CN111404137A - 一种配网灵活接地保护控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种配网灵活接地保护控制系统，交流量采集单元对电网三相电压、中性点电压、中性点消弧线圈分支电流、小电阻电流以及各支路零序电流信号进行数据采集；数字量采集单元对消弧线圈档位、小电阻投入开关状态以及各支路断路器投切状态信号进行数据采集；监测算法单元对交流量采集单元和数字量采集单元进行采集控制，并根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成消弧线圈调档、小电阻投切以及各支路跳闸控制信号；控制信号输出单元根据监测算法单元生成的控制信号，实现消弧线圈调档控制、小电阻投切控制以及各支路跳闸控制。本发明实现了消弧线圈系统的测控、小电阻系统的控制功能以及接地选线及选线跳闸功能。

Description

一种配网灵活接地保护控制系统

技术领域

本发明涉及供配电网技术领域的一种配网灵活接地保护技术，具体地，涉及一种配网灵活接地保护控制系统。

背景技术

在6-35kV供配电网中，主要采用了两种中性点接地方式：中性点经消弧线圈接地、中性点经小电阻接地。

对以架空线为主的配电网，由于单相接地后电容电流有限，一般采用中性点经消弧线圈接地方式，由消弧线圈在接地后可实现对电容电流的补偿。接地电流被消弧线圈补偿后明显变小，造成选线装置不能准确判断接地信号，影响了选线的准确性，给永久性故障选线带来一定的困难，使接地故障难以快速、准确地切除。

对于以电缆线路为主的配电网，由于单相接地后电容电流显著增大的，采用消弧线圈已经不能实现良好的补偿，因此多采用中性点经小电阻接地方式，再发生单相接地后，小电阻会提供较大的零序电流，促使故障线路零序保护动作，直接切除故障线路。但是中性点经小电阻接地方式，无法区分瞬时接地故障与永久性接地故障，对所有单相接地均启动线路跳闸，增加了线路跳闸次数，影响了供电可靠性。

因此，采用中性点经消弧线圈并联小电阻的灵活接地方式，结合二者各自的优点，避免各自存在的问题，可以有效提高配电网的供电安全性和可靠性。一般情况下，在6-10(20)kV系统，消弧线圈及小电阻经接地变压器接入系统；35kV系统，消弧线圈及小电阻可直接接到变压器中性点。消弧线圈的电流上限，一般为电网电容电流135％；小电阻的阻值，一般以金属性接地时小电阻可以产生400～600A的电流来选择。

一个典型中性点灵活接地的配电网，采用消弧线圈并联小电阻，电网正常运行时，消弧线圈直接挂载在电网的中性点中，小电阻与电网中性点断开。此时由消弧线圈实现对电网电容电流的跟踪测量。

当电网发生单相接地故障后，立即投入消弧线圈进行补偿，若故障为瞬时性故障，则由于消弧线圈的补偿作用，接地故障可直接消除，电网即恢复正常，消弧线圈随后退出补偿；若消弧线圈投入后，故障仍旧存在，则视为永久性故障，此时在消弧线圈持续补偿的情况下，延时投入小电阻，接地电流随之显著增大，从而使线路的零序保护动作，自动切除故障线路，使电网恢复正常，消弧线圈随后也退出补偿；若投入小电阻后，线路零序保护不能动作，则小电阻在投入一定时间后，自动退出，防止小电阻被烧毁。

配电网中性点灵活接地方式，目前已经在部分电网中进行了实际使用。但应用过程中，由于对接地过程的复杂性的认识不足、对小电阻与配电网相关保护设备协调配合策略考虑不周、对小电阻参数的设计不规范等原因，实际并未体现出灵活接地的应有的优越性，未能达到灵活接地的设计初衷。

配电网灵活接地实际应用中，主要存在如下问题：

1、与配电网中的DTU/FTU等设备配合不理想造成的小电阻频繁投切、故障无法隔离；

2、高阻接地时零序过流保护的选择性不足；

3、对接地故障的识别过于简单造成的小电阻误动；

在这些情况下贸然投入小电阻，不但不能起到解除故障的作用，反而有可能因为小电阻投入增大了故障电流，引起变电站越级跳闸，扩大故障范围。

为实现对灵活接地系统的更完善监测、控制，实现各类接地故障、尤其是高阻接地故障时，灵活接地系统都能够正确切除故障线路，需要开发新的灵活接地控制系统。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种配网灵活接地保护控制系统。该系统除了实现常规灵活接地系统的消弧线圈测控、小电阻控制外，更能够将接地选线及选线跳闸功能引入，以期解决常规灵活接地系统不能在高阻接地是切除故障的重大运行弊端，真正实现灵活接地电网的暂态故障自动消除、永久故障可靠隔离。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种配网灵活接地保护控制系统，包括：监测算法单元以及与监测算法单元连接的交流量采集单元、数字量采集单元、控制信号输出单元和人机交互单元；

