CN104007307B - 基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路，包括由加法器电路、两个电位器、积分电路、反相器电路和三次方电路构建成的电路模型，电路模型的输入端连接有电流互感器，电路模型的输出端连接有A/D转换芯片。采用上述电路进行检测的方法，首先利用电流传感器和信号采集电路实现现场故障信号的采集；其次将采集到的故障信号送入基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路中，电路对采集到的故障信号进行处理，得到故障零序电流。本发明实现了故障信号的快速、有效地检测，解决了现有检测方法准确度不高而导致的选线困难的问题，提高选线装置的可靠性。

Description

基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路及方法

技术领域

本发明属于电力系统智能状态检测技术领域，具体涉及一种基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路，本发明还涉及采用上述电路进行小电流单相接地故障电流检测的方法。

背景技术

目前世界各国的配电网都采用中性点不接地、经消弧线圈或电阻接地。因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，所以称其为小电流接地系统。在小电流接地系统中最常见的故障是单相接地。单相接地时接地电流较小，按电力系统安全运行规程的规定，发生单相接地故障后可继续运行1至2小时，但此时系统非故障相对地电压升高为线电压，若不及时处理，极易发展成两相短路使故障扩大。弧光接地还会引起全系统过电压。

据统计，单相接地故障是最频繁也是发生最多的故障。以前找出故障线路的方法是逐次切断变电站配电装置的各条馈线，哪条馈线切断后电压恢复正常就确认为是故障线路。这种方法的缺点是会导致非故障线路被切除且找出故障所需时间长。由于各类负荷的供电重要性日益提高，越来越不允许变电站以逐次切断各条馈线的方式找出故障线路。因此，变电站急需要一种智能检测装置在系统发生单相接地后短时间内准确判断出故障线路并切除。

目前电力系统中投运的微机式接地选线装置品种和数量较多，但正确动作率不高，尤其是在经消弧线圈接地系统中动作正确率很低，究其原因主要是因为电力系统中电压、电流里的5次谐波和基波不同，是个很小而且不稳定的电量，容易淹没在噪声中，很难准确检测。因此，多年来中性点经消弧线圈接地的电力系统单相接地选线问题，是电力系统的难题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路，解决现有检测方法准确度不高而导致的选线困难的问题，提高选线装置的可靠性。

本发明的另一目的是提供采用上述电路进行小电流单相接地故障电流检测的方法。

本发明所采用的技术方案是，基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路，包括由加法器电路、两个电位器、积分电路、反相器电路和三次方电路构建成的电路模型，电路模型的输入端连接有电流互感器，电路模型的输出端连接有A/D转换芯片。

本发明所采用的另一技术方案是，基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：利用电流传感器和信号采集电路实现现场故障信号的采集；

步骤2：将采集到的故障信号送入基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路中，电路对采集到的故障信号进行处理，得到故障零序电流。

本发明的特点还在于，其中的步骤2具体实施为：将小电流单相接地的故障零序电流通过电流互感器接入电路模型，调节电路模型中的两个电位器达到合适值，同时观察输出波形成为明显的平滑的频率为50HZ的正弦波形，且毛刺较小则达到合适值，此时系统处于随机共振状态，输出信号与故障零序电流的波形一样，从而实现从强噪声环境中提取出故障零序电流。

本发明的有益效果是：利用小电流接地系统单相接地时故障电流具有微弱性和周期性特征，采用随机共振原理使得微弱的故障电流信号、现场噪声和随机共振非线性系统三者之间产生一种协同效应，将噪声能量转移到周期性微弱故障电流信号上，提高信号的输出信噪比，放大故障电流信号，从而准确检测出故障电流；保证接地故障选线装置的准确、可靠动作，避免了装置因为电流信号太小检测不准而导致的选线错误，提高了整个电网运行的可靠性。

附图说明

图1为随机共振原理图；

图2为a＝1，b＝1时，系统势函数曲线；

图3为双稳态系统势函数及粒子的变化图，其中(a)为仅加入周期正弦信号且A＜A_c，(b)为加入周期正弦信号与噪声且A＜A_c；

图4为基于随机共振的故障电流检测电路框图；

图5为基于随机共振的小电流单相接地故障选线装置框图；

图6为多频微弱信号的随机共振检测结果，其中(a)为两个输入信号，(b)为两个信号的叠加信号，(c)为信号、噪声叠加信号，(d)为随机共振系统输出信号。

图中，1.电流互感器，2.加法器电路，3.积分电路，4.电位器，5.反相器电路，6.三次方电路，7.A/D转换芯片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路，如图4所示，包括由加法器电路2、两个电位器4、积分电路3、反相器电路5和三次方电路6构建成的电路模型，电路模型的输入端连接有电流互感器1，电路模型的输出端连接有A/D转换芯片7。

