專利名稱：一種小電流接地故障選線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)低壓配電網(wǎng)領(lǐng)域，特別是一種小電流接地系統(tǒng)單相接地故障 選線裝置。 二.
背景技術(shù)：
我國(guó)低壓配電網(wǎng)大都采用中性點(diǎn)非有效接地方式，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由 于不產(chǎn)生短路電流，且線電壓是對(duì)稱的，仍可向負(fù)荷正常供電，不必立即切除發(fā)生單相接地 的供電線路，按規(guī)程要求允許繼續(xù)運(yùn)行1 2小時(shí)。但發(fā)生單相接地后非故障相的對(duì)地電壓 升高為線電壓，對(duì)系統(tǒng)絕緣帶來(lái)隱患和威脅，如不及時(shí)處理可能發(fā)展成為兩相或三相故障。目前國(guó)內(nèi)的小電流接地選線裝置主要采用基于穩(wěn)態(tài)工頻信號(hào)的選線理論，如基 波群體比幅比相法、能量法、5次諧波法、電流增量法等，從權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在實(shí)際 運(yùn)行中選線裝置總體選線準(zhǔn)確率差強(qiáng)人意，有些甚至只有20 30%，誤選、拒選的概率很 大，小電流接地選線裝置成了名副其實(shí)的“雞肋”，使很多用戶處于用或不用的兩難境地。由 于消弧線圈的補(bǔ)償作用，基于穩(wěn)態(tài)工頻信號(hào)的選線方法在理論上就無(wú)法做到100%正確，力口 上過(guò)渡電阻、互感器精度的影響以及間歇性電弧帶來(lái)的不確定性等，這些因素導(dǎo)致故障線 路與非故障線路之間電氣量特征的差別變小，難以識(shí)別，因此如何消除這些不利因素的影 響是小電流選線技術(shù)中亟待解決的難題。相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工頻選線，暫態(tài)信號(hào)選線具有如下優(yōu)勢(shì)1)單相接地故障發(fā)生瞬間， 故障電流中含有豐富的暫態(tài)高頻分量，是穩(wěn)態(tài)下的十幾倍到幾十倍。2)暫態(tài)分量滿足故障 線路幅值最大，故障線路暫態(tài)分量的相位與其它健全線路反向。3)消弧線圈對(duì)于暫態(tài)高頻 分量的補(bǔ)償作用很小，其影響可以忽略，不會(huì)對(duì)正確選線帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的影響。
三.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種小電流接地故障選線裝置，用于電力系統(tǒng)低壓配電網(wǎng)單 相接地故障時(shí)的選出故障線路并告警。本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的一種小電流接地故障選線裝置，本發(fā)明的特征在于 具有與電網(wǎng)相接的一路以上的電壓互感器和電流互感器的PT/CT電路、一路以上的與電壓 互感器和電流互感器PT/CT電路及運(yùn)放電路相連的濾波電路、一路以上的與濾波電路和A/ D轉(zhuǎn)換電路相連的運(yùn)放電路、與運(yùn)放電路和FPGA數(shù)據(jù)采集電路相連的A/D轉(zhuǎn)換電路、與A/D 轉(zhuǎn)換電路和微處理器電路相連的FPGA數(shù)據(jù)采集電路、與FPGA數(shù)據(jù)采集電路和出口電路相 連的微處理器電路、與微處理器電路相連的出口電路、供各電路工作的電源電路。所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為其使用的軟件流程為，開(kāi)始后分別進(jìn) 入任務(wù)1和任務(wù)2，任務(wù)1主要負(fù)責(zé)模擬量采集及判別啟動(dòng)，其工作流程為模擬量采集，到 判別是否故障啟動(dòng)？是則進(jìn)入故障錄波后結(jié)束；否故障啟動(dòng)則進(jìn)入計(jì)算零序電壓，再判別 零序電壓是否大于定值？是設(shè)置故障啟動(dòng)標(biāo)志后結(jié)束；否則結(jié)束；任務(wù)2主要負(fù)責(zé)選擇接 地故障線路，其工作流程為判別是否故障啟動(dòng)？否回到任務(wù)2開(kāi)始處繼續(xù)循環(huán)判別，是故障啟動(dòng)則到查找故障啟動(dòng)點(diǎn)，再進(jìn)入暫態(tài)量選線計(jì)算，再到報(bào)文處理及告警，再清故障啟動(dòng) 標(biāo)志后結(jié)束。所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的運(yùn)放電路采用集成電路 0PA2227U。所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的A/D轉(zhuǎn)換電路采用精度為16 位，采樣速率為250kSPS(kSPS 千個(gè)信號(hào)每秒)的模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路。所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的FPGA數(shù)據(jù)采集電路采用現(xiàn)場(chǎng) 可編程門陣列集成電路EPIC3T144C8。