CN111864695B - 一种漏电流检测保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种漏电流检测保护方法和装置，所述方法包括以下步骤：漏电流采样步骤：对漏电流进行离散采样；漏电流计算步骤：根据采样数据，计算总漏电流有效值和阻性漏电流有效值；持续漏电流保护步骤：根据阻性漏电流有效值判断漏电流的主要成分是容性还是阻性，然后分别采取对应的持续漏电流保护措施；突变漏电流保护步骤：根据阻性漏电流有效值，计算漏电流突变量和突变速度，从而计算达到突变量的突变时间，根据所述突变时间进行突变漏电流保护。与现有技术相比，本发明具有检测保护准确度高、实时性好、硬件成本低等优点。

Description

一种漏电流检测保护方法及装置

技术领域

本发明涉及漏电流检测领域，尤其是涉及一种漏电流检测保护方法及装置。

背景技术

对于非隔离并网光伏逆变器，相应标准(如德国VDE0126-1-1)都规定了漏电流保护标准，持续、突变漏电流都要满足相应的保护阈值、保护时间要求，具体要求如表1所示。

表1

一般在逆变器输出侧加入传感器对漏电流进行采样，在控制器中对采样值进行计算处理、判断漏电流是否达到保护条件。具有漏电流保护功能的并网逆变器系统如图1所示，图中以单相逆变器举例，其中下方的电阻/电容回路是直流侧与交流侧之间寄生的共模回路。

由于逆变桥的SPWM调制及寄生LC震荡回路，共模电压中往往含有高频谐波分量，造成共模漏电流含有大量高频分量。由于受成本限制一般不会选择采样带宽较高的漏电流传感器，同时硬件采样电路也存在部分高频干扰，这样造成对漏电流高频分量的采样严重失真，进而造成漏电流检测不准确、保护不及时或误保护。

对于含有丰富高频谐波分量的漏电流，有的检测方法通过提升传感器采样带宽、优化采样电路抗扰性能、加快DSP处理速度来提升检测准确性，但增加了大量硬件成本；有的检测方法通过软件分解计算来提升检测准确性，但依然存在检测盲区及使用局限性，不能够全面准确的进行漏电流检测保护。

授权公告号为CN107528296B的发明公开了一种应用于光伏逆变器的漏电流保护方法，包括以下步骤：步骤1：检测漏电流变化前后总漏电流的有效值和平均值；步骤2：根据漏电流变化前总漏电流的有效值和平均值计算得到漏电流变化前总漏电流的AC分量和DC分量，根据漏电流变化后总漏电流的有效值和平均值计算得到漏电流变化后总漏电流的AC分量和DC分量；步骤3：根据漏电流变化后总漏电流的AC分量与漏电流变化前总漏电流的AC分量之差以及漏电流变化后总漏电流的DC分量与漏电流变化前总漏电流的DC分量之差计算得到漏电流突变量；步骤4：比较漏电流突变量与保护动作阈值，并决定是否执行保护动作。

该漏电流保护方法忽略了阻性漏电流的交流分量，而且阻性与容性漏电流同时突变时计算公式存在缺陷，所以该方法在使用上有很大局限性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不增加硬件成本，提高检测准确性和保护有效性的一种漏电流检测保护方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种漏电流检测保护方法，该方法包括以下步骤：

漏电流采样步骤：对漏电流进行离散采样；

漏电流计算步骤：根据采样数据，计算总漏电流有效值和阻性漏电流有效值；

持续漏电流保护步骤：根据阻性漏电流有效值判断漏电流的主要成分是容性还是阻性，然后分别采取对应的持续漏电流保护措施；

突变漏电流保护步骤：根据阻性漏电流有效值，计算漏电流突变量和突变速度，从而计算达到突变量的突变时间，根据所述突变时间进行突变漏电流保护。

，漏电流计算步骤中，所述阻性漏电流有效值的计算表达式为：

式中，I_{R_RMS}为阻性漏电流有效值，I_{R0_RMS}为阻性漏电流直流分量，Cnt为T时间内的离散采样点数，T为积分时间，一般选取电网电压周期的整数倍时间，t为时间，I_CM为瞬时总漏电流，I_{R1_RMS}为阻性漏电流低频交流分量，V_ref为辅助计算量，，ω_ref为辅助计算量的角频率，θ_ref为辅助计算量的初始相位角。

