CN110687477A - 一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统高压变电站故障检测技术，具体涉及一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，包括在高压变电站高压一次三相线路上，安装罗氏线圈电流互感器，得到二次电流信号，利用采样设备对互感器中的二次电流进行采样数字化，通过光纤高速串行送到短路故障辨识设备，短路故障辨识设备接收到光纤传来数字信号后，解码得到电流电压信号；经过短路辨识算法判断，如发现短路，通过IO口输出动作信号送给外设。该系统能在3ms内发现高压线路短路故障并输出报警信号给保护装置，解决电网联网和成环过程中的技术难点，是高压继保设备快速可靠投入运行的关键。

Description

一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统高压变电站故障检测技术领域，尤其涉及一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统及方法。

背景技术

在高压电网中，短路电流超标已成为威胁系统稳定运行，影响电能质量的重要问题。短路故障发生后，为了快速限制短路电流，抑制短路电流超标带来的危害，要求在极短时间内投入继保设备，因此研究快速精确的短路故障检测系统是继保设备快速可靠投入运行的必要条件。

在高压变电站的保护系统中，研制快速检测短路故障的设备具有十分重要的意义。短路故障检测设备对于继保设备运行效果十分重要，及时发现短路故障才能是继保装置快速反应动作，达到保护电路系统的目的。目前尽管故障检测方法很多，但大部分检测方法无法快速、可靠、准确地识别短路故障信号。而且，在110kV及以上电压等级的变电站里面，电磁环境复杂，干扰大，所研制的短路故障检测设备各环节必须充分考虑此因素。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于100kV及以上电压等级的高压变电站内，能在3ms内快速可靠识别短路故障的检测系统及检测方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，包括安装在高压变电站高压一次三相母线线路上的三个罗氏线圈电流互感器，以及与罗氏线圈电流互感器连接的采样器，与采样器连接的短路故障辨识设备。

在上述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统中，三个罗氏线圈电流互感器输出的信号分别经过采样器数字化并各自封装后通过光纤传输至短路故障辨识设备。

在上述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统中，短路故障辨识设备采用ZYNQ 7x035，ZYNQ 7x035采用FPGA芯片核心板+扩展板模式灵活PCIE 2.0接口，PS端、PL端各有1GB的DDR3；PL端的FPGA完成数据并行接收解码、滤波、短路计算、故障识别的实时任务；AMR芯片用于事件记录、对外交互和辅助计算；IO口用于故障输出。

在上述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统中，所述检测系统预留3路模拟CT信号的采样，使用AD7607采样。

一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统的检测方法，包括以下步骤：FPGA并行接收3路数据包并解码，分别存入对应的缓冲区队列；进行预处理后，运行短路故障检测算法；如果检测出短路故障后，发送控制信号；并进行波形冻结，本地存储录波。

在上述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统的检测方法中，所述FPGA并行接收3路数据包并解码，分别存入对应的缓冲区队列；进行预处理后，运行短路故障检测算法；如果检测出短路故障后，发送控制信号；包括以下步骤：

步骤1、FPGA内存中设置3个固定长度循环队列QA、QB、QC，分别对应一路串行光接口；每个队列长度均为L1+d+L2，L1＝L2＝k/50，d＝k/100，其中，k为采样器的采样率，取值10000；对于每个队列，设置变量s₁，s₂；

其中，x_i为队列中的元素，front1和end1是L1部分的头和尾部的数组下标；front2和end2是L2部分的头和尾部的数组下标；

步骤2、在FPGA板卡的3路高速串行接口中不断循环并行接收数据，设某一时刻3路高速串行接口每一路收到1个数据包，解码后对应的采样值分别为数据a，b，c；进行以下步骤：

步骤2.1、将采样值a，b，c的平方值放入对应的固定长度的循环队列尾部；

步骤2.2、更新队列QA、QB、QC，并分别更新计算3个队列对应的s₁，s₂；

步骤2.3、按下式计算δ

步骤2.4、设定阈值经验值，如果δ大于该经验值即判断为短路，则IO口输出24V直流电压作为动作信号；否则判断没发生短路故障，IO口不输出动作信号；

步骤2.5、重复步骤2.1-步骤2.4。

本发明的有益效果：本发明基于FPGA平台，通过安装在母线上的电流互感器得到母线的电流，采样设备对电流进行采样数字化，并使用一种简化的数据封装FT3协议封装，通过光纤串行发送到短路故障辨识设备的接收光纤串行接口，然后进行快速短路故障辨识。能在短时间内侦测到短路故障并且发送给限流器，系统抗干扰性强，用于100kV及以上电压等级的高压变电站内，能在3ms内快速可靠识别短路故障，并侦测到短路故障后发出动作信号。

