CN106786467A - 一种交流窜入故障告警及防误动装置 - Google Patents

一种交流窜入故障告警及防误动装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力检测技术领域，具体涉及一种交流窜入故障告警及防误动装置。针对发生电阻性的交流窜入的情况下，本发明根据窜入的交流电压幅值的大小，自动选择在直流电源母线与大地之间投入合适的容性负载，以便减少交流电源窜入直流电源系统的交流幅值，从而可以减低直流电源系统因交流电源窜入故障导致保护误动的风险。本发明适用于变电站或电厂里220V/110V/48V等不同电压等级的直流电源系统交流窜入故障监测，能检测0V至285V以内各种交流窜入故障，告警时间小于0.2秒，并进行交流波形录波及窜入波形；有利于提高变电站或电厂设备运行可靠性，防止误动，减少重特大事故发生。

Description

一种交流窜入故障告警及防误动装置
技术领域
本发明涉及电力检测技术领域，具体涉及一种交流窜入故障告警及防误动装置。
背景技术
直流电源系统是给保护提供动力电源的系统，它的稳定性、可靠性如何，直接影响保护的工作状况，其中交流窜入直流电源系统是影响直流电源系统稳定性、可靠性的主要故障之一，它可以直接导致保护误动，从而产生严重的系统故障。
从目前了解的情况看，目前国内有很多针对交流窜入直流电源系统告警与选线的装置、专利以及期刊等相关的技术方案。例如：(1)名称：变电站用交流窜入直流电源报警装置，申请专利号：CN201220534548.0，公开号：CN202854307U，公开日期：2013-4-3；(2)名称：一种变电站直流电源系统的交流窜入预警监控装置，申请专利号：201310698981.7，申请时间：2013.12.18；
但目前已存在的产品或技术方案绝大多数的直流系统绝缘监测装置是没有具备交流窜入的检测功能的，少数的直流系统绝缘监测装置是具备了交流窜入告警与选线的功能，也可以进行交流波形录波，但只是简单的具有监测交流窜入直流系统故障，并告警与选线定位功能而已，并没有专门针对发生这种交流窜入直流电源系统做进一步的保护措施。已有的产品和技术主要存在的缺点有：
第一，目前大部分的产品或技术方案只是对交流窜入直流电源系统故障进行监测和选线定位功能；
第二，目前为止，基本没有任何的产品对已发生交流窜入直流电源系统故障采取防误动防范措施，来减低误动风险。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种交流窜入故障告警及防误动装置，具体技术方案如下：
一种交流窜入故障告警及防误动装置包括取样隔离单元、放大滤波单元、AD采样单元、主处理器MCU单元、显示单元、告警输出单元、存储单元、电容控制单元、电容输出单元；所述取样隔离单元与放大滤波单元连接；所述放大滤波单元与AD采样单元连接；所述AD采样单元与主处理器MCU单元连接；所述显示单元、告警输出单元、存储单元、电容控制单元分别与主处理器MCU单元连接；所述电容输出单元与电容控制单元连接；所述取样隔离单元包括分压取样模块、隔离模块；所述分压取样模块采用电阻R1、电阻R2分压，采用电阻R3取样；所述隔离模块包括交直流隔离、光电隔离；所述交直流隔离通过电容C实现；所述光电隔离通过隔离线性光耦实现；交流信号窜入直流电源系统后依次经过电阻R1、电阻R2分压和电阻R3取样后输入至电容C进行交直流隔离和输入至隔离线性光耦进行光电隔离，交流信号经过分压取样和隔离后依次输入至放大滤波单元、AD采样单元处理后输入至主处理器MCU单元进行处理，再输入至显示单元、存储单元，当主处理器MCU单元判断交流信号的幅值大于设定的阈值，主处理器MCU单元会启动告警输出单元和电容控制单元，电容控制单元控制电容输出单元在直流系统的母线和大地之间投入对应的电容器。
进一步，所述隔离线性光耦的放大倍数为8倍。
进一步，所述放大滤波单元包括放大电路、滤波电路；所述放大电路包括放大倍数为40倍的一级低通放大器，所述滤波电路为低通滤波电路。
进一步，所述AD采样单元采用的是12位AD芯片采样，基准电压为2.5V。
进一步，所述主处理器MCU单元选择STM32系列单片机作为CPU，用于实时监控交流窜入故障，对交流信号进行实时采样，并通过FFT算法对采样到的数字信号序列进行傅里叶变换。
进一步，所述显示单元包括液晶显示屏。
进一步，所述告警输出单元包括语音告警、指示灯告警。
进一步，所述电容控制单元包括继电器。
进一步，所述电容输出单元中的电容根据电容控制单元输出的控制信号调整电容器的大小。
进一步，所述交流信号的频率为50Hz；所述设定的阈值为10V。
本发明具有以下有益效果：
1、适用于变电站或发电厂中220V/110V/48V等不同电压等级直流电源系统；
2、能检测0V至285V以内各种幅值的交流窜入故障；
3、能对交流瞬间窜入直流系统的监测，告警时间小于0.2秒，并且进行交流波形录波，有利于日后对发生的事故进行进一步研究分析；
4、能对窜入交流的支路进行选线定位，方便工作人员进行接地故障的排查；
