CN102608499A - 一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置及控制方法。小电流接地选线装置包括多路交流采样信号输入接口、运放滤波模块、模/数转换模块、中央处理器模块、电源模块、人机模块以及通讯模块，其中多路交流采样信号输入接口、运放滤波模块、模/数转换模块依次连接，模/数转换模块、人机模块、通讯模块分别与中央处理器模块双向连接，电源模块连接各个部分提供电源。该装置采用能够对零序电流故障分量有效提取的零序电流差分滤波算法，能够在正常运行时不平衡电流比较大的供电系统中有效的提取零序电流故障分量，提高小电流接地选线装置的选线准确率。

Description

一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置及控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统低压配电网故障检测领域，尤其涉及一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置及控制方法。

背景技术

在变电站(所)、开关站和发电厂中，66千伏、35千伏、10千伏、6千伏和3千伏配电线路，是电力系统的主要组成部分。在这些电压等级的系统中，大多采用小电流接地系统的运行方式，既是变压器和发电机的中性点都采取了不接地或经过消弧线圈、电阻接地的方式进行输配电。并且在同一电压等级的母线上又有多条输出或输入配电线路相连接，大部分采用铝或铜排架空引出或高压电力电缆线引出；线路数量一般有五六条、十几条或二三十条不等；每一条配电线路又有很多分支，按“辐射”状架设，再与各配电变压器连接，由配电变压器降成“低压”后供给广大的用户使用。在这类配电系统中，经常会发生相间短路、过电流或过负荷和单相接地等故障现象，其中单相接地的发生率最为频繁。单相接地是一种常见的临时性故障，多发生在潮湿、多雨天气，树障、配电线路绝缘子单相击穿、单相断线及小动物危害等诸多因素均可引发。发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统可运行1～2h，这也是小电流系统的最大优点。但是若发生单相接地故障时电网长期运行，因非故障的两相对地电压升高，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电。还可能使电压互感器铁心严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。同时弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。

小电流接地系统单相接地故障选线问题为多年来困扰配电网运行的难题。早在国内从上世纪初期就有许多电力工程技术人员和高等院校对此项目进行过大量的研究，到了上世纪80年代，微机的出现给小电流接地选线研制提供了硬件条件，90年代初掀起了“小电流接地选线技术”的应用高潮，小电流接地选线装置问世以来，已经经历了几次更新换代，研究的认识度不但深入，技术理论和方案也越来越多，准确率逐步在提高。目前在现场应用的选线理论主要有以下几种：

1、稳态分量法：

包括群体比幅比相法、补偿法、时序鉴别法、谐波法、移相法、导纳法、功率法等。

2、暂态分量法：

包括首半波法、小波分析法、能量法、谱功率法等。

3、外部影响法：

包括残余电流增量法、信号注入法等。

虽然众多基于新一代选线理论的小电流接地选线装置已在现场运行并取得一定的运行效果，但选线的准确率还不能令人满意。究其原因除了各种算法的局限性、系统铁磁谐振的扰动和零序电流互感器的精度外，影响选线装置准确性的关键原因就在于一个“小”。因为接地时的电流很小，从几毫安到几十毫安或几百毫安，最大也只有几安培，与供电线路中的几百安培或数千安培的负荷电流相比，相差数千倍或数万倍。尤其是在一些因为没有配置零序CT而采用三相电流合成零序电流的测量误差比较大的供电系统和一些工矿企业等在正常运行中不平衡电流比较大的供电系统中，线路中故障时的电流与非故障时的电流相比没有十分明显的区别，造成故障时的零序电流信号被非故障时就存在的不平衡电流信号所干扰，往往把零序电流信号给淹没了，选线装置无法有效的分离和识别故障时的零序电流信号。另外，当接地故障发生时，不仅故障线路对地有电容电流，而非故障线路对地同时也有电容电流，这样不仅要测量故障线路的电容电流，还要测量非故障线路的电容电流，并要进行区分，难度更大。所以在正常运行时不平衡电流比较大的供电系统中如何有效的识别系统单相接地时的故障信号，这也是影响选线装置准确率的其中一个重要原因。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置及控制方法，能够解决在现有选线技术中对正常运行时不平衡电流比较大的供电系统中如何有效地识别系统单相接地时的故障信号的问题，提高小电流接地选线装置的选线准确率。

本发明的实现技术方案如下：

一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置及控制方法，该小电流接地选线装置包括多路交流采样信号输入接口、运放滤波模块、模/数转换模块、中央处理器模块、电源模块、人机模块以及通讯模块，其中多路交流采样信号输入接口、运放滤波模块、模/数转换模块依次连接，模/数转换模块、人机模块、通讯模块分别与中央处理器模块双向连接，电源模块连接各个部分提供电源。

所述中央处理器模块为多处理器结构，由主控CPU芯片、DSP芯片、FPGA芯片、存储器及外围电路构成，模/数转换模块与FPGA芯片连接，人机模块、通讯模块与主控CPU芯片连接。

