CN102354427B - 剩余电流式电气火灾柔性在线辨识方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种剩余电流式电气火灾柔性在线辨识方法及装置，通过在电力低压配用电系统输馈电线路中设置剩余电流互感器，采用馈电支路剩余电流及其它信号检测单元获取互感器采集到的线路集总剩余电流瞬时值irz及波形，根据点热积聚剩余电流瞬时值ird突变、不连续、非线性的特性，采用现代信息处理技术从irz中分离提取ird并计算其有效值Ird，进而以Ird的大小来辨识判断是否有潜在的电气火灾危险。在线辨识装置由剩余电流信号处理单元、馈电支路剩余电流及其他信号量检测单元和输出执行单元三部分组成。本发明能准确提取电弧性接地故障产生的潜在电气火灾危险特征，正确辩识正常剩余电流和异常剩余电流，避免漏、误报现象的产生。
Description
技术领域
本发明属于电力低压配用电系统故障监测与控制技术领域，涉及一种用于监测有效接地系统因电弧性接地短路而导致电气火灾事故发生的在线辨识方法及装置。
背景技术
在有效接地的电力低压配(用)电系统中，由于输电线路(缆)及用电设备存在材质老化、意外受损、绝缘性能下降或失效等原因，经常导致系统发生电弧性接地短路故障，产生温度超过2000℃的电弧、电火花，进而诱燃周围可燃物，引发重大的电气火灾事故，严重威胁配(用)电系统的正常运行以及群众的生命财产安全。
目前本领域公知的用于监测并防控电弧性接地短路故障的方法是采用在电气线路中安装剩余电流保护装置，通过实时检测线路中的集总剩余电流的有效值Irz并使之与装置中按照国标相关规定预设的固定阈值Irg做逻辑比较，进而给出电气线路中是否存在电气火灾事故隐患的辨识、报警或防控跳闸判决。但是该法在实际应用中存在主要问题是其不能准确分辨并分离集总剩余电流有效值Irz中所包含的点热积聚剩余电流有效值Ird(由电弧性接地短路故障引起，可引发电气火灾)和平均分布剩余电流有效值Irp(由线路和电气设备本身正常运行时产生，是线路运行时间与状态、环境温度与湿度、负载数量与种类等多种不确定因素的函数，无潜在电气火灾危险)二者的量值或比值，同时受Irp量值不确定性影响时常引起：在无潜在电气火灾危险(即Ird很小)时，可能由于Irp向上波动导致集总剩余电流值Irz大于预设阈值Irg——产生误报；或在有潜在电气火灾危险(即Ird较大)时，又由于Irp向下波动使集总剩余电流值Irz不能大于预设阈值Irg——产生漏报；尤其是当线路或电气设备中存在的正常平均分布剩余电流Irp与电弧性接地故障产生的Ird存在相角差时，其矢量叠加后的集总剩余电流值Irz幅值有时可能反而会比无故障时减小，使这种漏报现象更为严重。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的上述误报和漏报问题加以解决，提供一种可有效辨识电力低压配电系统输(馈)电线路中由电弧性接地故障产生的潜在电气火灾危险特征的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识方法，同时还提供一种可用于实现该方法的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置。
本发明所述的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识方法包括以下实施步骤：
1、在有效接地的电力低压配用电系统输馈电线路中装设剩余电流互感器，使输电电缆穿其心而过，通过一个馈电支路剩余电流及其它信号检测单元(B)测量处理互感器采集到的线路集总剩余电流瞬时值irz及其波形，根据瞬时无功理论公式或有效值定义公式计算获得其有效值Irz；
