CN117630580A - 故障检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种故障检测系统及方法，其中，所述系统包括采集单元、处理单元以及检测单元，其中，所述采集单元用于实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；所述处理单元与所述采集单元连接，所述处理单元用于对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位，其中，所述处理单元包括广义二阶积分器；所述检测单元与所述处理单元连接，用于根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。实施本发明的技术方案基于广义二阶积分器对待检测电流进行处理生成电流相位，根据电流相位检测三相三线所在的电力线路是否发生短路故障，以准确地进行继电保护切除短路故障。
Description
技术领域
本发明涉及故障检测领域，更具体地涉及一种故障检测系统及方法。
背景技术
电网线路在发生接地故障时，由于线路存在对地的寄生电容，接地点处会流过非常大的接地电流，产生的电弧难以熄灭，严重情况下接地点处产生弧光接地过电压，并使非故障相电压升高，引发更大故障。针对上述问题，现有技术中在中性点处加装消弧线圈接地，使得线路中的容性电流流过中性点时，消弧线圈降低线路单相接地故障点处的残流，迅速熄灭电弧，进而抑制过电压的产生。缺点是，由于消弧线圈可以视作是电感，与线路的寄生电容会产生串联谐振从而出现过电压现象，带来安全问题，并且利用电感电流抵消电容电流时，无法抵消掉所有的高频分量，且电容电流大于10A时，配电网中性点一般不采用消弧线圈接地方式。
目前配电网采用的是中性点经电阻接地方式。中性点经小电阻接地的电路图如图1所示。中性点经小电阻接地可以在发生故障时切除掉故障相，减少对用电端设备的影响。中性点保护设备投资费用低，可以有效降低单相接地故障引发的用电事故率，有利于电力系统安全可靠运行。为了提高用电的可靠性，对部分架空供电线路，加装自动重合闸装置，减少意外事故对电网的影响。电路正常稳态运行时，中性点小电阻中并不会有电流流过，而当某一相突然发生接地短路时，由于中性点经小电阻接地，同时线路存在对地电容，形成回路，则三相三线短路的一相中有短路电流流过，短路时的电流相当于负载电流叠加流过中性点电阻的电流，此时电流幅值的变化并不大，不足以引起继电保护动作。
发明内容
本发明的目的是提供一种故障检测系统以解决上述缺陷。
本发明的另一目的是提供一种故障检测系统方法以解决上述缺陷。
为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种故障检测系统，其包括：采集单元，所述采集单元用于实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；处理单元，其与所述采集单元连接，所述处理单元用于对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位，其中，所述处理单元包括广义二阶积分器；检测单元，其与所述处理单元连接，所述检测单元用于根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。
其进一步技术方案为：所述广义二阶积分器包括第一积分模块、变换模块、调节模块以及第二积分模块，其中，所述第一积分模块与所述采集单元连接，用于根据所述待检测电流信号计算出两个呈正交的电流信号；所述变换模块与所述第一积分模块和所述第二积分模块连接，用于根据所述第二积分模块输出的电流相位和两个所述电流信号进行变换得到变换电流；所述调节模块与所述变换模块连接，用于对所述变换电流进行调节生成角频率；所述第二积分模块还与所述调节模块连接，用于根据所述角频率、初始角速度计算出所述电流相位。
其进一步技术方案为：所述第一积分模块包括第一积分器和第二积分器，所述第二积分器与所述第一积分器连接，所述第一积分器与所述采集单元连接，所述第一积分器用于根据所述待检测电流信号和所述广义二阶积分器中反馈的角速度计算出第一电流信号；所述第二积分器用于根据所述第一电流信号和所述角速度计算出第二电流信号。
其进一步技术方案为：所述变换模块为Park变换模块，所述Park变换模块与所述第一积分器、所述第二积分器以及所述第二积分模块连接，用于根据所述电流相位、所述第一电流信号和所述第二电流信号进行Park变换得到q变换电流。
其进一步技术方案为：所述调节模块为PI调节器，所述PI调节器与所述Park变换模块连接，用于对所述q变换电流进行调节生成所述角频率。
其进一步技术方案为：所述第二积分模块包括第三积分器和第三乘法器，所述第三乘法器与所述PI调节器连接，所述第三积分器与所述第三乘法器连接，所述第三乘法器用于将所述角频率和所述初始角速度进行相乘，所述第三积分器用于根据所述角频率和所述初始角速度的乘积计算出所述电流相位。