其中：

所述交流量采集单元，对电网三相电压Ua/Ub/Uc、中性点电压U₀、中性点消弧线圈分支电流I_L、小电阻电流I_R以及各支路零序电流I₀信号进行数据采集；

所述数字量采集单元，对消弧线圈档位、小电阻投入开关状态以及各支路断路器投切状态信号进行数据采集；

所述监测算法单元，对交流量采集单元和数字量采集单元进行采集控制，并根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成消弧线圈调档、小电阻投切以及各支路跳闸控制信号输出至控制信号输出单元；

所述控制信号输出单元，根据监测算法单元生成的控制信号，实现消弧线圈调档控制、小电阻投切控制以及各支路跳闸控制；

所述人机交互单元，实现监测算法单元与上位机之间的数据交互。

优选地，所述交流量采集单元、数字量采集单元和控制信号输出单元分别为一个或多个。

优选地，所述监测算法单元，包括处理器模块、FPGA模块、ADC模块、FLASH模块、RAM模块以及CAN模块；所述FPGA模块与处理器模块连接，所述ADC模块和CAN模块分别与FPGA模块连接，所述FLASH模块与处理器模块连接，所述RAM模块分别与处理器模块和FPGA模块连接；

其中：

所述处理器模块，通过FPGA模块和ADC模块读取交流量采集单元采集的数据，通过FPGA模块和CAN模块读取数字量采集单元采集的数据，并对读取到的数据进行处理，生成控制信号，通过FPGA模块和CAN模块将控制信号输出至控制信号输出单元；

所述FPGA模块对多路ADC模块进行同步和采集时序控制，实现交流量采集单元对数据的采样；所述FPGA模块通过CAN模块实现数字量采集单元对数据的采样以及控制信号的输出；

所述RAM模块为处理器模块和FPGA模块提供数据共享支持，对FPGA模块读取到的数据进行暂存；

所述FLASH模块为整个系统提供存储功能；

所述处理器模块通过其内部数据总线与人机交互单元进行数据互通。

优选地，所述处理器模块，包括消弧线圈测控模块、小电阻测控模块和接地选线及跳闸模块；其中：

所述消弧线圈测控模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成消弧线圈调档控制信号，所述消弧线圈调档控制信号用于对消弧线圈进行调档、电网电容电流的变化进行监测、对电网的电容电流进行跟踪测量以及对接地后投入的消弧线圈进行补偿；

所述小电阻测控模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成小电阻投切控制信号，所述小电阻投切控制信号用于控制小电阻投切、配合接地选线及跳闸模块实现有功分量法选线以及配合线路DTU(开闭所终端设备)和/或FTU(馈线终端设备)进行重合于故障的快速隔离；

所述接地选线及跳闸模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成各支路跳闸控制信号，所述各支路的跳闸控制信号用于识别电网故障类型、进行暂态选线、协调小电阻进行高阻下的有功分量法选线、作为零序保护后备保护的选线跳闸、重合于故障时的后加速选线跳闸。

优选地，所述消弧线圈测控模块生成消弧线圈调档控制信号，包括：

实时监测中性点电压U₀和中性点消弧线圈分支电流I_L，在中性点电压U₀小于接地故障启动电压时，当监测到中性点电压U₀有突变，则认为电网的支路、以及电网电容电流发生改变，此时启动电容跟踪计算；通过测量调节消弧线圈档位过程中，中性点电压U₀及消弧线圈电流I_L的改变情况，计算出电网的电容电流；

实时监测电网是否发生单相接地，包括：当中性点电压U₀超过设定的接地故障启动电压时，认为电网发生单相接地，此时立即切除阻尼电阻、并投入消弧线圈进行电容电流补偿；当中性点电压U₀降低到接地故障启动电压以下时，认为接地故障消失，此时重复投入消弧线圈，在延时一段时间电网零序电压始终低于故障启动电压后，退出消弧线圈补偿、并投入阻尼电阻；

根据当前消弧线圈档位信号，对消弧线圈执行上调、下调、停止调档操作。

优选地，所述小电阻测控模块生成小电阻投切控制信号，包括：

当中性点电压U₀超过设定的接地启动电压时，认为电网发生单相接地，此时，小电阻测控模块首先等待一段时间，以使消弧线圈有足够时间消除瞬时故障；若延时后中性点电压U₀仍旧高于接地电压，则认为是永久接地故障，此时投入小电阻以使线路零序保护跳闸动作；