2、根据互感器输出值的集总剩余电流瞬时值irz与点热积聚剩余电流瞬时值ird及平均分布剩余电流瞬时值irp的关系：irz是irp与ird的矢量叠加和，其中的平均分布剩余电流的有效值Irp的大小随着电缆长度、用电设备的数量和种类、环境温度和湿度等因素的改变而变化，但该有效值变化相对缓慢，有明显稳态趋势特性，其瞬时值irp的波形在时域上表现为一个频率是工频50Hz(电力低压配电系统工作频率)的正弦波，而点热积聚剩余电流有效值Ird的大小决定于输(馈)电线路沿线某点对地燃弧放电的严重程度，因电弧、电火花是气体自持放电的一种形式，其等效电阻具有高度非线性、时变性、暂态突变性，致使流过该等效电阻的点热积聚剩余电流瞬时值ird在时域上的波形为一具有非线性、时变性和暂态突变性特征的高次谐波；通过一个剩余电流信号处理单元采用现代信息处理方法，如通用滤波处理方法或自相关理论计算法或傅立叶变换法或单相瞬时无功理论计算法或卡尔曼滤波处理方法，依据点热积聚剩余电流的非线性、突变性特征，从集总剩余电流瞬时值irz的波形中去除呈现工频50Hz正弦波波形特征的平均分布剩余电流瞬时值irp，其余部分即为点热积聚剩余电流瞬时值ird的波形，进一步按瞬时无功理论公式或有效值定义公式处理ird，计算获得点热积聚剩余电流的有效值Ird，并以此有效值的大小做为是否有电气火灾事故可能发生的辨识、报警或防控跳闸的判定标准：当Ird＞100mA(电弧起弧推荐值)时，该输馈电线路沿线有危险电弧性接地短路故障发生，即存在潜在电气火灾事故隐患；当Ird≤100mA时，则该输馈电线路沿线无危险电弧性接地短路故障发生，即不存在潜在电气火灾事故隐患；
3、当Ird＞100mA时，通过一个输出执行单元向该输馈电线路的控制系统发出防控跳闸指令或报警信息，消除或指示该输馈电线路沿线电弧性接地短路故障，防止电气火灾事故的发生。
用于实现上述方法的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置包括剩余电流信号处理单元、馈电支路剩余电流及其它信号检测单元和输出执行单元三个主工作单元，其中：
剩余电流信号处理单元由信号预调理子单元、DSP系统模块、单片机系统模块、CPLD逻辑与组合系统模块、键盘模块、液晶显示模块、通信口模块和日历时钟模块组成，信号预调理子单元的输出端直接接入DSP系统模块，DSP系统模块分别通过标准SPI总线和通用并行输入输出口与单片机系统模块和CPLD逻辑与组合系统模块相连，单片机系统模块通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块相连，键盘模块和液晶显示模块分别经磁耦合器隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块相连，通信口模块经磁耦合器隔离后同时与单片机系统模块和CPLD逻辑与组合系统模块相连，日历时钟模块直接与单片机系统模块相连；
馈电支路剩余电流及其它信号检测单元由馈电支路剩余电流检测子单元、电缆接头温度检测扩展子单元、开关合分状态检测子单元组成，馈电支路剩余电流检测子单元及电缆接头温度检测扩展子单元的输出端分别与剩余电流信号处理环节中的信号预调理子单元的输入端相连，开关合分状态检测子单元的输出端经光电耦合器隔离后接至剩余电流信号处理单元内CPLD逻辑与组合系统模块的输入端；
输出执行单元由三个开出回路组成，它们分别通过功率光电耦合器隔离、驱动后与剩余电流信号处理单元内CPLD逻辑与组合系统模块的输出端相连。
具体实施方案中，该装置馈电支路剩余电流及其他信号量检测单元中的剩余电流检测子单元采用六只并列的剩余电流互感器，电缆接头温度检测扩展子单元采用四路并列的温度传感器，开关合分状态检测子单元的输入直接来至外部输馈电线路开关的辅助触点，对开关的辅助触点的防抖动处理由该子单元内置的钳位二极管、限幅稳压管、通用阻容器件构成的防抖调理电路来实现；该装置输出执行单元中的三个开出回路分别为开关脱扣开出回路、信号预告开出回路和消防联动开出回路。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下所述。
