CN104393575A - 用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法及其保护系统 - Google Patents

Abstract

一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法，包括:对煤矿电网的三相电压和三相电流进行多通道同步采样；通过DFT算法计算三相电压和三相电流的采样信号值，得到各通道采样数据的实部和虚部；选出最大电流相，其相电流I的实部为I_r、虚部为I_i，对应的相电压U的实部为U_r、虚部为U_i；将相电流I顺时针旋转一个预设角度并计算该相电流I旋转后的实部以及虚部，预设角度为48°-59°；计算相电流I旋转后的有功功率P₁，并进行动作判断，若有功功率P₁>0且最大电流幅值大于电流定值，则执行相敏保护动作。本发明计算复杂度小，计算效率高，提高了相敏保护的速动性、可靠性；提高了短路保护动作的选择性；提高了保护的灵敏性。

Description

用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法及其保护系统

技术领域

本发明属于煤矿低压配电保护器技术领域，尤其涉及一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法及其保护系统。

背景技术

煤矿供电系统供电线路短、供电环境恶劣、设备长期受潮导致绝缘性能逐渐下降、机械损伤以及人为误操作等原因，极易引起煤矿供电设备出现短路故障，如不及时迅速切除故障，将导致供电线路和设备损坏，严重时会发生瓦斯爆炸威胁井下工作人员的人身安全。因此，快速而可靠的切除矿井供电设备的短路故障，对煤矿的安全自动化生产至关重要。

目前，应用于煤矿低压配电保护器切除短路故障的算法有两类，一类是通过直接判断电流幅值的方法来区分故障，即“鉴幅式”判断，要求保护线路全长，动作整定值小，结合低压配电负荷一般都是电动机类大容量感性负载，启动电流大，容易造成保护误动作。另外一类是通过相敏保护闭锁法，通过判断出现大电流时系统功率因数的大小来区分是短路故障还是电机起动，因此实现相敏保护的条件有两个，第一是最大相电流幅值要超过整定的短路电流值；第二是功率因数要大于整定值，同时满足这两个条件时保护器才能启动保护出口动作。

其中，计算功率因数的方法大致有两种，第一种是采用功率算法，即用有功功率除以视在功率；第二是利用感性负载电流相位滞后电网电流一定角度，通过对电网电流0-π积分面积法算出功率因数。第一种方法要求通过三相电压和三相电流的乘累加求出有功功率和无功功率，然后计算出视在功率，最终采用有功功率除以视在功率得到功率因数，这种方法涉及三相功率计算，计算量很大，如果计算采用浮点数的乘法和除法，特别是浮点数的除法，计算耗时较多，降低了保护动作的速动性，对于一般的单片机来说，效率很低，如果不采用浮点计算，误差会比较大，降低了保护的可靠性。第二种方法涉及到求正弦函数与X轴区域间的面积，涉及到积分计算，这种计算精度与ADC在一个周波的采样点数有关，采样点数越多，计算精度越高，处理器的负担也越大，降低了保护的灵敏度，而且这种算法还要计算出感性负载电流正弦函数和电网电流正弦函数在0-π区间内过零点的时刻，增加了计算的复杂度。

发明内容

基于此，本发明针对上述技术问题，提供一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法及其保护系统。

本发明采用如下技术方案：

一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法，包括:

对煤矿电网的三相电压和三相电流进行多通道采样；

通过DFT算法计算所述三相电压和三相电流的采样信号值，得到各通道采样数据的实部和虚部；

选出最大电流相，其相电流I的实部为I_r、虚部为I_i，对应的相电压U的实部为U_r、虚部为U_i；

将所述相电流I顺时针旋转一个预设角度并根据以下公式计算该相电流I旋转后的实部以及虚部，所述预设角度为根据整定的功率因数确定：

实部：

虚部：

根据以下公式计算所述相电流I旋转后的有功功率P₁，并进行动作判断，若有功功率P₁>0，则执行相敏保护动作：

P1＝U_r×I_1r+U_i×I_1i。

所述选出最大电流相步骤包括：

根据各电流相采样数据的实部和虚部以及向量求模公式计算出各电流相的电流幅值；

若其中一相电流幅值均大于其它两相电流幅值，则该电流相为最大电流相。

该方法通过ARM处理器STM32F103对煤矿电网的三相电压和三相电流进行双踪同步采样。

该方法对各通道的每个采样点的采样周期为300us，该方法对有功功率P₁的计算以及动作判断的保护时间为200us。

本方案还涉及一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护系统，包括：

采样单元，用于对煤矿电网的三相电压和三相电流进行多通道采样；

DFT处理单元，用于通过DFT算法计算所述三相电压和三相电流的采样信号值，得到各通道采样数据的实部和虚部；

最大电流相选取单元，用于选出最大电流相，其相电流I的实部为I_r、虚部为I_i，相电压U的实部为U_r、虚部为U_i；

相电流旋转单元，用于将所述相电流I顺时针旋转一个预设角度并根据以下公式计算该相电流I旋转后的实部以及虚部，所述预设角度为54°-59°：

实部：

虚部：

有功功率计算单元，用于根据以下公式计算所述相电流I旋转后的有功功率P₁，并进行动作判断，若有功功率P₁>0，则执行相敏保护动作：

P1＝U_r×I_1r+U_i×I_1i。

所述最大电流相选取单元根据各电流相采样数据的实部和虚部以及向量求模公式计算出各电流相的电流幅值；若其中一相电流幅值均大于其它两相电流幅值，则该电流相为最大电流相。