每次投入的时间应至少满足与线路零序保护动作延时、重合闸延时配合，单次投入时间到达后，不论故障是否消失，小电阻均退出；

在每次退出后，仍旧监测电网是否继续发生单相接地，若在退出后的一段时间内，再次发生单相接地故障，则认为此时是线路上的各级线路DTU和/或FTU在故障消失、上级开关重合后依次上电重合、但重合于永久故障，此时小电阻不再等待消弧线圈延时，而是立即投入，以使线路DTU和/或FTU能够后加速跳闸，完成故障隔离；

持续监测电网是否连续发生间歇性、短时接地故障，即当电网在一段时间以内，多次发生在小电阻投入延时到达之前就已经恢复的短时接地故障，则认为电网发生间歇性短时故障，此时小电阻立即投入，以使零序线路保护跳闸；

发生高阻接地时，短时投入小电阻，以在故障支路产生有功电流，利用此有功电流，采用有功分量法，配合接地选线及跳闸模块选出接地支路；

根据小电阻电流I_R以及小电阻投入开关状态信号判断小电阻是否有效投入，当小电阻投入开关处于合位且小电阻电流I_R超过设定的最小电流值时，判定小电阻投入有效。

优选地，所述接地选线及跳闸模块生成各支路跳闸控制信号，包括：

当电网三相电压Ua/Ub/Uc的数字合成值与中性点电压U₀差别大于设定值时，认为电网发生PT断线故障；同时，对中性点电压U₀信号进行谐波分析，当中性点电压U₀信号中的谐波总畸变率Thd超过100％时，认为电网发生铁磁谐振异常；排除PT断线故障和铁磁谐振异常，对中性点电压U₀超过设定的启动电压值的故障，选线模块判断为接地故障，随后会启动接地选线及选线跳闸；

在确定发生的单相接地故障后，利用接地发生瞬间的暂态信号进行暂态法选线，若接地过程是暂态过程不明显的接地，则会辅以稳态法进行接地选线；

判断出高阻接地后，若高阻接地持续超过设定时间后仍然存在，则认为线路零序保护跳闸失败，此时与小电阻测控模块一同协作，通过小电阻测控模块短时投切小电阻，以便在接地支路中产生一定的有功电流，用于选线识别接地支路；选出故障支路后，利用选线的跳闸功能，将故障支路切除，从而消除接地故障；

在执行选线跳闸消除故障后，持续监测接地是否再次发生，并根据各支路开关投切位置信号，判断各支路是否投入运行；若短时间内接地故障再次复发，且支路开关已经处于合闸位置，则认为是线路保护重合于永久故障，此时选线装置立即对前次跳闸的故障支路进行后加速跳闸，实现线路保护，线路上DTU和/或FTU对故障的永久隔离；

在进行暂态法选线时，对各支路零序电流I₀进行特征分析，从而找到暂态或稳态信号特征，确定暂态接地支路；在进行有功分量法选线时，分别计算出小电阻投切前、后的各支路零序电流有效值，通过分析各支路零序电流的增量，确定高阻接地支路。

优选地，每一个所述交流量采集单元，能够同时采集16路的交流电压或电流信号；其中，所述交流电压或电流信号采用差分输入，并通过监测算法单元提供的时序控制，采集到的数据由监测算法单元直接读取。

优选地，每一个所述数字量采集单元，能够同时采集32路的数字开入信号，采集到的所有数字开入信号均经过光电隔离与数字去抖处理后，由监测算法单元读取。

优选地，每一个所述控制信号输出单元，能够同时输出32路的控制信号，输出的所有控制信号均经过光电隔离处理。

优选地，每一个所述人机交互单元，通过多路网口或串口，将数据上传到上位机，实现远程监控；通过输入输出部件(键盘、显示器等)，接收输入命令，并显示结果；通过多种接口(USB接口)对存储的数据进行导出(导出存储或连接至打印机进行打印)。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的配网灵活接地保护控制系统，实现了消弧线圈系统的测控，包括：

(1)电网电容电流的跟踪、测量；

(2)消弧线圈调档的控制：能够根据测量得到的当前电容电流值、以及所需要的补偿脱谐度，将消弧线圈调整到合适档位；

(3)消弧线圈补偿的控制：在接地发生后，能够立即切除阻尼电阻并投入补偿，接地消失后自动退出补偿、投入阻尼电阻。

2、本发明提供的配网灵活接地保护控制系统，实现了小电阻系统的控制功能，包括：

(1)永久接地时小电阻投切控制：在电网发生永久性、低阻接地时，投入小电阻产生零序电流，使线路零序保护跳闸；

(2)与线路配电设备时序配合，实现保护后加速的小电阻控制：与配电网的DTU/FTU等设备进行继电保护的时序配合，当电网重合于永久故障时，立即投入小电阻，使线路保护后加速跳闸，快速隔离故障；