附图说明

图1为本发明一个实施例的快速短路故障检测系统架构；

图2为本发明一个实施例短路故障辨识设备和采样设备的连接逻辑图；

图3为本发明一个实施例短路故障辨识设备硬件架构；

图4为本发明一个实施例短路故障检测算法流程图；

图5为本发明一个实施例系统所用的内存中的固定长度循环队列结构图；

图6为本发明一个实施例单相接地故障检测示波器输出图像；

图7为本发明一个实施例两相接地故障检测示波器输出图像；

图8为本发明一个实施例两相相间短路故障检测示波器输出图像；

图9为本发明一个实施例三相短路故障检测示波器输出图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，在高压变电站高压一次三相母线线路上，安装罗氏线圈电流互感器，得到二次电流信号，然后用采样器对电流互感器中的二次电流进行采样数字化，鉴于三相母线之间的距离为数十米，为了避免强电磁干扰，采样器数据通过光纤高速串行送到短路故障辨识设备，短路故障辨识设备接收到光纤传来数字信号后，解码得到电流电压信号；经短路辨识算法判断，如发现短路故障，则通过IO口输出动作信号给外设。如图1所示，三路互感器经采样器分别采样三相电流电压，通过光纤串行接口送到短路故障辨识设备，然后计算处理后，如果有短路发生，从I/O口输出短路信号。

包括以下设备：

1、采样设备；

短路故障辨识设备需要采集三相电流(电压)，鉴于故障检测及辨识时间为2-3ms且短路故障辨识设备离罗氏线圈电子式电流互感器距离较远(约30-50m)，为了解决强电磁干扰问题，且保证电流互感器输出模拟小信号能可靠且尽量低延时传输，采用一次电流传感器将测量的模拟小信号，通过一次转换器(采样器)转变成光纤信号，通过高速光纤串行传输给短路故障辨识设备。如图2所示。

2、短路故障辨识设备硬件架构；如图3所示，为以双ARM为核心的FPGA架构以及和外围电路的接口。

a、短路故障辨识设备采用ZYNQ 7x035的方案；

ZYNQ 7x035采用FPGA芯片核心板+扩展板模式灵活PCIE 2.0接口，PS端、PL端各有1GB的DDR3。PL端的FPGA利用它硬件实时处理算法的优势，完成数据并行接收解码、滤波、短路计算、故障识别等实时任务。AMR芯片用于事件记录和对外交互和辅助计算。此外系统预留3路模拟CT信号的采样，使用AD7607进行采样，以供备用。

ZYNQ 7x035的主要配置参数如下所示：

1)基于Xilinx Zynq7000FPGA,XC7Z7035-2FFG676I；

2)PL端1GByte ddR3，32bit x 1600MHz；

3)PS端1GByte ddR3，32bit x 1066MHz；

4)2片32MByte QSPI Flash，8GByte EMMC；

5)PCIe 2.0x 4endpoint,单通道可高达5G Baud；

6)4路SFP+光纤接口，传输速率可高达10.3125Gbps；

7)2路千兆以太网，PS端1路，PL端1路

8)4路USB接口；

11)TF卡座；

12)1路USB转串口；

b、一次电流传感器技术参数；

故障限流器每一相单臂上安装空心线圈式电子式互感器，结构参数如下：

1)安装空间：Φ580～Φ720mm；

2)骨架尺寸：Φ620*Φ640*10；

3)线圈匝数:设计匝数为2388匝。

电子式电流互感器电气参数如下：

1)额定电压：550kV；

2)额定一次电流：4000A；

3)额定输出电压：150mV微分信号；

4)准确级别：5P20。

c采样器技术参数；

1)安装位置：电子式互感器接线盒内，地电位；

2)供电电源：110V DC，0.2A；

3)输入：额定电流150mV；

4)额定输出：01CFH(十进制463)；

5)额定输出延迟：100us(含一次传感器延时时间和积分器积分时间)；

6)采样率：200点/周(10k)；

7)采样模式：异步，16位；

d.采样器与短路故障辨识设备数据交换接口；

1)接口数量：1个；

2)接口类型：ST；

3)光纤类型：多模光纤；

4)典型传输具体：<2km；

5)中心波长：820nm。

3、短路故障检测流程，如图4所示，每收到一帧数据，即按此图的流程进行短路侦测计算。

FPGA从3个光纤高速串口分别并行接收到的3路数据包并解码，分别存入对应的缓冲区队列。进行预处理后。运行短路故障检测算法。如果检测出短路故障后，通过接口发送控制信号给其它(继保)机构；并且进行波形冻结，本地存储录波。

具体实施时，一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，在高压变电站高压一次三相线路上，安装罗氏线圈电流互感器，得到二次电流信号，然后用采样设备对互感器中的二次电流进行采样数字化后，通过光纤高速串行送到短路故障辨识设备，短路故障辨识设备接收到光纤传来数字信号后，解码得到电流电压信号；然后经过短路辨识算法判断后，如发现短路，通过IO口输出动作信号送给外设。短路故障辨识设备采用ZYNQ 7x035的方案，完成数据并行接收解码、滤波、短路计算、故障识别等实时任务，以及事件记录和对外交互。

i.互感器端的转换器和短路侦测设备的通信；

为保证响应速度，不采用合并单元，互感器的数据直接由转换器即采样器数字化并封装后通过光纤传输至短路故障辨识设备；采样器通过ST光纤接口输入同步信号。采样器的采样频率为10k，即每个周波采样200点，采样器每100us定时给短路故障辨识设备发送一次采样数据。

ii.简化的FT3协议；

为了保证实时的通信，尽量减少时间数据封装解码的开销，保证短路侦测的实时性，本实施例对常用的FT3传输协议进行简化，用于采样器到FPGA高速串口之间的通信，采样器的数据帧封装见表1：

