CN104880638A - 一种电力系统故障电流的快速识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统故障电流的快速识别系统及方法，系统包括经开关与负载相连的电源，负载的进线上设置有电流传感器，电流传感器将检测到的电流信号，经信号调理电路预处理后，传输至信号处理装置进行数值采样，并通过采样数值获取电流周期分量的峰值；信号处理装置将该峰值与预先设定值进行比较，并根据比较结果对开关实施控制。识别方法通过信号处理装置连续地对输入电流信号进行等时间间隔采样，获得电流的离散值序列，从序列中选取固定时间间隔的多个采样值，通过对选取值进行数学差值及三角函数运算，得到电流周期分量的峰值，将该峰值与预先设定值进行比较，若检测峰值大于预先设定值，则控制开关断开。本发明对故障电流识别快速，并且节省开销。

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

本发明涉及电力系统电流检测领域，具体涉及一种电力系统故障电流的快速识别系统及方法。

背景技术

在电力系统或工业用户的用电系统发生短路故障时，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傅立叶变换提取基波分量，这种方式判别速度较慢，常常需要20ms以上的时间。而采用纯硬件电路，利用电流i及电流变化率di/dt两个判据，通过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，此方法虽可以取得识别的快速性，但该方法只能知道本次故障电流是否超过门槛，却无法知道本次故障的确切量值，故而在实际应用上受到一定的局限。此外，采用硬件或数值运算得到电流一阶导数及二阶导数来计算短路电流周期分量峰值，虽然可以达到快速定量识别的效果，但硬件和软件开销比较大，系统相对复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种电力系统故障电流的快速识别系统及方法，具有简单实用、迅速可靠的特点。

为了实现上述目的，本发明电力系统故障电流的快速识别系统，采用的技术方案为：包括经过开关与负载相连的电源，负载的进线上设置有电流传感器，电流传感器将检测到的电流信号，经信号调理电路预处理后，传输至信号处理装置进行数值采样，并通过采样数值获取电流周期分量的峰值；所述的信号处理装置将该峰值与预先设定值进行比较，并根据比较结果对开关实施控制，若检测峰值大于预先设定值，则控制开关断开。

所述的信号调理电路包括对电流信号进行变换、缓冲、放大及滤波的模块。

所述的信号处理装置包括用于对数值进行等时间间隔采样的模块，以及用于将所获取峰值与预先设定值进行数值比较的比较器。

所述的信号处理装置通过执行电路与开关连接。

所述的信号处理装置为计算机系统或单片机系统。

所述的单片机系统为MCU、DSP或FPGA模块。

本发明电力系统故障电流的快速识别方法，采用的技术方案包括如下步骤：

a.通过信号处理装置对输入电流信号进行等时间间隔Δt的连续采样，获得电流的离散值序列，并从所获电流的离散值序列中选取时间间隔为p·Δt的若干个采样值，p为正整数；

b.短路发生瞬间，t＝0，根据i₀＝I_msin(α-φ')，得出短路电流表达式为：

$i=I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{t}{T}}---\left(I\right)$

其中φ'为短路前电路的功率因数角，φ为短路后电路的功率因数角，T为短路后电路的时间常数，I_pmsin(ωt+α-φ)为暂态电流中的周期分量，为暂态电流中的直流分量；

c.设∠1＝ωΔt+α-φ，得出步骤b所述短路电流表达式对应步骤a所选取的若干个采样值的表达式；

d.将步骤c相邻采样值对应的短路电流表达式做差运算，得到时间间隔为p·Δt的短路电流表达式；由于暂态电流中的直流分量在p·Δt时间间隔内的衰减很有限，所以工程上近似地认为直流分量差值等于零；联立表达式，求解I_pm；

e.信号处理装置将计算出的I_pm与预先设定值进行比较，并根据比较结果对开关实施控制，若大于预先设定值，则控制开关断开。

所述的步骤a.信号处理装置对输入电流信号进行等时间间隔Δt的连续采样，获得电流的离散值序列：I(0)、I(Δt)、I(2Δt)、I(3Δt)、……、I(nΔt)、……、I(mΔt)，并从序列中选取时间间隔为p·Δt的三个采样值：I(Δt)、I(Δt+p·Δt)、I(Δt+2p·Δt)，n、m、p均为正整数。

所述的步骤c设∠1＝ωΔt+α-φ，于是步骤b所述短路电流表达式对应采样值表示为： $I\left(\mathrm{\Δt}\right)=I_{\mathrm{pm}}\sin \∠1+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{\mathrm{\Δt}}{T}};$