其进一步技术方案为：所述广义二阶积分器还包括第一乘法器、第二乘法器以及设于所述第一乘法器和所述第二乘法器之间的阻尼比，其中，所述第一乘法器与所述采集单元连接，所述第二乘法器与所述第一积分模块连接。
为了实现上述目的，另一个方面，本发明还提供了一种故障检测系统方法，其包括：实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；通过广义二阶积分器对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位；根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。
其进一步技术方案为：根据所述待检测电流信号计算出两呈正交的电流信号；根据历史电流相位以及两所述电流信号进行Park变换得到q变换电流；对所述q变换电流进行PI调节生成角频率，并根据所述角频率及初始角速度计算出所述电流相位。
其进一步技术方案为：根据所述电流相位计算出当前时刻的待检测角速度；计算所述待检测角速度与所述当前时刻之前的预设时刻的角速度之差得到角速度差；若所述角速度差不大于预设角速度差阈值，则判定所述三相三线所在的电力线路未发生故障；若所述角速度差大于所述预设角速度差阈值，则判定所述三相三线所在的电力线路发生了故障。
本发明实施例提供了一种故障检测系统及方法，其中，该系统基于广义二阶积分器对待检测电流进行处理生成电流相位，根据电流相位检测三相三线所在的电力线路是否发生短路故障，以准确地进行继电保护切除短路故障。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为现有技术中中性点经小电阻接地的电路图；
图2为本发明实施例提供的一种故障检测系统的结构框图；
图3为本发明实施例提供的广义二阶积分器的原理框图；
图4为本发明实施例提供的在仿真平台搭建的广义二阶积分器的仿真示意图；
图5为图4中输入的待检测电流信号发生突变的示意图；
图6为图4中输入的待检测电流信号发生突变后的角速度变化示意图；
图7为本发明实施例故障检测系统方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图2至图6，本发明实施例所提供的故障检测系统包括采集单元、处理单元以及检测单元，其中，所述采集单元用于实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；所述处理单元与所述采集单元连接，所述处理单元用于对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位，其中，所述处理单元包括广义二阶积分器；所述检测单元与所述处理单元连接，用于根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。需要说明的是，在本实施例中，所述采集单元为现有技术中的任意采集装置，只需能采集到三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号即可。还需要说明的是，在本实施例中，基于广义二阶积分器对待检测电流进行处理生成电流相位，根据电流相位检测三相三线所在的电力线路是否发生短路故障，以准确地进行继电保护切除短路故障。
在某些实施例，例如本实施例中，如图3所示，所述广义二阶积分器包括第一积分模块、变换模块、调节模块以及第二积分模块，其中，所述第一积分模块与所述采集单元连接，用于根据所述待检测电流信号计算出两个呈正交的电流信号；所述变换模块与所述第一积分模块和所述第二积分模块连接，用于根据所述第二积分模块输出的电流相位和两个所述电流信号进行变换得到变换电流；所述调节模块与所述变换模块连接，用于对所述变换电流进行调节生成角频率；所述第二积分模块还与所述调节模块连接，用于根据所述角频率、初始角速度计算出所述电流相位。需要说明的是，如图3所示，在本实施例中，所述广义二阶积分器还包括第一乘法器、第二乘法器以及设于所述第一乘法器和所述第二乘法器之间的阻尼比，其中，所述第一乘法器与所述采集单元连接，所述第二乘法器与所述第一积分模块连接。还需要说明的是，在本实施例中，所述阻尼比为k，所述阻尼比k用于抑制故障检测系统的发散，使得短路故障检测更为准确。
更为具体地，如图3所示，所述第一积分模块包括第一积分器和第二积分器，所述第二积分器与所述第一积分器连接，所述第一积分器与所述采集单元连接，所述第一积分器用于根据所述待检测电流信号和所述广义二阶积分器中反馈的角速度计算出第一电流信号；所述第二积分器用于根据所述第一电流信号和所述角速度计算出第二电流信号。需要说明的是，所述第一积分器和所述第二积分器为同种积分器1/s；所述第一电流信号和所述第二电流信号之间呈正交。
