CN202013400U - 小电流接地系统单相接地选线装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了小电流接地系统单相接地选线装置，包括管理模块和DSP信号处理模块，所述管理模块基于ARM9构建，运行WindowsCE，所述管理模块包括人机交互接口、通信接口，通过所述通信接口分别与调度中心和DSP信号处理模块相连。所述DSP信号处理模块由多个以DSP为核心构成的独立检测模块组成，采取一主多从的分布式结构，各个DSP从模块，通过主模块互相通信，并通过RS232总线与所述管理模块通信。本实用新型通过DSP信号处理模块确定故障线路，向管理模块传送故障信息。管理模块也可以主动查询各信号处理模块的故障信息以及记录的波形信息。

Description

小电流接地系统单相接地选线装置

技术领域

本实用新型电力系统故障处理技术领域，具体涉及一种电力系统单相接地故障选线装置，特别是中压(3～66kV)小电流接地系统单相接地故障选线装置。

背景技术

我国中压配电网一般采用不接地或者经过消弧线圈接地的方式，即小电流接地系统。在小电流接地的中低压系统中，发生单相接地故障的频率最高，占所有线路故障的70％以上。小电流接地方式降低了单相接地故障的接地电流，使得部分接地电弧可以自动熄灭。而电力系统的运行经验表明，发生小电流接地故障时，并未破坏系统电压的对称性而且电流值较小，所以有关规程规定发生单相接地故障时可以继续运行1～2小时。但由于发生故障时非故障相的电压上升至线电压，进一步破坏绝缘导致严重的相间短路故障，使得供电中断。而且当发生弧光接地时还会引起全系统的过电压，损坏设备，破坏系统的安全运行。因此，在小电流接地系统发生单相接地故障时，运行人员必须尽快找到故障线路和故障点，以便采取相应的对策解除故障，恢复系统的正常运行，对提高供电可靠性，具有重要的现实意义。

以往的选线方法由于存在一定局限性，选线效果不佳，其原因主要是：

(1)大都是根据故障时候的稳态特性进行选线。而随着配电电网的发展，配电网的结构越来越复杂，根据故障稳态信息进行选线的方法受到系统运行方式，线圈补偿过程，出线方式等不同工况的影响，选线正确率比较低。

(2)传统的基于单片机控制的选线装置CPU模块多为8位或16位，由于指令周期较长，运算能力有限，其快速响应能力比较弱，无法适应众多出线回路瞬态信号采集和复杂运算故障线路选判的要求。

(3)采用工控机作为硬件设备，其灵活性、高性能、扩展性等特点能很好地满足控制系统的要求，但由于工业机控制系统不能完全实现免维护功能，难以满足现在电力系统无人值守的要求，而且工控机昂贵的价格和庞大的体积大大限制了其应用范围。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型公开了一种基于故障暂态信息进行选线的小电流接地系统单相接地选线装置。由于小电流接地故障产生的暂态电流比稳态电流大很 多倍，系统对地电容与故障点之间的充放电，将产生振幅比稳态基频大许多倍的高频暂态分量，暂态信号包含的信息丰富且容易测量，而且暂态量频率较高，这时消弧线圈相当于开路，对暂态量不起作用，所以利用故障暂态信息进行选线具有优势。

本实用新型具体采用以下技术方案：

小电流接地系统单相接地选线装置，包括管理模块和DSP信号处理模块，其特征是：

所述管理模块包括人机交互接口、ARM功能板以及电源模块，所述电源模块连接ARM功能板，所述人机交互接口连接至ARM功能板，所述ARM功能板嵌入了通信接口，管理模块通过所述通信接口分别与调度中心和DSP信号处理模块相连；

所述DSP信号处理模块由多个以DSP为核心构成的独立检测模块组成，采取一主多从的分布式结构，各个DSP从模块均与DSP主模块相连，所述DSP信号处理模块通过RS232总线与所述管理模块相连。

所述单相接地选线装置还进一步包括信号调理电路，所述信号调理电路的输入端与母线电压互感器和各出线回路的电流互感器相连，所述信号调理电路的输出端和DSP信号处理模块的输入端相连。

多个以DSP为核心构成的独立检测模块结构完全相同，所有部件采用插拔式结构，不同模块内部件全部兼容。

所述管理模块能够通过人机接口进行模块参数设置、查看故障事件，所述人机接口包括触摸屏、鼠标；所述管理模块能将处理后的故障数据通过通信接口上传至管理计算机。

管理模块的功能主要是设置并保存参数、故障录波分析、装置人机接口、以太网通信等；DSP信号处理模块的功能主要是利用DSP强大的运算能力对采集故障信号进行数据处理，实现选线原理，同时将故障信息采集存储到外扩的Flash，便于管理模块的查询。

