CN101846717A - 一种小电流接地故障选线装置 - Google Patents

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刘海峰
曾宇
杨露
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Abstract

一种小电流接地故障选线装置，本发明的特征在于：具有与电网相接的PT/CT电路、滤波电路、运放电路、A/D转换电路、FPGA数据采集电路、微处理器电路、出口电路。本发明突破传统选线方法，采用强大的硬件平台和先进的软件算法实现小电流接地选线系统单相接地故障选线，具有选线准确率高，对瞬时性故障或间歇性弧光接地反应灵敏，不受电网系统接地方式影响等优点。

Description

一种小电流接地故障选线装置
一.技术领域
本发明涉及电力系统低压配电网领域，特别是一种小电流接地系统单相接地故障选线装置。
二.背景技术
我国低压配电网大都采用中性点非有效接地方式，系统发生单相接地故障时，由于不产生短路电流，且线电压是对称的，仍可向负荷正常供电，不必立即切除发生单相接地的供电线路，按规程要求允许继续运行1～2小时。但发生单相接地后非故障相的对地电压升高为线电压，对系统绝缘带来隐患和威胁，如不及时处理可能发展成为两相或三相故障。
目前国内的小电流接地选线装置主要采用基于稳态工频信号的选线理论，如：基波群体比幅比相法、能量法、5次谐波法、电流增量法等，从权威部门统计结果来看，在实际运行中选线装置总体选线准确率差强人意，有些甚至只有20～30％，误选、拒选的概率很大，小电流接地选线装置成了名副其实的“鸡肋”，使很多用户处于用或不用的两难境地。由于消弧线圈的补偿作用，基于稳态工频信号的选线方法在理论上就无法做到100％正确，加上过渡电阻、互感器精度的影响以及间歇性电弧带来的不确定性等，这些因素导致故障线路与非故障线路之间电气量特征的差别变小，难以识别，因此如何消除这些不利因素的影响是小电流选线技术中亟待解决的难题。
相对于稳态工频选线，暂态信号选线具有如下优势：1)单相接地故障发生瞬间，故障电流中含有丰富的暂态高频分量，是稳态下的十几倍到几十倍。2)暂态分量满足故障线路幅值最大，故障线路暂态分量的相位与其它健全线路反向。3)消弧线圈对于暂态高频分量的补偿作用很小，其影响可以忽略，不会对正确选线带来实质性的影响。
三.发明内容
本发明的目的是设计一种小电流接地故障选线装置，用于电力系统低压配电网单相接地故障时的选出故障线路并告警。
本发明的目的是这样达到的：一种小电流接地故障选线装置，本发明的特征在于：具有与电网相接的一路以上的电压互感器和电流互感器的PT/CT电路、一路以上的与电压互感器和电流互感器PT/CT电路及运放电路相连的滤波电路、一路以上的与滤波电路和A/D转换电路相连的运放电路、与运放电路和FPGA数据采集电路相连的A/D转换电路、与A/D转换电路和微处理器电路相连的FPGA数据采集电路、与FPGA数据采集电路和出口电路相连的微处理器电路、与微处理器电路相连的出口电路、供各电路工作的电源电路。
所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：其使用的软件流程为，开始后分别进入任务1和任务2，任务1主要负责模拟量采集及判别启动，其工作流程为：模拟量采集，到判别是否故障启动？是则进入故障录波后结束；否故障启动则进入计算零序电压，再判别零序电压是否大于定值？是设置故障启动标志后结束；否则结束；任务2主要负责选择接地故障线路，其工作流程为：判别是否故障启动？否回到任务2开始处继续循环判别，是故障启动则到查找故障启动点，再进入暂态量选线计算，再到报文处理及告警，再清故障启动标志后结束。
所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的运放电路采用集成电路OPA2227U。
所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的A/D转换电路采用精度为16位，采样速率为250kSPS(kSPS：千个信号每秒)的模数转换集成电路。
