CN102904209A - 一种基于dsp的电流分离动作型漏电保护装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统漏电保护领域，具体涉及一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置及其方法，包括检测单元，A/D转换单元，DSP处理单元和执行单元。本发明的作用是：不论触/漏电电流与正常剩余电流相位关系如何，也不论触电后总剩余电流幅值是增大的还是减小的均能准确检测出触/漏电电流有效值，具有理想的保护运行特性，特别适用于低压配电网三相四线制线路的全网总保护及大分支保护。

Description

一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置及其方法

技术领域

本发明涉及电力系统漏电保护领域，具体涉及一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置及其方法。 

背景技术

自19世纪末，电力进入人类的生活和生产领域以来，人类就开始同触/漏电事故做不懈的斗争。国内外，先后出现了电压动作型和剩余电流动作型漏电保护装置，但电压动作型因其不可克服的缺点，已逐渐为剩余电流动作型所代替。电流动作型剩余电流保护装置（Residual Current Devices,RCDs）也称漏电保护器，是较早应用于电力系统的剩余电流保护装置之一，已经成为低压电网漏电事故（包括设备漏电事故和人体触电事故）的最基本和最重要的保护手段。随着检测技术和计算技术的快速发展，在电流动作型基础上，近年来国内外相继出现了脉冲动作型、鉴幅鉴相动作型等几种类型的剩余电流保护装置，并取得了一定的应用成果。但这些类型的漏电保护器其动作判断依据通常是低压供电回路总泄漏电流的幅值大于某整定值，或总泄漏电流的微增量大于某个规定值而动作。运行实践表明，现有剩余电流保护装置，就动作特性而言，大多都无法真正辨识触/漏电支路的汲出电流信号，难以准确动作于故障电流，均存在一定的保护死区。例如，电流动作型在触/漏电故障电流与正常泄漏电流夹角180°周围存在不动作区，另外还存在过灵敏相和欠灵敏相问题；电流脉冲动作型与电流动作型相比，增加了第二动作区，但在第二动作区与第一动作区之间仍然存在一定的保护动作死区。在实际中，常常出现大负荷时漏电保护装置合不上闸、无法正确投运（此时，工频总泄漏电流值已接近或超过整定值）；或在潮湿天气条件下，因电气回路绝缘水平显著降低，导致对地自然泄漏电流增大，进而出现误动作和误切电源的现象。其关键原因在于，现有漏保装置仅基于总剩余电流幅值大小，而不是触/漏电故障电流本身，保护的针对性不强。迄今为止，还没有一款剩余电流保护装置能够完全消除动作死区及误动作等问题，这是本领域共同面临的技术难点，也是今后的主要攻关方向。 

因此，基于将正常剩余电流与触/漏电故障电流分离的电流分离动作型剩余电流保护装置将是未来发展趋势。该类型保护装置，从原理上看，可完全消除一般剩余电流保护装置的拒动和误动问题，获得理想的保护运行特性。随着计算技术和微弱电气信号检测技术的快速发展，电流分离技术将趋于完善和成熟，将逐步取代现有的脉冲动作型和鉴幅鉴相动作型剩余电流保护技术，并且具有广阔的应用前景。 

电网及电网中的电气设备的绝缘水平不可能是绝对理想的，均存在对地绝缘电阻和对地分 布电容，因此存在泄漏电流，这一泄漏电流一般称为漏电电流或剩余电流。当发生触/漏电故障时，触/漏电故障电流I_r作为一个分量汇入正常剩余电流I_L中。故障后的总剩余电流I_LH为电网正常剩余电流I_L与触/漏电故障电流I_r的叠加相量和，如附图1。电网的正常漏电电流为三相线路各自的泄漏电流的矢量和。由于三相线路各相上线路绝缘水平、所接设备、设备漏电状态可能各不相同，所以总的泄漏电流的相位是任意的。触/漏电事故可能发生在三相上的任意一相上，再考虑到间接触/漏电事故还可能存在过渡阻抗等，因此，触/漏电故障电流的相位也是任意的。综上，触/漏电故障电流与正常泄漏电流间的相位差是任意的。 