所述管理模块采用以ARM9为核心的电路，DSP信号处理模块采用以DSP为核心的电路，管理模块通过RS232向信号处理模块发送指令。

所述管理模块包括人机交互接口(触摸屏——同时具备显示和输入的功能，喇叭——报警、提示功能)，通信接口(与DSP信号处理模块和与调度中心的通信)。系统运行出现异常时，管理模块接收来自DSP信号处理模块的数据，以声光方式报警，按照预先设置的程序处置故障或者由一线人员通过屏幕查看事件并做出响应，所有采集信息及处置情况通过以太网上传至调度中心。

所述DSP信号处理模块由电源模块、模拟采样模块、主板、数字模块、显示模块、通信模块等独立功能模块组成。系统的母线零序电压以及各条线路的零序电流经过电压互感器PT和电流互感器CT变换后输入DSP信号处理模块，经过模拟采样板，电压和电流信号经过高 精度PT和CT进一步变换，输入低通滤波器去除干扰，通过AD转换(DSP内置)进行AD采样并存入寄存器。DSP通过瞬时信号正弦拟合专用算法进行单相接地故障选判，并将结果送至显示模块显示故障信息，同时输出控制信号通过光电隔离后传送给继电器。

所述DSP信号处理模块之间通过RS232总线联接，进行信息校核，以此确定故障线路。

所述DSP信号处理模块确定故障线路后，向管理模块传送故障信息。管理模块也可以主动查询各信号处理模块的故障信息以及记录的波形信息。本实用新型应用暂态信息选线，不受消弧线圈影响，对弧光接地工况的选线效果好，比传统利用稳态信息选线的方法准确率更高，增强了抗干扰能力。

附图说明

图1是本实用新型装置的系统总体方案框图；

图2是管理模块结构图；

图3是主DSP模块结构图；

图4是实用新型装置运行流程图；

图5是主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

小电流接地系统单相接地选线装置，包括：管理模块、DSP信号处理模块两大部分。管理模块的功能主要是设置并保存参数、故障录波分析、装置人机接口、以太网通信等；DSP信号处理模块的功能主要是利用DSP强大的运算能力对采集故障信号进行数据处理，实现选线原理，同时将故障信息采集存储到外扩的Flash，便于管理模块的查询。

本例采用Samsung公司的S3C2410微处理器为管理模块CPU，S3C2410微处理器采用ARM920T内核，是一个多用途的通用芯片，它内部集成了微处理器和常用外围组件，可用于各种领域。系统具有体积小、耗电低、处理能力强、等特点，能够装载和运行嵌入式Linux和Windows CE操作系统。用户可以在这个微处理器为基础的硬件模块上进行自主软件开发。以S3C2410构建管理模块，负责事件管理，主要功能有：设置并保存参数、故障录波分析、装置人机接口、以太网通信。采用TI公司的TMS320F2812(以下简称F2812)DSP芯片为信号处理模块CPU，构建DSP模块，负责数据采集和处理，充分利用其强大的数据处理能力和速度，实现多点数据采集和快速参数计算。管理模块与DSP信号处理模块之间通过外扩Flash和RS232进行数据交换和指令传送，管理模块通过TCP/IP协议实现与调度中心的通信。

硬件模块是软件算法的运行载体，是保护装置的基础，是实现准确、高效选线的保障。本文设计的选线装置采用“DSP+ARM”的处理机构。系统硬件总体方案如图1所示。本保护装置位于现场，进行数据采集和处理，并接入工业以太网。

本实用新型装置的管理模块由3个功能模块构成，包括：人机接口和ARM功能板以及电源模块。电源模块负责为管理模块提供电源。ARM功能板上的存储器采用Flash ROM及SD卡(或USB存储设备)记录系统运行数据，根据需求将数据上传至调度中心。功能板上嵌入了通信接口，一方面通过RS232接口建立与DSP信号处理模块的通信，负责接收来自DSP的数据和向DSP发送指令；另一方面通过RJ45接口建立ARM功能板与上位机(或通过以太网与调度中心)的联络，上传数据和接收远程指令。人机模块包括VGA控制器、8英寸LCD液晶显示屏、触摸屏，负责直观显示系统运行状况，接收运行人员发出的指令。管理模块结构如图2所示。

本实用新型装置的DSP信号处理模块由5个功能模块构成，其结构如图3所示，包括：电源模块、模拟量模块、主板、数字模块、显示模块、通信模块。电源模块为DSP信号处理模块提供电源，模拟量模块负责采集、调理信号，传给DSP，数字模块负责输出数字信号控制远程继电器，显示模块负责通过LCD显示系统状态，通信模块负责建立与其他DSP之间的通信，以及与管理模块之间的数据交换。

DSP芯片采用TI公司的TMS320F2812，该芯片内置12bit A/D转换器，其前端2个独立的8选1多路切换器和双采样/保持器，构成16个模拟输入通道，在数量上能够满足系统要求；F2812内置ADC在25MHz的ADC时钟下采样频率可达12.5MSPS，显然能满足要求；12bit ADC在3V满输入范围下，具有0.7326mV(3V/4095)极限分辨率，足以满足系统测量分辨率的要求。