所述采样单元为ARM处理器STM32F103。

所述各通道的每个采样点的采样周期为300us，有功功率P₁的计算以及动作判断的保护时间为200us。

本发明通过有功功率来判断电动机是否发生短路故障，使整个计算过程得以优化，全程只有浮点数乘累加计算，避免了浮点数的除法计算，只需数学方法中的向量旋转公式即可实现，计算复杂度很小，提高了计算效率；优化后的计算判断时间比传统方法的计算时间短很多，节约了计算模值的时间，不仅提高了相敏保护的灵敏度，还可以通过增加采样点数量来进一步提高采样精度，从而提高了计算精度，同时，计算时间的缩短也增加了保护判断的次数，从而提高了保护判断的实时性；进而提高了煤矿供电的可靠性和灵敏度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式本发明进行详细说明：

图1为本发明的向量旋转示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

相敏保护通常采用鉴幅加鉴相位的方法保护线路全长。因为电动机启动电流能达到6-10倍的额定电流，与线路发生短路时的电流值很接近，只采用鉴幅判断，电动机启动时极易引起保护误动作，这个是煤矿不允许的。电动机是感性负载，在启动时增加了线路的无功功率，从而降低了功率因数，一般电动机起动时的功率因数在0.3-0.5之间，而纯阻性负载在发生短路时功率因数在0.8以上，本发明正是利用这个特点来区分是电动机起动时引起相电流过大还是线路发生短路故障。

如图1所示，煤矿电网正常运行时，电压会超前电流一定的角度θ，cosθ就是电网的功率因数。发生短路故障时，接近纯阻性负载，功率因数趋大于0.8，此时可以利用DTF算法计算出采样电压基波的实部U_r、虚部U_i与采样电流基波的实部I_r、虚部I_i，那么

功率P的计算公式为： $P=\stackrel{\·}{U}\·\stackrel{\·}{I}=\left|\stackrel{\·}{U}\right|\×\left|\stackrel{\·}{I}\right|\×\mathrm{COS\θ}---\left(1\right)$

以上是向量的数量积表示，把公式换成坐标形式表示为：

P＝U_r×I_r+U_i×I_i  (2)

把电流顺时针旋转一个角度φ(φ＝90°-θ)，得到电流可以通过向量旋转方法算出的坐标：

实部：

虚部：I_1i＝-I_r×sinφ+I_i×cosφ  (4)

计算旋转后的有功功率P₁,数量积的表达式为：

其坐标表达式为：P₁＝U_r×I_1r+U_i×I_1i  (6)

基于上述理论，进行如下分析：

1、设定相敏保护功率因数cosθ门槛值为0.80，因此功率因数角θ＝36°，则旋转角度φ＝90°-θ＝54°，代入公式(5)得到旋转后有功功率P₁＝0。

短路故障时，功率因数cosθ大于0.8，功率因数角θ<36°，此时(θ+φ)<90°，根据公式(5)计算得出，在发生短路故障时P₁>0；

电动机起动时，功率因数在0.3-0.5之间，功率因数角θ在60°-73°之间，那么(θ+φ)>90°，根据公式(5)计算得出，在电动机启动情况下P₁<0。

从上面的分析我们可以得出结论：相敏保护中对功率因数cosθ的判断可以转化成对旋转功率P₁的判断，可以通过判断P₁值的正负来区分引起相电流过大的原因是短路故障还是电动机起动。P₁>0说明短路故障引起相电流大于电流定值；P₁<0说明电动机起动电流大于电流定值。

那么，通过P₁来判断电动机是否发生短路故障，可以使整个计算过程得以优化，全程只有浮点数乘累加计算，避免了浮点数的除法计算，只需数学方法中的向量旋转公式即可实现，计算复杂度很小，提高了计算效率：

首先运用DFT对三相电路的相电压和相电流计算得到对应量的实部和虚部，选出最大电流相，然后利用公式(3)和公式(4)分别计算出电流旋转后的实部和虚部，最后采用公式(6)计算出最大电流相相电流旋转后的有功功率。

具体地，如图2所示，本实施例涉及一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法，包括:

S110、对煤矿电网的三相电压和三相电流进行多通道采样。

S120、由ARM处理器STM32F103通过DFT算法计算三相电压和三相电流的采样信号值，得到各通道采样数据的实部和虚部。

S130、相敏保护采用鉴幅与鉴相位结合的方法，短路时电流最大相即为故障相，选出最大电流相：根据各电流相采样数据的实部和虚部以及向量求模公式计算出各电流相的电流幅值；若其中一相电流幅值均大于其它两相电流幅值，则该电流相为最大电流相。

