CN112290516A - 基于母线和出线极性特征的过电压保护系统、方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于母线和出线极性特征的过电压保护系统、方法和装置。一种基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，包括电压采集模块、电流采集模块、计算模块、控制模块；所述电压采集模块，用于采集配电线路中相线线路和零序线路的电压数据，并将所述电压数据传输到所述计算模块；所述电流采集模块，用于采集配电线路出线零序电流数据，并将所述出线零序电流数据传输到所述计算模块；所述计算模块，用于根据所述电压数据、所述出线零序电流数据，判定配电线路状态，并驱动所述控制模块执行保护操作。本发明提供的过电压保护系统，能够通过电压采集模块的电压数据采集，配合计算模块获取过电压状态数据，进而使用控制模块进行过电压保护操作。

Description

基于母线和出线极性特征的过电压保护系统、方法和装置
技术领域
本发明涉及电子设备，尤其涉及基于母线和出线极性特征的过电压保护系统、方法和装置。
背景技术
在6～10kV配电网中性点不接地系统运行方式下，单相接地、间歇性接地、铁磁谐振、开断负载操作都会引起配电线路过电压。由于线路过电压，使电力系统运行的电气设备绝缘受损，设备寿命缩短，甚至损坏电力设备，造成更恶劣的电网事故，因此，通过技术手段识别导致过电压的故障源，从而快速切除故障，对保障配电设备的安全运行十分有必要。
目前线路过电压保护的方案主要有：(1)针对工频过电压，可以在线路上安装并联电抗器或无功补偿装置等限制工频过电压，并联电抗器可安装在线路的末端、中部或首端。(2)针对单相接地、间歇性接地，中性点可以采用消弧线圈串联电阻接地方式来降低过电压的幅值，以实现过电压的保护。这些方案存在的主要问题有：加装电抗器方式需要在每条线路加装大量的设备，工程施工非常复杂，而且不能识别出导致过电压的故障源，不利于实施；消弧线圈串联电阻接地方式可以一定程度上降低过电压幅值，但是过电压危害和隐患依然存在，并且无法判断、识别出过电压故障源。
专利号为CN201310660004.8的专利文献公开了一种用于小电流接地系统的有源调压型消弧限压保护装置，包括智能控制器和有源调压组件，智能控制器用于实时监测供电系统的各相电压和零序电压，当供电系统发生单相接地故障时，控制有源调压组件的导通及导通率，并将上级出线柜电缆中接地故障相通过有源调压组件与系统地相连接；有源调压组件用于调节故障相对地电压，使故障相电压低于故障点绝缘耐受电压，消除故障点对地放电，从而避免弧光过电压对供电系统运行所造成的危害，并且在故障点绝缘恢复后，自动退出保护状态。但是依然没有解决上述问题。
因而现有的配电线路过压保护技术存在不足，还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供基于母线和出线极性特征的过电压保护系统、方法和装置，用以解决背景技术中提到的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，包括电压采集模块、电流采集模块、计算模块、控制模块；
所述电压采集模块，用于采集配电线路中相线线路和零序线路的电压数据，并将所述电压数据传输到所述计算模块；
所述电流采集模块，用于采集配电线路出线零序电流数据，并将所述出线零序电流数据传输到所述计算模块；
所述计算模块，用于根据所述电压数据、所述出线零序电流数据，判定配电线路状态，并驱动所述控制模块执行保护操作；
所述控制模块，与配电线路中的断路器连接，控制断路器的分合闸。
优选的，所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，还包括通信模块；所述通信模块与所述计算模块连接，将告警信息或跳闸信息或线路故障信息上传至服务器。
优选的，所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，其特征在于，还包括告警模块；所述告警模块与所述控制模块连接，用于本地告警信息展示。
优选的，所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，还包括时钟同步模块，用于同步时间；所述电压采样模块和所述电流采样模块的采样频率为12.8kHz。
一种使用所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统的配电线路过电压保护方法，包括步骤：
获取配电线路中母线暂态零序电压变化量与出线暂态零序电流变化量，进而得到配电线路的极性特征；
根据所述极性特征确定配电线路状态，并采取相应的保护操作。
优选的，所述的配电线路过电压保护方法，所述极性特征包括母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相反、母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相同；