更为具体地，如图3所示，所述变换模块为Park变换模块，所述Park变换模块与所述第一积分器、所述第二积分器以及所述第二积分模块连接，用于根据所述电流相位、所述第一电流信号和所述第二电流信号进行Park变换得到q变换电流。需要说明的是，在本实施中，根据所述电流相位、所述第一电流信号和所述第二电流信号进行Park变换还会得到d变换电流。还要说明的是，Park变换(Park变换为αβ/dq)是一种将三相交流信号转换为两相信号的数学变换方法，可理解地，即将所述电流相位、所述第一电流信号和所述第二电流信号转换成q变换电流(iq)和d变换电流。
更为具体地，如图3所示，所述调节模块为PI调节器，所述PI调节器与所述Park变换模块连接，用于对所述q变换电流进行调节生成所述角频率。需要说明的是，在本实施中，所述角频率为瞬时角频率。
更为具体地，如图3所示，所述第二积分模块包括第三积分器和第三乘法器，所述第三乘法器与所述PI调节器连接，所述第三积分器与所述第三乘法器连接，所述第三乘法器用于将所述角频率和所述初始角速度进行相乘，所述第三积分器用于根据所述角频率和所述初始角速度的乘积计算出所述电流相位。需要说明的是，在本实施例中，所述第三积分器与所述第一积分器和所述第二积分器均为同种积分器(1/s)。所述初始角速度为ω0。
为方便理解，现在对广义二阶积分器的算法原理进行详细说明如下：
广义二阶积分器(Second-Order Generalized Integerator PLL，SOGI-PLL)是一种锁相环，通过积分器生成两个正交的信号，经过旋转变换后通过相位的PI调节来实现精确的频率控制。广义二阶积分器构成相位反馈系统，具有较好的抗干扰能力和较快的响应速度。具体实现如图3所示：
假设待检测电流信号为is，is如公式(1)所示：
is＝Imsinωt (1)
正常工作时，锁相环很快达到稳定状态，k为阻尼比，输入的待检测电流信号与故障检测系统中的角速度相乘，如公式(2)所示，第一电流iα：
对积分得到的iα再进行一次积分并与角速度相乘第二电流iβ，如公式(3)所示：
将第一电流iα和第二电流iβ经Park变换得到id和iq，将iq送入PI调节器进行调节得到瞬时角频率，可理解地，瞬时角频率同时也作为反馈值进行id和iq的计算。对角频率进行积分即可得到锁相环输出的电流相位(θ＝ωt)，可理解地，Park变换所需要的电流相位即为锁相环输出的电流相位ωt。
在广义二阶积分器中，只要输入信号(待检测电流信号)的相位出现了变化，锁相环输出的电流相位ωt必定会变化，那么整个反馈系统相当于加入了扰动，故障检测系统的角速度也会相应地出现变化，可以通过实时监测故障检测系统的角速度来判断是否出现了相位突变，进而判断所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。
在Simulink中搭建仿真平台进行分析，验证广义二阶积分器的可行性，具体如图4所示。输入的待检测电流信号频率为50Hz，幅值为1，在t＝0.595的时刻发生180°的相位突变。需要说明的是，图4中的仿真示意图与图3中的原理框图相对应。在图4中，正弦或余弦波形的信号为正常的待检测电流信号的触发信号，类似方波形的信号为突变的待检测电流信号的触发信号。请参阅图5，在t＝0.595的时刻输入的待检测电流信号发生180°的相位突变。请参阅图6，从图6可知，尽管待检测电流信号的相位突变前后电流幅值不变，但是缺相后锁相环输出的角速度却有较大的波动，正常情况下的角速度为314rad/s，但是限位突变180°后，角速度的峰值达到500rad/s，在经过5个周期后恢复稳定，采样判断时间充足，足够继电保护动作的响应。
参照图7，图7展示了本发明的一种故障检测系统方法一实施例的流程示意图，该网页防篡改方法应用于上述故障检测系统，下面以该方法来进一步详细阐述本发明故障检测系统的具体实现步骤。如图7所示，该方法包括步骤S110-S130：
S110、实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；
S120、通过广义二阶积分器对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位；
S130、根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。
在本发明实施例中，实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；通过广义二阶积分器对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位；具体地，根据所述待检测电流信号计算出两呈正交的电流信号；对所述广义二阶积分器中输出的电流相位以及两所述电流信号进行Park变换得到q变换电流；对所述q变换电流进行PI调节生成角频率，并根据所述角频率及初始角速度计算出所述电流相位。需要说明的是，在本实施例中，对所述广义二阶积分器中输出的电流相位以及两所述电流信号进行Park变换除了得到q变换电流之外，还可得到d变换电流。