其中，相电流I的实部为I_r、虚部为I_i，对应相电压U的实部为U_r、虚部为U_i。

S140、将相电流I顺时针旋转一个预设角度并根据公式(3)以及公式(4)计算该相电流I旋转后的实部以及虚部，所述预设角度为48°-59°：

实部：

虚部：

S150、根据公式(6)计算相电流I旋转后的有功功率P₁，并进行动作判断，若有功功率P₁>0且最大电流幅值大于电流定值，则执行相敏保护动作：

P₁＝U_r×I_1r+U_i×I_1i。  (6)

本实施例方法对各采样通道的每个采样点的采样周期为300us，且对有功功率P₁的计算以及动作判断的保护时间(步骤S140以及S150的总时间)为200us，也就是说，每个通道采样周期可以进行一次计算以及动作判断，正是因为本实施例不涉及任何针对浮点数的除法计算，优化后的计算判断时间比传统方法的计算时间短很多，节约了计算模值的时间，不仅提高了相敏保护的灵敏度，还可以通过增加采样点数量来进一步提高采样精度，从而提高了计算精度，同时，计算时间的缩短也增加了保护判断的次数，提高了保护判断的实时性。

本实施例还涉及一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护系统，包括：

采样单元，用于对煤矿电网的三相电压和三相电流进行多通道采样。

具体地，采样单元采用ARM处理器STM32F103。

DFT处理单元，用于通过DFT算法计算所述三相电压和三相电流的采样信号值，得到各通道采样数据的实部和虚部。

最大电流相选取单元，用于选出最大电流相，其相电流I的实部为I_r、虚部为I_i，对应的相电压U的实部为U_r、虚部为U_i。

最大电流相选取单元根据各电流相采样数据的实部和虚部以及向量求模公式计算出各电流相的电流幅值；若电流幅值小于相应电流相的电流采样数据值，则该电流相为最大电流相。

相电流旋转单元，用于将相电流I顺时针旋转一个预设角度并根据以下公式计算该相电流I旋转后的实部以及虚部，预设角度为48°-59°。

实部：

虚部：

有功功率计算单元，用于根据以下公式计算相电流I旋转后的有功功率P₁，并进行动作判断，若有功功率P₁>0且最大电流幅值大于电流定值，则执行相敏保护动作：

P₁＝U_r×I_1r+U_i×I_1i。

其中，各采样通道的每个采样点的采样周期为300us，有功功率P₁的计算以及动作判断的保护时间(相电流旋转单元以及有功功率计算单元的总处理时间)为200us。也就是说，每个通道采样周期可以进行一次计算以及动作判断，正是因为本实施例不涉及任何针对浮点数的除法计算，优化后的计算判断时间比传统方法的计算时间短很多，节约了计算模值的时间，不仅提高了相敏保护的灵敏度，还可以通过增加采样点数量来进一步提高采样精度，从而提高了计算精度，同时，计算时间的缩短也增加了保护判断的次数，提高了保护判断的实时性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法，其特征在于，包括:

对煤矿电网的三相电压和三相电流进行多通道同步采样；

通过DFT算法计算所述三相电压和三相电流的采样信号值，得到各通道采样数据的实部和虚部；

选出最大电流相，其相电流I的实部为I_r、虚部为I_i，对应的相电压U的实部为U_r、虚部为U_i；

将所述相电流I顺时针旋转一个预设角度，并根据以下公式计算该相电流I旋转后的实部以及虚部，所述预设角度为48°-59°：

实部：

虚部：

根据以下公式计算所述相电流I旋转后的有功功率P₁，并进行动作判断，若有功功率P₁>0且最大电流幅值大于电流定值，则执行相敏保护动作：

P₁＝U_r×I_1r+U_i×I_1i。

2.根据权利要求1所述的一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法，其特征在于，所述选出最大电流相步骤包括：

根据各电流相采样数据的实部和虚部以及向量求模公式计算出各电流相的电流幅值；

若其中一相电流幅值均大于其它两相电流幅值，则该电流相为最大电流相。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法，其特征在于，该方法通过ARM处理器STM32F103对煤矿电网的三相电压和三相电流进行同步采样。

4.根据权利要求3所述的一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护方法，其特征在于，该方法对各通道的每个采样点的采样周期为300us，该方法对有功功率P₁的计算以及动作判断的保护时间为200us。

5.一种用于煤矿低压配电保护器的相敏保护系统，其特征在于，包括：

采样单元，用于对煤矿电网的三相电压和三相电流进行多通道采样；

DFT处理单元，用于通过DFT算法计算所述三相电压和三相电流的采样信号值，得到各通道采样数据的实部和虚部；

最大电流相选取单元，用于选出最大电流相，其相电流I的实部为I_r、虚部为I_i，相电压U的实部为U_r、虚部为U_i；

相电流旋转单元，用于将所述相电流I顺时针旋转一个预设角度，并根据以下公式计算该相电流I旋转后的实部以及虚部，所述预设角度为48°-59°：

实部：

虚部：

有功功率计算单元，用于根据以下公式计算所述相电流I旋转后的有功功率P₁，并进行动作判断，若有功功率P₁>0且最大电流幅值大于电流定值，则执行相敏保护动作：

P₁＝U_r×I_1r+U_i×I_1i。