所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的微處理器電路采用摩托羅拉 高性能的32位微控制單元，運(yùn)算能力超過(guò)63MIPS(MIPS 每秒處理的百萬(wàn)級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言指 令數(shù))。 所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的出口電路采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門 陣列集成 電路EPM7064SLC84-10。所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的暫態(tài)量選線計(jì)算采用對(duì)100 次諧波范圍內(nèi)的各次諧波進(jìn)行比較計(jì)算，選取一個(gè)特征頻帶，對(duì)頻帶內(nèi)的諧波大小進(jìn)行比 較，認(rèn)為諧波最大的即為故障線路。采用以上措施的本發(fā)明突破傳統(tǒng)選線方法，采用強(qiáng)大的硬件平臺(tái)和先進(jìn)的軟件算 法實(shí)現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線，具有選線準(zhǔn)確率高，對(duì)瞬時(shí)性故障或間歇性弧 光接地反應(yīng)靈敏，不受電網(wǎng)系統(tǒng)接地方式影響等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明相對(duì)于穩(wěn)態(tài)工頻選線，暫態(tài)信號(hào)選線具有如下優(yōu)勢(shì)1)單相接地故障發(fā)生 瞬間，故障電流中含有豐富的暫態(tài)高頻分量，是穩(wěn)態(tài)下的十幾倍到幾十倍。2)暫態(tài)分量滿 足故障線路幅值最大，故障線路暫態(tài)分量的相位與其它健全線路反向。3)消弧線圈對(duì)于暫 態(tài)高頻分量的補(bǔ)償作用很小，其影響可以忽略，不會(huì)對(duì)正確選線帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的影響。通過(guò)西 安交通大學(xué)和國(guó)家繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心動(dòng)模試驗(yàn)檢測(cè)，選線準(zhǔn)確率達(dá) 100%。
四.


附圖1是本發(fā)明(實(shí)施例)的電路方框圖；附圖2是本發(fā)明(實(shí)施例)的采樣系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖3是本發(fā)明(實(shí)施例)的采樣系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖4是本發(fā)明(實(shí)施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖5是本發(fā)明(實(shí)施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖6是本發(fā)明(實(shí)施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖7是本發(fā)明(實(shí)施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖8是本發(fā)明(實(shí)施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖9是本發(fā)明(實(shí)施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖10是本發(fā)明(實(shí)施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖11是本發(fā)明(實(shí)施例)的軟件流程圖。以下再結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。五.
具體實(shí)施例方式附圖1給出了本發(fā)明實(shí)施例的電路方框圖，本發(fā)明具有與電網(wǎng)相接的一路以上的電壓互感器和電流互感器的PT/CT電路、一路以上的與電壓互感器和電流互感器PT/CT電 路及運(yùn)放電路相連的濾波電路、一路以上的與濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路相連的運(yùn)放電路、 與運(yùn)放電路和FPGA數(shù)據(jù)采集電路相連的A/D轉(zhuǎn)換電路、與A/D轉(zhuǎn)換電路和微處理器電路相 連的FPGA數(shù)據(jù)采集電路、與FPGA數(shù)據(jù)采集電路和出口電路相連的微處理器電路、與微處理 器電路相連的出口電路。附圖2 3給出了發(fā)明實(shí)施例的采樣系統(tǒng)部分電氣原理圖。附圖4 10給出了 本發(fā)明實(shí)施例的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖。參看以上附圖和結(jié)合以下的材料表即可完成本 發(fā)明硬件的制造。裝置采用標(biāo)準(zhǔn)19英寸4U機(jī)箱，背插式結(jié)構(gòu)。