所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的FPGA数据采集电路采用现场可编程门阵列集成电路EPIC3T144C8。
所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的微处理器电路采用摩托罗拉高性能的32位微控制单元，运算能力超过63MIPS(MIPS：每秒处理的百万级的机器语言指令数)。
所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的出口电路采用现场可编程门阵列集成电路EPM7064SLC84-10。
所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的暂态量选线计算采用对100次谐波范围内的各次谐波进行比较计算，选取一个特征频带，对频带内的谐波大小进行比较，认为谐波最大的即为故障线路。
采用以上措施的本发明突破传统选线方法，采用强大的硬件平台和先进的软件算法实现小电流接地系统单相接地故障选线，具有选线准确率高，对瞬时性故障或间歇性弧光接地反应灵敏，不受电网系统接地方式影响等优点。
本发明相对于稳态工频选线，暂态信号选线具有如下优势：1)单相接地故障发生瞬间，故障电流中含有丰富的暂态高频分量，是稳态下的十几倍到几十倍。2)暂态分量满足故障线路幅值最大，故障线路暂态分量的相位与其它健全线路反向。3)消弧线圈对于暂态高频分量的补偿作用很小，其影响可以忽略，不会对正确选线带来实质性的影响。通过西安交通大学和国家继电保护及自动化设备质量监督检验中心动模试验检测，选线准确率达100％。
四.附图说明
附图1是本发明(实施例)的电路方框图；
附图2是本发明(实施例)的采样系统部分电气原理图；
附图3是本发明(实施例)的采样系统部分电气原理图；
附图4是本发明(实施例)的CPU系统部分电气原理图；
附图5是本发明(实施例)的CPU系统部分电气原理图；
附图6是本发明(实施例)的CPU系统部分电气原理图；
附图7是本发明(实施例)的CPU系统部分电气原理图；
附图8是本发明(实施例)的CPU系统部分电气原理图；
附图9是本发明(实施例)的CPU系统部分电气原理图；
附图10是本发明(实施例)的CPU系统部分电气原理图；
附图11是本发明(实施例)的软件流程图。
以下再结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
五.具体实施方式
附图1给出了本发明实施例的电路方框图，本发明具有与电网相接的一路以上的电压互感器和电流互感器的PT/CT电路、一路以上的与电压互感器和电流互感器PT/CT电路及运放电路相连的滤波电路、一路以上的与滤波电路和A/D转换电路相连的运放电路、与运放电路和FPGA数据采集电路相连的A/D转换电路、与A/D转换电路和微处理器电路相连的FPGA数据采集电路、与FPGA数据采集电路和出口电路相连的微处理器电路、与微处理器电路相连的出口电路。
附图2～3给出了发明实施例的采样系统部分电气原理图。附图4～10给出了本发明实施例的CPU系统部分电气原理图。参看以上附图和结合以下的材料表即可完成本发明硬件的制造。
装置采用标准19英寸4U机箱，背插式结构。各插件强弱电回路完全隔离，减少了外部电磁干扰信号在弱电侧的耦合，增强了装置的抗干扰能力。装置以摩托罗拉高性能的32位微控制单元为核心处理器，配备功能强大的外围设备，具有极强的数据处理和信息存储能力。内部结构采用插件式，各插件按照功能设计，主要包括：电源插件、CPU插件、交流采样插件、遥控插件等。
表1PT/CT模块材料表
  名称   规格型号   数量
  互感器   100V/1.2V   1
  互感器   5A/1.2V   11
表2滤波电路模块材料表
  名称   规格型号   数量
  片状电容   CC41-0805B103K500NT   36
  片状电阻   R0805-512JT   24
表3运放电路模块材料表
  规格型号   数量
  片状电阻   R0805-1000JT   28
  运放   OPA2227U   2
  规格型号   数量
  运放   LF347M   6
表4AD转换模块材料表
  名称   规格型号   数量
  芯片   ADS8364   2
  芯片   LF347M   8
