CN103308749A - 一种电力系统故障电流的快速识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统故障电流的快速识别系统及方法，通过对回路中电流和电流变化率瞬时值信号的实时采样，得到正比于电流一阶微分的第一特征量信号和正比于电流二阶微分的第二特征量信号。基于三角函数理论，对同一时间点的上述两个特征量信号进行运算，可以得到稳态短路电流的峰值。本发明的积极效果是：1.由于采用短路电流的微分数值进行运算，有效的滤除了非周期分量对运算结果的影响。2.可以快速定量识别短路电流，响应时间小于3ms。3.由于是定量识别，便于根据短路水平对短路故障作出分级处理。

Description

一种电力系统故障电流的快速识别系统及方法

技术领域

本发明涉及故障电流检测领域，特别涉及一种故障电流快速识别系统及方法，主要用于电力系统及其它工业用电系统短路故障的快速检测。

背景技术

在电力系统或工业用户的用电系统中发生短路故障时，为了尽可能减小短路造成的不利影响，要求继电保护或其它的辅助电子装置能够以最快速度识别短路故障并准确预测短路电流的水平，并在第一时间按一定策略控制断路器或其它开断装置动作来切断故障回路。传统短路故障识别方法需要采用付利叶变换提取基波分量，判别速度较慢，常常需要20ms以上的时间。采用纯硬件电路，利用电流i及电流变化率di/dt两个判据逻辑运算的手段来识别故障电流是否超过预先设定的门槛来识别故障电流，此方法可以取得识别的快速性，但它只能知道本次故障电流是否超过门槛而无法知道本次故障的确切量值，在实际应用上受到一定的局限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单实用、迅速可靠的电力系统故障电流的快速识别系统及方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力系统故障电流的快速识别系统，包括信号调理电路和信号处理装置；

信号调理电路，用于对输入的电力系统内的电流i或电流变化率信号di/dt进行预处理；

信号处理装置，用于接收信号调理电路处理后的信号，并对信号调理电路处理后的信号进行等时间间隔的数值采样，并通过运算获得每个采样时刻正比于电流一阶微分的第一特征量信号A和正比于电流二阶微分的第二特征量信号B，再根据三角函数关系

计算出短路电流稳态峰值I_m。

本发明进一步的改进在于：信号调理电路连接用于检测电力系统中电流i的电流传感器。

本发明进一步的改进在于：电流传感器为分流器、霍耳元件、电流互感器或罗果夫斯基线圈。

本发明进一步的改进在于：信号调理电路包括缓冲电路、放大电路、滤波电路和微分电路；用于对输入的电力系统内的电流i或电流变化率信号di/dt进行缓冲、放大、滤波、微分预处理。

本发明进一步的改进在于：信号处理装置为计算机系统、单片机系统或FPGA模块。

本发明进一步的改进在于：所述等时间间隔为20～200微秒。

本发明进一步的改进在于：还包括电源、开关、电流传感器、负载和执行电路；电源通过开关向负载供电，电流传感器用于检测供电回路的电流i并将信号输送到信号调理电路；信号处理装置根据计算出短路电流稳态峰值I_m，通过执行电路实现对开关的控制。

一种电力系统故障电流的快速识别方法，包括：

1）、电源通过开关向负载供电，电流传感器实时检测供电回路的电流i并将信号输送到信号调理电路；

2）、信号调理电路对输入的电流i进行预处理后输出给信号处理装置；

3）、信号处理装置对输入的信号进行等时间间隔Δt的采样，通过采样、计算获得正比于电流的一阶微分的第一特征量序列A（0）、A（Δt）、A（2Δt）、A（3Δt）、A（4Δt）、……、A（nΔt）及正比于电流二阶微分的第二特征量信号序列B（0）、B（Δt）、B（2Δt）、B（3Δt）、B（4Δt）、……、B（nΔt），其中n为正整数；并计算出每一采样时刻的短路电流稳态峰值I_m：

$I_m=\sqrt{{\left[A\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2+{\left[B\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2}---\left(4\right)$

4）、信号处理装置根据短路电流稳态峰值I_m的大小通过执行电路实现对开关的控制。

本发明进一步的改进在于：Δt=20～200微秒。

相对于现有技术，本发明具有以下有益：1.由于采用短路电流的微分数值进行运算，有效的滤除了非周期分量对运算结果的影响。2.可以快速定量识别短路电流，响应时间小于3ms。3.由于是定量识别，便于根据短路水平对短路故障作出优化处理。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的电路功能框图；

图2为本发明实施例的功能框图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种电力系统故障电流快速识别系统，包括信号调理电路1和信号处理装置2。信号调理电路1对电力导体内的电流i或电流变化率信号di/dt进行预处理，信号处理装置2对于处理过的信号进行等时间间隔（50～200微秒）的数值采样，并通过数学运算获得正比于电流一阶微分的第一特征量信号A和正比于电流二阶微分的第二特征量信号B，再根据三角函数关系