(3)高阻接地时，实现有功分量法的小电阻控制：电网发生高阻接地时，能够配合选线短时投入小电阻，使选线能够利用小电阻产生的有功电流进行接地选线；

(4)间歇性短时故障时，用于驱动零序保护的短时小电阻控制：电网发生间歇性、短时接地，小电阻投入延时持续达不到时，短时投入小电阻，以使线路零序保护能够切除故障。

3、本发明提供的配网灵活接地保护控制系统，实现了接地选线及选线跳闸功能，包括：

(1)接地故障类型的识别：能够识别单相接地、铁磁谐振、PT断线等电网异常；

(2)暂态法选线：在接地发生过程中，捕捉暂态接地信号，选出接地支路；

(3)基于小电阻投切的有功分量法选线：当电网发生高阻接地、连续间歇性接地等零序过流保护无法启动跳闸时，通过短时投切小电阻来获得足够的有功电流增量，并选出接地线路；

(4)高阻接地时的选线跳闸：当电网发生高阻接地、连续间歇性接地等零序过流保护无法启动跳闸时，对选线选出的接地支路进行选线跳闸、切除接地支路；

(5)重合于故障时的后加速跳闸：当选线跳闸后，若线路保护重合于永久故障，则选线立即切除故障线路。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例所提供的配网灵活接地保护控制系统总体架构图；

图2为本发明实施例中监测算法单元内部以及与其他单元之间的组成关系图；

图3为本发明实施例中监测算法单元中处理器模块的各功能模块之间的关系图；

图4为本发明实施例中消弧线圈测控模块的工作流程图；

图5为本发明实施例中小电阻测控模块的工作流程图；

图6为本发明实施例中接地选线及跳闸模块的工作流程图。

图7为本发明实施例中交流量采集单元的结构框图；

图8为本发明实施例中数字量采集单元的结构框图；

图9为本发明实施例中控制信号输出单元的结构框图；

图10为本发明实施例中人机交互单元的结构框图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种配网灵活接地保护控制系统，如图1所示，包括：监测算法单元以及与监测算法单元连接的交流量采集单元、数字量采集单元、控制信号输出单元和人机交互单元；

其中：

交流量采集单元，对电网三相电压Ua/Ub/Uc、中性点电压U₀、中性点消弧线圈分支电流I_L、小电阻电流I_R以及各支路零序电流I₀信号进行数据采集；

数字量采集单元，对消弧线圈档位、小电阻投入开关状态以及各支路断路器投切状态信号进行数据采集；

监测算法单元，对交流量采集单元和数字量采集单元进行采集控制，并根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成消弧线圈调档、小电阻投切以及各支路跳闸控制信号输出至控制信号输出单元；

控制信号输出单元，根据监测算法单元生成的控制信号，实现消弧线圈调档控制、小电阻投切控制以及各支路跳闸控制；

人机交互单元，实现监测算法单元与上位机之间的数据交互。

作为一优选实施例，交流量采集单元、数字量采集单元和控制信号输出单元分别为一个或多个。

作为一优选实施例，如图2所示，监测算法单元，其处理器模块以高性能、低功耗的OMAP-L138双核处理器为核心，外围整合FPGA、ADC、FLASH、RAM、CAN等模块。其中：

处理器模块OMAP-L138为整个单元的核心，除实现各类监测算法外，还要通过FPGA实现对交流量的采集、数字量的采集、控制信号的输出；OMAPL138通过内部数据总线，与人机交互单元实现数据互通；具体地，处理器模块，通过FPGA模块和ADC模块读取交流量采集单元采集的数据，通过FPGA模块和CAN模块读取数字量采集单元采集的数据，并对读取到的数据进行处理，生成控制信号，通过FPGA模块和CAN模块将控制信号输出至控制信号输出单元；通过处理器模块内部的数据总线与人机交互单元进行数据互通；

FPGA模块对多路ADC进行同步、高速采集控制，实现对暂态接地算法所需的高采样率、实现各种交流信号的采样；FPGA通过CAN总线采集数字量信号、输出控制命令；具体地，FPGA模块对多路ADC模块进行同步和采集时序控制，实现交流量采集单元对数据的采样；FPGA模块通过CAN模块实现数字量采集单元对数据的采样以及控制信号的输出；

