CN104269832A - 一种自适应单相重合闸控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种自适应单相重合闸控制装置及方法，属于高压输变电线路中关于自动重合闸控制技术的领域，本发明有效的解决了传统重合闸装置盲目的重合“永久性故障”对电力系统造成的不利影响，控制装置简单且判断结果准确，对保障电力系统的安全稳定运行具有重大的意义。

Description

一种自适应单相重合闸控制装置及方法

技术领域

本发明属于高压输变电线路中关于自动重合闸控制技术的领域，具体涉及一种自适应单相重合闸控制装置及方法。

背景技术

跨区域、远距离、大容量、特高压输电已成为我国电力系统输电线路的发展方向，输电线路发生扰动和故障的可能性越来越大，对电力系统安全稳定的运行提出了更高的要求，也对输电线路中的继电保护以及控制带来了新的挑战。据统计，在电力系统故障中，单相接地故障率高达90％以上，其中“瞬时性故障”故障约为80％。为提高特高压输电系统稳定、可靠的运行，输电线路中广泛的采用自动重合闸技术。

传统的自动重合闸逻辑简单，在断路器跳闸后经预先整定的固定时延完成重合闸，未对故障类型进行判断，务必会盲目的重合于“永久性故障”。这样一方面会使电力系统再次遭受短路电流的冲击，且可能造成重合后电力系统摇摆幅度增大，影响电力系统的安全稳定运行；另一方面继电保护系统会使断路器再次跳闸，断路器在短时间内连续多次切断短路电流，会恶化断路器的工作环境，缩短断路器的使用寿命。因此，为了减小重合于“永久性故障”的危害，在重合之前判断系统的故障类型是十分有必要的。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提出一种自适应单相重合闸控制装置及方法，以达到只基于单端工频量，避免利用暂态信号，使控制过程容易实现，保障电力系统的安全稳定运行和提高可靠性的目的。

一种自适应单相重合闸控制装置，该装置包括第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置、第四数据采集装置、微型机、人机对话装置、开关量输入装置和开关量输出装置，其中，第一数据采集装置输入端接入被测电网的A相并联电抗器侧的电流互感器中，第二数据采集装置输入端接入被测电网的B相并联电抗器侧的电流互感器中，第三数据采集装置输入端接入被测电网的C相并联电抗器侧的电流互感器中，第四数据采集装置的输入端接入被测电网中性点小电抗侧的电流互感器中，第一数据采集装置输出端、第二数据采集装置输出端、第三数据采集装置输出端和第四数据采集装置输出端依次连接微型机的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端，微型机的输出端连接开关量输出装置的输入端，开关量输出装置的输出端连接被测电网重合闸接触器的输入端，开关量输入装置的输出端连接微型机的第五输入端，开关量输入装置的输入端连接被测电网中故障相输出模块的输出端，人机对话装置的输入/输出端连接微型机的输出/输入端。

所述的第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置结构相同，包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，其中，第一放大器的正输入端作为数据采集装置的输入端，第一放大器的负输入端同时连接第一放大器的输出端和第一电阻的一端，第一电阻的另一端同时连接第二放大器的正输入端和第二电阻的一端，第二放大器的负输入端同时连接第三电阻的一端和第四电阻的一端，第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端连接第二放大器的输出端，并且第二放大器的输出端作为数据采集装置的输出端；所述的第二电阻的另一端同时连接第三放大器的输出端和负输入端，第三放大器的正输入端同时连接第四放大器的输出端和第五电阻的一端，第五电阻的另一端同时连接第四放大器的负输入端和第六电阻的一端，第六电阻的另一端接电源，第四放大器的正输入端同时连接第七电阻的一端和第八电阻的一端，第七电阻的另一端和第八电阻的另一端均接地。