表1简化的FT3通信协议

字节	起始位(1bit)	有效数据(8bit)	结束符(2bit)
				1	0	DATA1模拟通道1的高字节	1
2	0	DATA2模拟通道1的低字节	1
				3	0	DATA3模拟通道2的高字节	1
4	0	DATA4模拟通道2的低字节	1
				5	0	DATA5模拟通道3的高字节	1
6	0	DATA6模拟通道3的低字节	1
				7	0	DATA1～DATA6的求和取反	1

一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统的检测方法：

(1)FPGA内存中设置3个固定长度循环队列QA、QB、QC，分别各对应一路串行光接口。每个队列长度均为L1+d+L2，如图5所示，其中，L1＝L2＝k/50，d＝k/100，这里k为采样器的采样率，为10000。对于每个队列，设置变量s₁，s₂，

这里x_i为队列中的元素，front1和end1是L1部分的头和尾部的数组下标。front2和end2是L2部分的头和尾部的数组下标。

(2)在FPGA板卡的3路高速串行接口中不断循环并行接收数据，假设某一时刻3路接口每一路收到1个数据包，解码后的对应的采样值分别为数据a,b,c。则完成下列流程：

a将采样值a,b,c的平方值放入对应的固定长度的循环队列尾部。

b更新队列QA、QB、QC。并分别更新计算3个队列对应的s₁，s₂。，

c按下式计算δ

d设定阈值经验值，如果δ大于该经验值即判断为短路，则IO口输出24V直流电压作为动作信号。否则判断没发生短路故障，IO口不输出动作信号。

e重复a-e。

仿真实验结果：

基于RTDS仿真现场平台，在各种短路情况下，本实施例系统均能实现短路故障发生后3ms内输出短路信号，大部分在短路故障发生后1ms左右检测到。图6-图9为示波器输出的图像，一条线是IO接口输出的信号，一条线为电流(电压)信号。

图6为单相接地故障检测示波器输出图像；

图7为两相接地故障检测示波器输出图像；

图8为两相相间故障检测示波器输出图像；

图9为三相短路故障检测示波器输出图像。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.一种应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，其特征是，包括安装在高压变电站高压一次三相母线线路上的三个罗氏线圈电流互感器，以及与罗氏线圈电流互感器连接的采样器，与采样器连接的短路故障辨识设备。

2.如权利要求1所述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，其特征是，三个罗氏线圈电流互感器输出的信号分别经过采样器数字化并各自封装后通过光纤传输至短路故障辨识设备。

3.如权利要求1所述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，其特征是，短路故障辨识设备采用ZYNQ 7x035，ZYNQ 7x035采用FPGA芯片核心板+扩展板模式灵活PCIE2.0接口，PS端、PL端各有1GB的DDR3；PL端的FPGA完成数据并行接收解码、滤波、短路计算、故障识别的实时任务；AMR芯片用于事件记录、对外交互和辅助计算；IO口用于故障输出。

4.如权利要求1所述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统，其特征是，所述检测系统预留3路模拟CT信号的采样，使用AD7607采样。

5.一种基于权利要求1所述应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统的检测方法，其特征是，包括以下步骤：FPGA并行接收3路数据包并解码，分别存入对应的缓冲区队列；进行预处理后，运行短路故障检测算法；如果检测出短路故障后，发送控制信号；并进行波形冻结，本地存储录波。

6.如权利要求5所述的应用于高压变电站内的快速短路故障检测系统的检测方法，其特征是，所述FPGA并行接收3路数据包并解码，分别存入对应的缓冲区队列；进行预处理后，运行短路故障检测算法；如果检测出短路故障后，发送控制信号；包括以下步骤：

步骤1、FPGA内存中设置3个固定长度循环队列QA、QB、QC，分别对应一路串行光接口；每个队列长度均为L1+d+L2，L1＝L2＝k/50，d＝k/100，其中，k为采样器的采样率，取值10000；对于每个队列，设置变量s₁，s₂；

其中，x_i为队列中的元素，front1和end1是L1部分的头和尾部的数组下标；front2和end2是L2部分的头和尾部的数组下标；

步骤2、在FPGA板卡的3路高速串行接口中不断循环并行接收数据，设某一时刻3路高速串行接口每一路收到1个数据包，解码后对应的采样值分别为数据a，b，c；进行以下步骤：

步骤2.1、将采样值a，b，c的平方值放入对应的固定长度的循环队列尾部；

步骤2.2、更新队列QA、QB、QC，并分别更新计算3个队列对应的s₁，s₂；

步骤2.3、按下式计算δ

步骤2.4、设定阈值经验值，如果δ大于该经验值即判断为短路，则IO口输出24V直流电压作为动作信号；否则判断没发生短路故障，IO口不输出动作信号；

步骤2.5、重复步骤2.1-步骤2.4。

Images