现有的剩余电流型漏电保护技术中，通常是通过判断剩余电流幅值或其微增量是否达到或超过规定动作阈值来实现保护的。由上述分析可知，当电网中有触/漏电事故发生时，总剩余电流不仅有幅值的变化，而且有相位的变化。由于触/漏电故障电流与正常剩余电流相位的不确定性，使得两者的向量和故障后总剩余电流并不一定是幅值增大的，也有可能是幅值减小的。因此，单纯通过检测剩余电流的幅值是无法进行正确保护的，还必须考虑相位关系。电流鉴相动作型触电保护通过鉴别触电电流相位的方法来获取信号，消除了电流动作型和电流脉冲动作型所共有的保护死区，获得了在一定条件下的理想运行特性。但该条件是苛刻的，其假设：人体阻抗为纯阻性的；触电发生在三相线路的任意一相上；且触电电流同触电相电压同相位。在偏离上述特定条件时，其运行特性就不是理想的了。尤其当触电电流与其标准电压相位差±90°左右时，触电动作电流非常大，保护器往往发生拒动现象。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置及其方法，解决了现有的漏电保护装置存在保护死区、容易出现误动作和误切电源，无法准确检测出触/漏电电流有效值的问题。 

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置，其特征在于：包括 

利用零序电流互感器采集故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号的检测单元； 

将故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号转换为数字信号的A/D转换单元； 

读取A/D转换单元转换的数字信号，通过将两个以上周期的故障前剩余电流I_L和故障后剩余电流I_LH相乘的方法计算出触/漏电故障电流I_r，并与预设额定动作值进行比较的DSP处理单元； 

根据DSP处理单元做出的判断切断被保护电路的电源的执行单元。 

更进一步的技术方案是本一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置还包括通过电阻 和按钮产生模拟故障信号检验整个保护装置是否正常的试验单元。 

更进一步的技术方案是本一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置还包括用于储存故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号转换为数字信号的缓存器。 

一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法，包括如下步骤： 

在DSP处理单元中预设额定动作值、前后相乘周期数和滑动步长H； 

通过检测单元中的零序电流互感器采集故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号； 

当采集到前后相乘周期数相应的故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号后，通过A/D转换单元转换成数字信号； 

数字信号传输至DSP处理单元，DSP处理单元根据故障前的剩余电流I_L和故障后的剩余电流I_LH利用公式 

得出触/漏电故障电流I_r； 

将触/漏电故障电流I_r和预设额定动作值进行比较分析，判断出是否切断被保护电路的电源的结果； 

根据结果，通过执行单元切断被保护电路的电源。 

更进一步的技术方案是本发明一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法还包括一个预先实验步骤，在正式使用前先利用试验单元中的电阻和按钮产生模拟故障信号检验整个保护装置是否正常。 

更进一步的技术方案是上述滑动步长H的时间大于DSP处理单元单次计算出触/漏电故障电流I_r有效值的时间。 

更进一步的技术方案是上述前后相乘周期数大于两个周期。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明不论触/漏电电流与正常剩余电流相位关系如何，也不论触电后总剩余电流幅值是增大的还是减小的均能准确检测出触电电流有效值，具有理想的保护运行特性，特别适用于低压配电网三相四线制线路的全网总保护及大分支保护。 

附图说明

图1为故障前的剩余电流I_L信号和触/漏电故障电流I_r合成故障后的剩余电流I_LH矢量图。 

图2为本发明的连接关系图。 

图3为本发明的工作流程图。 

图4为本发明的一个实施例用于仿真软件PSCAD/EMTDC中的人体触电电流波形图。 

图5为本图4所示本发明的一个实施例用于仿真软件PSCAD/EMTDC中的剩余电流变化波 形。 

图6为图4所示本发明的一个实施例用于仿真软件PSCAD/EMTDC中的触电电流幅值变化波形。 

图7为本发明的另一个实施例用于仿真软件PSCAD/EMTDC中的人体触电电流波形图。 

图8为图7所示本发明的另一个实施例用于仿真软件PSCAD/EMTDC中的剩余电流变化波形。 

图9为图7所示本发明的另一个实施例用于仿真软件PSCAD/EMTDC中的触电电流幅值变化波形。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

图2示出了本发明一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置的一个实施例：一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置，其特征在于：包括 