$I(\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt})=I_{\mathrm{pm}}\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt}}{T}};$

$I(\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt})=I_{\mathrm{pm}}\sin (\∠1+2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt}}{T}};$

进而，

I(Δt+p·Δt)-I(Δt)＝I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin∠1]+直流分量差值1；

I(Δt+2p·Δt)-I(Δt+p·Δt)＝I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin(∠1+ωp·Δt)]+直流分量差值2；

所述的步骤d由于暂态电流中的直流分量在p·Δt时间间隔内的衰减很有限，所以工程上近似地认为直流分量差值1和直流分量差值2等于零，于是有：

I(Δt+p·Δt)-I(Δt)≈I_pm[sin(∠1+ωp·Δt)-sin∠1]  (Ⅱ)

I(Δt+2p·Δt)-I(Δt+p·Δt)≈I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin(∠1+ωp·Δt)]  (Ⅲ)

由 $K=\frac{I(\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt})-I(\mathrm{\Δt}-p\·\mathrm{\Δt})}{I(\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt})-I\left(\mathrm{\Δt}\right)}=\frac{\sin (\∠1+2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})-\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})}{\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})-\sin \∠1},$ 再根据三角函数sin(α+β)＝sinαcosβ+cosαsinβ的公式，得到：

$\tan \∠1=\frac{\sin \mathrm{\ωp\Δt}-K(\sin 2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt}-\sin \mathrm{\ωp\Δt})}{K(\cos 2\mathrm{\ωp\Δt}-\cos \mathrm{\ωp\Δt})-(\cos \mathrm{\ωp\Δt}-1)}---\left(\mathrm{IV}\right)$

根据(Ⅳ)式算出∠1，然后代入(Ⅱ)式或(Ⅲ)式计算出I_pm。

所述的p·Δt在0.5ms～1.0ms间取值。

与现有技术相比，本发明电力系统故障电流的快速识别系统通过电流传感器检测供电回路的电流并将信号输送到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流信号进行预处理，信号处理装置用于对调理后的电流信号进行等时间间隔的数值采样，并通过对采样数值获得电流周期分量的峰值，信号处理装置将该峰值与预先设定值进行比较，并根据比较结果对开关实施控制，若检测峰值大于预先设定值，则控制开关断开。本发明系统故障电流识别快速，并且通过采样能够获得故障电流确切数值，系统结构简单，节省开销。

与现有技术相比，本发明电力系统故障电流的快速识别方法具有如下优点：

1、本发明利用暂态电流在一定时间间隔内的差值运算，有效的滤除了非周期分量对运算结果的影响。

2、经过实际验证表明，本发明能够快速定量识别短路电流及其稳态峰值，精度达到±5％以内，响应时间小于3ms，完全满足工程应用的需要。

3、本发明方法不需要对电流信号进行一阶或二阶微分的硬件调理或软件运算，因此显著节省了快速识别系统的硬件和软件开销。

进一步的，本发明p·Δt在0.5ms～1.0ms间取值，能够保证足够的分辨率。

附图说明

图1本发明故障电流识别系统的工作流程框图；

图2本发明故障电流识别系统的结构框图；

附图中：1.信号调理电路；2.信号处理装置；3.电源；4.开关；5.电流传感器；6.负载；7.执行电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，2，本发明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用于对输入的电流i信号进行变换、缓冲、放大、滤波等预处理；信号处理装置2为计算机系统或单片机系统，单片机系统为MCU、DSP或FPGA模块，用于对调理后的电流信号进行等时间间隔的数值采样，并通过对采样数值的运算获得电流周期分量的峰值I_pm。

本发明电力系统故障电流的快速识别方法，通过信号处理装置2连续地对输入的电流信号进行等时间间隔Δt的采样，获得电流的离散值序列I(0)、I(Δt)、I(2Δt)、I(3Δt)、……、I(nΔt)、……、I(mΔt)，从序列中选取时间间隔为p·Δt的3个采样值，例如I(Δt)、I(Δt+p·Δt)、I(Δt+2p·Δt)，对这三个值进行数学差值及三角函数运算，就可得到电流周期分量的峰值I_pm。依次以I(2Δt)、I(3Δt)、......、I(nΔt)为取值起点，就可获得I_pm随时间变化的曲线，一般在故障电流出现后3ms内就能得到比较稳定的I_pm。n、m、p均为正整数。

