CN113075577A - 低压交流电源系统剩余电流监测系统及监测方法 - Google Patents

低压交流电源系统剩余电流监测系统及监测方法 Download PDF

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CN113075577A CN202110188119.6A CN202110188119A CN113075577A CN 113075577 A CN113075577 A CN 113075577A CN 202110188119 A CN202110188119 A CN 202110188119A CN 113075577 A CN113075577 A CN 113075577A
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田金虎
杨扬
王平平
熊浩
周孟戈
印华
周刚
范文玲
李昶志
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Abstract

本发明公开了一种低压交流电源系统剩余电流监测系统及监测方法，本发明能够解决发电厂、变电站内双电源或环网回路负载侧中性线并接造成的中性线分流，中央配电屏内母线布置结构不便于剩余电流互感器安装等问题，实时监测发电厂、变电站低压交流电源系统绝缘状态，及时发现低压交流电源系统各回路绝缘异常状况，提升发电厂、变电站低压交流电源系统防火能力，保障电网安全可靠运行。

Description

低压交流电源系统剩余电流监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种低压交流电源系统剩余电流监测系统及监测方法。
背景技术
目前，发电厂、变电站站用低压交流电源系统均未配置绝缘监测装置，不能及时发现低压交流电缆绝缘劣化等隐患问题，低压交流电缆绝缘故障可能引发站内设备、电缆沟等火灾事故，进而影响站内主设备安全稳定运行。剩余电流监测是解决低压配电系统绝缘故障预警、防止人身触电及电气火灾最有效的措施之一。
传统的低压交流配电系统剩余电流监测是基于基尔霍夫电流定律，如图1所示。
正常情况下：
Figure BDA0002943983630000011
用电设备C相绝缘破损故障时：
Figure BDA0002943983630000012
通过对发电厂、变电站低压交流电源系统剩余电流监测，能及时发现低压交流电缆绝缘降低、破损等故障。
发电厂、变电站低压交流电源系统接地方式均为TN系统，若对站用低压交流电源系统的剩余电流监测，则自监测点起至回路末端中性线均不应重复接地，否则接地网分流影响电流互感器采样，致使监测结果不准确，如图2所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种低压交流电源系统剩余电流监测系统及监测方法，能够实时监测发电厂、变电站低压交流电源系统的剩余电流，及时发现低压交流电源系统各回路绝缘异常状况。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低压交流电源系统剩余电流监测系统，用于实现对单个供电回路相导线与中性线分别测量电流值，然后合成得到实际剩余电流值，该监测系统包括电流采集单元和信号处理单元；
电流采集单元，包括用于采集同时测量馈出回路的相线电流
Figure BDA0002943983630000021
的第一电流互感器和用于采集馈出回路的中性线电流
Figure BDA0002943983630000022
的第二电流互感器；
信号处理单元，包括用于获取所述相线电流
Figure BDA0002943983630000023
的第一信号处理器以及用于获取中性线电流
Figure BDA0002943983630000024
的第二信号处理器，第一信号处理器和第二信号处理器将获取到的相线电流
Figure BDA0002943983630000025
和中性线电流
Figure BDA0002943983630000026
进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
本申请还提供了一种低压交流电源系统剩余电流监测系统，用于实现对双电源供电回路或环网供电回路在负载侧将中性线并接时回路剩余电流的监测，该监测系统包括电流采集单元和信号处理单元；
电流采集单元，包括用于采集双电源第一供电回路的第一电流值的第三电流互感器和用于采集双电源第二供电回路的第二电流值的第四电流互感器；
信号处理单元，包括用于获取所述第一电流值的第三信号处理器以及用于获取第二电流值的第四信号处理器，第三信号处理器和第四信号处理器将获取到的第一电流值和第二电流值进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
进一步地，所述第三信号处理器和第四信号处理器互为主从关系，当第三信号处理器作为主信号处理器，第四信号处理器为从信号处理器时，主信号处理器在固定采样时间发送同步脉冲信号，同步脉冲出发后，控制AD采样模块开始采样，并初始化采样计数器从0开始计数；同时对侧从信号处理器接收到同步脉冲后，控制AD采样模块开始采样，并初始化采样计数器从0开始计数，确保两个测量模块采样保持同步。