一、采用本发明所述的方法及装置能准确提取电弧性接地故障产生的潜在电气火灾危险特征，正确识别正常剩余电流和异常剩余电流，避免漏报或误报现象的产生。
二、本发明一台装置可同时对六个输(馈)电回路的集总剩余电流有效值Irz和点热积聚剩余电流有效值Ird同时进行连续精确瞬时检测，完成该六条回路的绝缘降低、人体间接接触、直接接触、设备漏电事故的补充防止与保护，对带有危险电压而引发的电击伤害或电气火灾危险进行有效制止和隔离。
三、该装置中设置三个开出回路，分别为开关脱扣开出回路、信号预告开出回路和消防联动开出回路。开出回路输出独立干接点，在探测到电气火灾发生或电击伤害的信息特征后，其中开关脱扣开出回路内置的六路继电器分别用于切断各自回路电源(软压板投切)，信号预告开出回路实施就地声光报警，消防联动开出回路用于信号远传和联动。
四、本发明装置的保护柔性强，支持动作有区域选择性的分级保护和时间协调配合保护，级差、时差现场用按键可连续整定修改，剩余电流保护采用两段式，配合方便，I段按点热积聚剩余电流Ird保护，定值范围1mA～1000mA，级差1mA，延时0.00～55.99s，时差0.01s；II段按剩余电流的集总值Irz保护，定值范围20mA～1200mA，级差1mA；延时0.00～55.99s，时差0.01s。
五、本发明装置设置了开放的通讯网络，具有强大的联网能力，可支持多种协议，它既能单独成方便构成电气火灾监控系统，实现远方集中管理和监控，又可直接无缝融入配电系统电力监控或消防系统监控平台。
六、本发明装置具有SOE事件记录功能。
七、本发明装置具有四路温度传感器接口。
附图说明
附图是本发明所述剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置的电路结构原理图；
附图中各标号名称分别为：A-剩余电流信号处理单元，B-馈电支路剩余电流及其他信号量检测单元，C-输出执行单元；1-馈电支路剩余电流检测子单元(剩余电流互感器)，2-信号预调理子单元，3-电缆接头温度检测扩展子单元(温度传感器)，4-开关合分状态检测子单元，5-光电耦合器，6-DSP系统模块，7-单片机系统模块，8-CPLD逻辑与组合系统模块，9-日历时钟模块，10-磁耦合器，11-磁耦合器，12-磁耦合器，13-通信口模块，14-液晶显示模块，15-键盘模块，16-功率光电耦合器，17-功率光电耦合器，18-功率光电耦合器，19-开关脱扣开出回路，20-信号预告开出回路，21-消防联动开出回路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明内容做进一步说明。
本发明所述剩余电流式电气火灾柔性在线辨识方法的基本内容是通过在有效接地的电力低压配用电系统输馈电线路中装设剩余电流互感器，使输电电缆穿其心而过，采用剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置中的馈电支路剩余电流及其它信号检测单元B测量由互感器采集并输出的该支路集总剩余电流的瞬时值irz及其波形，进而根据瞬时无功理论公式或有效值定义公式计算获得其集总剩余电流的有效值Irz；根据互感器输出的该支路集总剩余电流的瞬时值irz与点热积聚剩余电流瞬时值ird及平均分布剩余电流瞬时值irp的关系，并根据点热积聚剩余电流瞬时值ird突变、不连续、非线性的特性，采用现代信息处理技术(如通用滤波处理方法或自相关理论计算法或傅立叶变换法或单相瞬时无功理论计算法或卡尔曼滤波处理方法等)，从集总剩余电流瞬时值irz中分离提取ird(包括波形及大小)，计算ird的有效值Ird，并以此参量辨识判断潜在电气火灾危险的有无。
本发明所述的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置的一种实施例结构如附图所示，它由剩余电流信号处理单元A、馈电支路剩余电流及其他信号量检测单元B和输出执行单元C三部分组成，馈电支路剩余电流及其他信号量检测单元B、输出执行单元C分别通过相应接口与剩余电流信号处理单元A相连。