具体运算过程如下：

t＝0，即短路发生瞬间，i₀＝I_msin(α-φ')，则短路电流表达式为

$i=I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{t}{T}}---\left(I\right)$

其中φ'为短路前电路的功率因数角，φ为短路后电路的功率因数角，T为短路后电路的时间常数，I_pmsin(ωt+α-φ)为暂态电流中的周期分量，为暂态电流中的直流分量。设∠1＝ωΔt+α-φ，于是，

$I\left(\mathrm{\Δt}\right)=I_{\mathrm{pm}}\sin \∠1+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{\mathrm{\Δt}}{T}}$

$I(\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt})=I_{\mathrm{pm}}\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt}}{T}}$

$I(\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt})=I_{\mathrm{pm}}\sin (\∠1+2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]{e-}^{\frac{\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt}}{T}}$

I(Δt+p·Δt)-I(Δt)＝I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin∠1]+直流分量差值1

I(Δt+2p·Δt)-I(Δt+p·Δt)＝I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin(∠1+ωp·Δt)]+直流分量差值2

由于暂态电流中的直流分量在p·Δt时间间隔内的衰减很有限，所以工程上可以近似地认为直流分量差值1和直流分量差值2等于零，于是有，

I(Δt+p·Δt)-I(Δt)≈I_pm[sin(∠1+ωp·Δt)-sin∠1]  (Ⅱ)

I(Δt+2p·Δt)-I(Δt+p·Δt)≈I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin(∠1+ωp·Δt)]  (Ⅲ)

进一步有， $K=\frac{I(\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt})-I(\mathrm{\Δt}-p\·\mathrm{\Δt})}{I(\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt})-I\left(\mathrm{\Δt}\right)}=\frac{\sin (\∠1+2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})-\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})}{\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})-\sin \∠1}$

上式中K为已知数，再根据三角函数sin(α+β)＝sinαcosβ+cosαsinβ的公式，可以得到，

$\tan \∠1=\frac{\sin \mathrm{\ωp\Δt}-K(\sin 2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt}-\sin \mathrm{\ωp\Δt})}{K(\cos 2\mathrm{\ωp\Δt}-\cos \mathrm{\ωp\Δt})-(\cos \mathrm{\ωp\Δt}-1)}---\left(\mathrm{IV}\right)$

根据(Ⅳ)式算出∠1，代入(Ⅱ)式或(Ⅲ)式就可计算出I_pm。

显然，通过上述方法可以快速计算出短路电流周期分量峰值I_pm。采用暂态电流的差值运算，在很大程度上滤除了短路电流中可能包含的直流分量对计算结果的影响，使计算结果在短路故障发生3ms内达到稳定，I_pm计算值与真实值之间的最大误差小于±5％，完全可以满足故障电流快速识别工程应用的需要。

图2为本发明典型应用实例的框图，本发明电力系统故障电流快速识别系统，其应用实例除了信号调理电路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对信号完成数据采样并进行数学运算得到短路电流周期分量峰值I_pm，然后比较I_pm是否超过预先设定值，若超过设定值，则通过执行电路7实现对开关4的控制。

上述已经根据特定的典型应用实例对本发明进行了描述，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的思想下进行适当的替换或修改将是显而易见的。本发明的范围以所附的权利要求书为准，应用实例不是对本发明的范围的限制。

Claims (10)

1.一种电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于：包括经过开关(4)与负载(6)相连的电源(3)，负载(6)的进线上设置有电流传感器(5)，电流传感器(5)将检测到的电流信号，经信号调理电路(1)预处理后，传输至信号处理装置(2)进行数值采样，并通过采样数值获取电流周期分量的峰值；所述的信号处理装置(2)将该峰值与预先设定值进行比较，并根据比较结果对开关(4)实施控制，若检测峰值大于预先设定值，则控制开关(4)断开。

2.根据权利要求1所述的电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于：所述的信号调理电路(1)包括对电流信号进行变换、缓冲、放大及滤波的模块。

3.根据权利要求1所述的电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于：所述的信号处理装置(2)包括用于对数值进行等时间间隔采样的模块，以及用于将所获取峰值与预先设定值进行数值比较的比较器。

4.根据权利要求1或3所述的电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于：所述的信号处理装置(2)通过执行电路(7)与开关(4)连接。