各插件強(qiáng)弱電回路完全隔離，減少了 外部電磁干擾信號(hào)在弱電側(cè)的耦合，增強(qiáng)了裝置的抗干擾能力。裝置以摩托羅拉高性能的 32位微控制單元為核心處理器，配備功能強(qiáng)大的外圍設(shè)備，具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理和信息存 儲(chǔ)能力。內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用插件式，各插件按照功能設(shè)計(jì)，主要包括電源插件、CPU插件、交流 采樣插件、遙控插件等。 表1PT/CT模塊材料表 表2濾波電路模塊材料表 表3運(yùn)放電路模塊材料表 表4AD轉(zhuǎn)換模塊材料表 表5FPGA數(shù)據(jù)采集模塊材料表 表6微處理器模塊材料表 軟件設(shè)計(jì)在小電流接地系統(tǒng)中，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障發(fā)生時(shí)，故障信號(hào)中含有豐富的 諧波分量，流經(jīng)故障線路的零序電流為其它線路暫態(tài)零序電流之和，這對(duì)任一頻率的零序 電流分量都是成立的，即
⑴(1)式中‘(/)、/。,(/)為故障線路j、健全線路i上任意頻率f的零序電流分量；i =1 m，m為出線數(shù)?？梢钥闯觯谀硞€(gè)頻率點(diǎn)上，當(dāng)健全線路相位一致時(shí)，故障線路幅值等于所有健全 線路幅值之和且相位相反，即
⑵目前用得最多的基波比幅比相法和5次諧波法，實(shí)際上是公式⑵的一個(gè)使用特 例。可以認(rèn)為，基波或5次諧波是實(shí)現(xiàn)選線的一個(gè)特征頻率。特征頻率應(yīng)當(dāng)是故障線路和 非故障線路差異性最明顯的一個(gè)頻率點(diǎn)。因此，正確選擇特征頻率是選線的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)線路零序阻抗的相頻特性是在 正負(fù)90°上交變的周期方波函數(shù)，隨著頻率的升高，線路零序阻抗呈容性、感性交替出現(xiàn)， 其周期與線路參數(shù)相關(guān)，且首段頻帶為容性。這就說(shuō)明，任何線路都有一個(gè)最低的容性頻 帶，若取所有線路的公共容性頻帶為特征頻帶，則此頻帶內(nèi)各健全線路的零序電流分量都 為容性，都能滿足式(2)的要求，見(jiàn)圖3。大量的RTDS實(shí)驗(yàn)證明特征頻帶內(nèi)，幅值最大的諧波故障特征最明顯，選線結(jié)果 最可靠。因此，本發(fā)明從特征頻帶內(nèi)提取幅值最大的諧波作為特征頻率進(jìn)行比相選線。根據(jù)香農(nóng)定量采樣頻率至少是被測(cè)頻率的2倍以上，因此，基于特征頻率的選線 理論需要穩(wěn)定可靠的高速采樣系統(tǒng)支持，這是實(shí)現(xiàn)這一選線理論的關(guān)鍵技術(shù)之一。本設(shè)計(jì) 發(fā)明的采樣頻率為51. 2kHz,即每周波采1024點(diǎn)。在大電阻接地情況下，故障暫態(tài)信號(hào)較弱，諧波含量少，特征頻率不能滿足要求； 這種情況說(shuō)明故障分量的能量集中在低頻帶，因此，采用基波進(jìn)行選線可靠性更高。附圖11給出了本發(fā)明實(shí)施例的軟件流程圖。其使用的軟件流程為開(kāi)始后分別進(jìn) 入任務(wù)1和任務(wù)2，任務(wù)1進(jìn)入模擬量采集，再進(jìn)入是否故障啟動(dòng)？是則進(jìn)入故障錄波后結(jié)束；否故障啟動(dòng)則進(jìn)入計(jì)算零序電壓，再判別零序電壓是否大于定值，是則設(shè)置故障啟動(dòng)標(biāo) 志后結(jié)束；零序電壓否大于定值則進(jìn)入結(jié)束，任務(wù)2進(jìn)入是否故障啟動(dòng)？否則到結(jié)束；故障 啟動(dòng)則查找故障啟動(dòng)點(diǎn)，再進(jìn)入選線計(jì)算，再進(jìn)入報(bào)文處理及警告，再進(jìn)入故障啟動(dòng)標(biāo)志后結(jié)束。 本發(fā)明是這樣工作的CT、PT分別從被保護(hù)線路取得電流、電壓信號(hào)，將一次的大 電壓、大電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為裝置可以處理的小電壓信號(hào)；經(jīng)過(guò)CT、PT轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)，進(jìn)入 濾波器，將高次諧波濾去，防止其對(duì)保護(hù)裝置產(chǎn)生干擾；濾波后的信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn) 行信號(hào)放大及電平提拉，以匹配AD芯片的采樣范圍及輸入阻抗；AD芯片由FPGA控制，進(jìn)行 模數(shù)轉(zhuǎn)換以后，電壓電流信號(hào)已經(jīng)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)可以供CPU進(jìn)行計(jì)算差別。 在CPU里面主要進(jìn)行的工作有先判別電壓信號(hào)的幅值是否大于一個(gè)固定門檻，如果大于， 則進(jìn)入小電流選線判別程序。判別程序提取所采電流信號(hào)的暫態(tài)量，按照暫態(tài)量選線原理 進(jìn)行判別，如果有一條線路的條件滿足，則認(rèn)為其發(fā)生接地故障。