馈电支路剩余电流及其他信号量检测单元B包括馈电支路剩余电流检测子单元1、电缆接头温度检测扩展子单元3和开关合分状态检测子单元4。馈电支路剩余电流检测子单元1、电缆接头温度检测扩展子单元3的输出分别与剩余电流信号处理单元A中的信号预调理子单元2的输入相连；开关合分状态检测子单元4通过光电耦合器5隔离后连至CPLD逻辑与组合系统模块8。具体实例的结构设计上，馈电支路剩余电流检测子单元1采用六只并列的剩余电流互感器(如HCT201A)，电缆接头温度检测扩展单元3采用四路并列的温度传感器(如Pt100)，开关合分状态检测单元4直接取馈电开关的辅助触点信号，其防抖处理由该子单元内置的钳位二极管、限幅稳压管、通用阻容器件构成的防抖电路实现；光电耦合器5选用通用光隔器件(如TLP521-X)。
基于双CPU技术的剩余电流信号处理单元A由信号预调理模块2、DSP系统模块6、单片机系统模块7、CPLD逻辑与组合系统模块8、键盘模块15、液晶显示模块14、通信口模块13和日历时钟模块9等组成。信号预调理模块2的输出端直接连至DSP系统模块6的AD输入端。DSP系统模块6通过标准SPI总线和单片机系统模块7相连，同时通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块8相连，并分别与他们交换数据。单片机系统模块7通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块8相连并与其交换数据。键盘模块15、液晶显示模块14分别经磁耦合器12、11隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块8相连；通信口模块13经磁耦合器10隔离后与单片机系统模块7、CPLD逻辑与组合系统模块8相连。日历时钟模块9直接与DSP系统模块6、单片机系统模块7相连。具体结构设计上，信号预调理模块2由集成I/V转换电路(如RVC420)、钳位二极管(如IN4148)、限幅稳压管、通用阻容器件组成的滤波器实现，DSP系统模块6可采用内置A/D的TMS320系列处理器(如TMS320F2812)，单片机系统模块7采用DSPIC30F6014A、ADuC8XX系列单片机，CPLD逻辑与组合系统模块8采用MAX7000系列器件(如EPM7128)，通信口模块13可选用ADM3251、ADM2587器件或ETORS232模块等，三个磁耦合器10、11、12需选用高速磁隔离器件(如ADUM1200)。
输出执行单元C主要由开关脱扣开出回路19、信号预告开出回路20，消防联动开出回路21组成。各个开出回路分别通过功率光电耦合器16、17、18隔离后与剩余电流信号处理单元A中的CPLD逻辑与组合系统模块8相连。具体实施结构上，各个开出回路19～21均采用通用控制继电器(如JQX-14)或固态继电器SSR(如S310ZK)，三个功率光电耦合器16～18则需选用输出驱动能力较大的光耦器件(如TLP127)。
实际工作中，该剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置通过信号预调理模块2将由馈电支路剩余电流检测子单元1和电缆接头温度检测扩展子单元3送入的六路馈电支路剩余电流和四路温度信号分别进行放大、限幅、滤波、隔离、I/V变换后，再送入含有内置A/D转换器的DSP系统模块6进行采样和处理，其间利用交流采样技术实时分别采集六路输馈电支路各自的集总剩余电流瞬时值irz(irz1～irz6)，基于瞬时无功理论或有效值定义公式分别计算其各自的有效值Irz(Irz1～Irz6)，同时根据点热积聚剩余电流瞬时值ird的非线性、突变性特征采用现代信号处理技术(如通用滤波、自相关理论、傅立叶变换、单相瞬时无功理论、卡尔曼滤波等)对各自回路的集总剩余电流瞬时值irz(irz1～irz6)进行处理，从中分离提取ird(ird1～ird6)的波形，计算各自ird的有效值Ird(Ird1～Ird6)，并依据这些有效值量值大小分别辨识判断各自对应的输馈电支路是否存在潜在电气火灾事故，从而规避平均分布剩余电流Irp(或irp)的变化对辨识结果的影响。