则确定所述配电线路状态，采取相应的保护操作具体包括：
当母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相反，则判定当前线路为故障源线路，执行保护操作；
当母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相同，则判定当前线路为非故障源线路，继续获取配电线路极性特征。
优选的，所述的配电线路过电压保护方法，所述保护操作具体包括：
确定线路故障类型；
根据所述线路故障类型，执行告警或故障源线路跳闸操作。
优选的，所述的配电线路过电压保护方法，所述线路故障类型包括永久性过电压故障、瞬时性过电压故障和谐振过电压故障；
根据所述线路故障类型，执行告警或故障源线路跳闸操作具体包括：
当线路故障类型为永久性过电压故障，驱动故障源线路跳闸、输出故障源线路信息并执行告警操作；
当线路故障类型为瞬时性过电压故障，输出故障源线路信息并执行告警操作；
当线路故障类型为谐振过电压故障，则执行告警操作。
优选的，所述的配电线路过电压保护方法，还包括过压保护启动步骤，具体为：
按照预定频率获取相线和零序线路中的电压数据，当电压数据呈现过电压状态，则启动过压保护。
一种使用所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统的基于母线和出线极性特征的过电压保护装置，使用所述过电压保护系统实现所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护方法。
相较于现有技术，本发明提供的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统、方法和装置，具有以下有益效果：
1)本发明提供的过电压保护系统，能够通过电压采集模块的电压数据采集，配合计算模块获取过电压状态数据，进而使用控制模块进行过电压保护操作，能够有效保障配电线路中配电设备的安全运行；
2)本发明提供的过电压保护系统，采用本发明提供的过电压保护方法，能够快速获取过电压故障的故障源线路，从而准确切断故障源线路，在对外告警信息中，也具有针对性和关联性。
附图说明
图1是本发明提供的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统的结构框图；
图2是本发明提供的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统母线接入和出线结构框图；
图3是本发明提供的过电压保护系统中正常工作的线路原理图；
图4是本发明提供的过电压保护系统中一条配电线路出现过电压故障原理图；
图5是本发明提供的基于母线和出线极性特征的过电压保护方法流程图；
图6是本发明提供的过电压保护操作流程图；
图7是本发明提供的过电压保护操作启动流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本领域技术人员应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述是本发明的示例性和说明性的具体实施例，不意图限制本发明。
本文中术语“包括”，“包含”或其任何其他变体旨在覆盖非排他性包括，使得包括步骤列表的过程或方法不仅包括那些步骤，而且可以包括未明确列出或此类过程或方法固有的其他步骤。同样，在没有更多限制的情况下，以“包含...一个”开头的一个或多个设备或子系统，元素或结构或组件也不会没有更多限制，排除存在其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件或其他设备或其他子系统或其他元素或其他结构或其他组件。在整个说明书中，短语“在一个实施例中”，“在另一个实施例中”的出现和类似的语言可以但不一定都指相同的实施例。
除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。
请参阅图1-4，本发明提供一种基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，包括电压采集模块1、电流采集模块2、计算模块3、控制模块4；
所述电压采集模块1，用于采集配电线路中相线线路和零序线路的电压数据，并将所述电压数据传输到所述计算模块3；具体的，所述电压采集模块1用于采集接入的多段配电线路母线的电压数据，在本实施例中，所述电压采集模块1连接两段母线，分别为I段母线和II段母线，用于检测I段母线和II段母线的配电电压，具体的是获取I段母线的Ua_1、Ub_1、Uc_1、U0_1和II段母线的Ua_2、Ub_2、Uc_2、U0_2分别传输到所述计算模块3中。应当说明的是，每段母线中的Ua、Ub、Uc、U0均为相同的包含有三相线路的配电线路(图中的线路1-6)。