RAM模块为OMAPL138与FPGA提供数据共享支持，FPGA采集到的交流量数据、数字量数据都暂存在RAM中，OMAPL138按需取用；具体地，RAM模块为处理器模块和FPGA模块提供数据共享支持，对FPGA模块读取到的数据进行暂存；

FLASH模块为整个系统提供存储服务，包括各类运行参数、定值、故障录波数据、运行事件记录等。

作为一优选实施例，处理器模块，包括消弧线圈测控模块、小电阻测控模块和接地选线及跳闸模块；如图3所示，其中：

消弧线圈测控模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成消弧线圈调档控制信号，消弧线圈调档控制信号用于对消弧线圈进行调档、电网电容电流的变化进行监测、对电网的电容电流进行跟踪测量以及对接地后投入的消弧线圈进行补偿；

小电阻测控模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成小电阻投切控制信号，小电阻投切控制信号用于控制小电阻投切、配合接地选线及跳闸模块实现有功分量法选线以及配合线路DTU(开闭所终端设备)和/或FTU(馈线终端设备)进行重合于故障的快速隔离；

接地选线及跳闸模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成各支路跳闸控制信号，各支路的跳闸控制信号用于识别电网故障类型、进行暂态选线、协调小电阻进行高阻下的有功分量法选线、作为零序保护后备保护的选线跳闸、重合于故障时的后加速选线跳闸。

作为一优选实施例，消弧线圈测控模块生成的消弧线圈调档控制信号，包括：

消弧线圈测控模块，实时监测电网电容电流的变化，并对电网电流进行实时跟踪计算。本模块实时监测采集到的中性点电压U₀、中性点消弧线圈分支电流I_L。在中性点电压小于接地故障启动电压时，当监测到中性点电压有突变，则认为电网的支路、以及电网电容电流发生改变，此时启动电容跟踪计算。通过测量调节消弧线圈档位过程中，中性点电压U₀及中性点消弧线圈分支电流I_L的改变情况，计算出电网的电容电流。

消弧线圈测控模块，实时监测电网是否发生单相接地。当本模块监测到电网中性点电压U₀超过设定的接地故障启动电压时，认为电网发生单相接地。此时立即切除阻尼电阻、并投入消弧线圈进行电容电流补偿。当电网的中性点电压U₀降低到接地故障启动电压以下时，认为接地故障消失。此时为防止间歇性故障发生而重复投入消弧线圈，在延时一段时间(设定时间)电网零序电压始终低于故障启动电压后，退出消弧线圈补偿、并投入阻尼电阻。

消弧线圈测控模块，采集消弧线圈当前的档位信号，并可以对消弧线圈执行上调、下调、停止等调档操作。

消弧线圈测控模块的工作流程如图4所示。

作为一优选实施例，小电阻测控模块生成的小电阻投切控制信号，包括：

小电阻测控模块，实时监测中性点电压U₀的变化，判断电网是否发生单相接地。当监测到中性点电压超过设定的接地启动电压时，认为电网发生单相接地。此时，小电阻测控模块首先等待一段时间(设定时间)，以使消弧线圈有足够时间消除瞬时故障；若延时后中性点电压U₀仍旧高于接地电压，则认为是永久接地故障，此时投入小电阻以使线路零序保护跳闸动作。

小电阻测控模块，每次投入的时间应至少满足与线路零序保护动作延时、重合闸延时配合。单次投入时间到达后，不论故障是否消失，小电阻均退出。

小电阻测控模块，在每次退出后，仍旧监测电网是否继续发生单相接地，若在退出后的一段时间(设定时间)内，再次发生单相接地故障，则认为此时是线路上的各级DTU/FTU在故障消失、上级开关重合后依次上电重合、但重合于永久故障。此时小电阻不再等待消弧线圈延时，而是立即投入，以使线路DTU/FTU等能够后加速跳闸，完成故障隔离。

小电阻测控模块，持续监测电网是否连续发生间歇性、短时接地故障。即当电网在一段时间(设定时间)以内，多次发生在小电阻投入延时到达之前就已经恢复的短时接地故障，则认为电网发生间歇性短时故障，此时小电阻立即投入，以使零序线路保护跳闸。

小电阻测控模块，还接收接地选线及跳闸模块的电阻投切命令，在选线需要时，主要是发生高阻接地时，短时投入小电阻，以在故障支路产生有功电流，使接地选线及跳闸模块能够利用此有功电流、采用有功分量法选出接地支路。

小电阻测控模块，通过监测小电阻电流I_R、以及小电阻投入开关状态信号来判断小电阻是否有效投入。只有当小电阻投入开关处于合位、且小电阻电流I_R超过设定的最小电流值时，才判定小电阻投入有效。