所述多路交流采样输入接口与运放滤波模块的连接之间设有TV/TA隔离电路。每一路信号采集对应一个交流变换器，变换出来的信号通过滤波器和运算放大器处理后送到模/数转换模块，经模/数转换模块转换后送到现场可编程门阵列FPGA单元；

所述中央处理器模块的主控CPU芯片连接人机模块，人机模块由显示器和键盘构成；

所述中央处理器模块的主控CPU芯片连接通信模块，通信模块包括串行通信接口和以太网通信接口；

所述模/数转换模块由多个并行的模/数转换器组成；

所述人机模块由显示器和键盘构成；

所述电源模块向上述模块供电。

一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置的控制方法，包括如下步骤：

在选线流程中设有一个电流差分处理程序模块，在不平衡电流较大的故障信号中提取零序电流故障分量。

1)装置检测到零序电压变化的条件达到保护设定的门槛值，程序启动。

2)装置读取实时零序电压，进行零序电压元件判断，如果达到则执行下一步骤；如果没达到则返回上一步骤。

3)置故障启动有效标志。

4)装置检测内部控制字是否投入“电流差分处理”功能，如果投入“电流差分处理”功能，执行零序电流差分滤波处理后再进行零序电流元件判断；如果没有投入“电流差分处理”功能，则直接执行零序电流元件判断。

5)零序电流故障分量进行电流元件判断，如果符合判据则执行选线逻辑判断；如果不符合判据则执行系统扰动判断并输出扰动判断结果。

6)装置执行选线逻辑判据判断选择故障线路，选线后进行故障信号告警或故障线路跳闸，并输出选线判断结果。

本发明所述方案具体工作原理及算法，包括如下：

确认所应用的现场工况为系统正常运行时不平衡电流会比较大，把小电流接地选线装置的控制字中的“电流差分处理”项目选择投入。

当供电系统发生单相接地故障时，小电流接地选线装置采集到的系统零序电压大于电压元件判据后，小电流接地选线装置程序置故障启动有效标志，而后对所采集馈线的零序电流信号进行差分滤波。

滤波差分方程如下：

y(n)＝x(n)-x(x-K)        (1-1)

K是步长，为事先确定的常数，K＞＝1，可根据不同的滤波要求进行补偿。设输入信号为

式中，X_m，

f代表输入信号的幅值，相位和频率，那么在t_n＝nT_s时刻的采样值为：

则x(n-K)则表在t_n-K＝t_n-KT_s＝(n-K)T_s时刻的采样值，即

经过差分滤波计算后，输出信号序列为：

即

式中 $Y_m=\left|{2X}_m\sin \left(\frac{{2\mathrm{\πfKT}}_s}{2}\right)\right|$

若取每基频周期内采样点为N，基频频率为f₁，则有

则有差分滤波器的幅频特性为：

$H\left(f\right)=\frac{Y_m}{X_m}=\left|2\sin \left(\frac{{2\mathrm{\πfKT}}_s}{2}\right)\right|=\left|2\sin \left(\frac{\mathrm{fK}}{{\mathrm{Nf}}_1}\mathrm{\π}\right)\right|---(1-5)$

令

在上式中，当取f＝mf_m，m＝0，1，2………时，H(f)＝0。当供电系统正常运行时，电流差分处理后无故障分量输出，y(n)＝0；当发生单相接地故障时，在故障后的第一个基频周期内，输出量y(n)为故障信号的故障分量。

小电流接地选线装置采集到零序电流故障分量后进行选线程序电流元件判断，区分出是系统扰动还是系统单相接地。如果是系统扰动，经过系统扰动判据判别后输出结果；如果是系统单相接地故障，经过选线逻辑判断后输出结果。

本发明的突出优点在于：

提供了一种能够很好的满足小电流接地选线系统的性能、可靠性、成本、体积等要求的硬件平台，专门针对小电流接地选线装置的特点而提出，采用先进的嵌入式平台和FPGA技术，采样率达每周波1024个点，模/数转换模块采样频率高，数据量大，能解决现有的硬件平台在实时采样、处理方面往往不能满足实际应用要求的情况。该装置采用能够对零序电流故障分量有效提取的零序电流差分滤波算法，能够在正常运行时不平衡电流比较大的供电系统中有效的提取零序电流故障分量，提高小电流接地选线装置的选线准确率。

附图说明

图1是本发明的硬件结构图；

图2是本发明的保护启动流程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明所述的一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置，由多路交流采样信号输入接口1、运放滤波模块2、模/数转换模块3、中央处理器模块4、电源模块5、人机模块6以及通讯模块7组成。，其中多路交流采样信号输入接口1、运放滤波模块2、模/数转换模块3依次连接，模/数转换模块3、人机模块6、通讯模块7分别与中央处理器模块4双向连接，电源模块5连接各个部分提供电源。所述中央处理器模块4为多处理器结构，由主控CPU芯片、DSP芯片、FPGA芯片、存储器及外围电路构成，模/数转换模块3与FPGA芯片连接，人机模块6、通讯模块7与主控CPU芯片连接。