5、可以根据交流窜入的电压幅值大小，自动选择在直流电源母线与大地之间投入合适的容性负载，这样就可以减少交流窜入直流电源系统的交流电压幅值，从而可以大大降低直流电源系统因交流电源窜入故障导致保护误动的风险；
6、可以实时监控直流电源系统的安全运行情况，能及时发现交流窜入故障，及时告警，有利用于及时处理故障，有利于提升变电直流系统运行管理水平，有利于提高变电站设备运行可靠性，减少重、特大事故发生，使投入资金创造更高的经济效益与社会效益。
附图说明
图1是本发明一种交流窜入故障告警及防误动装置的原理示意图；
图2是本发明一种交流窜入故障告警及防误动装置的检测原理示意图；
图3是本发明一种交流窜入故障告警及防误动装置的电容控制输出原理图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种交流窜入故障告警及防误动装置包括取样隔离单元、放大滤波单元、AD采样单元、主处理器MCU单元、显示单元、告警输出单元、存储单元、电容控制单元、电容输出单元；所述取样隔离单元与放大滤波单元连接；所述放大滤波单元与AD采样单元连接；所述AD采样单元与主处理器MCU单元连接；所述显示单元、告警输出单元、存储单元、电容控制单元分别与主处理器MCU单元连接；所述电容输出单元与电容控制单元连接；所述取样隔离单元包括分压取样模块、隔离模块；所述分压取样模块采用电阻R1、电阻R2分压，采用电阻R3取样；所述隔离模块包括交直流隔离、光电隔离；所述交直流隔离通过电容C实现；所述光电隔离通过隔离线性光耦实现；交流信号窜入直流电源系统后依次经过电阻R1、电阻R2分压和电阻R3取样后输入至电容C进行交直流隔离和输入至隔离线性光耦进行光电隔离，交流信号经过分压取样和隔离后依次输入至放大滤波单元、AD采样单元处理后输入至主处理器MCU单元进行处理，再输入至显示单元、存储单元，当主处理器MCU单元判断交流信号的幅值大于设定的阈值，主处理器MCU单元会启动告警输出单元和电容控制单元，电容控制单元控制电容输出单元在直流系统的母线和大地之间投入对应的电容器。
优选地，交流信号的频率为50Hz；设定的阈值为10V。
取样隔离单元包括分压取样模块、隔离模块；分压取样模块包括电阻R1、电阻R2、取样电阻R3，如图3所示；隔离模块包括交直流隔离、光电隔离；交直流隔离通过电容C实现，如图3所示；光电隔离通过隔离线性光耦实现；隔离线性光耦的放大倍数为8倍。
放大滤波单元包括放大电路、滤波电路；放大电路包括放大倍数为40倍的一级低通放大器，滤波电路为低通滤波电路。
AD采样单元采用的是12位AD芯片采样，基准电压为2.5V。因此12位的AD转换芯片的分辨率为0.6mV。通过对分压电阻、电容C以及放大电路选择合理的参数，电阻R1、R2参数分别为500k/1W，电容C为105/400V，即容抗为3.18k，取样R3电阻为190欧姆。由于隔离线性光耦为8倍放大关系，放大电路的放大倍数为40倍，所以保证了285V的交流信号经过电路处理后在AD采样处信号的有效峰峰值不大于2.5V，计算公式：285V*500/（500+500）*0.18/(3.18+0.18)*8*40=2.442V<2.5V，那么按照理想比例的情况下有效值为0.1V的交流信号在AD采样处的信号有效值为0.877mV，计算公式：1000*0.1V*2.5V/285V=0.877mV，因此0V-285V的交流窜入直流系统，对于分辨率为0.6mV的AD采样芯片来说是完全可以捕捉到的。
主处理器MCU单元选择的是ST公司的STM32系列单片机中的STM32F407ZGT6作为CPU，用于实时监控交流窜入故障，对交流信号进行实时采样，并通过FFT算法对采样到的数字信号序列进行傅里叶变换。STM32F407ZGT6选择的是72M的系统时钟，单指令周期最小13.9nS；50Hz的交流信号每个周期采集40个数据，每个采样数据间隔0.5mS，可以60mS内记录下窜入的交流信号波形，可以做到预警时间小于0.2S。
优选地，显示单元包括液晶显示屏。
优选地，所述告警输出单元包括语音告警、指示灯告警；主处理器MCU单元实时监控交流窜入故障，当监测到的交流幅值超过设定的阈值10V时，即主处理器MCU单元控制告警输出单元发出声光告警信息，即发出语音告警、指示灯告警，且主处理器MCU单通过电容控制单元的继电器将电容输出单元的电容器投入到直流系统母线与大地之间，电容输出单元中的电容可以根据电容控制单元输出的控制信号调整电容器的大小。
如图2所示，50Hz交流电源窜入直流系统后，经过电阻R1、R2分压、电阻R3取样再经过电容C进行交直流隔离、隔离线性光耦进行光电隔离再输入至放大电路和滤波电路，经过放大电路和滤波电路处理后，由AD采样单元进行采样并进行AD转换，将模拟信号转换为一系列的数字序列提供给主处理器MCU单元通过FFT算法对采样到的数字序列进行傅里叶变换并输入到液晶显示屏显示和输入到存储单元进行存储。