本发明基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：利用电流传感器和信号采集电路实现现场故障信号的采集；

步骤2：将采集到的故障信号送入基于随机共振原理的小电流接地系统单相接地故障电流检测方法构建的硬件电路中，硬件电路对采集到的故障信号进行处理，得到故障零序电流；具体处理步骤为：

将小电流单相接地的故障零序电流S(t)(包含现场噪声η(t))通过电流互感器1接入电路模型，调节电路模型中的两个电位器4(即随机共振系统的参数a和b)达到合适值，同时观察输出波形成为明显的平滑的频率为50HZ的正弦波形，且毛刺较小则达到合适值，就产生了随机共振，系统处于随机共振状态，这时候的输出信号x(t)与故障零序电流的波形一样，从而实现从强噪声环境中准确提取出故障零序电流；

步骤3：将步骤2得到的经过随机共振的输出信号x(t)通过A/D转换芯片7转换为数字信号供选线装置做故障录波、选线算法等处理，保证接地故障选线装置的准确、可靠动作，提高整个电网运行的可靠性。根据式(3)再结合图4可知，图4中的积分电路3的输出即为经过随机共振的输出信号x(t)。

本发明的原理为：

淹没在背景噪声中的微弱信号通过一个非线性系统，当非线性系统、信号和噪声之间达到某种匹配关系时，一部分噪声能量转换成有用信号的能量，从而提高系统输出信号的信噪比，这种现象被称为随机共振现象。随机共振系统的一般结构图如图1所示。

由图1可知随机共振系统包括三个基本的组成要素：

(1)微弱的输入信号s(t)：该信号可以是各种类型的信号，如周期信号、非周期信号、数字脉冲信号、确定性信号或者随机信号等。

(2)噪声η(t)：可以是系统固有的噪声或者是外加的噪声。噪声信号实际上是满足一定统计特性要求的随机信号，如白噪声、色噪声、高斯噪声或非高斯噪声等。

(3)非线性系统：双稳态非线性系统可以用最典型、最简洁的朗之万方程来描述。以信号与噪声混合信号作为系统的输入，经非线性系统处理以后得到输出信号x(t)。

朗之万方程：

dx/dt＝-U'(x)+s(t)+η(t) (1)

其中，s(t)为输入周期信号；η(t)为具有高斯分布的白噪声，统计平均值＜η(t)＞＝0，自相关函数为＜η(t)η(t')＞＝2Dδ(t-t')，t'为t的时间延时；D为噪声强度。U(x)是非线性双稳态势函数，其表达式为：

$U\left(x\right)=-\frac{a}{2}{x}^2+\frac{b}{4}{x}^4---\left(2\right)$

其中a＞0、b＞0，将式(2)代入公式(1)，得到动力学方程如公式(3)所示

dx/dt＝ax-bx³+s(t)+η(t) (3)

式(3)就是用于研究随机共振现象的被名为“朗之万方程”的非线性数学模型。其中x为系统输出，a、b为非线性双稳系统的结构参数，当输入信号s(t)的振幅A＝0和噪声η(t)的强度D＝0时，图2为系统结构参数a＝1，b＝1时的势函数曲线。

系统有两个势阱点和一个势垒点x＝0，垒高为ΔU＝a²/4b。系统的最终输出状态将停留在两个势阱中的任意一个，这取决于系统的初始状态。

当只有外部周期信号激励时，即η(t)＝0。双稳态势阱在信号的驱动下，按频率w发生周期倾斜变化，相对垒高交替地上升和下降。A只要处于临界值A_c以下质点仍只能在某一侧势阱内以信号频率进行局域的周期性运动，如图3(a)所示，其中T为正弦信号周期。质点具体在哪一侧势阱中运动，由初始状态决定。

当只有噪声η(t)作用，不存在周期激励时，质点在两个势阱间按Kramers跃迁率r_K进行跃起迁切换，r_K取决于噪声分布和强度，表达式为：

$r_K=\frac{a}{\sqrt{2}\mathrm{\π}}\exp (-\frac{\mathrm{\ΔU}}{D})---\left(4\right)$

当同时受到微弱周期信号与噪声的作用时，周期信号给系统势阱的切换引入周期变化，有效地对噪声引起的切换进行同步。当信号、噪声及非线性系统达到某种匹配时，即使在A＜A_c，甚至A＜＜A_c时，质点也可以从原来的势阱跃迁到另外一个势阱，并且系统输出按信号的调制频率w在两个势阱之间进行切换，如图3(b)所示。由于双稳态之间的电压差远大于输入信号的幅值，这使得输出信号的幅值远大于输入信号的幅值；且由于系统输出状态有规则的变化，致使输出噪声能量得到降低；从而起到放大信号与抑制噪声的作用，大大提高系统输出信噪比，这就是随机共振可以加强微弱信号的基本原理。