裝置選出接地故障的線路 后，通過(guò)以太網(wǎng)向后臺(tái)發(fā)送告警信號(hào)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)出口板繼電器動(dòng)作(繼電器出口連接線路 的斷路器)，跳開(kāi)故障線路。流信號(hào)已經(jīng)從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)可以供CPU進(jìn)行計(jì)算差 別。在CPU里面主要進(jìn)行的工作有先判別電壓信號(hào)的幅值是否大于一個(gè)固定門檻，如果大 于，則進(jìn)入小電流選線判別程序。判別程序提取所采電流信號(hào)的暫態(tài)量，按照暫態(tài)量選線原 理進(jìn)行判別，如果有一條線路的條件滿足，則認(rèn)為其發(fā)生接地故障。裝置選出接地故障的線 路后，通過(guò)以太網(wǎng)向后臺(tái)發(fā)送告警信號(hào)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)出口板繼電器動(dòng)作(繼電器出口連接線 路的斷路器)，跳開(kāi)故障線路。
權(quán)利要求
一種小電流接地故障選線裝置，其特征在于具有與電網(wǎng)相接的一路以上的電壓互感器和電流互感器的PT/CT電路、一路以上的與電壓互感器和電流互感器PT/CT電路及運(yùn)放電路相連的濾波電路、一路以上的與濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路相連的運(yùn)放電路、與運(yùn)放電路和FPGA數(shù)據(jù)采集電路相連的A/D轉(zhuǎn)換電路、與A/D轉(zhuǎn)換電路和微處理器電路相連的FPGA數(shù)據(jù)采集電路、與FPGA數(shù)據(jù)采集電路和出口電路相連的微處理器電路、與微處理器電路相連的出口電路、供各電路工作的電源電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為其使用的軟件流程為， 開(kāi)始后分別進(jìn)入任務(wù)1和任務(wù)2，任務(wù)1主要負(fù)責(zé)模擬量采集及判別啟動(dòng)，其工作流程為 模擬量采集，到判別是否故障啟動(dòng)？是則進(jìn)入故障錄波后結(jié)束；否故障啟動(dòng)則進(jìn)入計(jì)算零 序電壓，再判別零序電壓是否大于定值？是設(shè)置故障啟動(dòng)標(biāo)志后結(jié)束；否則結(jié)束；任務(wù)2主 要負(fù)責(zé)選擇接地故障線路，其工作流程為判別是否故障啟動(dòng)？否回到任務(wù)2開(kāi)始處繼續(xù) 循環(huán)判別，是故障啟動(dòng)則到查找故障啟動(dòng)點(diǎn)，再進(jìn)入暫態(tài)量選線計(jì)算，再到報(bào)文處理及告 警，再清故障啟動(dòng)標(biāo)志后結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的運(yùn)放電路采用 集成電路0PA2227U。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的A/D轉(zhuǎn)換電路 采用精度為16位，采樣速率為250kSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的FPGA數(shù)據(jù)采集 電路采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列集成電路EPIC3T144C8。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的微處理器電路 采用摩托羅拉的32位微控制單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的出口電路采用 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列集成電路EPM7064SLC84-10。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的暫態(tài)量選線計(jì) 算采用對(duì)100次諧波范圍內(nèi)的各次諧波進(jìn)行比較計(jì)算，選取一個(gè)特征頻帶，對(duì)頻帶內(nèi)的諧 波大小進(jìn)行比較，認(rèn)為諧波最大的即為故障線路。
全文摘要
一種小電流接地故障選線裝置，本發(fā)明的特征在于具有與電網(wǎng)相接的PT/CT電路、濾波電路、運(yùn)放電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、FPGA數(shù)據(jù)采集電路、微處理器電路、出口電路。本發(fā)明突破傳統(tǒng)選線方法，采用強(qiáng)大的硬件平臺(tái)和先進(jìn)的軟件算法實(shí)現(xiàn)小電流接地選線系統(tǒng)單相接地故障選線，具有選線準(zhǔn)確率高，對(duì)瞬時(shí)性故障或間歇性弧光接地反應(yīng)靈敏，不受電網(wǎng)系統(tǒng)接地方式影響等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R31/08GK101846717SQ20091011394
公開(kāi)日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者劉海峰, 曾宇, 楊露 申請(qǐng)人:北海銀河科技繼保電氣有限公司