进一步地，所述辅助计算量的计算过程包括：

对于单相电网，所述辅助计算量与所述单相电网同频同相，所述辅助计算量的计算表达式为：

式中，ω_grid为电网角频率；

对于三相电网，且采用SVPWM调制时，所述辅助计算量与SVPWM调制波加入的三次正弦波或三角波同频反相，所述辅助计算量的计算表达式为：

式中，θ_SVPWM为与三次调制波反相的角度。

进一步地，所述总漏电流有效值的计算表达式为：

式中，I_{CM_RMS}为总漏电流有效值，T为积分时间，Cnt为T时间内的离散采样点数，I_CM为瞬时总漏电流，t为时间。

阻性漏电流还含有其它频次的交流分量，但占比很小，可以用上述同样方法进行提取计算。对于特殊逆变拓扑及调制方式，可能阻性漏电流主要分量是其它频次，也可以用上述同样方法进行提取计算。

进一步地，持续漏电流保护步骤中，所述根据阻性漏电流有效值判断持续漏电流的主要成分是容性还是阻性具体为，若阻性漏电流有效值满足预设的第一条件，则持续漏电流的主要成分是容性，否则，持续漏电流的主要成分是阻性，所述第一条件的表达式为：

I_{R_RMS}＜I_limit1

或者abs|I_{CM_RMS}-I_{R_RMS}|＞I_limit2

式中，I_{R_RMS}为阻性漏电流有效值，I_{CM_RMS}为总漏电流有效值，I_limit1为第一辅助判断阈值，I_limit2为第二辅助判断阈值。

进一步地，所述第一辅助判断阈值或第二辅助判断阈值的取值在10mA至60mA范围以内。

进一步地，持续漏电流保护步骤中，所述保护措施具体为，对于主要成分是容性的持续漏电流，由于容性漏电流采样衰减严重，所述保护措施包括：增大采样系数、降低保护阈值和/或调整保护时间。

进一步地，持续漏电流保护步骤中，所述保护措施具体为，对于主要成分是阻性的持续漏电流，由于阻性漏电流采样比较准确，所述保护措施包括：微调或保持正常采样系数，和/或微调或保持正常保护参数。

进一步地，突变漏电流保护步骤中，所述根据所述达到突变量的突变时间进行突变漏电流保护具体为，判断所述突变时间是否达到预设的保护阈值，对应执行持续运行操作或关机保护。

本发明还提供一种漏电流检测保护装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如上所述的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明漏电流检测保护方法，在不增加硬件成本的基础上准确检测持续与突变漏电流，既能达到保护条件时及时保护，又能在没有达到保护条件时不触发误保护，具有检测保护准确度高、实时性好、硬件成本低等优点。

(2)本发明对持续漏电流和突变漏电流，分别设计了对应的检测判断方法和保护措施，还进一步判断持续漏电流的主要成分是容性还是阻性，并根据容性漏电流采样衰减严重，以及阻性漏电流采样比较准确的特点，分别设计了对应的保护措施，对漏电流检测保护具有准确性、全面性、针对性和有效性。

(3)本发明采用谐波分量分解合成的阻性漏电流提取方法，通过提取阻性漏电流的直流分量和低频交流分量，计算出阻性漏电流的有效值，准确性更高。

(4)本发明在阻性漏电流有效值的计算中，分别针对单相电网和三相电网的特点，即单相系统低频交流量的频率与电网基波频率一致，三相系统低频交流量的频率与电网三次谐波频率一致的特点，设计了对应的辅助计算量计算表达式，提高了对漏电流检测保护的准确性。

附图说明

图1为并网光伏逆变器系统框图，图中，PV为光伏发电端，Inverter Bridge为逆变桥，Leakage sensor为漏电流传感器，Controller为控制器，L为火线，N为零线；

