CN113406534A - 一种配电网机载线路故障仿真实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网机载线路故障仿真实验系统，包括全补偿控制模块、自适应零序导纳测量模块和PWM控制的处理芯片，所述全补偿控制模块为根据预调和随调相结合的补偿方式，且全补偿控制模块内部分为正常状态单元和故障响应单元，所述自适应零序导纳测量模块采用差分算法，所述PWM控制的处理芯片用于控制从消弧线圈逆变器的功率器件。本发明所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，在通过分析接地故障特征的基础上，研究开发一种能对接地故障电流进行全补偿的技术，实现60ms内通过电力电子技术在中性点注入一个反向电流将接地故障点电流快速补偿到“零”并迅速定位线路，从而迅速永久消弧，减少配电网触电事故、提高运行安全性。
Description
技术领域
本发明涉及配电网机载线路领域，特别涉及一种配电网机载线路故障仿真实验系统。
背景技术
目前对配电网接地故障保护的研究主要集中于小电流接地故障的选线与定位方面，关注的重点主要是提高选线装置实用化水平、提高整体选线的成功率上，还缺少如何主动快速的补偿掉接地故障电流从而消灭弧光、减少触电事故的研究。
从实践工作中我们得到结论，无论任何方式灵敏度和可靠性判定也取决于接地电流的大小，而接地电流的大小又与配电网中性点的接地方式密切关系。为解决触电保护问题，一些供电企业将配电网中性点接地方式改为小电阻接地方式，希望以此回避小电流接地故障保护的难题，在出现人体触电或导线坠地时及时跳闸切除故障线路。然而，理论分析与工程实践均表明，以目前的技术而言，小电阻接地配电网接地保护反应接地电阻的能力只有300Ω左右，中性点接地方式改为小电阻方式不仅无法在出现高阻接地故障时可靠报警、跳闸，反而增加了解决问题的难度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种配电网机载线路故障仿真实验系统，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种配电网机载线路故障仿真实验系统，包括全补偿控制模块、自适应零序导纳测量模块和PWM控制的处理芯片，所述全补偿控制模块为根据预调和随调相结合的补偿方式，且全补偿控制模块内部分为正常状态单元和故障响应单元，所述自适应零序导纳测量模块采用差分算法，所述全补偿控制模块的正常状态单元内部记录有故障录波数据，所述正常状态单元内部通过消弧线圈控制器定时对中性点电压U0、主线圈档位和电抗值L1进行检测，且中性点电压U0、主线圈档位和电抗值L1的检测数值均利用电容电流检测算法计算出当前系统的对地电容值C0，所述故障响应单元包括启动故障选线程序，所述启动故障选线程序内部分别包括快速选线算法模块和快速谐波分析算法模块，所述快速选线算法模块输出端与快速谐波分析算法模块输入端对应连接，所述快速谐波分析算法模块输出端连接有全电流估计算法模块，所述全电流估计算法模块输出端连接有补偿电流生成算法模块，所述PWM控制的处理芯片可完成包括采样、电流跟踪、指令运算，PWM驱动信号生成等复杂的算法，且PWM控制的处理芯片用于控制从消弧线圈逆变器的功率器件，使接地电流得到有效补偿的同时监视逆变器工况。
优选的，所述当前系统的对地电容值C0与主线圈档位开关量进行比对，若当前系统的对地电容值C0与主线圈档位开关量利用调档算法比对不合适，则根据调档指令将主线圈调到过补偿15％附近档位。
优选的，所述故障录波数据利用快速谐波分析算法进行数据分析，计算各条线路在单相接地故障的各种状况下的零序基波无功电流值，推算各条线路的对地电容C1和所占比例，以及不同单相接地故障情况下的电流畸变成分。
优选的，所述故障响应单元内部根据单相接地故障信号检测线路零序电流I01,I02,……I0n，所述快速选线算法模块和快速谐波分析算法模块根据检测线路零序电流I01,I02,……I0n分析得出故障线路出口处的零序电流I0m，所述全电流估计算法模块利用故障线路出口处的零序电流I0m、正常状态下计算出的系统对地电容C0、故障线路电容大小及该故障状况下的电流畸变经验值进行故障全电流估算，得出整个系统含故障线路接地电流、含有功分量和谐波分量的故障电流If。
优选的，所述故障响应单元内部根据单相接地故障信号检测检测当前主线圈和有源从消弧线圈的补偿电流IL1,所述IL2＝If-IL1，且IL2应用有源逆变算法生成功率器件驱动信号控制有源从消弧线圈进行全补偿。