利用零序电流互感器采集故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号的检测单元； 

将故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号转换为数字信号的A/D转换单元； 

读取A/D转换单元转换的数字信号，通过将两个以上前后相乘周期的故障前的剩余电流I_L和故障后的剩余电流I_LH，相乘的方法计算出触/漏电故障电流I_r，并与预设额定动作值进行比较的DSP处理单元； 

根据DSP处理单元做出的判断切断被保护电路的电源的执行单元。 

另外，整个保护装置可以采用直流电源供电。 

根据本发明一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置的一个实施例，本一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置还包括通过电阻和按钮产生模拟故障信号检验整个保护装置是否正常的试验单元。 

更进一步的技术方案是本一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置还包括用于储存故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号转换为数字信号的缓存器。 

图3示出了一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法，包括如下步骤： 

在DSP处理单元中预设额定动作值、前后相乘周期数和滑动步长H，即图中初始化预先设置； 

通过检测单元中的零序电流互感器采集故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH 信号，即采样； 

当采集到前后相乘周期数相应的故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I^LH信号后，通过A/D转换单元转换成数字信号，如果没有采集到足够周期的信号，则继续采样；数字信号传输至DSP处理单元，DSP处理单元根据故障前的剩余电流I^L和故障后的剩余电流I_LH利用公式 

得出触/漏电故障电流I_r； 

将触/漏电故障电流I_r和预设额定动作值进行比较分析，判断出是否切断被保护电路的电源的结果； 

根据结果，如果I_r大于预先设置的额定动作值，通过执行单元切断被保护电路的电源。 

如果触/漏电故障电流I_r小于预设额定动作值，DSP处理单元则重复持续计算。 

根据本发明一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法的一个优选实施例，本发明一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法还包括一个预先实验步骤，在正式使用前先利用试验单元中的电阻和按钮产生模拟故障信号检验整个保护装置是否正常。 

根据本发明一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法的另一个优选实施例，滑动步长H的时间大于DSP处理单元单次计算出触/漏电故障电流I_r有效值的时间，这主要取决于DSP处理单元的处理速度，比如计算1800次花费时间0.479s,则单次计算时间约为0.27ms,H可设置为0.5ms，但最大不宜超过四分之一个工频周期，即5ms。 

根据本发明一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法的另一个优选实施例，前后相乘周期数大于两个周期。 

一般情况下额定动作值为30mA，前后相乘周期设置为2或3个周期，滑动步长H为0.5ms。 

由于电网不同、电网中设备不同、环境因素不同，不同电网的正常剩余电流一般各不相同，但一般在几毫安到几百毫安之间；人体触电电流一般在几十毫安到几百毫安之间；故障漏电变化范围稍大，但其数量级仍为毫安级。如图1所示，触/漏电故障电流I_r与正常剩余电流I_L的矢量和为故障后总剩余电流I_LH。设故障前后剩余电流间的夹角为θ（0°～360°），根据余弦定理可得三个电流的幅值之间存在如下关系 

$I_r^2=I_L^2+I_{\mathrm{LH}}^2-{2I}_L{I}_{\mathrm{LH}}\cos \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

在漏电保护器中，触/漏电故障电流I_r是不能直接测量得到的，而故障前后的剩余电流I_L、I_LH是可以直接通过零序电流互感器测量得到的。根据（1）式可知，只要能计算出等式右边的第三项，即可求得触/漏电故障电流I_r的幅值。 

设故障前剩余电流为 

$i_L=\sqrt{{2I}_L}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(2\right)$ 故障后剩余电流为 

$i_{\mathrm{LH}}=\sqrt{{2I}_{\mathrm{LH}}}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(3\right)$

将两者相乘可得 

$i_L{i}_{\mathrm{LH}}=\sqrt{{2I}_L}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\sqrt{{2I}_{\mathrm{LH}}}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})---\left(4\right)$

$=I_L{I}_{\mathrm{LH}}\cos \mathrm{\θ}+I_L{I}_{\mathrm{LH}}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})$

对i_L与i_LH的乘积结果做求平均运算有 

$\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}\sqrt{{2I}_L}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\sqrt{{2I}_{\mathrm{LH}}}\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})d\left(\mathrm{\ωt}\right)=I_L{I}_{\mathrm{LH}}\cos \mathrm{\θ}---\left(5\right)$