图2为共模漏电流回路示意图，图中，DC为直流电，AC为交流电，I_CM为瞬时总漏电流，V_CM为瞬时总共模电压；

图3为本发明漏电流检测和保护方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种漏电流检测保护方法，在不增加硬件成本的基础上准确检测持续与突变漏电流，既能达到保护条件时及时保护，又能在没有达到保护条件时不触发误保护。

下面对本实施例方法的理论依据和具体方法进行详细描述。

1、理论依据

逆变器经过DC-AC变换，直流侧与交流侧之间共模电压的主要分量是直流量与低频交流量，单相系统低频交流量的频率与电网基波频率一致，三相系统低频交流量的频率与电网3次谐波频率一致。共模电压的主要分量决定了阻性共模漏电流的主要分量也是直流量与低频交流量；共模电压同时也含有高频分量，所以容性漏电流含有超前阻性漏电流90°的低频交流量，同时还含有大量高频分量。

把逆变器对共模电压的影响等效为一个交流源，简化的共模回路如图2所示，其中对共模电压、共模电流的方向做了规定，后面基于此方向规定进行分析。

2、具体方法

如图3所示，漏电流检测保护方法整体方案执行流程包括以下步骤：

漏电流采样步骤S1：对漏电流进行离散采样；

漏电流计算步骤S2：根据采样数据，计算总漏电流有效值和阻性漏电流有效值；

持续漏电流保护步骤S3：根据阻性漏电流有效值判断持续漏电流的主要成分是容性还是阻性，然后分别采取对应的保护措施；

突变漏电流保护步骤S4：根据阻性漏电流有效值，计算漏电流突变量和突变速度，从而计算达到突变量的突变时间，根据所述突变时间进行突变漏电流保护。

瞬时漏电流如式(1)所示，其由阻性与容性漏电流组成，其中I_CM、I_R、I_C分别为瞬时总漏电流、阻性漏电流、容性漏电流。

I_CM＝I_R+I_C (1)

总漏电流有效值计算如式(2)所示，其中I_{CM_RMS}为总漏电流有效值，T为求有效值的积分时间(市电周期的整数倍)，Cnt为对应T时间的控制器离散采样点数。

阻性漏电流直流分量提取计算如式(3)所示，其中I_{R0_RMS}为阻性漏电流直流分量。

阻性漏电流低频交流分量提取计算如式(4)、(5)所示，其中V_ref为辅助计算量，I_{R1_RMS}为阻性漏电流低频交流分量。

式中，ω_ref为辅助计算量的角频率，θ_ref为辅助计算量的初始相位角。

式(4)为计算辅助计算量的通用公式，本实施例针对下面两种特殊情况，提供计算辅助计算量的两种计算特例，以提高计算结果的准确性。

对于单相电网，V_ref与电网同频同相，具体计算如式(6)所示，其中ω_grid为电网频率。

对于三相电网，且采用SVPWM调制时，V_ref与SVPWM调制波加入的3次正弦波或三角波同频反相，具体计算如式(7)所示，其中θ_SVPWM是与3次调制波反相的角度。

阻性漏电流主要分量有效值计算如式(8)所示，该式完成了总漏电流中阻性漏电流提取，其中I_{R_RMS}为阻性漏电流有效值。

阻性漏电流还含有其它频次的交流分量，但占比很小，可以用上述同样方法进行提取计算。对于特殊逆变拓扑及调制方式，可能阻性漏电流主要分量是其它频次，也可以用上述同样方法进行提取计算。

对于持续漏电流检测及保护，通过阻性漏电流含量来判断漏电流的主要成分是容性还是阻性。容性漏电流采样衰减严重，对于主要成分容性的漏电流增大采样系数或降低保护阈值、调整保护时间；阻性漏电流采样比较准确，对于主要成分阻性的漏电流微调或保持正常的采样系数和保护参数。当阻性漏电流满足式(9)条件时判定漏电流主要成分为容性，否则判定为阻性。其中I_limit1为第一辅助判断阈值，I_limit2为第二辅助判断阈值，一般取值在10mA-60mA范围。