优选的，所述快速选线算法模块内部采用的谐波电流检测算法将除故障线路外的系统故障电流进行成分分离，依照系统正常时的智能接地电流估计算法得到的比例因子k对谐波和有功成分进行估计，所述全电流估计算法模块内部采用的全电流估计算法根据故障状态的中性点电压和预知的系统总电流估计故障电流的基波电容电流，并将两个估计值相加即得到对故障全电流的估计If。
优选的，所述消弧线圈控制器采用复合接地电流检测技术，该复合接地电流检测技术在原有两点法、三点法、E0法等电网接地电流检测技术的基础上，结合有源消弧线圈的结构特点，采用结合注入信号法的复合电网电容电流检测算法对电网接地电容电流进行检测，同时当电网发生单相接地故障时，结合网络结构及数据记录的智能拟合方法为有源消弧线圈提供精确地接地故障电流有源全补偿参考。
优选的，所述自适应零序导纳测量模块改进型暂态法和零序导纳法原理，检测高低阻故障，并同时准确选线。
优选的，所述PWM控制的处理芯片为数字信号处理器TMS320F2812，所述数字信号处理器TMS320F2812片内集成有16路12位精度的AD转换模块，所述数字信号处理器TMS320F2812的EVA提供了一位低有效的功率器件保护引脚PDPINTA,所述PWM控制的处理芯片支持17个CPU级中断，其中包括1个不可屏蔽中断(NMI)和16个可屏蔽中断,所述AD转换模块参考电路上电过程编程控制，且AD转换模块参考电平和采样/保持窗口长度选择，AD转换模块采样模式为级联模式，AD转换模块采样触发模式为EVA事件触发，AD转换模块允许向外设中断管理器发出中断请求，AD转换模块采样两个通道排序，并且2个通道均反复采样4次，采样完成后排序器自动重置；AD转换模块复位，中断标志位清零。
优选的，所述AD转换模块片内外设有两个事件管理器EVA和EVB，且两个事件管理器都包括两个通用定时器(GP)、两个通用定时器比较器、一个三相PWM单元、捕获单元和正交编码脉冲电路(QEP)，每个EV可以生成两路由两个定时器独立控制的PWM信号和3组由同一定时器控制的互补PWM信号，所述EVA包括引脚PWM1和引脚PWM2，引脚PWM1和引脚PWM2的信号频率为均10kHz，死区时间设置为6uS，执行程序时对EVA模块执行的初始化工作包括：配置EV功能的通用输出引脚、EVA中断不允许向外设中断管理器发出中断请求、PWM输出使能、死区时间设置实现各引脚输出极性选择、PWM1和PWM2分别为高有效和低有效、各控制寄存器、定时器的工作寄存器重载条件为立即重载、AD触发源为TIMER1下溢事件、TIMER1周期寄存器T1PR赋值、计数寄存器T1CNT赋初值、PWM比较寄存器PWM1赋初值和启动定时器。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明中，自适应零序导纳测量模块采用差分算法，利用差分原理GFN可消除零序CT,开口三角PT本身设备的测量误差，然后治理电网不平衡电压，调整失谐度等值在合适的范围。
2、本发明中，通过快速选线算法、快速谐波分析算法、全电流估计算法和补偿电流生成算法较为复杂的算法精确运算系统当前状态值，通过残流补偿器从中性点注入电流，与残流大小相等，方向相反，彻底清除残流，用户不停电，极大提升供电可靠性,完全的补偿接地电流几乎到零。
3、本发明中，通过利用三相电网系统固有的但通常不被使用的零序特性，系统将电网保护多方面提升到了新的性能水准，几乎达到了作为优秀保护的所有衡量基准，即动性，灵敏性和选择性。
4、本发明中，通过利用改进型暂态法和零序导纳法原理，检测高低阻故障，并同时准确选线，选线准确率近100％,极度灵敏的差分测量，与电流互感器测量精度无关。
5、本发明中，消弧线圈控制器采用复合接地电流检测技术，在原有两点法、三点法、E0法等电网接地电流检测技术的基础上，结合有源消弧线圈的结构特点，采用结合注入信号法的复合电网电容电流检测算法对电网接地电容电流进行检测，为调匝式消弧线圈的自动调谐提供依据，同时可结合网络结构及数据记录的智能拟合方法为有源消弧线圈提供精确地接地故障电流有源全补偿参考。
附图说明
图1为本发明一种配电网机载线路故障仿真实验系统的全补偿控制的流程示意图；
图2为本发明一种配电网机载线路故障仿真实验系统的控制信号流的电路图；