  片状钽电容   CA45-35V-2.2uF-B   1
  片状钽电容   CA45-16V-47uF-D   2
  片状电阻   R0805-1002FT   48
  片状电阻排   CRN-1608-B4R-103JT   3
  压敏电阻   FNR-10K-331   6
  安规电容   CT81-3kV-6800pF   2
表5FPGA数据采集模块材料表
  名称   规格型号   数量
  电路   EP1C3T144C8   1
  电路   AT25040N-10SC-2.7   1
  电路   EPCS1SI8   1
  电路   MC74HC08AD   1
  LDO   LM1117MPX-ADJ   1
  LDO   LT1086CM-3.3   1
  名称   规格型号   数量
  电路   MC74HC14AD   1
  电路   IDT74ALVC164245PV   3
  钟振   SG-8002CA-PCB-16MHZ   1
表6微处理器模块材料表
  名称   规格型号   数量
  电路   MCF5272VF66   1
  电路   DS1337S   1
  电路   MAX793TCSE   1
  电路   EPM240T100C5   1
  电路   HY57V641620HGT-S   2
  电路   IS62WV25616BLL-55T   2
  电路   AM29LV320DB-90EC   1
  电路   LXT971ALC   1
表7出口模块材料表
  名称   规格型号   数量
  电路   EPM7064SLC84-10   1
  电路   MC74HC86AD   1
  电路   MC1413BD   3
  继电器   DK2a-24V   12
  继电器   DS2Y-S-DC24V   3
  名称   规格型号   数量
  片状钽电容   CA45-16V-47uF-D   2
  单排插针   1*2(2.54mm)   1
  双排插针   2*4(2.54mm)   1
  跳线器   (2S)   4
软件设计
在小电流接地系统中，当线路发生单相接地故障发生时，故障信号中含有丰富的谐波分量，流经故障线路的零序电流为其它线路暂态零序电流之和，这对任一频率的零序电流分量都是成立的，即
I · 0 j ( f ) = - Σ i ≠ j I · 0 i ( f ) - - - ( 1 )
(1)式中
Figure B2009101139415D0000072
为故障线路j、健全线路i上任意频率f的零序电流分量；i＝1～m，m为出线数。
可以看出，在某个频率点上，当健全线路相位一致时，故障线路幅值等于所有健全线路幅值之和且相位相反，即
I 0 j ( f ) = Σ i ≠ j I 0 i ( f ) - - - ( 2 )
目前用得最多的基波比幅比相法和5次谐波法，实际上是公式(2)的一个使用特例。可以认为，基波或5次谐波是实现选线的一个特征频率。特征频率应当是故障线路和非故障线路差异性最明显的一个频率点。
因此，正确选择特征频率是选线的关键。研究发现：线路零序阻抗的相频特性是在正负90°上交变的周期方波函数，随着频率的升高，线路零序阻抗呈容性、感性交替出现，其周期与线路参数相关，且首段频带为容性。这就说明，任何线路都有一个最低的容性频带，若取所有线路的公共容性频带为特征频带，则此频带内各健全线路的零序电流分量都为容性，都能满足式(2)的要求，见图3。
大量的RTDS实验证明：特征频带内，幅值最大的谐波故障特征最明显，选线结果最可靠。因此，本发明从特征频带内提取幅值最大的谐波作为特征频率进行比相选线。
根据香农定量：采样频率至少是被测频率的2倍以上，因此，基于特征频率的选线理论需要稳定可靠的高速采样系统支持，这是实现这一选线理论的关键技术之一。本设计发明的采样频率为51.2kHz，即每周波采1024点。
在大电阻接地情况下，故障暂态信号较弱，谐波含量少，特征频率不能满足要求；这种情况说明故障分量的能量集中在低频带，因此，采用基波进行选线可靠性更高。