进一步地，第三信号处理器和第四信号处理器在得到第一电流值和第二电流值后，即开始计算其采集到的第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和；然后执行以下两个步骤中的任一步骤：
a、将第三信号处理器计算得到的第一电流值矢量和发送给第四信号处理器，再通过第四信号处理器计算第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和的矢量总和，得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值；
b、将第四信号处理器计算得到的第二电流值矢量和发送给第三信号处理器，再通过第三信号处理器计算第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和的矢量总和；得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
进一步地，当第四信号处理器在收到第三信号处理器计算得到的第一电流值矢量和时，首先去掉所述第一电流值矢量和前后两个周波数据，再进行矢量总和计算；当第三信号处理器在收到第四信号处理器计算得到的第二电流值矢量和时，首先去掉所述第二电流值矢量和前后两个周波数据，再进行矢量总和计算。
进一步地，在计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值后，则开始判断监测得到的所述剩余电流值是否超过告警动作阈值、得到的所述剩余电流值超过告警动作阈值的持续时间阈值是否超过阈值时间以及监测得到的所述剩余电流值的平均幅值在固定时间段内是否超过预设平均幅值；当监测得到的所述剩余电流值超过告警动作阈值且持续时间阈值超过了阈值时间，或者监测得到的所述剩余电流值的平均幅值在固定时间段内超过预设平均幅值，则向所述剩余电流告警模块发出告警信号。
进一步地，当剩余电流告警录波功能投入时，则在向所述剩余电流告警模块发出告警信的同时触发录波操作，记录告警动作前后的剩余电流波形；当投入剩余电流出口跳闸功能时，则在向所述剩余电流告警模块发出告警信的同时输出用于控制断路器跳闸的硬接点指令。
进一步地，在计算矢量总和时，将经矢量合成得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值进行补偿后再输出标准剩余电流参考值，此时，第三信号处理器和第四信号处理器输出的剩余电流参考值即为标准剩余电流参考值；
标准剩余电流参考值
Figure BDA0002943983630000041
为：
Figure BDA0002943983630000042
其中，a、b为补偿系数，由电流互感器的理论精度、采样电流矢量计算确定。
进一步地，该监测系统还包括监测主机，用于采集汇总监测区域内所有的信号处理单元计算出的剩余电流值，对监测区域内剩余电流进行集中监控。
本申请还提供了一种低压交流电源系统剩余电流监测方法，用于实现对双电源供电回路或环网供电回路在负载侧将中性线并接时回路剩余电流的监测，该监测方法包括：
S1：分别采集双电源第一供电回路的第一电流值和双电源第二供电回路的第二电流值；
S2：将采集得到的第一电流值和第二电流值进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值；
S3：对步骤S2计算得到的剩余电流值进行动态补偿后输出补偿后的剩余电流即为监测得到的标准剩余电流参考值。
本发明的有益效果为：能够实时监测发电厂、变电站低压交流电源系统的剩余电流，及时发现低压交流电源系统各回路绝缘异常状况，提升发电厂、变电站低压交流电源系统防火能力，保障电网安全可靠运行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为传统剩余电流监测示意图；
图2为中性线重复接地分流示意图；
图3为本发明一个实施例的剩余电流监测系统的原理框图；
图4为单个供电回路的电流采集原理图；
图5为双供电回路的电流采集原理图；
图6为剩余电流告警动作保护逻辑原理图。
具体实施方式
如图3所示一种低压交流电源系统剩余电流监测系统，用于实现对单个供电回路相导线与中性线分别测量电流值，然后合成得到实际，该监测系统包括电流采集单元和信号处理单元；
电流采集单元，如图4所示，包括用于采集同时测量馈出回路的相线电流
Figure BDA0002943983630000051
的第一电流互感器和用于采集馈出回路的中性线电流
Figure BDA0002943983630000052
的第二电流互感器；
信号处理单元，包括用于获取所述相线电流
Figure BDA0002943983630000053
的第一信号处理器以及用于获取中性线电流
Figure BDA0002943983630000054
的第二信号处理器，第一信号处理器和第二信号处理器将获取到的相线电流
Figure BDA0002943983630000055
和中性线电流
Figure BDA0002943983630000056
进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
单个供电回路的剩余电流值计算过程为：
