌落，本装置在第41mS时就发出了保护输出信号。图中，短路电流Ia在短路故障发生时的负半波内并未立即增大，而是经过几个mS过渡到正半波后才迅速增大，直至超过测量仪器的纪录范围。由图7可以看到，本装置能够在短路电流远未上升到峰值之前就能够检测出短路故障，其检测速度快于常规的检测方法和检测装置。

Claims (3)

1.一种电力系统短路故障快速检测的方法，其特征是采用电力系统短路故障快速检测的装置实现的，该装置包括电源电路、A/D采样电路、电压电流检测电路、数字信号处理电路和保护信号输出电路，其中：电源电路将220V交流电转变为直流电，供给整个装置正常运行使用；电网中的电压、电流经外部的互感器变换后接至电压电流检测电路，经该电路调理整定后，送入A/D采样电路；A/D采样电路将电压、电流信号由模拟量转变为数字量并输出至数字信号处理电路，数字信号处理电路中的数字信号处理器根据所检测的电压、电流的数字量，来判断是否发生短路故障，如果判断短路故障发生，则数字信号处理电路控制保护信号输出电路发出保护信号，

该方法主要是采用以下步骤的检测方法来判断电力系统是否发生短路故障，

(1)数字信号处理器设置数据变量空间并初始化：

在数字信号处理器中的数据存储区中设置两组具有N个单元的数据变量空间，分别存放电压Uab和Ubc的数值，其中N为每个工频周波内单一电压信号的采样次数，数据变量空间内各数据单元的初始值赋为0，

在数字信号处理器中的数据存储区中分别设置数据变量Ia、Ic、P、Uac、Uac_1、Uac_2、Umab、Umbc、Umac，并将这些数据变量的初始值赋为0；

(2)采集电网中电流的当前值：

数字信号处理器采集A/D采样电路传送来的A相和C相电流的当前数值，分别赋值给Ia和Ic；

(3)计算电网当前功率：

数字信号处理器分别读取每组数据变量空间内第k个单元的电压数据Uab(k)、Ubc(k)，利用公式(A)计算电网当前功率，并存入P中，

P＝Uab(k)×Ia-Ubc(k)×Ic    (A)

(4)采集电网中两路线电压的当前值并计算第三路线电压的当前值：

数字信号处理器采集当前A/D采样电路传送来的电压信号Uab和Ubc，分别存入各自数据变量空间的第k个单元；计算第三路线电压Uac，其中Uac＝Uab(k)+Ubc(k)，Uac_1＝Uab(k-1)+Ubc(k-1)，Uac_2＝Uab(k-2)+Ubc(k-2)；

(5)计算电网电压的幅值Um：

利用公式(B)分别计算线电压Uab、Ubc、Uac的幅值Umab、Umbc、Umac，其中：在计算Umab和Umbc时，U(k)、U(k-1)、U(k-2)分别赋值为各自数据变量空间内第k、k-1、k-2个数据单元；计算Umac时，U(k)、U(k-1)、U(k-2)分别赋值为步骤(4)计算出的Uac、Uac_1、Uac_2，

$\mathrm{Um}=\frac{1}{2}\sqrt{U^2(k-1)+\frac{1}{4{\sin }^2\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)}{(U\left(k\right)-U(k-2))}^2}---\left(B\right)$

(6)判断短路故障是否发生：

电压幅值Umab、Umbc、Umac中任意一项数值若低于与电网电压额定值的50％并且当前功率P高于额定功率时，判定短路故障发生；若判定短路故障发生，再根据当前功率P的符号判断短路电流的方向：若当前功率P为正，则判定短路电流的方向为流出；若当前功率P为负，则判定短路电流的方向为流入；

(7)重复步骤(2)：

令k＝k+1，若k等于N时，将k重新赋值为0，返回步骤(2)，再次执行步骤(2)至(7)各步骤，直至对电力系统短路故障快速检测工作结束。

2.根据权利要求1所述的电力系统短路故障快速检测方法，其特征在于该方法加入功率检测作为辅助判断条件，以提高判断准确度和方便地判断短路电流的方向。

3.根据权利要求2所述的电力系统短路故障快速检测方法，其特征在于该方法在计算当前功率时，所用的电压值是数字信号处理器存储的上一周波对应时刻的电压值，而电流用的是当前的采样值：当电网正常运行时，电网电压周期性的重复，上一周波的电压与当前周波的电压一致；当短路故障发生时，由于功率计算中所用的是上一周波的电压值，电压值并不会发生变化，只有电流值发生变化，功率的变化情况完全对应着电流的变化情况，从而以此功率的变化来判断短路故障是否发生。

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