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

6.根据权利要求5所述的电力系统故障电流的快速识别系统，其特征在于：所述的单片机系统为MCU、DSP或FPGA模块。

7.一种电力系统故障电流的快速识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.通过信号处理装置(2)对输入电流信号进行等时间间隔Δt的连续采样，获得电流的离散值序列，并从所获电流的离散值序列中选取时间间隔为p·Δt的若干个采样值，p为正整数；

b.短路发生瞬间，t＝0，根据i₀＝I_msin(α-φ')，得出短路电流表达式为：

$i=I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]e{-}^{\frac{t}{T}}---\left(I\right)$

其中φ'为短路前电路的功率因数角，φ为短路后电路的功率因数角，T为短路后电路的时间常数，I_pmsin(ωt+α-φ)为暂态电流中的周期分量， $[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]e{-}^{\frac{t}{T}}$ 为暂态电流中的直流分量；

c.设∠1＝ωΔt+α-φ，得出步骤b所述短路电流表达式对应步骤a所选取的若干个采样值的表达式；

d.将步骤c相邻采样值对应的短路电流表达式做差运算，得到时间间隔为p·Δt的短路电流表达式；由于暂态电流中的直流分量在p·Δt时间间隔内的衰减很有限，所以工程上近似地认为直流分量差值等于零；联立表达式，求解I_pm；

e.信号处理装置(2)将计算出的I_pm与预先设定值进行比较，并根据比较结果对开关(4)实施控制，若大于预先设定值，则控制开关(4)断开。

8.根据权利要求7所述的电力系统故障电流的快速识别方法，其特征在于：所述的步骤a.信号处理装置(2)对输入电流信号进行等时间间隔Δt的连续采样，获得电流的离散值序列：I(0)、I(Δt)、I(2Δt)、I(3Δt)、……、I(nΔt)、……、I(mΔt)，并从序列中选取时间间隔为p·Δt的三个采样值：I(Δt)、I(Δt+p·Δt)、I(Δt+2p·Δt)，n、m、p均为正整数。

9.根据权利要求8所述的电力系统故障电流的快速识别方法，其特征在于：所述的步骤c设∠1＝ωΔt+α-φ，于是步骤b所述短路电流表达式对应采样值表示为： $I\left(\mathrm{\Δt}\right)=I_{\mathrm{pm}}\sin \∠1+[I_m+\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]e{-}^{\frac{\mathrm{\Δt}}{T}};$

$I(\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt})=I_{\mathrm{pm}}\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]e{-}^{\frac{\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt}}{T}};$

$I(\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt})=I_{\mathrm{pm}}\sin (\∠1+2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})+[I_m\sin (\mathrm{\α}-{\mathrm{\φ}}^{\′})-I_{\mathrm{pm}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\φ})]e{-}^{\frac{\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt}}{T}};$

进而，

I(Δt+p·Δt)-I(Δt)＝I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin∠1]+直流分量差值1；

I(Δt+2p·Δt)-I(Δt+p·Δt)＝I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin(∠1+ωp·Δt)]+直流分量差值2；

所述的步骤d由于暂态电流中的直流分量在p·Δt时间间隔内的衰减很有限，所以工程上近似地认为直流分量差值1和直流分量差值2等于零，于是有：

I(Δt+p·Δt)-I(Δt)≈I_pm[sin(∠1+ωp·Δt)-sin∠1]     (Ⅱ)

I(Δt+2p·Δt)-I(Δt+p·Δt)≈I_pm[sin(∠1+2ωp·Δt)-sin(∠1+ωp·Δt)]   (Ⅲ)

由 $K=\frac{I(\mathrm{\Δt}+2p\·\mathrm{\Δt})-I(\mathrm{\Δt}-p\·\mathrm{\Δt})}{I(\mathrm{\Δt}+p\·\mathrm{\Δt})-I\left(\mathrm{\Δt}\right)}=\frac{\sin (\∠1+2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})-\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})}{\sin (\∠1+\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt})-\sin \∠1},$ 再根据三角函数sin(α+β)＝sinαcosβ+cosαsinβ的公式，得到：

$\tan \∠1=\frac{\sin \mathrm{\ωp\Δt}-K(\sin 2\mathrm{\ωp}\·\mathrm{\Δt}-\sin \mathrm{\ωp\Δt})}{K(\cos 2\mathrm{\ωp\Δt}-\cos \mathrm{\ωp\Δt})-(\cos \mathrm{\ωp\Δt}-1)}---\left(\mathrm{IV}\right)$

根据(Ⅳ)式算出∠1，然后代入(Ⅱ)式或(Ⅲ)式计算出I_pm。

10.根据权利要求7或8所述的电力系统故障电流的快速识别方法，其特征在于：所述的p·Δt在0.5ms～1.0ms间取值。