每一个多路交流采样信号输入接口1设有12对信号采集输入端口，其中有两对信号接收来自零序电压互感器PT的电压信号，另外的10对信号接收来自零序电流互感器CT的零序电流信号。每一路信号采集对应一个交流变换器，变换出来的信号通过运放滤波模块2处理后送到模/数转换模块3，经模/数转换模块3转换后送到现场可编程门阵列FPGA单元；

中央处理器模块4的主控CPU芯片连接人机模块6，人机模块6由显示器和键盘构成；

中央处理器模块4的主控CPU芯片连接通信模块7，通信模块7包括串行通信接口和以太网通信接口；

所述模/数转换模块3由多个并行的模/数转换器组成；

所述电源模块5向上述模块供电。

如图2所示，本发明所述的差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置的控制方法，包括如下步骤：

1)在步骤101，装置检测到零序电压变化的条件达到保护设定的门槛值，转入下一步处理。

2)在步骤102，装置读取实时零序电压，提供数据给下一个步骤作判断。

3)在步骤103，判断零序电压的幅值U是否达到设定值，如果达到则执行步骤104，如果没达到则继续执行步骤102实时计算电压。

4)在步骤104，置故障启动有效标志转入下一步的判断。

5)在步骤105，装置检测装置内部控制字是否投入“电流差分处理”，如果投入“电流差分处理”，执行步骤106；如果没有投入“电流差分处理”，执行步骤107。

6)在步骤106，装置采集故障电流信号，通过电流差分处理后得到零序电流故障分量。

7)在步骤107，装置读取通过电流差分处理后得到零序电流故障分量或读取实时零序电流，提供数据给下一个步骤作判断。

8)在步骤108，判断零序电流是否达到设定值。如果达到则执行步骤110选线逻辑判断；如果没有则执行步骤109系统扰动判断。

9)在步骤109，装置通过系统扰动判据判断扰动类型，得出结果并转入步骤112。

10)在步骤110，装置通过选线逻辑判据判断故障线路，得出结果并转入步骤111。

11)在步骤111，装置通过已设定的内部定值来选择处理选线结果，如上传告警信号或跳闸出口。

Claims (7)

1.一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置，其特征在于，该装置由多路交流采样信号输入接口、运放滤波模块、模/数转换模块、中央处理器模块、电源模块、人机模块以及通讯模块组成，其中多路交流采样信号输入接口、运放滤波模块、模/数转换模块依次连接，模/数转换模块、人机模块、通讯模块分别与中央处理器模块双向连接，电源模块连接各个部分提供电源。

2.根据权利要求1所述的小电流接地选线装置，其特征在于，所述中央处理器模块由主控CPU芯片、DSP芯片、FPGA芯片、存储器及外围电路构成，模/数转换模块与FPGA芯片连接，人机模块、通讯模块与主控CPU芯片连接。

3.根据权利要求1所述的小电流接地选线装置，其特征在于，所述多路交流采样输入接口与运放滤波模块的连接之间设有TV/TA隔离电路，每一路信号采集对应一个交流变换器，变换出来的信号通过滤波器和运算放大器处理后送到模/数转换模块，经模/数转换模块转换后送到现场可编程门阵列FPGA单元。

4.根据权利要求1所述的小电流接地选线装置，其特征在于，所述人机模块由显示器和键盘构成。

5.根据权利要求1所述的小电流接地选线装置，其特征在于，所述通信模块包括串行通信接口和以太网通信接口。

6.根据权利要求1所述的小电流接地选线装置，其特征在于，所述模/数转换模块由多个并行的模/数转换器组成。

7.一种差分滤波抑制不平衡电流的小电流选线装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在选线流程中设有一个电流差分处理程序模块，在不平衡电流较大的故障信号中提取零序电流故障分量，

1)在步骤101，装置检测到零序电压变化的条件达到保护设定的门槛值，转入下一步处理，

2)在步骤102，装置读取实时零序电压，提供数据给下一个步骤作判断，

3)在步骤103，判断零序电压的幅值U是否达到设定值，如果达到则执行步骤104，如果没达到则继续执行步骤102实时计算电压，

4)在步骤104，置故障启动有效标志转入下一步的判断，

5)在步骤105，装置检测装置内部控制字是否投入“电流差分处理”，如果投入“电流差分处理”，执行步骤106；如果没有投入“电流差分处理”，执行步骤107，

6)在步骤106，装置采集故障电流信号，通过电流差分处理后得到零序电流故障分量，

7)在步骤107，装置读取通过电流差分处理后得到零序电流故障分量或读取实时零序电流，提供数据给下一个步骤作判断，

8)在步骤108，判断零序电流是否达到设定值。如果达到则执行步骤110选线逻辑判断；如果没有则执行步骤109系统扰动判断，

9)在步骤109，装置通过系统扰动判据判断扰动类型，得出结果并转入步骤112，

10)在步骤110，装置通过选线逻辑判据判断故障线路，得出结果并转入步骤111，

11)在步骤111，装置通过已设定的内部定值来选择处理选线结果，如上传告警信号或跳闸出口。

Images