所述电流采集模块2，用于采集配电线路出线零序电流数据，并将所述出线零序电流数据传输到所述计算模块3；在本实施例中，所述电流采集模块2用于采集配电线路出线的零序电流I0，能够检测的零序电流的数量不做限定，优选为支持采集2～30个回路的零序电流I0。应当说明的是，电流采集模块2检测得到出线的零序电流数据分别与电压采集模块1检测的电压数据分别对应，即每条配电线路会有一个零序出线，能够检测得到零序电流，例如在本实施例中，I段母线中的电压数据Ua_1对出线零序电流I01对应，I段母线中的电压数据Ua_2对出线零序电流I02对应，I段母线中的电压数据Ua_3对出线零序电流I03对应，II段母线中的电压数据Ua_1对出线零序电流I04对应，II段母线中的电压数据Ua_2对出线零序电流I05对应，II段母线中的电压数据Ua_3对出线零序电流I06对应；当然，在接入新的母线时，可以依次后列，或是其他排列规则。在本实施例中的后续计算，均采用上述对应关系。
优选的，电压采集模块1和电流采集模块2使用本领域常用的采集装置，例如相应使用电压传感器和电流互感器，在实施中，均采用相同的采样频率进行采样，且采样的时间相同，保证数据的相关性，本实施例中，每个周期对模拟量的采样频率为256点，即采样频率为12.8kHz。
所述计算模块3，用于根据所述电压数据、所述出线零序电流数据，判定配电线路状态，并驱动所述控制模块4执行保护操作；具体的，所述计算模块3优选为MCU(Microcontroller Unit；微控制单元)，接收到所述电压采集模块1传输的所有的配电线路(线路1-6)的电压数据以及对应的所述电流采集模块2传输的出线零序电流数据，能够进行过电压的判定(在一般的实施例中，对于过电压的判定使用本领域的常用方法即可，可以是检测到的电压数据大于设定电压值或其他的判定方法，本发明不做限定)和确定具体的过电压线路(在一般实施例中，可以使用本领域常用的确定方法，本发明不做限定)，进而根据过电压故障以及确定的故障线路，驱动所述控制模块4进行后续保护操作。
所述控制模块4，与配电线路中的断路器连接，控制断路器的分合闸。所述控制模块4优选为MCU，可以内置一定的工作模式，根据所述计算模块3的指令启动相应的工作模块，当然也可以仅仅通过根据计算模块3的驱动指令驱动断路器等设备。
作为优选方案，本实施例中，所述配电线路过电压保护系统还包括电源模块(未标示)，用于向系统供电，具体是向所述计算模块3供电，优选为适配相应MCU电压的直流电源，可以为蓄电池或交流转制直流电源。
本发明提供一种配电线路过电压保护系统，能够通过判定是否存在过电压同时确定存在过电压故障的线路，通过所述控制模块4驱动相应线路的断路器断路，防止过电压故障导致的其他线路故障。过电压保护装置监测电网电压变化，一旦发生过电压，则识别过电压类型，判断过电压故障源，根据过电压类型和过电压故障的恶劣程度，对故障源跳闸切除或告警操作，以确保电网其他正常区域电压恢复正常，并且安全运行。
相应的，请参阅图5-7，本发明还提供一种使用所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统的配电线路过电压保护方法，包括步骤：
获取配电线路中母线暂态零序电压变化量与出线暂态零序电流变化量，进而得到配电线路的极性特征；
具体的，当开始进行过电压保护后，所述极性特征的计算过程为：1、获取母线暂态零序电压变化量；2、获取出线暂态零序电流变化量；3、获取计算时间变化量；4、计算所述极性特征。
所述母线暂态零序电压变化量的获取首先通过所述电压采集模块1获取母线暂态零序电压(母线中的各个配电线路均分别获取)，标记零序电压采样点第一个采样点大于设定值(即出现过电压的第一个采样点)的位置，在当前工频周波(工频信号的频率为50Hz，一个工频周波为20ms，本实施例中，一个工频周波采样256次)内，找到电压采样点幅值最大的位置，标记为U0[m1.max]，位置标记为m1，并标记为终点，在位置m1往前10ms的时间内，即采样点m1-127点位置，标记为起点。在起点到终点的数据缓存区范围内，找到同极性电压采样点幅值的最小值，标记为U0[m2.min]，缓存区位置标记为m2，则暂态零序电压变化量△U0计算为：
△U0＝U0[m1.max]-U0[m2.min]。
同时，所述电流采样模块按照相同的频率采集的零序电流采样点保存在计算模块3的缓存，I0[0,1,2,...,N]，每一个通道的电压和电流采样是同步的(即采集电压数据和电流数据的时间点均相同)。启动过电压故障源计算后，当计算出暂态零序电压变化量△U0，及其标记位置m1，m2，则在m1～m2缓存区内计算零序电流的变化量，找到零序电流采样点最大幅值，标记为I0[max]，再找到零序电流采样点同方向的最小幅值，标记为I0[min]，则暂态零序电流的变化量计算为：△I0＝I0[max]-I0[min]。对每一条出线均需要计算暂态零序电流的变化量，标记为△I0.L1、△I0.L2、……、△I0.LN。
计算时间变化量
Figure BDA0002716677660000071
其中20000表示每周波20000us，256表示每周波256个采样点。
所述极性特征的计算中，由于暂态零序电压和暂态零序电流的极值是有方向，利用母线暂态零序电压变化量和出线暂态零序电流变化量的极性特征来识别过电压故障源。暂态零序电压变化量和出线暂态零序电流变化量的极大值极性相反，