图3为本发明一种配电网机载线路故障仿真实验系统的从消弧线圈PWM控制程序流程图的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-3所示，一种配电网机载线路故障仿真实验系统，包括全补偿控制模块、自适应零序导纳测量模块和PWM控制的处理芯片，全补偿控制模块为根据预调和随调相结合的补偿方式，且全补偿控制模块内部分为正常状态单元和故障响应单元，自适应零序导纳测量模块采用差分算法，全补偿控制模块的正常状态单元内部记录有故障录波数据，正常状态单元内部通过消弧线圈控制器定时对中性点电压U0、主线圈档位和电抗值L1进行检测，且中性点电压U0、主线圈档位和电抗值L1的检测数值均利用电容电流检测算法计算出当前系统的对地电容值C0，故障响应单元包括启动故障选线程序，启动故障选线程序内部分别包括快速选线算法模块和快速谐波分析算法模块，快速选线算法模块输出端与快速谐波分析算法模块输入端对应连接，快速谐波分析算法模块输出端连接有全电流估计算法模块，全电流估计算法模块输出端连接有补偿电流生成算法模块，PWM控制的处理芯片可完成包括采样、电流跟踪、指令运算，PWM驱动信号生成等复杂的算法，且PWM控制的处理芯片用于控制从消弧线圈逆变器的功率器件，使接地电流得到有效补偿的同时监视逆变器工况。
当前系统的对地电容值C0与主线圈档位开关量进行比对，若当前系统的对地电容值C0与主线圈档位开关量利用调档算法比对不合适，则根据调档指令将主线圈调到过补偿15％附近档位；故障录波数据利用快速谐波分析算法进行数据分析，计算各条线路在单相接地故障的各种状况下的零序基波无功电流值，推算各条线路的对地电容C1和所占比例，以及不同单相接地故障情况下的电流畸变成分；故障响应单元内部根据单相接地故障信号检测线路零序电流I01,I02,……I0n，快速选线算法模块和快速谐波分析算法模块根据检测线路零序电流I01,I02,……I0n分析得出故障线路出口处的零序电流I0m，全电流估计算法模块利用故障线路出口处的零序电流I0m、正常状态下计算出的系统对地电容C0、故障线路电容大小及该故障状况下的电流畸变经验值进行故障全电流估算，得出整个系统含故障线路接地电流、含有功分量和谐波分量的故障电流If，利用较为复杂的算法精确运算系统当前状态值，通过残流补偿器从中性点注入电流，与残流大小相等，方向相反，彻底清除残流；故障响应单元内部根据单相接地故障信号检测检测当前主线圈和有源从消弧线圈的补偿电流IL1,IL2＝If-IL1，且IL2应用有源逆变算法生成功率器件驱动信号控制有源从消弧线圈进行全补偿；快速选线算法模块内部采用的谐波电流检测算法将除故障线路外的系统故障电流进行成分分离，依照系统正常时的智能接地电流估计算法得到的比例因子k对谐波和有功成分进行估计，全电流估计算法模块内部采用的全电流估计算法根据故障状态的中性点电压和预知的系统总电流估计故障电流的基波电容电流，并将两个估计值相加即得到对故障全电流的估计If；消弧线圈控制器采用复合接地电流检测技术，该复合接地电流检测技术在原有两点法、三点法、E0法等电网接地电流检测技术的基础上，结合有源消弧线圈的结构特点，采用结合注入信号法的复合电网电容电流检测算法对电网接地电容电流进行检测，同时当电网发生单相接地故障时，结合网络结构及数据记录的智能拟合方法为有源消弧线圈提供精确地接地故障电流有源全补偿参考，以保证精确消弧控制的需要；自适应零序导纳测量模块改进型暂态法和零序导纳法原理，检测高低阻故障，并同时准确选线，选线准确率近100％,极度灵敏的差分测量(消除设备测量误差)，与电流互感器测量精度无关；PWM控制的处理芯片为数字信号处理器TMS320F2812，数字信号处理器TMS320F2812片内集成有16路12位精度的AD转换模块，所述数字信号处理器TMS320F2812的EVA提供了一位低有效的功率器件保护引脚PDPINTA,用于在过载、过热、欠压等情况下保护功率器件。该引脚低电平产生的外部中断为中断向量组1内级别最高的，在AD采样中断之上，该中断响应之后CPU自动将PWM信号输出引脚置为高阻状态，封锁驱动信号,所述PWM控制的处理芯片支持17个CPU级中断，其中包括1个不可屏蔽中断(NMI)和16个可屏蔽中断,AD转换模块参考电路上电过程编程控制，且AD转换模块参考电平和采样/保持窗口长度选择，AD转换模块采样模式为级联模式，AD转换模块采样触发模式为EVA事件触发，AD转换模块允许向外设中断管理器发出中断请求，AD转换模块采样两个通道排序，并且2个通道均反复采样4次，采样完成后排序器自动重置；AD转换模块复位，中断标志位清零；AD转换模块片内外设有两个事件管理器EVA和EVB，且两个