Figure BDA0002943983630000057
Figure BDA0002943983630000061
Figure BDA0002943983630000062
如图3所示的低压交流电源系统剩余电流监测系统，包括电流采集单元和信号处理单元；
电流采集单元，如图5所示，包括用于采集双电源第一供电回路的第一电流值的第三电流互感器和用于采集双电源第二供电回路的第二电流值的第四电流互感器；信号处理单元，包括用于获取所述第一电流值的第三信号处理器以及用于获取第二电流值的第四信号处理器，第三信号处理器和第四信号处理器将获取到的第一电流值和第二电流值进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
该系统通过在各馈线出口处安装电流互感器实时监测各馈出回路的剩余电流值，通过回路相零合成的方法得到馈出回路剩余电流值，解决了中央配电屏内母线布置结构不便于剩余电流互感器安装的问题；通过双电源合成的方法得到多个电源回路各馈出回路总的剩余电流值，解决电源馈出回路在负载侧将中性线并接中性线分流的问题，实现发电厂、变电站低压交流电源系统剩余电流监测，提升低压交流电源系统防火能力。
所述第三信号处理器和第四信号处理器互为主从关系，当第三信号处理器作为主信号处理器，第四信号处理器为从信号处理器时，主信号处理器在固定采样时间发送同步脉冲信号，同步脉冲出发后，控制AD采样模块开始采样，并初始化采样计数器从0开始计数；同时对侧从信号处理器接收到同步脉冲后，控制AD采样模块开始采样，并初始化采样计数器从0开始计数，确保两个测量模块采样保持同步，采样延时不超过2us。其中，第三信号处理器和第四信号处理器互为主从关系，实际设置过程中可选第三信号处理器作为主信号处理器，第四信号处理器为从信号处理器；也可选第四信号处理器作为主信号处理器，第三信号处理器为从信号处理器。此外，所述第一信号处理器和第二信号处理器互为主从关系也同样是互为主从关系，第一信号处理器和第二信号处理器采样过程与第三信号处理器和第四信号处理器采样过程相同。
第三信号处理器和第四信号处理器在得到第一电流值和第二电流值后，每30ms开始傅里叶变换计算两个回路采样电流的实部、虚部，并计算得到第一供电回路的A相、B相、C相、N相总的第一电流值矢量和
Figure BDA0002943983630000071
及第一供电回路的A相、B相、C相、N相总的第二电流值矢量和
Figure BDA0002943983630000072
其中，第一电流值矢量和
Figure BDA0002943983630000073
和第二电流值矢量和
Figure BDA0002943983630000074
表示为：
Figure BDA0002943983630000075
Figure BDA0002943983630000076
然后将第三信号处理器计算得到的第一电流值矢量和发送给第四信号处理器，再通过第四信号处理器计算第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和的矢量总和，得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值
Figure BDA0002943983630000077
或者将第四信号处理器计算得到的第二电流值矢量和发送给第三信号处理器，再通过第三信号处理器计算第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和的矢量总和；得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值
Figure BDA0002943983630000078
当第四信号处理器在收到第三信号处理器计算得到的第一电流值矢量和当，首先去掉所述第一电流值矢量和前后两个周波数据，再进行矢量总和计算；当第三信号处理器在收到第四信号处理器计算得到的第二电流值矢量和时，首先去掉所述第二电流值矢量和前后两个周波数据，再进行矢量总和计算。
在计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值后，则开始判断监测得到的所述剩余电流值是否超过告警动作阈值(其中告警动作阈值可根据实际情况进行设置，例如可选0～1000mA)、得到的所述剩余电流值超过告警动作阈值的持续时间阈值(其中持续时间阈值可根据实际情况进行设置，例如可选0～30s)是否超过阈值时间以及监测得到的所述剩余电流值的平均幅值在固定时间段(其中固定时间段可根据实际情况进行设置，例如可选0～30s)内是否超过预设平均幅值(其中预设平均幅值可根据实际情况进行设置，例如可选0～300mA)；如图6所示，当监测得到的所述剩余电流值超过告警动作阈值且持续时间阈值超过了阈值时间，或者监测得到的所述剩余电流值的平均幅值在固定时间段内超过预设平均幅值，则向所述剩余电流告警模块发出告警信号。
当剩余电流告警录波功能投入时，则在向所述剩余电流告警模块发出告警信的同时触发录波操作，记录告警动作前后的剩余电流波形；当投入剩余电流出口跳闸功能时，则在向所述剩余电流告警模块发出告警信的同时输出用于控制断路器跳闸的硬接点指令。