I_{R_RMS}＜I_limit1 or abs|I_{CM_RMS}-I_{R_RMS}|＞I_limit2 (9)

对于突变漏电流检测及保护，用提取的I_{R_RMS}进行漏电流突变量及突变速度的计算，突变量及突变时间达到相应标准阈值则进行保护，否则不进行保护。

本实施例还提供一种漏电流检测保护装置，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器调用计算机程序执行上所述的漏电流检测保护方法的步骤。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种漏电流检测保护方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

漏电流采样步骤：对漏电流进行离散采样；

漏电流计算步骤：根据采样数据，计算总漏电流有效值和阻性漏电流有效值；

持续漏电流保护步骤：根据阻性漏电流有效值判断漏电流的主要成分是容性还是阻性，然后分别采取对应的持续漏电流保护措施；

突变漏电流保护步骤：根据阻性漏电流有效值，计算漏电流突变量和突变速度，从而计算达到突变量的突变时间，根据所述突变时间进行突变漏电流保护；

所述总漏电流有效值的计算表达式为：

式中，I_{CM_RMS}为总漏电流有效值，T为积分时间，Cnt为T时间内的离散采样点数，I_CM为瞬时总漏电流，t为时间；

所述阻性漏电流有效值的计算表达式为：

式中，I_{R_RMS}为阻性漏电流有效值，I_{R0_RMS}为阻性漏电流直流分量，Cnt为T时间内的离散采样点数，T为积分时间，t为时间，I_CM为瞬时总漏电流，I_{R1_RMS}为阻性漏电流低频交流分量，V_ref为辅助计算量，ω_ref为辅助计算量的角频率，θ_ref为辅助计算量的初始相位角。

2.根据权利要求1所述的一种漏电流检测保护方法，其特征在于，所述辅助计算量的计算过程包括：

对于单相电网，所述辅助计算量与所述单相电网同频同相，所述辅助计算量的计算表达式为：

式中，ω_grid为电网角频率；

对于三相电网，且采用SVPWM调制时，所述辅助计算量与SVPWM调制波加入的三次正弦波或三角波同频反相，所述辅助计算量的计算表达式为：

式中，θ_SVPWM为与三次调制波反相的角度。

3.根据权利要求1所述的一种漏电流检测保护方法，其特征在于，持续漏电流保护步骤中，所述根据阻性漏电流有效值判断持续漏电流的主要成分是容性还是阻性具体为，若阻性漏电流有效值满足预设的第一条件，则持续漏电流的主要成分是容性，否则，持续漏电流的主要成分是阻性，所述第一条件的表达式为：

I_{R_RMS}＜I_limit1

或者abs|I_{CM_RMS}-I_{R_RMS}|＞I_limit2

式中，I_{R_RMS}为阻性漏电流有效值，I_{CM_RMS}为总漏电流有效值，I_limit1为第一辅助判断阈值，I_limit2为第二辅助判断阈值，abs|·|为取绝对值计算。

4.根据权利要求3所述的一种漏电流检测保护方法，其特征在于，所述第一辅助判断阈值或所述第二辅助判断阈值的取值在10mA至60mA范围以内。

5.根据权利要求1所述的一种漏电流检测保护方法，其特征在于，持续漏电流保护步骤中，所述持续漏电流保护措施具体为，对于主要成分是容性的持续漏电流，所述保护措施包括：增大采样系数、降低保护阈值和/或调整保护时间。

6.根据权利要求1所述的一种漏电流检测保护方法，其特征在于，持续漏电流保护步骤中，所述保护措施具体为，对于主要成分是阻性的持续漏电流，所述保护措施包括：微调或保持正常采样系数，和/或微调或保持正常保护参数。

7.根据权利要求1所述的一种漏电流检测保护方法，其特征在于，突变漏电流保护步骤中，所述根据所述达到突变量的突变时间进行突变漏电流保护具体为，判断所述突变时间是否达到预设的保护阈值，对应执行持续运行操作或关机保护。

8.一种漏电流检测保护装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，处理器调用所述计算机程序执行如权利要求1～7任一所述的方法的步骤。

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