CN201234124Y - 小电流接地系统单相接地故障选线自动处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小电流接地系统单相接地故障选线自动处理装置，包括主机、PT/CT模拟量输入模块、A/D变换模块、数据缓冲模块、开关位置输入模块、接地线路跳闸输出模块、闭锁保护重合闸命令输出模块、输出线路接地警告信号模块、远程数据传送模块、键盘以及显示单元，与现有技术相比，本实用新型扩展了KA2003小电流接地选线装置的跳闸功能并与保护装置中的重合闸功能相配合，实现接地故障的自动选线并自动隔离故障线路功能，实现接地故障的实时迅速处理，保障了非故障系统的安全稳定运行。

Description

小电流接地系统单相接地故障选线自动处理装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统领域，尤其是小电流接地系统单相接地故障自动选线控制领域。

背景技术

北京丹华昊博电力科技有限公司KA2003小电流接地选线装置是一套成熟的装置，运行效果好，运行实绩表明能正确选出接地线路，KA2003系列选线装置实时采集系统故障信号，应用多种选线方法进行综合选线，包括：智能群体比幅比相法、谐波比幅比相法、小波法、首半波法、有功分量法、能量法、零序电流突变量法等。装置通过粗糙集理论确定各种选线方法的有效域，根据故障信号特征自动对每一种选线方法得出的故障选线结果进行可信度量化评估，应用证据理论将多种选线方法融合到一起，最大限度地保证各种选线方法之间实现优势互补。装置选出接地故障线路后发出报警信息让调度员处理，然后由调度员电话通知监控中心人员遥控拉开故障线路，保证非故障线路继续运行。

此种方式存在的缺陷：

1、当值班调度员操作任务较忙时，因管辖变电所较多，往往不能及时发现报警信息，从而延误了处理时间。虽然接地故障可以运行2个小时(当电缆长度较短时)左右，但常常会造成系统长时间过电压引起母线PT损坏，同时可能会引起线路另一个薄弱点绝缘击穿发展为相间短路，扩大故障范围。

2、现在变电所都实行无人值班模式，当通信网络故障时将无法遥控操作，运行人员需到变电所现场拉开故障线路，虽然可以隔离故障，但延误了故障处理时间。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种小电流接地选线装置可自动选出并自动隔离故障设备(故障设备包括线路和电容器，电容器虽然接地故障几率少，但也存在接地情况，如电容器本体或出线电缆发生单相接地，所以本实用新型也考虑跳电容器开关)的自动装置，同时配合线路保护中的自动重合闸功能对选线结果不正确时进行补救；电容器不采用重合闸补救，由人工恢复。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案；

一种小电流接地系统单相接地故障选线自动处理装置，包括主板以及设置在主板上的主机、PT/CT模拟量输入模块、A/D变换模块、数据缓冲模块、开关位置输入模块、接地线路跳闸输出模块、闭锁保护重合闸命令输出模块、输出线路接地警告信号模块、远程数据传送模块、电源，键盘以及显示单元，所述的PT/CT滤波板的输出端与A/D变换模块的输入端连接，将PT/CT模拟量输入模块的模拟信号转换为数字信号；所述的A/D变换模块的输出端与数据缓冲模块的第一输入端连接，实现缓冲处理，开关位置输入模块的输出端连接数据缓冲模块的第二输入端，实现开关位置信号的缓冲处理，数据缓冲模块的第一输出端与接地线路跳闸输出模块输入端连接，对接地线路开关输出跳闸命令，数据缓冲模块的第二输出端与闭锁线路保护重合闸输出模块输入端连接，对所跳开关的保护装置输出闭锁重合闸命令，数据缓冲模块的第三输出端与输出线路接地警告信号模块输入端连接，用于输出警告信号，数据缓冲模块的第四输出端与主机的第一输入端连接，用于数据交换，主机的第二输入端连接远程数据传送模块的输出端，用于输出接地告警信号送到相关用户终端，主机的第三输入端与键盘连接，用于控制信号的输入，主机的第四输入端与显示模块连接，用于实时显示。