进一步地，根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。根据所述电流相位计算出当前时刻的待检测角速度；计算所述待检测角速度与所述当前时刻之前的预设时刻的角速度之差得到角速度差；判断所述角速度是否大于预设角速度阈值；若所述角速度差不大于所述预设角速度差阈值，则判定所述三相三线所在的电力线路未发生故障；若所述角速度差大于所述预设角速度差阈值，则判定所述三相三线所在的电力线路发生了故障。可理解地，若检测到所述三相三线所在的电力线路发生了故障，则可触发电力线路进行继电保护，切除短路故障。具体地，如图6所示，假设设置的预设角速度阈值为2rad/s，所述角速度差为186rad/s，186rad/s大于2rad/s，判定所述三相三线所在的电力线路发生了故障。
综上所述，经仿真验证基于广义二阶积分器对待检测电流进行处理生成电流相位，根据电流相位中的角速度检测三相三线所在的电力线路是否发生短路故障，可准确地进行继电保护切除短路故障。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (10)
1.一种故障检测系统，其特征在于，包括：
采集单元，所述采集单元用于实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；
处理单元，其与所述采集单元连接，所述处理单元用于对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位，其中，所述处理单元包括广义二阶积分器；
检测单元，其与所述处理单元连接，所述检测单元用于根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。
2.如权利要求1所述的故障检测系统，其特征在于：所述广义二阶积分器包括第一积分模块、变换模块、调节模块以及第二积分模块，其中，所述第一积分模块与所述采集单元连接，用于根据所述待检测电流信号计算出两个呈正交的电流信号；所述变换模块与所述第一积分模块和所述第二积分模块连接，用于根据所述第二积分模块输出的电流相位和两个所述电流信号进行变换得到变换电流；所述调节模块与所述变换模块连接，用于对所述变换电流进行调节生成角频率；所述第二积分模块还与所述调节模块连接，用于根据所述角频率、初始角速度计算出所述电流相位。
3.如权利要求2所述的故障检测系统，其特征在于：所述第一积分模块包括第一积分器和第二积分器，所述第二积分器与所述第一积分器连接，所述第一积分器与所述采集单元连接，所述第一积分器用于根据所述待检测电流信号和所述广义二阶积分器中反馈的角速度计算出第一电流信号；所述第二积分器用于根据所述第一电流信号和所述角速度计算出第二电流信号。
4.如权利要求3所述的故障检测系统，其特征在于：所述变换模块为Park变换模块，所述Park变换模块与所述第一积分器、所述第二积分器以及所述第二积分模块连接，用于根据所述电流相位、所述第一电流信号和所述第二电流信号进行Park变换得到q变换电流。
5.如权利要求4所述的故障检测系统，其特征在于：所述调节模块为PI调节器，所述PI调节器与所述Park变换模块连接，用于对所述q变换电流进行调节生成所述角频率。
6.如权利要求5所述的故障检测系统，其特征在于：所述第二积分模块包括第三积分器和第三乘法器，所述第三乘法器与所述PI调节器连接，所述第三积分器与所述第三乘法器连接，所述第三乘法器用于将所述角频率和所述初始角速度进行相乘，所述第三积分器用于根据所述角频率和所述初始角速度的乘积计算出所述电流相位。
7.如权利要求2所述的故障检测系统，其特征在于：所述广义二阶积分器还包括第一乘法器、第二乘法器以及设于所述第一乘法器和所述第二乘法器之间的阻尼比，其中，所述第一乘法器与所述采集单元连接，所述第二乘法器与所述第一积分模块连接。
8.一种故障检测系统方法，其特征在于，包括：
实时采集三相三线中每一相的电流得到待检测电流信号；
通过广义二阶积分器对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位；
根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障。
9.如权利要求8所述的故障检测方法，其特征在于，所述通过广义二阶积分器对所述待检测电流信号进行处理以生成电流相位，包括：
根据所述待检测电流信号计算出两呈正交的电流信号；
对所述广义二阶积分器中输出的电流相位以及两所述电流信号进行Park变换得到q变换电流；
对所述q变换电流进行PI调节生成角频率，并根据所述角频率及初始角速度计算出所述电流相位。
10.如权利要求8所述的故障检测方法，其特征在于，所述根据所述电流相位检测所述三相三线所在的电力线路是否发生短路故障，包括：
根据所述电流相位计算出当前时刻的待检测角速度；
计算所述待检测角速度与所述当前时刻之前的预设时刻的角速度之差得到角速度差；
若所述角速度差不大于预设角速度差阈值，则判定所述三相三线所在的电力线路未发生故障；
若所述角速度差大于所述预设角速度差阈值，则判定所述三相三线所在的电力线路发生了故障。
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