采用相零合成、双电源合成测量回路剩余电流时，当回路三相不平衡电流较大时，受电流互感器自身误差影响，监测合成得到的剩余电流误差可能超过允许范围，发生误告警；故在计算矢量总和时，通过根据电流互感器的不平衡电流的幅值大小及方向变化，对经矢量合成得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值进行补偿后再输出标准剩余电流参考值，此时，第三信号处理器和第四信号处理器输出的剩余电流值即为标准剩余电流参考值；以减小不平衡电流较大时由于电流互感器自身误差引起的剩余电流监测装置误告警，满足工程需要。
此时，单个供电回路的标准剩余电流参考值
Figure BDA0002943983630000081
的表达式为：
Figure BDA0002943983630000082
双供电回路的标准剩余电流参考值
Figure BDA0002943983630000083
的表达式为：
Figure BDA0002943983630000084
其中，a、b为补偿系数，由电流互感器的理论精度、采样电流矢量计算确定。
所述第三电流互感器和第四电流互感器分别安装在第一供电回路和第二供电回路的各馈线出口处，用于实时测量馈出回路的相线电流和中性线电流。第三电流互感器和第四电流互感器通过RS485通信将采集到的信号传输至信号处理单元，信号处理单元将采集监测到的模拟信息转换为数字信息后进行矢量和计算、存储、判断，同时将监测结果通过以太网上传至剩余电流监测主机。
该监测系统还包括监测主机，监测主机用于采集汇总监测区域内所有的信号处理单元计算出的剩余电流值，对监测区域内剩余电流进行集中监控；监测主机通过硬接点方式上传至站端自动化监测系统。监测主机可实现剩余电流采样值及波形的存储、查询、导出，告警定值整定、界面调整、监测回路调整、历史记录查询、人机对话、数据远传等功能。
此外，本申请还提供了一种低压交流电源系统剩余电流监测方法，该方法可采用上述监测系统实现系统剩余电流监测，该方法包括：
S1：分别采集双电源第一供电回路的第一电流值和双电源第二供电回路的第二电流值；
S2：将采集得到的第一电流值和第二电流值进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值；
S3：对步骤S2计算得到的剩余电流值进行动态补偿后输出补偿后的剩余电流即为监测得到的标准剩余电流参考值。
实施例一
剩余电流矢量合成测试
对于380V馈线屏各馈出回路采用ABC和N分别穿过两只互感器的方式进行测试，采用博电S10型调试装置分别加：
1)(10mA∠0°，10mA∠0°)、(1A∠0°，1A∠0°)电流，剩余电流监测保护装置矢量计算合成值显示值分别为15mA、1.997A；
2)(10mA∠0°，10mA∠180°)、(100mA∠0°，100mA∠180°)电流，剩余电流监测保护装置矢量计算合成值显示值分别为0mA、0mA；
3)(100mA∠0°，100mA∠120°)、(1A∠0°，1A∠120°)电流，剩余电流监测保护装置矢量计算合成值显示值分别为169mA、1.726A。
实施例二
站用变中性点接地处安装剩余电流监测
在某500千伏变电站3台站用变中性点接地引下线处分别各加装1组剩余电流互感器，剩余电流互感器安装在站用变低压侧零排靠接地端。
现场测试测试#0、#1、#2站用变中性点接地引下线电流分别为3.234A、7.190A、9.444A，合成剩余电流为0.251A。
实施例三
对500kV配电装置动力箱1双电源回路进行剩余电流监测，监测“500kV配电装置动力箱1(一)”电流值为3.552A，“500kV配电装置动力箱1(二)”电流值为3.560A，合成后该双电源回路实际剩余电流值为0.075A。
实施例四
对220kV配电装置动力箱1双电源回路采用相零合成得到每个回路电流值后，再进行合成得到回路剩余电流值，监测结果显示“220kV配电装置动力箱1(二)”出线回路电流互感器1测量电流为1.143A，电流互感器2测量电流为1.297A，合成计算得到该出线电流为0.553A，同样方式监测“220kV配电装置动力箱1(一)”得到电流为0.578A，将“220kV配电装置动力箱1(二)”与“220kV配电装置动力箱1(一)”进行合成后得到该双电源回路的剩余电流为0.029A。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，包括
电流采集单元，包括用于采集同时测量馈出回路的相线电流
Figure FDA0002943983620000011
的第一电流互感器和用于采集馈出回路的中性线电流
Figure FDA0002943983620000012
的第二电流互感器；
信号处理单元，包括用于获取所述相线电流
Figure FDA0002943983620000013
的第一信号处理器以及用于获取中性线电流
Figure FDA0002943983620000014
的第二信号处理器，第一信号处理器和第二信号处理器将获取到的相线电流
Figure FDA0002943983620000015
和中性线电流
Figure FDA0002943983620000016
进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
2.一种低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，包括