本实用新型在现有KA2003小电流接地选线装置中扩展了选出接地故障线路后跳闸功能，将小电流接地选线跳闸回路接入保护的分闸回路，如选线跳闸正确开关真实跳闸(小电流接地选线通过开关位置输入模块，能判断开关是否真实跳闸，防止开关发生拒动，造成小电流装置误判断)，如选线装置检测不到零序电压，就给保护装置输出闭锁重合闸命令。如选线跳闸不正确，则选线装置仍能检测到零序电压，就不输出闭锁重合闸信号，保护装置将启动不对应重合闸功能，对开关进行合闸一次，选线装置将重新进行选线。如选线装置所跳为电容器开关，因电容器所有重合闸功能停用，不存在闭锁重合闸问题。本装置特别适用于对接地故障必须迅速隔离的配电网中。

与现有技术相比，本实用新型扩展了KA2003小电流接地选线装置功能并与保护装置中的重合闸功能相配合，实现接地故障的自动选线并自动隔离故障线路功能，实现接地故障的实时迅速处理，保障了非故障系统的安全稳定运行。

附图说明

图1是本实用新型装置结构框图。

图2是KA2003小电流接地选线装置的结构框图。

图3是本实用新型装置工作流程示意图。

图4是KA2003小电流接地选线装置流程示意图。

图5是本实用新型装置原理图。

图6KA2003小电流接地电网单相接地故障自动选线装置原理图。

具体实施方式

下面先对KA2003小电流接地选线装置的工作过程作说明，如图2、图4、图6所示：

附图4为KA2003小电流接地选线装置的工作流程示意图；附图2为小电流接地系统单相接地故障自动选线装置逻辑框图；附图6为KA2003小电流接地电网单相故障选线装置原理图。

KA2003小电流接地电网单相故障选线装置在程序设计中采用了多线程结构，当装置启动检测后，启动采样线程，当零序电压超过门槛值的数目达到一定数目后，存储暂态数据，并发送消息(1)，然后存储稳态数据，并发送消息(2)，主线程收到消息(1)、(2)后进行故障处理，提取故障特征，利用稳态量判据、暂态量判据、奇异量判据等进行多判据融合，对各种判据进行智能决策，得到选线结果，显示选线结果，并进行故障录波；如果一段时间后零序电压小于门槛值的数目达到一定数目后，发送消息(3)，主线程收到消息(3)，则认为故障消失，自动复位。见附图2。

KA2003小电流接地电网单相故障选线装置主要有以下几个功能模块。PT和CT模拟量输入模块，负责采集系统交流参数；A/D变换模块，负责把模拟量转换为数字量；数据缓冲模块，负责对输入输出数据进行缓冲处理；主机及软件控制程序，负责提供相关硬件支持和选线软件分析处理，计算出接地线路；输出线路接地告警信号模块，负责输出接地告警信号；远程数据传送模块，负责输出接地告警信号通过远动装置送到相关用户终端；键盘部分，提供人工控制终端；液晶显示部分，提供人工阅读查看。见附图4。

装置工作原理：系统的母线零序电压以及各条线路的零序电流经过PT和CT变换后输入KA2003装置，电压和电流信号经过高精度PT和CT进一步变换，所有信号变换为电压信号；电压信号输入低通滤波器去除干扰，输出波形平滑的电压模拟信号；装置采用AC1820A数据采集卡对电压信号进行采样，采样数据通过PC/AT在总线存入寄存器；工控机主板采用PCA—6153，它负责从PC/AT在总线上调用实时数据并进行算法的处理，给出故障线路信息；故障信息一方面直接通过液晶屏幕显示，另一方面通过PC/AT在总线传送给PCL—734开关量卡，开关量卡经过光电隔离后通过后面板上的开关量输出端子传送给远动装置。本装置还装有防死机看门狗电路，有效地克服了工控机运行中的死机问题；装置采用调制解调器与其它计算机进行串口通信，实现了装置远程管理。见附图6。

KA2003小电流接地选线装置算法中采用了窗口多线程的概念，分为主线程和采样线程，运用了win32的消息处理机制。这样在算法判断的同时能够同时对信号进行采样，保证采样信号的连续性和实时性。在选线算法上，用多种算法进行智能综合判断，克服了单一选线算法的不足。