小电阻测控模块的工作流程如图5所示。

作为一优选实施例，接地选线及跳闸模块生成各支路跳闸控制信号，包括：

接地选线及跳闸模块，首先要识别故障类型。通过采集到的三相电压Ua/Ub/Uc、中性点零序电压U₀，来进行故障的识别。当三相电压的数字合成值与采集的零序电压U₀差别过大时(超过设定值)，认为电网发生PT断线故障，此时接地选线及跳闸模块可以进行报警提示；同时，接地选线及跳闸模块对零序电压U₀信号进行谐波分析，当U₀信号中的谐波总畸变率Thd超过100％时，认为电网发生铁磁谐振，此时接地选线及跳闸模块也可以进行报警提示。排除掉这些PT断线、铁磁谐振等异常后，对中性点电压超过设定的启动电压值的故障，接地选线及跳闸模块判断为接地故障，随后会启动接地选线及选线跳闸。

接地选线及跳闸模块，在确定发生的单相接地故障后，利用接地发生瞬间的暂态信号进行暂态法选线，若接地过程是高阻接地等暂态过程不明显的接地，则会辅以稳态法进行接地选线。选出接地支路后，选线装置会进行接地告警。

接地选线及跳闸模块，对发生的高阻接地故障以及线路零序保护长期存在无法切除的单相接地故障，会辅以有功分量法选线及选线跳闸。即判断出高阻接地后，若高阻接地持续较长的时间(超过设定时间)后仍然存在，则认为线路零序保护跳闸失败。此时选线与小电阻测控模块一同协作，命令小电阻测控模块短时投切小电阻，以便在接地支路中产生一定的有功电流，此电流虽然不足以使线路的零序保护动作，但已经足够选线用来识别接地支路。选出故障支路后选线装置即利用选线的跳闸功能，将故障支路切除，从而消除接地故障。

接地选线及跳闸模块，在执行选线跳闸消除故障后，持续监测接地是否再次发生，并通过采集各支路开关投切位置信号，判断各支路是否投入运行。若短时间内接地故障再次复发，且支路开关已经处于合闸位置，则认为是线路保护重合于永久故障，此时选线装置立即对前次跳闸的故障支路进行后加速跳闸，实现线路保护，线路上DTU/FTU对故障的永久隔离。

接地选线及跳闸模块，在进行暂态法选线时，对各支路零序电流I₀进行特征分析，从而找到暂态或稳态信号特征，暂态或问题特征最明显的即为暂态接地支路。在进行有功分量法选线时，分别计算出小电阻投切前、后的各支路零序电流有效值，通过分析各支路零序电流的增量，找到增量最大的支路即为高阻接地支路。

接地选线及跳闸模块的工作流程如图6所示。

作为一优选实施例，如图7所示，每一个交流量采集单元，可以同时采集多达16路的交流电压或电流信号。为保证采集选线所需微小电流信号时需要的精度，交流信号采用差分输入。为保证采集单元内部、以及多个采集单元之间所有的采集完全同步，所有的采集控制都由监测算法单元的FPGA提供时序控制，采集到的数据由FPGA直接读取。

作为一优选实施例，如图8所示，每一个数字量采集单元，可以同时采集多达32路的数字开入信号。所有信号都经过光电隔离与数字去抖，保证采集到的开入信号的准确。采集到的各开入信号，由FPGA经过内部CAN通信总线读取。

作为一优选实施例，如图9所示，每一个控制信号输出单元，可以同时输出32路的控制信号，输出的所有控制信号均经过光电隔离处理。

作为一优选实施例，如图10所示，每一个人机交互单元，通过多路网口或串口，将数据上传到上位机，实现远程监控；通过输入输出部件(键盘、显示器等)，接收输入命令，并显示结果；通过多种接口(USB接口)对存储的数据进行导出(导出存储或连接至打印机进行打印)。

本发明上述实施例提供的配网灵活接地保护控制系统，采用模块化的、积木化的设计方案，以各功能组成单独的功能单元，即监测算法单元、交流量采集单元、数字量采集单元、控制信号输出单元，以监测算法单元为核心，辅以人机交互单元，并以实际需要动态整合一组或多组交流量采集单元、数字量采集单元、控制信号输出单元，完整、灵活的组成配网灵活接地保护控制系统。