如图1和3所示，如果窜入直流系统的交流信号幅值达到或者超过设定的阈值10V主处理器MCU单元则进行告警输出，再根据测量到的交流电压幅值的大小，进行计算、分析、处理并通过电容控制单元控制将电容器接入到直流母线与大地之间。
如图3所示，当发生交流经过电阻或者电容隔离窜入直流电源系统后，直流系统母线对地电压中存在着交流成分，其幅值的大小V1与直流系统桥电阻R1、桥电阻R2的大小及窜入回路电阻R4有关系，而且幅值的大小就等于直流系统桥电阻R1、桥电阻R2与窜入回路电阻R4构成分压回路后在桥电阻R1上的分压。因此通过改变桥电阻R1的大小就可以改变交流窜入直流电源系统的交流电压幅值V1的大小，从而实现装置在发生交流窜入直流电源系统故障后，自动采取补救措施，降低交流窜入的电压幅值，降低误动风险，实现防范因交流窜入故障而引发误动事故。具体如下：当发生交流经过电阻或者电容隔离窜入直流电源系统的正极后，根据图2的检测原理，测量到窜入到直流电源系统后，母线对地的交流电压幅值为V1，其计算公式为：
V1=Vac*{R1/(2*R4+R1)}；
其中Vac为交流电源的电压，电阻R1=R2，R4为窜入回路电阻；
装置根据V1的大小关系，在负极与大地之间接入一个电容C1后，直流母线对地的交流电压幅值为：
V2=Vac/{1+(R4/Rc)+(2*R4/(R1)}；
；
其中Rc为电容C1的容抗，f为交流信号的频率，C1为电容C1的大小；
根据上面的公式可得：对于50Hz的交流信号窜入直流电源系统，电容C1增加，容抗Rc减小，母线对地的交流电压V2减小；反之电容C1减小，Rc增大，母线对地交流电压V2增大。因此通过改变接入直流母线与大地之间的电容C1的大小可以调节发生交流电源经过电阻或者电容窜入直流电源系统故障的交流电压幅值V2的大小，从而降低因发生交流窜入故障而引起误动的风险，达到防范误动的目的。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：包括取样隔离单元、放大滤波单元、AD采样单元、主处理器MCU单元、显示单元、告警输出单元、存储单元、电容控制单元、电容输出单元；所述取样隔离单元与放大滤波单元连接；所述放大滤波单元与AD采样单元连接；所述AD采样单元与主处理器MCU单元连接；所述显示单元、告警输出单元、存储单元、电容控制单元分别与主处理器MCU单元连接；所述电容输出单元与电容控制单元连接；所述取样隔离单元包括分压取样模块、隔离模块；所述分压取样模块采用电阻R1、电阻R2分压，采用电阻R3取样；所述隔离模块包括交直流隔离模块、光电隔离模块；所述交直流隔离模块通过电容C实现；所述光电隔离模块通过隔离线性光耦实现；交流信号窜入直流电源系统后经过电阻R1、电阻R2分压和电阻R3取样后输入至电容C进行交直流隔离和输入至隔离线性光耦进行光电隔离，交流信号经过分压取样和隔离后依次输入至放大滤波单元、AD采样单元处理后输入至主处理器MCU单元进行处理，再输入至显示单元、存储单元，当主处理器MCU单元判断交流信号的幅值大于设定的阈值，主处理器MCU单元会启动告警输出单元和电容控制单元，电容控制单元控制电容输出单元在直流系统的母线和大地之间投入对应的电容器。
2.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述隔离线性光耦的放大倍数为8倍。
3.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述放大滤波单元包括放大电路、滤波电路；所述放大电路包括放大倍数为40倍的一级低通放大器，所述滤波电路为低通滤波电路。
4.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述AD采样单元采用的是12位AD芯片采样，基准电压为2.5V。
5.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述主处理器MCU单元选择STM32系列单片机作为CPU，用于实时监控交流窜入故障，对交流信号进行实时采样，并通过FFT算法对采样到的数字信号序列进行傅里叶变换。
6.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述显示单元包括液晶显示屏。
7.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述告警输出单元包括语音告警、指示灯告警。
8.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述电容控制单元包括继电器。
9.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述电容输出单元中的电容根据电容控制单元输出的控制信号调整电容器的大小。
10.根据权利要求1所述的一种交流窜入故障告警及防误动装置，其特征在于：所述交流信号的频率为50Hz；所述设定的阈值为10V。
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