KA2003小电流接地选线装置具体实施方式：提出并采用了智能比幅比相法，该算法在比幅比相算法的基础上采用积分算法、Butterworth数字滤波器、恒以零序电压作为参考正方向等算法，辅以连续判断等抗干扰措施、有效域约束、综合判据，从根本上提高了选线准确度：与新型PT接线方法相结合，排除了铁磁谐振带来的误判断问题。提出小波选线方法利用单相接地故障产生的暂态电流和谐波电流作为选线判断的依据。由于小电流接地电网单相接地故障等值电路是一个容性通路，故障的突然作用在电路中产生的暂态电流通常很大；特别是发生弧光接地故障或间歇性接地故障情况下，暂态电流含量更丰富，持续时间更长。暂态电流满足在故障线路上的数值等于在非故障线路上数值之和且方向相反的关系，可以用来选线。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用了网络化选线方法；网络化选线方法需要输入与选线相关的电网运行状态遥信量，如一条线路的投入与退出、线路上各分段开关的开合状态等信息，来掌握电网的拓扑结构和各线路的参数；当电网发生单相接地故障时，根据获得的网络状态参数与故障电压参数来估算各线路对地充电电流，将各线路实测电流值与期望值(估算值)进行对比：非故障线路上实测电流值与期望值相差比较小，而故障线路上实测电流值与期望值相差很大，网络化技术还可以用于自动调节消弧线圈的补偿度。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用了电流突变量法；对于中性点经消弧线圈接地电网单相接地故障的选线问题，过去一直采用5次谐波比幅比相方法。实践证明对于非金属性接地故障，该方法的选线正确率极低。电流突变量方法针对消弧线圈接地电网的故障选线问题而专门设计的。该方法在电网发生单相接地故障后，通过自动装置自动地改变消弧线圈参数，使各线路故障电流产生一个突变，利用故障线路和非故障线路电流突变特征的差异选出故障线路。该方法同小波选线方法和其它智能技术相结合，彻底地解决了消弧线圈接地电网的单相接地故障选线问题。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用了样本建模(特征指纹)选线方法：样本建模选线方法又称特征指纹选线方法。在选线装置运行过程中，当发现某些极其特殊类型的故障样本，用正规的选线方法很难做出可靠的选线判断时，则提取这类故障样本的个性特征(即指纹特征)，并将该次故障的指纹特征及故障信息保存下来，作为一个参考样本。当再一次出现类似的故障时，通过与保存过的样本指纹特征进行匹配，就可以推断出新故障样本的故障线路。不断地收集和充实样本库，就可以处理各类特殊样本的选线问题。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用连续判断技术；连续判断技术是针对小电流接地系统单相接地故障中故障信号微弱、容易受干扰的特点而采取的技术措施；该技术不完全依赖于一次判断的结果，而是综合考虑全过程的情况，连续判断技术可以有效地排除随机大干扰(主要指开关操作)的影响，提高了选线的正确性。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用选线方法的有效域技术：理论和实践表明，没有一种选线方法能够保证对所有故障类型都有效，每种选线方法都有一定的适用条件；当适用条件满足时，该选线方法选线结果一定正确，否则，选线结果可能正确，也可能不正确。选线方法能够可靠选线的适用条件为该方法的充分性条件。满足充分性条件的故障在空间构成的区域，称为该选线方法的有效域。通过对每一种选线方法界定有效域，当一个故障落在某方法的有效域内时，该方法对该故障的选线结果一定是正确的。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用故障测度理论：故障测度是定义在非负实数域上的一组变量，用来度量一个故障中每条线路具有故障征兆的程度。一条线路的故障测度越大，表明该线路越可能是故障线路。在这一理论指导下，装置构造的每一种选线方法在给出选线结果的同时，还能够计算出各条线路的故障测度值。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用了证据理论选线方法：每一种选线方法对一个故障计算出的选线结果(以故障测度形式表示)相当于一条证据，用证据来表示哪些线路可能是故障线路、哪些线路不大可能是故障线路、可能与不可能的信任程度有多大等，应用证据理论把这些信息组合起来，使最终选线结果反映了各种方法共同的支持点，选线结果非常可靠。