附图11给出了本发明实施例的软件流程图。其使用的软件流程为：开始后分别进入任务1和任务2，任务1进入模拟量采集，再进入是否故障启动？是则进入故障录波后结束；否故障启动则进入计算零序电压，再判别零序电压是否大于定值，是则设置故障启动标志后结束；零序电压否大于定值则进入结束，任务2进入是否故障启动？否则到结束；故障启动则查找故障启动点，再进入选线计算，再进入报文处理及警告，再进入故障启动标志后结束。
本发明是这样工作的：CT、PT分别从被保护线路取得电流、电压信号，将一次的大电压、大电流信号转换为装置可以处理的小电压信号；经过CT、PT转换后的电压信号，进入滤波器，将高次谐波滤去，防止其对保护装置产生干扰；滤波后的信号，经过运算放大器进行信号放大及电平提拉，以匹配AD芯片的采样范围及输入阻抗；AD芯片由FPGA控制，进行模数转换以后，电压电流信号已经从模拟信号转换为数字信号可以供CPU进行计算差别。在CPU里面主要进行的工作有：先判别电压信号的幅值是否大于一个固定门槛，如果大于，则进入小电流选线判别程序。判别程序提取所采电流信号的暂态量，按照暂态量选线原理进行判别，如果有一条线路的条件满足，则认为其发生接地故障。装置选出接地故障的线路后，通过以太网向后台发送告警信号，同时，驱动出口板继电器动作(继电器出口连接线路的断路器)，跳开故障线路。流信号已经从模拟信号转换为数字信号可以供CPU进行计算差别。在CPU里面主要进行的工作有：先判别电压信号的幅值是否大于一个固定门槛，如果大于，则进入小电流选线判别程序。判别程序提取所采电流信号的暂态量，按照暂态量选线原理进行判别，如果有一条线路的条件满足，则认为其发生接地故障。装置选出接地故障的线路后，通过以太网向后台发送告警信号，同时，驱动出口板继电器动作(继电器出口连接线路的断路器)，跳开故障线路。

Claims (8)

1.一种小电流接地故障选线装置，其特征在于：具有与电网相接的一路以上的电压互感器和电流互感器的PT/CT电路、一路以上的与电压互感器和电流互感器PT/CT电路及运放电路相连的滤波电路、一路以上的与滤波电路和A/D转换电路相连的运放电路、与运放电路和FPGA数据采集电路相连的A/D转换电路、与A/D转换电路和微处理器电路相连的FPGA数据采集电路、与FPGA数据采集电路和出口电路相连的微处理器电路、与微处理器电路相连的出口电路、供各电路工作的电源电路。
2.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：其使用的软件流程为，开始后分别进入任务1和任务2，任务1主要负责模拟量采集及判别启动，其工作流程为：模拟量采集，到判别是否故障启动？是则进入故障录波后结束；否故障启动则进入计算零序电压，再判别零序电压是否大于定值？是设置故障启动标志后结束；否则结束；任务2主要负责选择接地故障线路，其工作流程为：判别是否故障启动？否回到任务2开始处继续循环判别，是故障启动则到查找故障启动点，再进入暂态量选线计算，再到报文处理及告警，再清故障启动标志后结束。
3.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的运放电路采用集成电路OPA2227U。
4.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的A/D转换电路采用精度为16位，采样速率为250kSPS的模数转换集成电路。
5.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的FPGA数据采集电路采用现场可编程门阵列集成电路EPIC3T144C8。
6.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的微处理器电路采用摩托罗拉的32位微控制单元。
7.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的出口电路采用现场可编程门阵列集成电路EPM7064SLC84-10。
8.根据权利要求1所述的小电流接地故障选线装置，其特征为：所述的暂态量选线计算采用对100次谐波范围内的各次谐波进行比较计算，选取一个特征频带，对频带内的谐波大小进行比较，认为谐波最大的即为故障线路。
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