所述的数据采集装置为第一数据采集装置或第二数据采集装置或第三数据采集装置或第四数据采集装置。

采用自适应单相重合闸控制装置进行的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采用第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置分别实时采集被测电网中流过A相并联电抗器的电流、B相并联电抗器的电流、C相并联电抗器的电流和中性点小电抗的电流，并将采集的电流值发送至微型机中；

步骤2、微型机将获得的电流值进行模数转换；

步骤3、当被测电网发生单相故障时，故障相的断路器跳闸，采用电网中线路保护装置的选相元件确定故障相，并通过开关量输入装置将故障相发送至微型机中；

步骤4、微型机根据故障相的电流理论值和中性点小电抗的电流理论值进行故障判据的整定，获得整定值；

步骤5、判断实时采集的故障相电流与中性点小电抗电流比值是否小于整定值，若是，则故障相为瞬时故障，执行步骤6，否则，故障相为永久性故障，执行步骤7；

步骤6、微型机发送控制信号至开关量输出装置，控制故障相的接触器进行重合闸；

步骤7、微型机发送控制信号至开关量输出装置，控制故障相的接触器进行闭锁重合闸，即将故障相断电，工作人员对故障相进行检修。

步骤4所述的获得整定值，计算方法如下：

$K_{\mathrm{DZ}}=k\left(\right|{\stackrel{\·}{I}}_G/{\stackrel{\·}{I}}_n\left|\right)---\left(1\right)$

其中，K_DZ为整定值，k为线路进行等值和简化时整定值产生的误差，系数k的取值范围为1.1～1.3，为流过故障相中并联电抗器的电流理论值，为流过中性点小电抗的电流理论值。

本发明优点：

本发明一种自适应单相重合闸控制装置及方法，有效的解决了传统重合闸装置盲目的重合“永久性故障”对电力系统造成的不利影响，控制装置简单且判断结果准确，对保障电力系统的安全稳定运行具有重大的意义。

附图说明

图1是本发明一种实施例的单相自适应重合闸控制装置结构图；

图2是本发明一种实施例的单相自适应重合闸控制装置与高压输电线路的连接图；

图3是本发明一种实施例的数据采集装置电路图；

图4是本发明一种实施例的ADS8364转换模块的电路原理图；

图5是本发明一种实施例的位置捕获电路图；

图6是本发明一种实施例的开关量输入装置电路图；

图7是本发明一种实施例的5V转3.3V电平转换引脚图；

图8是本发明一种实施例的微型机系统DSP的引脚图；

图9是本发明一种实施例的开关量输出装置电路图；

图10是本发明一种实施例的瞬时性故障时故障相电流示意图；

图11是本发明一种实施例的瞬时性故障时故障线路π型等值模型示意图；

图12是本发明一种实施例的单相自适应重合闸控制方法流程图；

图13是本发明一种实施例的瞬时性故障时故障相简化等值电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，一种单相自适应重合闸控制装置在某500kV高压输电线路中安装运行。

如图1所示，本发明实施例中自适应单相重合闸控制装置，该装置包括第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置、第四数据采集装置、微型机、人机对话装置、开关量输入装置和开关量输出装置。

本发明实施例中，第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置由第一放大器OP07、第二放大器OP07、第三放大器OP07、第四放大器OP07、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻组成，该数据采集装置可消除电路中的噪声等信号，也可以把电流信号转换成为微型机可接受的0-3.3V信号；微型机采用TI公司的32位浮点型DSPTMS320F28335芯片以及ADS8364转换模块组成；开关量输入装置采用PS2505-1型号芯片，开关量输出装置采用B1203S型芯片；人机对话装置包括OLED液晶显示模块、按键以及LED指示灯三部分，OLED液晶显示模块由主控芯片STC12LE5A60S2控制，用于显示装置在线监测与保护各种运行状态，对装置系统量进行设置。