电流采集单元，包括用于采集双电源第一供电回路的第一电流值的第三电流互感器和用于采集双电源第二供电回路的第二电流值的第四电流互感器；
信号处理单元，包括用于获取所述第一电流值的第三信号处理器以及用于获取第二电流值的第四信号处理器，第三信号处理器和第四信号处理器将获取到的第一电流值和第二电流值进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
3.根据权利要求2所述的低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，所述第三信号处理器和第四信号处理器互为主从关系，当第三信号处理器作为主信号处理器，第四信号处理器为从信号处理器时，主信号处理器在固定采样时间发送同步脉冲信号，同步脉冲出发后，控制AD采样模块开始采样，并初始化采样计数器从0开始计数；同时对侧从信号处理器接收到同步脉冲后，控制AD采样模块开始采样，并初始化采样计数器从0开始计数，确保两个测量模块采样保持同步。
4.根据权利要求2所述的低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，第三信号处理器和第四信号处理器在得到第一电流值和第二电流值后，即开始计算其采集到的第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和；然后执行以下两个步骤中的任一步骤：
a、将第三信号处理器计算得到的第一电流值矢量和发送给第四信号处理器，再通过第四信号处理器计算第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和的矢量总和，得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值；
b、将第四信号处理器计算得到的第二电流值矢量和发送给第三信号处理器，再通过第三信号处理器计算第一电流值矢量和以及第二电流值矢量和的矢量总和；得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值。
5.根据权利要求4所述的低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，当第四信号处理器在收到第三信号处理器计算得到的第一电流值矢量和时，首先去掉所述第一电流值矢量和前后两个周波数据，再进行矢量总和计算；当第三信号处理器在收到第四信号处理器计算得到的第二电流值矢量和时，首先去掉所述第二电流值矢量和前后两个周波数据，再进行矢量总和计算。
6.根据权利要求4或5所述的低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，在计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值后，则开始判断监测得到的所述剩余电流值是否超过告警动作阈值、得到的所述剩余电流值超过告警动作阈值的持续时间阈值是否超过阈值时间以及监测得到的所述剩余电流值的平均幅值在固定时间段内是否超过预设平均幅值；当监测得到的所述剩余电流值超过告警动作阈值且持续时间阈值超过了阈值时间，或者监测得到的所述剩余电流值的平均幅值在固定时间段内超过预设平均幅值，则向所述剩余电流告警模块发出告警信号。
7.根据权利要求6所述的低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，当剩余电流告警录波功能投入时，则在向所述剩余电流告警模块发出告警信的同时触发录波操作，记录告警动作前后的剩余电流波形；当投入剩余电流出口跳闸功能时，则在向所述剩余电流告警模块发出告警信的同时输出用于控制断路器跳闸的硬接点指令。
8.根据权利要求4或5所述的低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，在计算矢量总和时，将经矢量合成得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值进行补偿后再输出标准剩余电流参考值，此时，第三信号处理器和第四信号处理器输出的剩余电流参考值即为标准剩余电流参考值；
标准剩余电流参考值
Figure FDA0002943983620000031
为：
Figure FDA0002943983620000032
其中，a、b为补偿系数，由电流互感器的理论精度、采样电流矢量计算确定。
9.根据权利要求1所述的低压交流电源系统剩余电流监测系统，其特征在于，该监测系统还包括监测主机，用于采集汇总监测区域内所有的信号处理单元计算出的剩余电流值，对监测区域内剩余电流进行集中监控。
10.一种低压交流电源系统剩余电流监测方法，其特征在于，包括：
S1：分别采集双电源第一供电回路的第一电流值和双电源第二供电回路的第二电流值；
S2：将采集得到的第一电流值和第二电流值进行矢量求和，计算得到双电源供电回路的两路馈出回路总的剩余电流值；
S3：对步骤S2计算得到的剩余电流值进行动态补偿后输出补偿后的剩余电流即为监测得到的标准剩余电流参考值。
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