CN102608500A - 一种配电网高阻单相接地故障选线装置及其启动方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网高阻单相接地故障选线装置及其启动方法。该装置由交流采样模块、故障数据分析与处理模块、人机模块、信号母板以及电源模块组成，所述交流采样模块、故障数据分析与处理模块、人机模块分别和信号母板双向连结，电源模块连接各个模块并提供电源。该装置采用提高故障启动灵敏性的零序电压突变量启动方法和保证故障启动可靠性的零序电压幅值综合启动方法，能准确地捕抓到配电网单相接地故障瞬间的故障启动点，解决单相高阻接地时故障启动点捕捉的难题。既灵敏又可靠，可应用于中性点不接地或非直接接地的配电网故障选线中。

Description

一种配电网高阻单相接地故障选线装置及其启动方法

技术领域

本发明涉及电力系统中性点非直接接地配电网的电气设备技术领域，尤其涉及一种配电网高阻单相接地故障选线装置及其启动方法。

背景技术

我国低压配电网大都采用中性点非直接接地方式，在这类电网中单相接地是电网运行的主要故障形式，约占电网总故障的60％以上，甚至大多数相间短路故障也是由单相接地故障发展而成。当发生单相接地故障时，系统线电压仍是对称的，不影响对用户的正常供电，按规程要求允许继续运行1～2小时；此时，非故障相对地电压升至线电压水平，可能导致其绝缘薄弱处发生对地击穿，从而事故扩大，尤其是以电缆为主的配电网，电缆一旦发生单相接地，多发展为永久性的相间或三相故障。据电力系统的统计表明，高阻抗性接地是单相接地中最常见的单相接地，因其故障状态复杂，如线路断线掉落草丛中，石头上，树枝挂碰高压线，电缆绝缘老化等等，其接地电阻变化范围大，故障信号微弱，常常无法捕捉故障信号导致对故障的误判，是造成接地选线装置误判的根源。

目前国内在用的小电流接地选线装置的选线理论大多数是基于稳态信号选线法，启动方法通常是零序电压固定门槛启动方式，具体是：当被测系统发生单相接地故障时会产生零序电压，当选线装置检测到零序电压超过事先的设定值时开始启动选线程序。采用零序电压固定门槛启动方式，从现场运行经验及数据表明：系统在发生单相高阻性接地时故障启动点捕捉不准确。其根本原因是当故障线路发生单相高阻性接地时产生的零序电压很小，且电压升高变化是个缓慢过程，接地故障发生的一瞬间，零序电压达不到固定启动门槛值，而当等到系统零序电压达到电压启动门槛值时已经错过了捕捉接地故障特征信号的最佳时机。从而错过了选线最佳时间，导致产生误选，从而影响选线准确率。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种配电网高阻单相接地故障选线装置及其启动方法，能够解决现有选线技术中对单相高阻性接地时故障启动点捕捉不准确的问题，提高选线准确率。

本发明的实现技术方案如下：

一种配电网高阻单相接地故障选线装置及其启动方法，该配电网高阻单相接地故障选线装置由交流采样模块、故障数据分析与处理模块、人机模块、信号母板以及电源模块组成，其中交流采样模块、故障数据分析与处理模块、人机模块分别和信号母板双向连结，电源模块连接各个模块并提供电源。

所述交流采样模块设有12对信号采集输入端口PT/CT，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，每一对信号采集输入端对应一个交流变换器，变换出来的信号通过滤波电路和运算放大电路处理后送到模/数A/D转换电路，经模/数A/D转换电路转换后送到现场可编程门阵列FPGA单元；

所述故障数据分析与处理模块由CPU模块、时钟模块、存储单元和包含有通讯串口，以太网接口的通信模块构成，该故障数据分析与处理模块通过数据总线和控制总线与各个交流采样模块及人机模块相连接；

所述人机模块由液晶显示屏和键盘构成；

所述信号母板用于CPU模块与交流采样模块及人机模块之间的信号传递；

还有一个向上述模块供电的电源模块。

本发明所述方案具体实施方法，包括以下步骤：

(1)FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)作为整个采集系统中采样控制及数据暂存的核心单元，对ADC(Analog to Digital Converter模拟/数字转换器)实施控制，并暂时保存ADC通过二阶硬件带通滤波后所采进的零序电流、电压数字信号，从而实现对所监控的配电网系统的快速高精度实时数据采集。最后由MPU(Micro Processor Unit：微处理器单元)读取FPGA的暂存数据并保存当前时刻前四个周波的数据。同时对于零序电压信号，每采进来一个数据点，就要将其与此前已采进的1023个点，通过全周傅氏算法计算出零序电压信号基频有效值。

(2)当配电网系统发生单相接地故障时，选线装置采用零序电压突变量启动和零序电压幅值综合启动判据，确定故障初始时刻。综合启动判据具体为：

程序实时检测采集到的零序电压最新采样值计算电压突变量，当零序电压突变量Δu(n)满足：Δu(n)＞Utd时，对满足突变量条件的次数进行计数，只有连续超过3次时才认为是可靠启动，然后计算并判断零序电压幅值是否满足幅值启动条件，当零序电压采样值U0(n)满足：U0(n)＞Ugd时为故障发生点，启动选线逻辑。

其中：n为采样点编号；N为一工频周波采样点数，N＝1024(即装置的采样率fs＝51.2kHz)；Δu(n)＝u(N)-2u(n-1N)+u(n-2N)；Utd为突变量门槛，Utd数值默认为2V，保证程序启动的灵敏度和准确性。Ugd为零序电压固定门槛，Ugd数值默认为30V。