如图2所示，本发明实施例中，所述的第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置结构相同，包括第一OP07放大器、第二OP07放大器、第三OP07放大器、第四OP07放大器、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆、第七电阻R₇和第八电阻R₈，其中，第一OP07放大器的正输入端作为数据采集装置的输入端，第一OP07放大器的负输入端同时连接第一OP07放大器的输出端和第一电阻R₁的一端，第一电阻R₁的另一端同时连接第二OP07放大器的正输入端和第二电阻R₂的一端，第二OP07放大器的负输入端同时连接第三电阻R₃的一端和第四电阻R₄的一端，第三电阻R₃的另一端接地，第四电阻R₄的另一端连接第二OP07放大器的输出端，并且第二OP07放大器的输出端作为数据采集装置的输出端；所述的第二电阻R₂的另一端同时连接第三OP07放大器的输出端和负输入端，第三OP07放大器的正输入端同时连接第四OP07放大器的输出端和第五电阻R₅的一端，第五电阻R₅的另一端同时连接第四OP07放大器的负输入端和第六电阻R₆的一端，第六电阻R₆的另一端接电源，第四OP07放大器的正输入端同时连接第七电阻R₇的一端和第八电阻R₈的一端，第七电阻R₇的另一端和第八电阻R₈的另一端均接地。

如图3所示，本装置应用在某500kV高压输电线路中；第一数据采集装置输入端接入被测电网的A相并联电抗器侧的电流互感器中，第二数据采集装置输入端接入被测电网的B相并联电抗器侧的电流互感器中，第三数据采集装置输入端接入被测电网的C相并联电抗器侧的电流互感器中，第四数据采集装置的输入端接入被测电网中性点小电抗侧的电流互感器中，如图2所示，第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置四个输出端分别接入如图4所示的ADS8364转换模块中的CHA0+、CHA1+、CHB0+、CHB1+端口，经过转换后的数字信号经过D1、D3、D5、D7输出，上述四者的输出端通过位置捕获电路连接微型机，具体如图5所示，ADS8364转换模块的输出端D1、D3、D5、D7连接到位置捕获电路的74HC14芯片的CAP1、CAP2、CAP3和CAP4端，位置捕获电路的输出端芯片74CBTD3384的DSCAP1、DSCAP2、DSCAP3、DSCAP4分别与微型机系统DSP的CAP1、CAP2、CAP3、CAP4四引脚相连，实现对电流信号的采集；如图6所示，开关量输入装置电路的输入端IN与被测电网线路中选相元件故障相输出模块连接，如图7所示，开关量输入装置电路的输出端OUT与5V电压转3.3V电路输入端相连接，5V电压转3.3V电路输出端与微型机DSP的GOIO23引脚相连(如图8所示)，实现微型机系统对故障相的识别；如图9所示，开关量输出装置的输入端IN与DSP的GOIO24引脚相连，输出端OUT与断路器控制箱重合闸接触器连接，实现微型机系统对重合闸操作或闭锁重合闸操作的信号输出。

被测输电线路一端带并联电抗器，假设输电线路两端为M、N，N端并联电抗器。线路发生单相故障时，本发明装置实现线路的自适应重合闸。图10是线路C相发生“瞬时性故障”时电流示意图，线路π型等值模型如图11。线路发生瞬时故障电弧熄灭后，故障点消失。A、B相通过与C相的相间耦合电容和耦合电感使C相仍存在恢复电压。

采用自适应单相重合闸控制装置进行的控制方法，方法流程图如图12所示，包括以下步骤：

步骤1、采用第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置分别实时采集被测电网中流过A相并联电抗器的电流、B相并联电抗器的电流、C相并联电抗器的电流和中性点小电抗的电流，并将采集的电流值发送至微型机中；

步骤2、微型机将获得的电流值进行模数转换；

步骤3、当被测电网发生单相故障时，故障相的断路器跳闸，采用电网中线路保护装置的选相元件确定故障相，并通过开关量输入装置将故障相发送至微型机中；

步骤4、微型机根据故障相的电流理论值和中性点小电抗的电流理论值进行故障判据的整定，获得整定值；

获得整定值，计算方法如下：

$K_{\mathrm{DZ}}=k\left(\right|{\stackrel{\·}{I}}_G/{\stackrel{\·}{I}}_n\left|\right)---\left(1\right)$