本发明上述实施例提供的配网灵活接地保护控制系统，为解决高阻接地时，小电阻投入的产生的电流过小，无法使零序保护动作问题，引入选线及跳闸技术，由选线装置控制小电阻短时投入，利用产生的有功电流来选出高阻接地线路，再由选线装置将故障线路切除，从而消除接地故障；为解决间歇性故障时小电阻无法投入问题，增加对间歇性故障的监测，当短时间内多次发生间歇性故障时，尝试投入小电阻以使线路保护能够动作；为解决与线路保护、各级DTU/FTU保护时序的配合，增加后加速策略，当小电阻切除后，若短时间内故障重现，则立即投入小电阻以使线路保护立即动作，加速隔离永久故障。本发明上述实施例提供的配网灵活接地保护控制系统，能够极大的提高灵活接地系统的运行可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，包括：监测算法单元以及与监测算法单元连接的交流量采集单元、数字量采集单元、控制信号输出单元和人机交互单元；其中：

所述交流量采集单元，对电网三相电压Ua/Ub/Uc、中性点电压U₀、中性点消弧线圈分支电流I_L、小电阻电流I_R以及各支路零序电流I₀信号进行数据采集；

所述数字量采集单元，对消弧线圈档位、小电阻投入开关状态以及各支路断路器投切状态信号进行数据采集；

所述监测算法单元，对交流量采集单元和数字量采集单元进行采集控制，并根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成消弧线圈调档、小电阻投切以及各支路跳闸控制信号输出至控制信号输出单元；

所述控制信号输出单元，根据监测算法单元生成的控制信号，实现消弧线圈调档控制、小电阻投切控制以及各支路跳闸控制；

所述人机交互单元，实现监测算法单元与上位机之间的数据交互；

所述交流量采集单元、数字量采集单元和控制信号输出单元分别为一个或多个。

2.根据权利要求1所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，所述监测算法单元，包括处理器模块、FPGA模块、ADC模块、FLASH模块、RAM模块以及CAN模块；所述FPGA模块与处理器模块连接，所述ADC模块和CAN模块分别与FPGA模块连接，所述FLASH模块与处理器模块连接，所述RAM模块分别与处理器模块和FPGA模块连接；

其中：

所述处理器模块，通过FPGA模块和ADC模块读取交流量采集单元采集的数据，通过FPGA模块和CAN模块读取数字量采集单元采集的数据，并对读取到的数据进行处理，生成控制信号，通过FPGA模块和CAN模块将控制信号输出至控制信号输出单元；

所述FPGA模块对多路ADC模块进行同步和采集时序控制，实现交流量采集单元对数据的采样；所述FPGA模块通过CAN模块实现数字量采集单元对数据的采样以及控制信号的输出；

所述RAM模块为处理器模块和FPGA模块提供数据共享支持，对FPGA模块读取到的数据进行暂存；

所述FLASH模块为整个系统提供存储功能；

所述处理器模块通过其内部数据总线与人机交互单元进行数据互通。

3.根据权利要求2所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，所述处理器模块，包括消弧线圈测控模块、小电阻测控模块和接地选线及跳闸模块；其中：

所述消弧线圈测控模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成消弧线圈调档控制信号，所述消弧线圈调档控制信号用于对消弧线圈进行调档、电网电容电流的变化进行监测、对电网的电容电流进行跟踪测量以及对接地后投入的消弧线圈进行补偿；

所述小电阻测控模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成小电阻投切控制信号，所述小电阻投切控制信号用于控制小电阻投切、配合接地选线及跳闸模块实现有功分量法选线以及配合线路DTU和/或FTU进行重合于故障的快速隔离；

所述接地选线及跳闸模块，根据交流量采集单元和数字量采集单元采集的数据，生成各支路跳闸控制信号，所述各支路的跳闸控制信号用于识别电网故障类型、进行暂态选线、协调小电阻进行高阻下的有功分量法选线、作为零序保护后备保护的选线跳闸、重合于故障时的后加速选线跳闸。

4.根据权利要求3所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，所述消弧线圈测控模块生成消弧线圈调档控制信号，包括：

实时监测中性点电压U₀和中性点消弧线圈分支电流I_L，在中性点电压U₀小于接地故障启动电压时，当监测到中性点电压U₀有突变，则认为电网的支路、以及电网电容电流发生改变，此时启动电容跟踪计算；通过测量调节消弧线圈档位过程中，中性点电压U₀及消弧线圈电流I_L的改变情况，计算出电网的电容电流；

实时监测电网是否发生单相接地，包括：当中性点电压U₀超过设定的接地故障启动电压时，认为电网发生单相接地，此时立即切除阻尼电阻、并投入消弧线圈进行电容电流补偿；当中性点电压U₀降低到接地故障启动电压以下时，认为接地故障消失，此时保持消弧线圈在投入状态，在延时一段时间电网零序电压始终低于故障启动电压后，退出消弧线圈补偿、并投入阻尼电阻；