Figure BDA0002716677660000072
则判定为过电压故障源线路；反之，暂态零序电压变化量和出线暂态零序电流变化量的极大值极性相同，
Figure BDA0002716677660000073
则判定为非故障源线路，该线路的过电压是由于其他线路的故障导致的。具体的，作为优选方案，本实施例中，所述极性特征包括母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相反、母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相同；
根据所述极性特征确定配电线路状态，并采取相应的保护操作。
具体的，所述计算模块3获得配电线路的极性特征后，即可判定是否存在故障源，进而就可以通过控制模块4驱动相应的线路断开，以保证线路过电压故障不会导致其他故障出现。
作为优选方案，本实施例中，还包括告警模块5；所述告警模块5与所述控制模块4连接，用于本地告警信息展示。优选的，所述告警模块5包括扬声器和显示器，能够按照所述控制模块4的指令对外发出告警信息。
在确定所述配电线路状态，采取相应的保护操作的过程具体包括：
当母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相反，则判定当前线路为故障源线路，执行保护操作；暂态零序电压变化量和出线暂态零序电流变化量的极大值极性相反，
Figure BDA0002716677660000074
则判定为过电压故障源线路；则此时进行相应的保护操作即可，所述包括操作例如发出告警信息，提示运维人员进行维护，对故障源线路进行跳闸断路，实现故障断开，方便运维人员进行检修。
当母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相同，则判定当前线路为非故障源线路，继续获取配电线路极性特征。暂态零序电压变化量和出线暂态零序电流变化量的极大值极性相同，
Figure BDA0002716677660000081
则判定为非故障源线路，该线路的过电压是由于其他线路的故障导致的。
作为优选方案，本实施例中，所述保护操作具体包括：
确定线路故障类型；所述线路故障类型包括永久性过电压故障、瞬时性过电压故障和谐振过电压故障；
具体为：当过电压判断启动条件满足，能够根据过电压故障源计算步骤计算出是哪条出线的故障导致了过电压，并且经过设定的延时时间，过电压判断启动条件仍然满足，则判定为永久性过电压故障发生。
当过电压判断启动条件满足，能够根据过电压故障源计算步骤计算出是哪条出线的故障导致了过电压，但是经过设定的延时时间，过电压判断启动条件无法满足，则判定为瞬时性过电压故障发生。
当过电压判断启动条件满足，但单一母线内的所有配电线路的极性特征均保持一致，均为
Figure BDA0002716677660000082
此时无法根据过电压故障源计算步骤计算出是哪条出线的故障导致了过电压，母线暂态零序电压变化量和出线暂态零序电流的极性特征均一致，经过设定的延时时间，状态依然未变，则判定为谐振过电压。
根据所述线路故障类型，执行告警或故障源线路跳闸操作，具体包括：
当线路故障类型为永久性过电压故障，驱动故障源线路跳闸、输出故障源线路信息并执行告警操作；计算模块3判断永久性过电压故障发生，并计算出了故障源线路，向所述控制模块4发送判定的结果数据，如果控制模块4中的控制参数设置针对当前的结果数据(本实施例中为永久性过电压故障)为跳闸，控制模块4输出跳闸信号使故障源线路跳闸(驱动相应的配电线路的断路器跳闸)；如果控制参数设置为告警，控制输出模块输出告警信号进行告警(通过所述告警模块5实现)。
当线路故障类型为瞬时性过电压故障，输出故障源线路信息并执行告警操作；计算模块3判断瞬时性过电压故障发生，并计算出了故障源线路，则控制模块4输出告警信号进行告警。
当线路故障类型为谐振过电压故障，则执行告警操作。计算模块3判断判定为谐振过电压，则控制模块4输出告警信号进行告警。
作为优选方案，本实施例中，还包括通信模块；所述通信模块与所述计算模块3连接，将告警信息或跳闸信息或线路故障信息上传至服务器。
作为优选方案，本实施例中，还包括时钟同步模块7，用于同步时间；所述电压采样模块和所述电流采样模块的采样频率为12.8kHz。具体的，所述时钟同步模块7将所述计算模块3的时间同步精准，在所述电压采样模块和所述电流采样模块使用相同的采样频率进行采样，保证数据的关联度高，计算更加精准。
作为优选方案，本实施例中，还包括过压保护启动步骤，具体为：