其中，K_DZ为整定值，k为线路进行等值和简化时整定值产生的误差，系数k的取值为1.1，为流过故障相中并联电抗器的电流理论值，为流过中性点小电抗的电流理论值；

的计算过程如下：

根据并联电抗器和中性点小电抗器的星型连接可得公式(2)至公式(5)：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{aX}}{X}_L+{\stackrel{\·}{I}}_n{X}_n={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{na}}---\left(2\right)$

其中，X_L＝jωL₁，X_n＝jωL_n，L₁表示线路中并联电抗器电感值；L_n表示中性点小电抗器的电感值；表示线路中A相并联电抗器侧的相电压；表示流过A相并联电抗器电流；表示流过中性点小电抗的电流；

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bX}}{X}_L+{\stackrel{\·}{I}}_n{X}_n={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{nb}}---\left(3\right)$

其中，表示线路B相并联电抗器侧的相电压；表示流过B相并联电抗器电流；

${\stackrel{\·}{I}}_C{X}_L+{\stackrel{\·}{I}}_n{X}_n={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{nc}}---\left(4\right)$

其中，表示发生故障时线路中B相并联电抗器侧的相电压的C相电压；

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{aX}}+{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bX}}+{\stackrel{\·}{I}}_c={\stackrel{\·}{I}}_n---\left(5\right)$

根据公式(2)至公式(5)，获得流过并联电抗器故障相中的电流计算公式如下：

${\stackrel{\·}{I}}_n=({\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{na}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{nb}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{nc}})/(X_L+3X_n)---\left(6\right)$

根据公式(4)，获得流过并联电抗器故障相中的电流计算公式如下：

${\stackrel{\·}{I}}_C=({\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{nc}}-{\stackrel{\·}{I}}_n{X}_n)/X_L---\left(7\right)$

当C相发生故障时，简化等值电路图如图13所示；

上式中，和为已知量，的计算公式如下：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{nc}}=k_1(({\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ma}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{mb}})/2)+k_2(({\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{na}}+{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{nb}})/2)+k_3{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{xl}}---\left(8\right)$

其中，k₁为故障相的简化等值线路中等效未并联电抗器侧的A、B两相相电压的等值阻抗比值；

k₂为故障相的简化等值线路中等效并联电抗器侧的A、B两相相电压等值阻抗比值；

k₃为故障相的简化等值线路中C相全线路电感电压的等值阻抗比值；

表示线路中未并联电抗器侧的A相电压；

表示线路中未并联电抗器侧的B相电压；

分别是线路中A、B相并联电抗器侧的相电压；

C相全线路电感电压计算公式如下：

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{xl}}=({\stackrel{\·}{I}}_A+{\stackrel{\·}{I}}_B)Z_m---\left(9\right)$

其中，是C相全线路电感电压；Z_m是全线路互阻抗；是故障后A相相电流；是故障后B相的相电流；

步骤5、判断实时采集的故障相电流与中性点小电抗电流比值是否小于整定值，若是，则故障相为瞬时故障，执行步骤6，否则，故障相为永久性故障，执行步骤7；

当线路两端电源相角差为45度时，“永久性故障”时的值在0.2以上，“瞬时性故障”时在0.1左右。计算线路中，取k＝1.1，求得整定值K_DZ＝0.1232。当电路中发生“瞬时性故障”时，实测的值为0.1124，小于整定值K_DZ＝0.1232，判断故障为“瞬时性故障”，进行重合闸操作。

步骤6、微型机发送控制信号至开关量输出装置，控制故障相的接触器进行重合闸；

步骤7、微型机发送控制信号至开关量输出装置，控制故障相的接触器进行闭锁重合闸，即将故障相断电，工作人员对故障相进行检修。

Claims (5)