以通用滤波技术为例，将剩余电流互感器测得的集总剩余电流瞬时值irz经陷波和高通滤波器算法公式y(n)＝3.6131y(n-1)-4.9126y(n-2)+2.9803y(n-3)-0.6811y(n-4)+0.8259x(n)-3.2968x(n-1)+4.9418x(n-2)-3.2968x(n-3)+0.8259x(n-4)，即可去除频率为工频50Hz、波形为正弦波的平均分布剩余电流irp，获得点热积聚剩余电流ird波形，进一步计算可得ird有效值Ird。上述陷波和高通滤波器算法公式中，x(n)、y(n)为滤波器的输入和输出值序列。
四路温度信号经平均值滤波算法后可直接得到电缆接头温度测量值T(T1～T4)。DSP系统模块6还将计算处理好的集总剩余电流有效值Irz(Irz1～Irz6)、点热积聚剩余电流有效值Ird(Ird1～Ird6)、电缆接头温度测量值T(T1～T4)等数据通过SPI总线传送给单片机系统模块7。
单片机系统模块7根据传来的各个参数，分别与预先设定在内存中的阈值Irzg(Irzg1～Irzg6)、Irdg(Irdg1～Irdg6，通常均取电弧起弧推荐值100mA)、Tg(Tg1～Tg4)做比较，经判断分析后，给出各自馈电回路的I段点热积聚剩余电流Ird过电流保护、II段剩余电流的集总值Irz过电流保护或电缆接头温度过高保护的控制命令，送入CPLD逻辑与组合系统模块8进行逻辑运算，经功率光电耦合器16～18隔离、驱动，再送至开出回路19～21分别完成对六路输馈电支路各自开关的脱扣控制、电气火灾事故信号预告和消防系统的联动，最终达到对潜在电气火灾事故准确辨识和有效防控之目的。
输馈电回路的开关的辅助触点可直接接入开关合分状态检测子单元4，以便工作人员远程监控输馈电开关的工作状态。
本发明装置进行在线辨识电气火灾的流程如下：
1)系统上电、自检、初始化；
2)检查本发明装置自身系统是否有故障，有故障时转入相应处理程序，给出故障诊断提示信息，无故障时向下步执行；
3)不断采集各输馈电支路剩余电流瞬时值、电缆接头温度值；
4)计算剩余电流的集总值Irz，分离点热积聚剩余电流Ird，计算温度T值；
5)存储数据，与预先设定在内存中各自的阈值比较，判断是否存在潜在电气火灾事故，存在时给出开关的脱扣控制命令、预告信号、联动信息，不存在时向下步执行；
6)重复2)步骤。
通过以上说明和实施例描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，特别是显示了本发明方法及装置的精髓所在——利用点热积聚剩余电流瞬时值ird的非线性、突变性特征从irz中分离与提取ird并计算其有效值Ird的方法。但本发明的实际应用方式并不受上述实施例的限制，在不脱离本发明主旨范围的前提下，本发明还会有各种相应变化和改进，这些变化和改进都应落入本发明要求保护的范围内，而保护范围可由本发明申请文本所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种剩余电流式电气火灾柔性在线辨识方法，其特征在于：
1.1、在有效接地的电力低压配用电系统输馈电线路中装设剩余电流互感器，使输电电缆穿其心而过，通过一个馈电支路剩余电流及其它信号检测单元(B)测量处理互感器采集到的线路集总剩余电流瞬时值irz及其波形，根据瞬时无功理论公式或有效值定义公式计算获得其有效值Irz；
