CN109946553B - 三相电表及其接地故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种三相电表及其接地故障检测方法，根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算术求和，再对该和值进行均方根计算，得到接地故障注入电流；根据接地故障注入电流大于设定的接地故障电流门限，达到设定的第一连续次数，上报接地故障；对于已上报接地故障的，根据接地故障注入电流小于设定的接地故障电流门限，达到设定的第二连续次数，上报接地故障恢复。本发明从软件方面进行改进，能够简化算法计算过程，降低误差引入。
Description
技术领域
本发明涉及三相电表，尤其涉及三相电表的接地故障检测。
背景技术
三相电表，除非特别说明，是指三相三线电表。根据欧姆定律和基尔霍夫定律，无接地故障注入情况下，三相电流的和应该为零；有接地故障注入的情况下，注入电流的大小和方向不定。一方面，标量计算无法满足各种注入场景；另一方面，由于三相电流之间的夹角关系复杂，矢量计算方法实现非常困难。
参见图1，示出了三相电流ia、ib、ic和接地故障的注入电流ief的矢量关系。理论上，可以采用以下方法：1、外接电流互感器，将火线零线电流硬件求和，再进行该和值检测，该和值即为接地故障注入电流，但该方法需要外接电流互感器，增加设备成本；2、通过三相电流、电压以及这些参数之间的夹角关系，运用三角函数公式，计算接地故障注入电流，但该方法需要增加器件成本，使用本身支持角度获取功能的高端计量芯片，或者，增加微处理器的代码复杂度，通过对功率因子进行反三角函数计算得出相关角度，这又会增加由算法本身引起的固有误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术所存在的不足，而提出一种三相电表及其接地故障检测方法，从软件方面进行改进，能够简化算法计算过程，降低误差引入。
本发明针对上述技术问题提出一种三相电表的接地故障检测方法，根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算术求和，再对该和值进行均方根计算，得到接地故障注入电流；根据接地故障注入电流大于设定的接地故障电流门限，达到设定的第一连续次数，上报接地故障；对于已上报接地故障的，根据接地故障注入电流小于设定的接地故障电流门限，达到设定的第二连续次数，上报接地故障恢复。
本发明针对上述技术问题还提出一种三相电表，包括计量芯片单元和与该计量芯片单元相连的微处理器；其中，该微处理器上运行的软件包括：接地故障注入电流计算程序模块，根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算术求和，再对该和值进行均方根计算，得到接地故障注入电流；以及故障平滑上报判决程序模块，用以根据接地故障注入电流大于设定的接地故障电流门限，达到设定的第一连续次数，上报接地故障，并且对于已上报接地故障的，根据接地故障注入电流小于设定的接地故障电流门限，达到设定的第二连续次数，上报接地故障恢复。
与现有技术相比，本发明的三相电表及其接地故障检测方法，通过巧妙地根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算术求和，再对该和值进行均方根计算得到接地故障注入电流，从软件方面进行改进，能够简化算法计算过程，降低误差引入。
附图说明
图1是三相电表的接地故障电流注入场景的示意。
图2是本发明的三相电表的接地故障检测方法的流程示意。
图3是本发明的三相电表中计量采样电路的电原理示意。
图4是本发明的三相电表中微处理器所运行软件的流程示意。
其中，附图标记说明如下:101计量芯片单元102A相电流采样单元103C相电流采样单元104B相电流采样单元105A相电压采样单元106C相电压采样单元。
具体实施方式
以下结合本说明书的附图，对本发明的较佳实施例予以进一步地详尽阐述。
参见图2，图2是本发明的三相电表的接地故障检测方法的流程示意。本发明提出一种三相电表的接地故障检测方法，包括以下步骤；
201、根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算术求和，再对该和值进行均方根计算，得到接地故障注入电流。
203、根据接地故障注入电流大于设定的接地故障电流门限，达到设定的第一连续次数，上报接地故障。
205、对于已上报接地故障的，根据接地故障注入电流小于设定的接地故障电流门限，达到设定的第二连续次数，上报故障恢复。
其中，设定的接地故障电流门限、设定的第一连续次数以及设定的第二连续次数均采用外部可配置方式，方便实用。举例而言，设定的接地故障电流门限iThreshold是500mA，设定的第一连续次数TThreshold1是5，设定的第二连续次数TThreshold2是2，这些值只是默认参考值，代码中处理为全局变量，可以通过工具，使用dlms协议进行动态修改配置，修改后的值，存入eeprom存储器，掉电后依然有效，方便客户根据当地现场环境灵活变动。
本发明采用获取一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算数求和，对该和值进行均方根计算，所得的RMS(均方根)值即为接地故障注入电流。这里用ian，ibn，icn分别表示三相电流的瞬时采样值，N表示一个周期内的采样点数，通过公式(1)，计算出接地故障的注入电流ief的大小。
参见图3，图3是本发明的三相电表中计量采样电路的电原理示意。该计量采样电路包括：计量芯片单元101，A相电流采样单元102，C相电流采样单元103，B相电流采样单元104，A相电压采样单元105以及C相电压采样单元106。其中，A相电流采样单元102采用电流互感器测得A相电流，其提供的A相电流采样值由端口IAP和IAN传送给计量芯片单元101；C相电流采样单元103采用电流互感器测得C相电流，其提供的C相电流采样值由端口ICP和ICN传送给计量芯片单元101；B相电流采样单元104采用电流互感器测得B相电流，其提供的B相电流采样值由端口IBP和IBN传送给计量芯片单元101；A相电压采样单元105采用分压电阻测得电压A相电压，其提供的A相电压由端口VAP、VAN传送给计量芯片单元101；C相电压采样单元106采用分压电阻测得电压C相电压，其提供的C相电压由端口VCP、VCN传送给计量芯片单元101。