根据当前消弧线圈档位信号，对消弧线圈执行上调、下调、停止调档操作。

5.根据权利要求3所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，所述小电阻测控模块生成小电阻投切控制信号，包括：

当中性点电压U₀超过设定的接地启动电压时，认为电网发生单相接地，此时，小电阻测控模块首先等待一段时间，以使消弧线圈有足够时间消除瞬时故障；若延时后中性点电压U₀仍旧高于接地电压，则认为是永久接地故障，此时投入小电阻以使线路零序保护跳闸动作；

每次投入的时间应至少满足与线路零序保护动作延时、重合闸延时配合，单次投入时间到达后，不论故障是否消失，小电阻均退出；

在每次退出后，仍旧监测电网是否继续发生单相接地，若在退出后的一段时间内，再次发生单相接地故障，则认为此时是线路上的各级线路DTU和/或FTU在故障消失、上级开关重合后依次上电重合、但重合于永久故障，此时小电阻不再等待消弧线圈延时，而是立即投入，以使线路DTU和/或FTU能够后加速跳闸，完成故障隔离；

持续监测电网是否连续发生间歇性、短时接地故障，即当电网在一段时间以内，多次发生在小电阻投入延时到达之前就已经恢复的短时接地故障，则认为电网发生间歇性短时故障，此时小电阻立即投入，以使零序线路保护跳闸；

发生高阻接地时，短时投入小电阻，以在故障支路产生有功电流，利用此有功电流，采用有功分量法，配合接地选线及跳闸模块选出接地支路；

根据小电阻电流I_R以及小电阻投入开关状态信号判断小电阻是否有效投入，当小电阻投入开关处于合位且小电阻电流I_R电流超过设定的最小电流值时，判定小电阻投入有效。

6.根据权利要求3所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，所述接地选线及跳闸模块生成各支路跳闸控制信号，包括：

当电网三相电压Ua/Ub/Uc的数字合成值与中性点电压U₀差别大于设定值时，认为电网发生PT断线故障；同时，对中性点电压U₀信号进行谐波分析，当中性点电压U₀信号中的谐波总畸变率Thd超过100％时，认为电网发生铁磁谐振异常；排除PT断线故障和铁磁谐振异常，对中性点电压U₀超过设定的启动电压值的故障，选线模块判断为接地故障，随后会启动接地选线及选线跳闸；

在确定发生的单相接地故障后，利用接地发生瞬间的暂态信号进行暂态法选线，若接地过程是暂态过程不明显的接地，则会辅以稳态法进行接地选线；

判断出高阻接地后，若高阻接地持续超过设定时间后仍然存在，则认为线路零序保护跳闸失败，此时与小电阻测控模块一同协作，通过小电阻测控模块短时投切小电阻，以便在接地支路中产生一定的有功电流，用于选线识别接地支路；选出故障支路后，利用选线的跳闸功能，将故障支路切除，从而消除接地故障；

在执行选线跳闸消除故障后，持续监测接地是否再次发生，并根据各支路开关投切位置信号，判断各支路是否投入运行；若短时间内接地故障再次复发，且支路开关已经处于合闸位置，则认为是线路保护重合于永久故障，此时选线装置立即对前次跳闸的故障支路进行后加速跳闸，实现线路保护，线路上DTU和/或FTU对故障的永久隔离；

在进行暂态法选线时，对各支路零序电流I₀进行特征分析，从而找到暂态或稳态信号特征，确定暂态接地支路；在进行有功分量法选线时，分别计算出小电阻投切前、后的各支路零序电流有效值，通过分析各支路零序电流的增量，确定高阻接地支路。

7.根据权利要求1所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，每一个所述交流量采集单元，能够同时采集16路的交流电压或电流信号；其中，所述交流电压或电流信号采用差分输入，并通过监测算法单元提供的时序控制，采集到的数据由监测算法单元直接读取。

8.根据权利要求1所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，每一个所述数字量采集单元，能够同时采集32路的数字开入信号，采集到的所有数字开入信号均经过光电隔离与数字去抖处理后，由监测算法单元读取。

9.根据权利要求1所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，每一个所述控制信号输出单元，能够同时输出32路的控制信号，输出的所有控制信号均经过光电隔离处理。

10.根据权利要求1所述的配网灵活接地保护控制系统，其特征在于，每一个所述人机交互单元，通过多路网口或串口，将数据上传到上位机，实现远程监控；通过输入输出部件，接收输入命令，并显示结果；通过多种接口对存储的数据进行导出。

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