本发明的有益效果在于：

能够准确地捕捉到单相接地故障瞬间的故障启动点，解决单相高阻接地时故障启动点捕捉的难题。既灵敏又可靠，应用于中性点不接地或非直接接地的配电网故障选线中。

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，本发明所述的一种配电网高阻单相接地故障选线装置，由电源模块1、人机模块2、交流采样模块3、信号母板4及故障数据分析与处理模块5组成，其中交流采样模块、人机模块、故障数据分析与处理模块分别和信号母板双向连结，电源模块连接各个模块并提供电源。

所述交流采样模块3设有12对信号采集输入端口PT/CT 6，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。每一对信号采集输入端对应一个交流变换器，变换出来的信号通过滤波、运算放大电路7处理后送到模/数A/D转换电路8，经模/数A/D转换电路8转换后送到现场可编程门阵列FPGA 9；

所述故障数据分析与处理模块5，由CPU模块10、时钟模块11、存储单元12和包含有通讯串口，以太网接口的通信模块13构成，该故障数据分析与处理模块5通过数据总线和控制总线与各个交流采样模块3和人机模块2相连接；

所述由显示器和键盘构成的人机模块2；

所述信号母板4，用于CPU模块10与交流采样模块3及人机模块2之间的信号传递；

所述电源模块1向上述模块供电；

图1中功能模块之间的单实线代表控制信号，单虚线表示外部模拟信号，粗实线代表地址、数据信号，箭头表示这些信号的走向。

图2为本发明的保护启动流程图，包括以下：

在步骤101，从模数转换器A/D中读取母线零序电压及各线路零序电流采样值，并放在指定的缓存RAM中；

在步骤102，根据采集到的零序电压最新采样值计算电压突变量，计算方法如下：

Δu(n)＝u(N)-2u(n-1N)+u(n-2N)

公式(1)中，Δu(n)表示突变量值，u(N)表示零序电压最新采样值，u(n-1N)表示一周波前的采样值，u(n-2N)表示两周波前的采样值，N表示每周波采样点样。参看图2可以更清楚地看出，当电网发生单相接地故障时，由于零序电压会突然变大，因此最新采集到的采样点u(N)会突然变大，而故障前的采样值u(n-1N)和u(n-2N)基本相同，Δu(n)能够表示故障变化情况；

在步骤103，判断突变量是否满足条件，突变量门槛设置为2V；

在步骤104～106，对满足突变量条件的次数进行计数，只有连续超过3次时才认为是可靠启动，这样能够避免因偶然的扰动因素导致误启动，提高了故障启动的可靠性；

在步骤107，进行20ms延时，保证故障数据窗满足一周波，为幅值启动作准备；

在步骤108，计算并判断零序电压幅值是否满足幅值启动条件，一般情况下，电网发生单相接地故障后，零序电压都会超过30V，因此以30V作为幅值启动门槛；

在步骤109，由于满足突变量启动和幅值启动条件，因此判断发生了单相接地故障，故障启动元件有效。

在步骤110，启动选线逻辑，判断接地线路。

Claims (6)

1.一种配电网高阻单相接地故障选线装置，其特征在于，该装置由交流采样模块、故障数据分析与处理模块、人机模块、信号母板以及电源模块组成，所述交流采样模块、故障数据分析与处理模块、人机模块分别和信号母板双向连结，电源模块连接各个模块并提供电源。

2.根据权利要求1所述的配电网高阻单相接地故障选线装置，其特征在于，所述交流采样模块设有12对信号采集输入端口PT/CT，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，每一对信号采集输入端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A/D转换器，经模/数A/D转换器转换后送到现场可编程门阵列FPGA单元。

3.根据权利要求1所述的配电网高阻单相接地故障选线装置，其特征在于，所述故障数据分析与处理模块由CPU模块、时钟模块、存储单元和包含有通讯串口，以太网接口的通信模块构成，该故障数据分析与处理模块通过数据总线和控制总线与各个交流采样模块和人机模块相连接。

4.根据权利要求1所述的配电网高阻单相接地故障选线装置，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所述的配电网高阻单相接地故障选线装置，其特征在于，所述信号母板用于CPU模块与交流采样模块及人机模块之间之间的信号传递。

6.一种配电网高阻单相接地故障选线装置的启动方法，其特征在于，通过零序电压突变量启动元件和零序电压幅值综合启动判据元件进行零序电压突变量启动和零序电压幅值综合启动判据，包括如下步骤：

步骤S201，实时检测采集到的零序电压最新采样值计算电压突变量，当零序电压突变量Δu(n)满足：Δu(n)＞Utd时，对满足突变量条件的次数进行计数，只有连续超过3次时才认为是可靠启动；

步骤S202，计算并判断零序电压幅值是否满足幅值启动条件，当零序电压采样值U0(n)满足：U0(n)＞Ugd时为故障发生点，启动选线逻辑，

其中：n为采样点编号；N为一工频周波采样点数，N＝1024，即数据采样率fs＝51.2kHz；Δu(n)＝u(N)-2u(n-1N)+u(n-2N)；Utd为突变量门槛，Utd数值根据需要进行整定，默认为2V，保证程序启动的灵敏度和准确性，Ugd为零序电压固定门槛，Ugd数值可以根据需要进行整定，默认为30V。

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