1.一种自适应单相重合闸控制装置，其特征在于：该装置包括第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置、第四数据采集装置、微型机、人机对话装置、开关量输入装置和开关量输出装置，其中，第一数据采集装置输入端接入被测电网的A相并联电抗器侧的电流互感器中，第二数据采集装置输入端接入被测电网的B相并联电抗器侧的电流互感器中，第三数据采集装置输入端接入被测电网的C相并联电抗器侧的电流互感器中，第四数据采集装置的输入端接入被测电网中性点小电抗侧的电流互感器中，第一数据采集装置输出端、第二数据采集装置输出端、第三数据采集装置输出端和第四数据采集装置输出端依次连接微型机的第一输入端、第二输入端、第三输入端和第四输入端，微型机的输出端连接开关量输出装置的输入端，开关量输出装置的输出端连接被测电网重合闸接触器的输入端，开关量输入装置的输出端连接微型机的第五输入端，开关量输入装置的输入端连接被测电网中故障相输出模块的输出端，人机对话装置的输入/输出端连接微型机的输出/输入端。

2.根据权利要求1所述的自适应单相重合闸控制装置，其特征在于：所述的第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置结构相同，包括第一放大器、第二放大器、第三放大器、第四放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻，其中，第一放大器的正输入端作为数据采集装置的输入端，第一放大器的负输入端同时连接第一放大器的输出端和第一电阻的一端，第一电阻的另一端同时连接第二放大器的正输入端和第二电阻的一端，第二放大器的负输入端同时连接第三电阻的一端和第四电阻的一端，第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端连接第二放大器的输出端，并且第二放大器的输出端作为数据采集装置的输出端；所述的第二电阻的另一端同时连接第三放大器的输出端和负输入端，第三放大器的正输入端同时连接第四放大器的输出端和第五电阻的一端，第五电阻的另一端同时连接第四放大器的负输入端和第六电阻的一端，第六电阻的另一端接电源，第四放大器的正输入端同时连接第七电阻的一端和第八电阻的一端，第七电阻的另一端和第八电阻的另一端均接地。

3.根据权利要求2所述的自适应单相重合闸控制装置，其特征在于：所述的数据采集装置为第一数据采集装置或第二数据采集装置或第三数据采集装置或第四数据采集装置。

4.采用权利要求1所述的自适应单相重合闸控制装置进行的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、采用第一数据采集装置、第二数据采集装置、第三数据采集装置和第四数据采集装置分别实时采集被测电网中流过A相并联电抗器的电流、B相并联电抗器的电流、C相并联电抗器的电流和中性点小电抗的电流，并将采集的电流值发送至微型机中；

步骤2、微型机将获得的电流值进行模数转换；

步骤3、当被测电网发生单相故障时，故障相的断路器跳闸，采用电网中线路保护装置的选相元件确定故障相，并通过开关量输入装置将故障相发送至微型机中；

步骤4、微型机根据故障相的电流理论值和中性点小电抗的电流理论值进行故障判据的整定，获得整定值；

步骤5、判断实时采集的故障相电流与中性点小电抗电流比值是否小于整定值，若是，则故障相为瞬时故障，执行步骤6，否则，故障相为永久性故障，执行步骤7；

步骤6、微型机发送控制信号至开关量输出装置，控制故障相的接触器进行重合闸；

步骤7、微型机发送控制信号至开关量输出装置，控制故障相的接触器进行闭锁重合闸，即将故障相断电，工作人员对故障相进行检修。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，步骤4所述的获得整定值，计算方法如下：

$K_{\mathrm{DZ}}=k\left(\right|{\stackrel{\·}{I}}_G/{\stackrel{\·}{I}}_n\left|\right)---\left(1\right)$

其中，K_DZ为整定值，k为线路进行等值和简化时整定值产生的误差，系数k的取值范围为1.1～1.3，为流过故障相中并联电抗器的电流理论值，为流过中性点小电抗的电流理论值。