在实际应用中，通常是对离散化的采样信号进行数字处理，积分运算可采用下面的求和运算来实现。 

$I_L{I}_{\mathrm{LH}}\cos \mathrm{\θ}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_L(M-N+n)i_{\mathrm{LH}}(M+n)---\left(6\right)$

其中，M为触/漏电故障起始点，N为一个周期的采样点数。 

同理有效值平方I_L ²和I_LH ²可分别由以下两式求得 

$I_L^2=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_L^2(M-N+n)---\left(7\right)$

$I_{\mathrm{LH}}^2=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{LH}}^2(M+n)---\left(8\right)$

将（6）～（8）式代入（1）式，便可解得触/漏电故障电流有效值为 

$I_r=\sqrt{I_L^2+I_{\mathrm{LH}}^2-{2I}_L{I}_{\mathrm{LH}}\cos \mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

以该值做为判断保护装置动作与否，便可得到理想运行特性。 

其中用公式（5）或（6）计算出来时，得到的是I_LI_LHcosθ三者之积，没有必要知道θ的确切值。 

下面结合仿真实验来说明本发明所起到的有益效果，在电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中，进行低压电网中人体触电仿真，得到仿真数据样本，然后在MATLAB中，利用本发明所述方法提取人体触电电流有效值。仿真中，采样频率为5000Hz，即每周期采样N=100个点；前后相乘周期数取为1个周期；滑动步长H取0.2ms，正好一个采样间隔： 

如图4-图6所示的一个仿真实施例，触电前正常剩余电流I_L有效值为11.84mA，相位为111.05°（以C相相电压的相位为参考相位，后同）；触电电流I_r有效值为109.92mA，相位为-125.15°；触电后总剩余电流I_LH有效值为121.29mA（触电后，剩余电流幅值是增大的），相位为-55.62°；利用本发明所述方法检测触电电流有效值结果为109.78mA。 

如图7-图9所示另一个仿真实施例，触电前正常剩余电流I_L有效值为38.99mA，相位为96.57°（以C相相电压的相位为参考相位，后同）；触电电流I_r有效值为43.97mA，相位为-19.36°；触电后总剩余电流I_LH有效值为24.36mA（触电后，剩余电流幅值是减小的），相位为-1.16°；利用本发明所述方法检测触电电流有效值结果为43.75mA。 

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。 

Claims (7)

1.一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置，其特征在于：包括

利用零序电流互感器采集故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号的检测单元；

将故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号转换为数字信号的A/D转换单元；

读取A/D转换单元转换的数字信号，通过将两个以上周期的故障前剩余电流I_L和故障后剩余电流I_LH相乘的方法计算出触/漏电故障电流I_r，并与预设额定动作值进行比较的DSP处理单元；

根据DSP处理单元做出的判断切断被保护电路的电源的执行单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置，其特征在于：还包括通过电阻和按钮产生模拟故障信号检验整个保护装置是否正常的试验单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护装置，其特征在于：还包括用于储存故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号转换为数字信号的缓存器。

4.一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法，包括如下步骤：

在DSP处理单元中预设额定动作值、前后相乘周期数和滑动步长H；

通过检测单元中的零序电流互感器采集故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号；

当采集到前后相乘周期数相应的故障前的剩余电流I_L信号和故障后的剩余电流I_LH信号后，通过A/D转换单元转换成数字信号；

数字信号传输至DSP处理单元，DSP处理单元根据故障前的剩余电流I_L和故障后的剩余电流I_LH利用公式

得出触/漏电故障电流I_r；

将触/漏电故障电流I_r和预设额定动作值进行比较分析，判断出是否切断被保护电路的电源的结果；

根据结果，通过执行单元切断被保护电路的电源。

5.根据权利要求4所述的一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法，其特征在于：还包括一个预先实验步骤，在正式使用前先利用试验单元中的电阻和按钮产生模拟故障信号检验整个保护装置是否正常。

6.根据权利要求4所述的一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法，其特征在于：所述滑动步长H的时间大于DSP处理单元单次计算出触/漏电故障电流I_r有效值的时间。

7.根据权利要求4所述的一种基于DSP的电流分离动作型漏电保护方法，其特征在于：所述前后相乘周期数大于两个周期。

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