计量芯片单元101通过以上端口IAP和IAN、ICP和ICN以及IBP和IBN，的输入，进行相关计量。计量芯片单元101并提供了寄存器来保存这些三相电流的瞬时采样值ian，ibn，icn，供与该计量芯片单元101相连的微处理器(图未示)获取实际采样值。三相电表中的微处理器进而可以读取一个周期内的N组的三相电流的瞬时采样值ian，ibn，icn，由公式(1)计算出接地故障注入电流ief的大小。
值得一提的是，为减小驱动压力和代码运行压力，本发明采用在空闲任务中分时获取三相电流的瞬时采样值ian，ibn，icn的转换，只需要在单次运算前，确保各参数值(即三相电流的瞬时采样值ian，ibn，icn)获取完备；另外，为保证精度，数据类型在与计量芯片相连接的微处理器资源允许范围内，采用double(双精度)数据类型。
举例而言，计量芯片单元101选用ATT7022E系列多功能高精度三相电能专用计量芯片。电网中心线频率为50hz，对应一周波周期为20ms，计量芯片采样频率设置为14.4k，对应50hz的采样点数N为14.4k*20ms＝288个。电网线频率在实际使用过程中波动范围在42-65Hz,在14.4k采样频率情况下,对应的采样点数范围为220-341个。可以理解的是，电网线频率越高，采样点数N的值越小。计量芯片的采样频率的可选范围包括14.4k，7.2k，3.6k，1.8k，0.9k，计量芯片的采样频率越高，一个周期内的采样点数N的值越大。
参见图4，图4是本发明的三相电表中微处理器所运行软件的流程示意。三相电表中微处理器运行的软件，包括：接地故障注入电流计算程序模块110和故障平滑上报判决程序模块120。接地故障注入电流计算程序模块110包括参数值获取单元111和电流计算单元112。
故障平滑上报判决程序模块120包括：执行判断接地故障注入电流ief是否大于接地故障电流门限iThreshold的单元121；是的话，执行对连续的次数Fcnt累加的单元122；接下来，进一步执行判断连续的次数Fcnt是否大于设定的上报故障平滑次数TThreshold1的单元123；是的话，执行上报接地故障的单元124。
在已上报接地故障情况下，并且单元121的判断为否的话，执行对连续的次数Rcnt累加的单元125；接下来，进一步执行判断连续的次数Rcnt是否大于设定的恢复故障平滑次数TThreshold2的单元126；是的话，执行上报接地故障恢复的单元127。
与现有技术相比，本发明的三相电表及其接地故障检测方法的有益效果包括：能够适用于各种三相电表；由于仅需要上述三个电流采样值和采样点数，可通过分时获取采样数据，对读取数据相关驱动和外部适配电路的压力很小，非常适合嵌入式软件实现；可以大大减少电表设备的投入，降低外部电路方面的费用；由于算法本身不存在固有误差，可以达到很高的计算精度，例如：1％以下。
上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种三相电表的接地故障检测方法，其特征在于，包括：
根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算术求和，再对该和值进行均方根计算，得到接地故障注入电流；
根据接地故障注入电流大于设定的接地故障电流门限，达到设定的第一连续次数，上报接地故障；
对于已上报接地故障的，根据接地故障注入电流小于设定的接地故障电流门限，达到设定的第二连续次数，上报接地故障恢复。
2.根据权利要求1所述的三相电表的接地故障检测方法，其特征在于，采用计量芯片单元得到一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值。
3.根据权利要求2所述的三相电表的接地故障检测方法，其特征在于，该计量芯片单元并提供寄存器来保存这些三相电流的瞬时采样值。
4.根据权利要求3所述的三相电表的接地故障检测方法，其特征在于，采用与计量芯片单元相连的微处理器实现接地故障注入电流的计算，并由该微处理器做出上报接地故障的判断以及上报接地故障恢复的判断。
5.根据权利要求4所述的三相电表的接地故障检测方法，其特征在于，使该微处理器在空闲任务中分时获取这些三相电流的瞬时采样值。
6.根据权利要求1所述的三相电表的接地故障检测方法，其特征在于，采用三个电流互感器分别测得三相电流。
7.一种三相电表，包括计量芯片单元和与该计量芯片单元相连的微处理器；其特征在于，该微处理器上运行的软件包括：接地故障注入电流计算程序模块，根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值，进行算术求和，再对该和值进行均方根计算，得到接地故障注入电流；以及故障平滑上报判决程序模块，用以根据接地故障注入电流大于设定的接地故障电流门限，达到设定的第一连续次数，上报接地故障，并且对于已上报接地故障的，根据接地故障注入电流小于设定的接地故障电流门限，达到设定的第二连续次数，上报接地故障恢复。
8.根据权利要求7所述的三相电表，其特征在于，该接地故障注入电流计算程序模块包括参数值获取单元，用以获取一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值；和电流计算单元，用以根据一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值计算出接地故障注入电流。
9.根据权利要求7所述的三相电表，其特征在于，该微处理器在空闲任务中分时获取一个周期的设定采样次数的三相电流瞬时值。
10.根据权利要求7所述的三相电表，其特征在于，该微处理器采用双精度数据类型进行接地故障注入电流的计算。
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