1.2、根据互感器输出值的集总剩余电流瞬时值irz与点热积聚剩余电流瞬时值ird及平均分布剩余电流瞬时值irp的关系：irz是irp与ird的矢量叠加和，其中irp的波形在时域上表现为一个频率是工频50Hz的正弦波，而ird的波形为一具有的非线性、时变性和暂态突变性特征的高次谐波，通过一个剩余电流信号处理单元(A)采用自相关理论计算法或傅立叶变换法或单相瞬时无功理论计算法或卡尔曼滤波处理方法，从集总剩余电流瞬时值irz波形中去除呈现工频50Hz正弦波波形特征的平均分布剩余电流瞬时值irp，其余部分即为点热积聚剩余电流瞬时值ird的波形，进一步按瞬时无功理论公式或有效值定义公式处理ird，计算获得点热积聚剩余电流的有效值Ird，并以此有效值的大小做为是否有电气火灾事故可能发生的辨识、报警或防控跳闸的判定标准：当Ird＞100mA时，该输馈电线路沿线有危险电弧性接地短路故障发生，即存在潜在电气火灾事故隐患；当Ird≤100mA时，该输馈电线路沿线无危险电弧性接地短路故障发生，即不存在潜在电气火灾事故隐患；
1.3、当Ird＞100mA时，通过一个输出执行单元(C)向该输馈电线路的控制系统发出防控跳闸指令或报警信息。
2.一种采用权利要求1所述剩余电流式电气火灾柔性在线辨识方法的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置，其特征在于包括剩余电流信号处理单元(A)、馈电支路剩余电流及其它信号检测单元(B)和输出执行单元(C)三个主工作单元，其中：
2.1、剩余电流信号处理单元(A)由信号预调理子单元(2)、DSP系统模块(6)、单片机系统模块(7)、CPLD逻辑与组合系统模块(8)、键盘模块(15)、液晶显示模块(14)、通信口模块(13)和日历时钟模块(9)组成，信号预调理子单元(2)的输出端直接接入DSP系统模块(6)，DSP系统模块(6)分别通过标准SPI总线和通用并行输入输出口与单片机系统模块(7)和CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连，单片机系统模块(7)通过通用并行输入输出口和CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连，键盘模块(15)和液晶显示模块(14)分别经磁耦合器(12、11)隔离后与CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连，通信口模块经磁耦合器(10)隔离后同时与单片机系统模块(7)和CPLD逻辑与组合系统模块(8)相连，日历时钟模块(9)直接与单片机系统模块(7)相连；
2.2、馈电支路剩余电流及其它信号检测单元(B)由馈电支路剩余电流检测子单元(1)、电缆接头温度检测扩展子单元(3)、开关合分状态检测子单元(4)组成，馈电支路剩余电流检测子单元(1)及电缆接头温度检测扩展子单元(3)的输出端分别与剩余电流信号处理单元(A)中的信号预调理子单元(2)的输入端相连，开关合分状态检测子单元(4)的输出端经光电耦合器(5)隔离后接至剩余电流信号处理单元(A)内CPLD逻辑与组合系统模块(8)的输入端；
2.3、输出执行单元(C)由三个开出回路(19、20、21)组成，它们分别通过功率光电耦合器(16、17、18)隔离、驱动后与剩余电流信号处理单元(A)内CPLD逻辑与组合系统模块(8)的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置，其特征在于馈电支路剩余电流及其他信号量检测单元(B)中的剩余电流检测子单元(1)采用六只并列的剩余电流互感器，电缆接头温度检测扩展子单元(3)采用四路并列的温度传感器。
4.根据权利要求2所述的剩余电流式电气火灾柔性在线辨识装置，其特征在于输出执行单元(C)中的三个开出回路(19、20、21)分别为开关脱扣开出回路(19)、信号预告开出回路(20)和消防联动开出回路(21)。
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