按照预定频率获取相线和零序线路中的电压数据，当电压数据呈现过电压状态，则启动过压保护。具体的，本步骤为过电压判断启动。电压模块采集电压数据，I段母线中4个电压采样点(每个采样点即为一个电压检测值)数组(分别为Ua_1、Ub_1、Uc_1、U0_1的采样点数组)，II段母线的4个电压采样点数组(分别为Ua_2、Ub_2、Uc_2、U0_2的采样点数据)，保存至计算模块3的缓存；所述过电压状态表现为：对采样点进行连续判断，在20ms的一个工频周波时间内，相电压采样点只要任意2个采样点满足U0i>U0.set(U0.set为零线电压阈值)，或者任意2个零序电压采样点满足Upi>Up.set(Up.set为相电压阈值)，则启动过电压故障源计算。执行本步骤后，仅仅能够获取单一配电线路(线路1-6)是否存在故障，但是不能确定是配电线路中(线路1-6)中的哪一相出现了故障。在经过上述中故障源线路获取的操作后，即可得到配电线路中的哪一相(A相、B相、C相)出现故障，方便排除。
本发明还提供一种使用所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统的基于母线和出线极性特征的过电压保护装置，使用所述过电压保护系统实现所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护方法。能够通过技术手段识别导致过电压的类型，进而识别故障源线路，从而能够快速切除故障，避免电气设备由于过电压导致绝缘受损而损坏电力设备，避免恶劣的电网事故发生。对保障配电设备的安全运行十分有必要。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，其特征在于，包括电压采集模块、电流采集模块、计算模块、控制模块；
所述电压采集模块，用于采集配电线路中相线线路和零序线路的电压数据，并将所述电压数据传输到所述计算模块；
所述电流采集模块，用于采集配电线路出线零序电流数据，并将所述出线零序电流数据传输到所述计算模块；
所述计算模块，用于根据所述电压数据、所述出线零序电流数据，判定配电线路状态，并驱动所述控制模块执行保护操作；
所述控制模块，与配电线路中的断路器连接，控制断路器的分合闸。
2.根据权利要求1所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，其特征在于，还包括通信模块；所述通信模块与所述计算模块连接，将告警信息或跳闸信息或线路故障信息上传至服务器。
3.根据权利要求1所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，其特征在于，还包括告警模块；所述告警模块与所述控制模块连接，用于本地告警信息展示。
4.根据权利要求1所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统，其特征在于，还包括时钟同步模块，用于同步时间；所述电压采样模块和所述电流采样模块的采样频率为12.8kHz。
5.一种使用权利要求1-4任一所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统的配电线路过电压保护方法，其特征在于，包括步骤：
获取配电线路中母线暂态零序电压变化量与出线暂态零序电流变化量，进而得到配电线路的极性特征；
根据所述极性特征确定配电线路状态，并采取相应的保护操作。
6.根据权利要求5所述的配电线路过电压保护方法，其特征在于，所述极性特征包括母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相反、母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相同；
则确定所述配电线路状态，采取相应的保护操作具体包括：
当母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相反，则判定当前线路为故障源线路，执行保护操作；
当母线暂态零序电压变化量与出现暂态零序电流变化量的极大值极性相同，则判定当前线路为非故障源线路，继续获取配电线路极性特征。
7.根据权利要求6所述的配电线路过电压保护方法，其特征在于，所述保护操作具体包括：
确定线路故障类型；
根据所述线路故障类型，执行告警或故障源线路跳闸操作。
8.根据权利要求7所述的配电线路过电压保护方法，其特征在于，所述线路故障类型包括永久性过电压故障、瞬时性过电压故障和谐振过电压故障；
根据所述线路故障类型，执行告警或故障源线路跳闸操作具体包括：
当线路故障类型为永久性过电压故障，驱动故障源线路跳闸、输出故障源线路信息并执行告警操作；
当线路故障类型为瞬时性过电压故障，输出故障源线路信息并执行告警操作；
当线路故障类型为谐振过电压故障，则执行告警操作。
9.根据权利要求5所述的配电线路过电压保护方法，其特征在于，还包括过压保护启动步骤，具体为：
按照预定频率获取相线和零序线路中的电压数据，当电压数据呈现过电压状态，则启动过压保护。
10.一种使用权利要求1-4任一所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护系统的基于母线和出线极性特征的过电压保护装置，其特征在于，使用所述过电压保护系统实现权利要求5-9任一所述的基于母线和出线极性特征的过电压保护方法。
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