KA2003小电流接地选线装置提出并采用了粗糙集理论选线方法：选线装置在选线实验和现场运行过程中收集了大量故障数据，这些故障数据对完善选线很有价值。特征指纹选线方法中特殊样本的发现、指纹特征的提取，以及其它选线方法中参数和有效域的确定等，都需要结合实测故障数据来实现。为实现这些目的而进行的故障数据处理并不是简单的数据整理，而是需要一种系统的处理手段，主动地从故障数据中挖掘并发现有价值的知识和规律，来指导完善选线方法。采用粗糙集数据处理技术解决了这一问题。

KA2003小电流接地选线装置采用高性能前置滤波器，滤除各种干扰波形。采用大容量、高可靠性的开关继电器实现信号的远动传输。

下面以一次具体的接地故障为例进行分析：

以发生1号线路接地故障为例详细说明选线过程，程序的采样子线程创建5000×32的二维数组，将数据进行准实时存储，存满之后从数组始端覆盖原有数据。发生故障后(大于启动电压6个点)将故障点前100个点和后100个点作为暂态数据，再将后400个点作为稳态数据，把这600个点提交主线程进行故障选线。一秒钟之后，如果故障没有消失，继续提取400个点作为稳态数据提交主线程进行连续选线。然后进行特征提取，得到选线结果。以群体比幅比相为例说明选线具体方法，提取电流幅值最大的3条线路，并设初始累加值sum(1)Sum(2)sum(3)和sum(母线)。将这3个电流数组与此电压数组进行逐点比较：①与电压符号相反，则Sum直接累加绝对值；②与电压符号相同，则sum累加绝对值；③3条线路电流与电压符号都相同，则Sum(母线)设成一个较大值。将sum(1)sum(2)sum(3)和sum(母线)进行比较，值最大的就是故障线路。装置在前台显示1号线路为故障线路，同时通过开关量卡闭合继电器给远动发送命令，指示故障线路。在故障排除后，装置检测到零序电压低于启动阀值，继电器恢复正常状态(处于打开状态)，程序跳出选线流程，回到监测状态。

备注：1、所有线路微机保护装置都具有不对应启动重合闸功能。

2、开关处在分闸或合闸位置，因开关处于高电压状态，电力系统都是通过检测开关的辅助接点的位置来判别的，辅助接点位置与开关位置严格保持一致性，开关处在分位时开关的辅助常开接点就处于分位，辅助常闭接点就处于合位；开关处在合位时开关的辅助常开接点就处于合位，辅助常闭接点就处于分位。

3、电力系统中所有10kV、20kV、35kV线路微机保护都具有与本装置相关的两项功能。①、可把外部保护装置或其它自动装置的跳闸命令接入本身的分闸回路，线路保护装置只需要外部保护装置或其它自动装置提供一对空接点，电源由线路保护本身电源提供。当外部保护装置或其它自动装置空接点闭合时，电源将通过空接点接通保护的分闸回路，对开关进行跳闸，这样做的目的是避免出现多套装置分别独立控制同一台开关，造成接线十分复杂，同时了增加了安全风险。②、线路开关分闸后，线路本身保护装置未出口跳闸，也不存在人工手跳(包括遥控操作)信号，同时收不到外部保护装置或其它自动装置输入的闭锁重合闸命令，线路本身保护装置认为是开关偷跳，将启动“不对应重合闸”在开关跳闸2秒后将开关合上。

4、电力系统中电容器开关保护装置，不带重合闸功能。因为电容器保护动作跳闸后说明肯定是电容器或电缆等出现故障，不存在类似线路上雷击等瞬时性故障需要对开关重合一次。所有电容器保护都不使用重合闸功能。