事件管理器都包括两个通用定时器(GP)、两个通用定时器比较器、一个三相PWM单元、捕获单元和正交编码脉冲电路(QEP)，每个EV可以生成两路由两个定时器独立控制的PWM信号和3组由同一定时器控制的互补PWM信号，EVA包括引脚PWM1和引脚PWM2，引脚PWM1和引脚PWM2的信号频率为均10kHz，死区时间设置为6uS，执行程序时对EVA模块执行的初始化工作包括：配置EV功能的通用输出引脚、EVA中断不允许向外设中断管理器发出中断请求、PWM输出使能、死区时间设置实现各引脚输出极性选择、PWM1和PWM2分别为高有效和低有效、各控制寄存器、定时器的工作寄存器重载条件为立即重载、AD触发源为TIMER1下溢事件、TIMER1周期寄存器T1PR赋值、计数寄存器T1CNT赋初值、PWM比较寄存器PWM1赋初值和启动定时器。
需要说明的是，本发明为一种配电网机载线路故障仿真实验系统，根据预调和随调相结合的补偿方式，提出一种全补偿控制模式，该控制模式分为正常状态和故障响应两个部分，iL2＝iF-iL1；正常状态下：消弧线圈的控制器定时对中性点电压U0、主线圈档位和电抗值L1进行检测，利用接地电容电流检测算法计算出当前系统的对地电容值C0；利用实时的计算结果检查主线圈档位是否合适，不合适则将主线圈调到过补偿15％附近的档位；对历史故障录波数据进行分析，计算各条线路在单相接地故障的各种状况下的零序基波无功电流值，推算各条线路的对地电容和所占比例，以及不同单相接地故障情况下的电流畸变成分；故障响应：检测线路零序电流I01,I02,……I0n，启动故障选线程序选出故障线路m；利用故障线路出口处的零序电流I0m、正常状态下计算出的系统对地电容、故障线路电容大小及该故障状况下的电流畸变经验值进行故障全电流估算，得出整个系统含故障线路接地电流、含有功分量和谐波分量的故障电流If；检测当前主线圈和有源从消弧线圈的补偿电流IL1,IL2应用有源逆变算法生成功率器件驱动信号控制有源从消弧线圈进行全补偿。而基于全补偿的接地故障综合保护系统其算法都使用中性电压(UEN)和馈线总和电流作为检测标准。接地故障检测最快的算法是初始瞬态检测。故障馈线可以在接地故障发生时立即识别，该检测方式非常快速且稳健，为了做到更高的故障检测水平，基于自适应零序导纳测量作为第二种检测方式，在消弧线圈投入电容元件前后两次测量并对比零序导纳值。由于该方案采用差分算法，可以消除CT:s和VT:s的设备测量误差,给予了做非常灵敏设置的条件，PSCAD的仿真证明，有源从消弧线圈能优化主线圈在含有功损耗、谐波分量的故障状况下的补偿效果，补偿后的残流被降低到很小的水平，保证了电弧性接地故障可靠熄弧的成功率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种配电网机载线路故障仿真实验系统，包括全补偿控制模块、自适应零序导纳测量模块和PWM控制的处理芯片，其特征在于：所述全补偿控制模块为根据预调和随调相结合的补偿方式，且全补偿控制模块内部分为正常状态单元和故障响应单元，所述自适应零序导纳测量模块采用差分算法，所述全补偿控制模块的正常状态单元内部记录有故障录波数据，所述正常状态单元内部通过消弧线圈控制器定时对中性点电压U0、主线圈档位和电抗值L1进行检测，且中性点电压U0、主线圈档位和电抗值L1的检测数值均利用电容电流检测算法计算出当前系统的对地电容值C0，所述故障响应单元包括启动故障选线程序，所述启动故障选线程序内部分别包括快速选线算法模块和快速谐波分析算法模块，所述快速选线算法模块输出端与快速谐波分析算法模块输入端对应连接，所述快速谐波分析算法模块输出端连接有全电流估计算法模块，所述全电流估计算法模块输出端连接有补偿电流生成算法模块，所所述PWM控制的处理芯片可完成包括采样、电流跟踪、指令运算，PWM驱动信号生成等复杂的算法，且PWM控制的处理芯片用于控制从消弧线圈逆变器的功率器件，使接地电流得到有效补偿的同时监视逆变器工况。
2.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述当前系统的对地电容值C0与主线圈档位开关量进行比对，若当前系统的对地电容值C0与主线圈档位开关量利用调档算法比对不合适，则根据调档指令将主线圈调到过补偿15％附近档位。
3.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述故障录波数据利用快速谐波分析算法进行数据分析，计算各条线路在单相接地故障的各种状况下的零序基波无功电流值，推算各条线路的对地电容C1和所占比例，以及不同单相接地故障情况下的电流畸变成分。