计算出短路电流稳态峰值I_m。

信号处理装置2为计算机系统或单片机系统（MCU或DSP）或FPGA模块;信号调理电路1包括缓冲电路、放大电路、滤波电路和微分电路。

电流信号传感器连接信号调理电路；电流信号传感器（分流器、霍耳元件、电流互感器、罗果夫斯基线圈等）获得与电力导体内的电流和/或电流变化率成比例的原始信号；信号调理电路对原始信号进行缓冲、放大、滤波、微分预处理,得到短路电流的特征量信号（电流等效信号或其一阶微分信号），信号调理电路将此特征量信号输入到计算机系统或单片机系统完成等时间间隔（Δt）的采样，通过采样和计算获得正比于电流的一阶微分的第一特征量序列A（0）、A（Δt）、A（2Δt）、A（3Δt）、A（4Δt）、……、A（nΔt）及正比于电流二阶微分的第二特征量信号序列B（0）、B（Δt）、B（2Δt）、B（3Δt）、B（4Δt）、……、B（nΔt），其中n为正整数。第一特征量序列满足下述表达式(1)，第二特征量信号序列满足下述表达式(2)：

A(t)＝I_mcos(ωt+α)   (1)

B(t)＝I_msin(ωt+α)   (2)

则在任意时刻t=nΔt时，都有：

${\left[A\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2+{\left[B\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2=I_m^2---\left(3\right)$

也就是:

$I_m=\sqrt{{\left[A\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2+{\left[B\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2}---\left(4\right)$

显然，通过上述方法可以快速计算出短路电流稳态峰值I_m。采用短路电流的微分量进行计算，在很大程度上滤除了短路电流中可能包含的非周期分量对计算结果的影响，使计算结果与真实值之间的最大误差小于+6%，完全可以满足故障电流快速识别工程应用的要求。

图2为本发明实施例的功能框图，本发明一种电力系统故障电流快速识别系统，除了信号调理电路1和信号处理装置2外，还包括电源3、开关4、电流传感器5、负载6和执行电路7；电源3通过开关4向负载6供电，电流传感器5（分流器、霍耳元件、电流互感器、罗果夫斯基线圈等）用于检测供电回路的电流i并将信号输送到信号调理电路1和信号处理装置2，信号处理装置2对信号进行数学运算得到正比于电流一阶微分的第一特征量信号A和正比于电流二阶微分的第二特征量信号B，再根据三角函数关系

计算出短路电流稳态峰值I_m，然后根据I_m的大小通过执行电路7实现对开关4的控制。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求书定义。

Claims (9)

1.一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于，包括信号调理电路（1）和信号处理装置（2）；

信号调理电路（1），用于对输入的电力系统内的电流i或电流变化率信号di/dt进行预处理；

信号处理装置（2），用于接收信号调理电路（1）处理后的信号，并对信号调理电路（1）处理后的信号进行等时间间隔的数值采样，并通过运算获得每个采样时刻正比于电流一阶微分的第一特征量信号A和正比于电流二阶微分的第二特征量信号B，再根据三角函数关系

计算出短路电流稳态峰值I_m。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于，信号调理电路连接用于检测电力系统中电流i的电流传感器。

3.根据权利要求2所述的一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于，所述电流传感器为分流器、霍耳元件、电流互感器或罗果夫斯基线圈。

4.根据权利要求1所述的一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于，信号调理电路（1）包括缓冲电路、放大电路、滤波电路和微分电路；用于对输入的电力系统内的电流i或电流变化率信号di/dt进行缓冲、放大、滤波、微分预处理。

5.根据权利要求1所述的一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于，信号处理装置（2）为计算机系统、单片机系统或FPGA模块。

6.根据权利要求1所述的一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于，所述等时间间隔为20～200微秒。

7.根据权利要求1所述的一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于，还包括电源（3）、开关（4）、电流传感器（5）、负载（6）和执行电路（7）；电源（3）通过开关（4）向负载（6）供电，电流传感器（5）用于检测供电回路的电流i并将信号输送到信号调理电路（1）；信号处理装置（2）根据计算出短路电流稳态峰值I_m，通过执行电路（7）实现对开关（4）的控制。

8.一种电力系统故障电流的快速识别方法，其特征在于，包括：

1）、电源（3）通过开关（4）向负载（6）供电，电流传感器（5）实时检测供电回路的电流i并将信号输送到信号调理电路（1）；

2）、信号调理电路（1）对输入的电流i进行预处理后输出给信号处理装置（2）；

3）、信号处理装置（2）对输入的信号进行等时间间隔Δt的采样，通过采样、计算获得正比于电流的一阶微分的第一特征量序列A（0）、A（Δt）、A（2Δt）、A（3Δt）、A（4Δt）、……、A（nΔt）及正比于电流二阶微分的第二特征量信号序列B（0）、B（Δt）、B（2Δt）、B（3Δt）、B（4Δt）、……、B（nΔt），其中n为正整数；并计算出每一采样时刻的短路电流稳态峰值I_m：

$I_m=\sqrt{{\left[A\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2+{\left[B\left(\mathrm{n\Δt}\right)\right]}^2}---\left(4\right)$

4）、信号处理装置（2）根据短路电流稳态峰值I_m的大小通过执行电路（7）实现对开关（4）的控制。

9.根据权利要求8所述的一种电力系统故障电流的快速识别方法，其特征在于，Δt=20～200微秒。

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