5、线路开关从接到保护跳闸命令到开关跳闸，只需0.1秒左右时间就能完成。

下面对本实用新型装置的工作过程作说明，如图1、图3、图5所示：

附图1为本实用新型装置逻辑框图；附图3为本实用新型装置工作流程示意图；附图5为本实用新型装置原理图。

本实用新型装置包含KA2003小电流接地电网单相故障选线装置的所有功能，只是在KA2003小电流接地选线装置中扩展了选出接地故障线路后跳闸功能，将小电流接地选线跳闸回路接入保护的分闸回路，如选线跳闸正确开关真实跳闸(小电流接地选线通过开关位置输入模块，能判断开关是否真实跳闸，防止开关发生拒动，造成小电流装置误判断)，如选线装置检测不到零序电压，就给保护装置输出闭锁重合闸信号。如选线跳闸不正确，则选线装置仍能检测到零序电压，就不输出闭锁重合闸信号，保护装置将启动不对应重合闸功能，对开关进行合闸一次，选线装置将重新进行选线。如选线装置所跳为电容器开关，因电容器所有重合闸功能停用，不存在闭锁重合闸问题。本装置特别适用于对接地故障必须迅速隔离的配电网中。

本实用新型装置工作流程如下：当装置启动检测后，启动采样线程，当零序电压超过门槛值的数目达到一定数目后，存储暂态数据，并发送消息(1)，然后存储稳态数据，并发送消息(2)，主线程收到消息(1)、(2)后进行故障处理，提取故障特征，利用稳态量判据、暂态量判据、奇异量判据等进行多判据融合，对各种判据进行智能决策，得到选线结果，显示选线结果，并进行故障录波，同时驱动对应线路出口跳闸模块出口跳闸，跳闸命令发出0.8秒后，检测开关是否跳闸，如开关未跳开，装置发开关拒跳信号，同时闭锁小电流接地选线装置跳闸功能；如开关正常跳开，检测主线程是否收到消息(3)，如收到消息(3)，证明故障已被正确隔离，跳闸正确，装置输出闭锁重合闸命令，闭锁保护重合闸，装置清除临时数据，自动复位；如未收到消息(3)，证明选线及跳闸错误，装置将不输出闭锁保护重合闸命令，保护将启动不对应重合闸重合开关，装置重新进行接地线路选择。见附图3。

本实用新型装置包含KA2003小电流接地电网单相故障选线装置的所有模块，同时增加：①、开关位置输入模块，负责输入开关位置信号，让装置识别对应线路的开关是在分位还是在合位，做为小电流接地选线装置输出跳闸命令后判断开关是否真实跳闸的依据。防止开关发生拒动，造成小电流装置误判断为开关跳闸，接地依然存在而重新选线。②、接地线路跳闸输出模块，负责对接地线路开关输出跳闸命令(跳闸命令要接入保护的分闸回路，具体见前面备注说明)；③、闭锁线路保护重合闸输出模块，负责对装置选线跳闸正确后对所跳开关的保护装置输出闭锁重合闸命令，避免开关的保护装置输出重合闸命令合开关(命令要接入保护的外部输入闭锁重合闸回路，具体见前面备注说明)。④、在程序控制模块中增加跳闸与闭锁重合闸程序控制模块，负责控制跳闸输出模块和闭锁线路保护重合闸输出模块。见附图1。

本实用新型装置工作原理：系统的母线零序电压以及各条线路的零序电流经过PT和CT变换后输入本实用新型装置，电压和电流信号经过高精度PT和CT进一步变换，所有信号变换为电压信号；电压信号输入低通滤波器去除干扰，输出波形平滑的电压模拟信号；装置采用AC1820A数据采集卡对电压信号进行采样，采样数据通过PC/AT在总线存入寄存器。开关位置输入通过后面板上的开关量输入端子输入，经过光电隔离后输入PCL—734开关量卡(2)，送到PC/AT总线上。工控机主板采用PCA—6153，它负责从PC/AT在总线上调用实时数据并进行算法的处理，给出故障线路信息；同时跳闸命令通过PC/AT在总线传送给PCL—734开关量卡(3)，开关量卡经过光电隔离后通过后面板上的开关量输出端子接入保护跳闸回路。如选线及所跳线路正确，装置将输出闭锁重合闸命令，闭锁重合闸命令通过PC/AT在总线传送给PCL—734开关量卡(4)，开关量卡经过光电隔离后通过后面板上的开关量输出端子接入保护装置外部闭锁重合闸输入回路。故障信息及跳闸等相关信息一方面直接通过液晶屏幕显示，另一方面通过PC/AT在总线传送给PCL—734开关量卡(1)，开关量卡经过光电隔离后通过后面板上的开关量输出端子传送给远动装置。如选线装置所跳为电容器开关，因电容器所有重合闸功能停用，不存在闭锁重合闸问题。本装置还装有防死机看门狗电路，有效地克服了工控机运行中的死机问题；装置采用调制解调器与其它计算机进行串口通信，实现了装置远程管理。见附图5。