在小电流接地系统中，单相接地故障电流完全满足随机共振理论中微弱的输入信号s(t)的特征，故障现场噪声强度较大，传统检测方法难度较大。因此随机共振理论非常适用于小电流接地系统单相接地故障电流检测，考虑到检测与选线的实时性，我们采用硬件方法来构建随机共振系统实现故障电流的检测。具有双势阱性质的朗之万方程作为描述非线性双稳态系统的典型模型，直观地显示出了非线性系统中各参量之间的关系，故可采用电路模拟朗之万方程以实现非线性双稳态系统，本发明将其应用于小电流接地系统，提供一种小接地系统单相接地故障时强噪声背景下的微弱零序电流的检测方法，其结构框图如图4所示：

根据式(3)构建如图4所示的电路框图，电流互感器将故障零序电流(混合了环境噪声)转换为电压信号进入郎之万方程的模拟电路中，其中系统参数a和b在电路中用两个电位器实现，积分器电路的输出就是系统的输出，调节a和b，观察输出波形成为明显的平滑的频率为50HZ的正弦波形，且毛刺较小则a和b达到合适的值，这时候系统的输出x(t)与实际的故障零序电流波形相同，相位相反(因为加装了反相器，见图6(b)和图6(d))，可以将完全淹没在环境噪声中的故障零序电流准确提取出来，为小电流接地系统单项接地故障电流的检测提供新的方法。

根据本发明中基于随机共振原理的小电流接地系统单相接地故障电流检测方法构建了选线装置，选线装置的结构如图5所示：

电流采集模块有4个，每个模块设计采集12路电流，总共采集48路零序电流，考虑到需要采集的电流之路太多，因此设计每个电流检测模块用个基于随机共振的电流检测电路，中间加装多路选择开关依次将12路电流送入基于随机共振的电流检测电路，基于随机共振的电流检测电路输出供CPU模块的A/D芯片采集，然后再进行滤波、选线等后续处理。

实施例

为了验证本发明方法的有效性，通过以下硬件电路实验对图4中的随机共振电路进行验证。假设取样电阻为2.5Ω，小电流接地系统单相接地故障的故障电流为20mA，则对应的故障电压信号为50mV。取故障电压信号幅值为A1＝A2＝50mV，频率为f1＝250Hz，f2＝900Hz，如图6(a)所示。图6(b)为两个输入信号的叠加信号，为原始输入信号。取噪声幅值为D1＝500mV。信号、噪声的叠加信号如图6(c)所示，由该图中可以发现输入信号完全被噪声所淹没，无法得到输入信号的任何信息。将该信号、噪声的叠加信号作为输入信号送入随机共振系统，通过调节系统参数，发现当系统达到随机共振状态时，系统的输出如图6(d)所示，从该图中可以看出系统的输出信号与原始输入信号具有相同的周期性，并且输出信号的幅值大约为原始输入信号幅值的20倍，即故障信号被有效地检测出来了。由于反相器的作用使得图6(b)所示的原始输入信号与图6(d)所示的系统输出信号的波形上下颠倒。

本发明实现了故障信号的快速、有效地检测，解决了现有检测方法准确度不高而导致的选线困难的问题，提高选线装置的可靠性。

Claims (1)

1.基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测方法，其特征在于，采用基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路，其结构为：包括由加法器电路(2)、两个电位器(4)、积分电路(3)、反相器电路(5)和三次方电路(6)构建成的电路模型，电路模型的输入端连接有电流互感器(1)，电路模型的输出端连接有A/D转换芯片(7)；

方法具体按照以下步骤实施：

步骤1：利用电流采集模块实现现场故障信号的采集，电流采集模块通过多路选择开关与所述基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路连接；

步骤2：将采集到的现场故障信号送入基于随机共振的小电流单相接地故障电流检测电路中，小电流单相接地故障电流检测电路对采集到的现场故障信号进行处理，得到故障零序电流；

其中，步骤2具体实施为：将小电流单相接地的故障零序电流通过电流互感器(1)接入电路模型，调节电路模型中的两个电位器(4)达到合适值，同时观察输出波形成为明显的平滑的频率为50HZ的正弦波形，且毛刺较小则达到合适值，此时系统处于随机共振状态，输出信号与故障零序电流的波形一样，从而实现从强噪声环境中提取出故障零序电流。