4.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述故障响应单元内部根据单相接地故障信号检测线路零序电流I01,I02,……I0n，所述快速选线算法模块和快速谐波分析算法模块根据检测线路零序电流I01,I02,……I0n分析得出故障线路出口处的零序电流I0m，所述全电流估计算法模块利用故障线路出口处的零序电流I0m、正常状态下计算出的系统对地电容C0、故障线路电容大小及该故障状况下的电流畸变经验值进行故障全电流估算，得出整个系统含故障线路接地电流、含有功分量和谐波分量的故障电流If。
5.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述故障响应单元内部根据单相接地故障信号检测检测当前主线圈和有源从消弧线圈的补偿电流IL1,所述IL2＝If-IL1，且IL2应用有源逆变算法生成功率器件驱动信号控制有源从消弧线圈进行全补偿。
6.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述快速选线算法模块内部采用的谐波电流检测算法将除故障线路外的系统故障电流进行成分分离，依照系统正常时的智能接地电流估计算法得到的比例因子k对谐波和有功成分进行估计，所述全电流估计算法模块内部采用的全电流估计算法根据故障状态的中性点电压和预知的系统总电流估计故障电流的基波电容电流，并将两个估计值相加即得到对故障全电流的估计If。
7.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述消弧线圈控制器采用复合接地电流检测技术，该复合接地电流检测技术在原有两点法、三点法、E0法等电网接地电流检测技术的基础上，结合有源消弧线圈的结构特点，采用结合注入信号法的复合电网电容电流检测算法对电网接地电容电流进行检测，同时当电网发生单相接地故障时，结合网络结构及数据记录的智能拟合方法为有源消弧线圈提供精确地接地故障电流有源全补偿参考。
8.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述自适应零序导纳测量模块改进型暂态法和零序导纳法原理，检测高低阻故障，并同时准确选线。
9.根据权利要求1所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述PWM控制的处理芯片为数字信号处理器TMS320F2812，所述数字信号处理器TMS320F2812片内集成有16路12位精度的AD转换模块，所述数字信号处理器TMS320F2812的EVA提供了一位低有效的功率器件保护引脚PDPINTA,所述PWM控制的处理芯片支持17个CPU级中断，其中包括1个不可屏蔽中断(NMI)和16个可屏蔽中断,所述AD转换模块参考电路上电过程编程控制，且AD转换模块参考电平和采样/保持窗口长度选择，AD转换模块采样模式为级联模式，AD转换模块采样触发模式为EVA事件触发，AD转换模块允许向外设中断管理器发出中断请求，AD转换模块采样两个通道排序，并且2个通道均反复采样4次，采样完成后排序器自动重置；AD转换模块复位，中断标志位清零。
10.根据权利要求9所述的一种配电网机载线路故障仿真实验系统，其特征在于：所述AD转换模块片内外设有两个事件管理器EVA和EVB，且两个事件管理器都包括两个通用定时器(GP)、两个通用定时器比较器、一个三相PWM单元、捕获单元和正交编码脉冲电路(QEP)，每个EV可以生成两路由两个定时器独立控制的PWM信号和3组由同一定时器控制的互补PWM信号，所述EVA包括引脚PWM1和引脚PWM2，引脚PWM1和引脚PWM2的信号频率为均10kHz，死区时间设置为6uS，执行程序时对EVA模块执行的初始化工作包括：配置EV功能的通用输出引脚、EVA中断不允许向外设中断管理器发出中断请求、PWM输出使能、死区时间设置实现各引脚输出极性选择、PWM1和PWM2分别为高有效和低有效、各控制寄存器、定时器的工作寄存器重载条件为立即重载、AD触发源为TIMER1下溢事件、TIMER1周期寄存器T1PR赋值、计数寄存器T1CNT赋初值、PWM比较寄存器PWM1赋初值和启动定时器。
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