下面以一次具体的接地故障装置隔离故障为例进行分析：

以发生1号线路接地故障为例详细说明选线及装置隔离故障过程，程序的采样子线程创建5000×32的二维数组，将数据进行准实时存储，存满之后从数组始端覆盖原有数据。发生故障后(大于启动电压6个点)将故障点前100个点和后100个点作为暂态数据，再将后400个点作为稳态数据，把这600个点提交主线程进行故障选线。一秒钟之后，如果故障没有消失，继续提取400个点作为稳态数据提交主线程进行连续选线。然后进行特征提取，得到选线结果。以群体比幅比相为例说明选线具体方法，提取电流幅值最大的3条线路，并设初始累加值sum(1)Sum(2)sum(3)和sum(母线)。将这3个电流数组与此电压数组进行逐点比较：①与电压符号相反，则Sum直接累加绝对值；②与电压符号相同，则sum累加绝对值；③3条线路电流与电压符号都相同，则Sum(母线)设成一个较大值。将sum(1)sum(2)sum(3)和sum(母线)进行比较，值最大的就是故障线路。装置选出故障线路后，将输出跳闸命令，跳闸命令通过PC/AT在总线传送给PCL—734开关量卡(3)，开关量卡经过光电隔离后通过后面板上的开关量输出端子TZ1接入保护跳闸回路。开关跳闸后，光电隔离板将检测到DL1开关位置变化(由合到分)，证明1号线路开关已跳开，此时装置将检测不到零序电压，将输出闭锁重合闸命令，闭锁重合闸命令通过PC/AT在总线传送给PCL—734开关量卡(4)，开关量卡经过光电隔离后通过后面板上的开关量输出端子BS1接入线路1的保护装置的外部输入闭锁重合闸回路，闭锁开关重合闸。装置在前台显示1号线路为故障线路及相关跳闸信息，同时将通过PCL—734开关量卡(1)闭合继电器给远动发送命令，指示故障线路。在故障被跳闸隔离后，装置检测到零序电压低于启动阀值，继电器恢复正常状态(处于打开状态)，程序跳出选线流程，回到监测状态。如线路1开关拒跳闸，在跳闸命令发出0.8秒后，光电隔离板检测到DL1开关位置未变化，装置还能检测到零序过电压存在，将发开关拒跳信号，同时闭锁小电流接地选线装置跳闸功能，直到故障被隔离，装置检测到零序电压低于启动阀值，程序跳出选线流程，回到监测状态。

Claims (1)

1. 一种小电流接地系统单相接地故障选线自动处理装置，其特征在于：包括主机、PT/CT模拟量输入模块、A/D变换模块、数据缓冲模块、开关位置输入模块、接地线路跳闸输出模块、闭锁保护重合闸命令输出模块、输出线路接地警告信号模块、远程数据传送模块、键盘以及显示单元，所述的PT/CT滤波板的输出端与A/D变换模块的输入端连接，将PT/CT模拟量输入模块的模拟信号转换为数字信号；所述的A/D变换模块的输出端与数据缓冲模块的第一输入端连接，实现缓冲处理，开关位置输入模块的输出端连接数据缓冲模块的第二输入端，实现开关位置信号的缓冲处理，数据缓冲模块的第一输出端与接地线路跳闸输出模块输入端连接，对接地线路开关输出跳闸命令，数据缓冲模块的第二输出端与闭锁线路保护重合闸输出模块输入端连接，对所跳开关的保护装置输出闭锁重合闸命令，数据缓冲模块的第三输出端与输出线路接地警告信号模块输入端连接，用于输出警告信号，数据缓冲模块的第四输出端与主机的第一输入端连接，用于数据交换，主机的第二输入端连接远程数据传送模块的输出端，用于输出接地告警信号送到相关用户终端，主机的第三输入端与键盘连接，用于控制信号的输入，主机的第四输入端与显示模块连接，用于实时显示。

Images