DSP模块显示模块由14个红绿LED组成，其功能是显示整个系统、各条线路以及装置本身的运行状态。

DSP信号处理模块的储存器采用AMD公司的Flash存储器Am29LV160D，其作用是记录故障波形，以及管理模块和DSP信号处理模块之间的数据交换，它的数据宽度为8位、16位(2MB×8 bit/1MB×16 bit)可选，完全兼容JEDEC标准，并支持在系统编程，只需向其内部的命令寄存器写入命令序列即可实现部分擦除、全部擦除、数据写入等功能；同时可提供硬件和软件方法来检查Flash的操作执行情况，因此，能够迅速存储DSP采集的故障波形信息而无需插入等待状态，同时也能满足管理模块的实时查询功能。

软件设计

实用新型装置运行流程图如图4所示。本装置软件主要由2部分组成：小电流接地故障 数字信号处理模块软件V1.0和小电流接地故障管理模块软件V1.0.

小电流接地故障数字信号处理模块软件V1.0采用C语言和汇编语言混合编写，DSP程序包括初始化子程序、自检子程序、接地发生检测子程序、A/D子程序、数据处理以及滤波子程序。其中主函数和DSP函数部分采用C程序编写；中断服务和控制程序采用汇编语言编写。DSP程序的功能是对采样数据采集进行拟合，提取故障特征信息，根据故障判据选判流程，分步进行故障启动、故障确认、波形存储、故障指示等。

管理模块软件V1.0是采用Microsoft eMbedded Visual C++4.0编写的Windows CE应用程序，该程序包括各种初始化子程序、通信子程序、显示子程序、触摸屏指令处理子程序。

数字信号处理模块软件V1.0和管理模块软件V1.0均有通信、显示子程序，但两者有区别。

数字信号处理模块软件V1.0通信子程序的作用包括2方面，一方面是接收管理模块发出的指令，另一方面是在检测到故障后向其他DSP信号处理模块发送信息以便校验。管理模块软件V1.0的通信子程序的作用也包括2方面，一方面是接受调度中心指令及上传数据，另一方面是向DSP信号处理模块发送指令并查询数据。

数字信号处理模块软件V1.0显示子程序的作用是把系统、线路及装置本身的运行和故障状态通过红绿LED在面板上显示出来；管理模块软件V1.0的显示子程序的作用是通过8英寸LCD液晶显示屏显示系统参数及运行状态。

主程序流程图如图5所示。图中“单相接地发生”的条件是：U₀≥U_set且I₀≥I_set同时满足(其中下标0表示零序，下标set表示启动)的次数达到门槛值TI。若此条件不成立，表示无单相接地发生或者故障处理后恢复正常。

流程图中“选线判断”采用瞬时零序基波功率方向原理，仅依靠故障后四分之一周波(5ms)内不受补偿度、互感器饱和以及系统运行方式等因素影响。判断结果通过LCD弹出窗口报警并显示相关故障信息。故障信息保留在DSP主板Flash ROM存储器上，同时通过ARM系统将故障信息备份到扩展存储器上，以备管理模块查询，并通过通信接口向管理模块发出信号，同时等待管理模块指令。

管理模块接收到单相接地发生信号后，通过图形化界面显示故障状态、声光报警，以自动或人工方式向信号处理模块发出动作指令。

DSP信号处理模块动作后，管理模块记录此次故障发生至处置全过程的数据，通过以太网上传到调度中心存档。

Claims (4)

1.小电流接地系统单相接地选线装置，包括管理模块和DSP信号处理模块，其特征是：

所述管理模块包括人机交互接口、ARM功能板以及电源模块，所述电源模块连接ARM功能板，所述人机交互接口连接至ARM功能板，所述ARM功能板嵌入了通信接口，管理模块通过所述通信接口分别与调度中心和DSP信号处理模块相连；

所述DSP信号处理模块由多个以DSP为核心构成的独立检测模块组成，采取一主多从的分布式结构，各个DSP从模块均与DSP主模块相连，所述DSP信号处理模块通过RS232总线与所述管理模块相连。

2.根据权利要求1所述的小电流接地系统单相接地选线装置，其特征是：所述单相接地选线装置还进一步包括信号调理电路，所述信号调理电路的输入端与母线电压互感器和各出线回路的电流互感器相连，所述信号调理电路的输出端和DSP信号处理模块的输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的小电流接地系统单相接地选线装置，其特征是：多个以DSP为核心构成的独立检测模块结构完全相同，所有部件采用插拔式结构，不同模块内的部件全部兼容。

4.根据权利要求1或2所述的小电流接地系统单相接地选线装置，其特征是：所述管理模块的人机交互接口包括触摸屏、鼠标；所述管理模块通过通信接口连接至管理计算机。

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