專利名稱：一種小電流接地故障選線裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)低壓配電網領域，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：
我國低壓配電網大都采用中性點非有效接地方式，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由 于不產生短路電流，且線電壓是對稱的，仍可向負荷正常供電，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)運行1 2小時。但發(fā)生單相接地后非故障相的對地電壓 升高為線電壓，對系統(tǒng)絕緣帶來隱患和威脅，如不及時處理可能發(fā)展成為兩相或三相故障。目前國內的小電流接地選線裝置主要采用基于穩(wěn)態(tài)工頻信號的選線理論，如基 波群體比幅比相法、能量法、5次諧波法、電流增量法等，從權威部門統(tǒng)計結果來看，在實際 運行中選線裝置總體選線準確率差強人意，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 于消弧線圈的補償作用，基于穩(wěn)態(tài)工頻信號的選線方法在理論上就無法做到100%正確，力口 上過渡電阻、互感器精度的影響以及間歇性電弧帶來的不確定性等，這些因素導致故障線 路與非故障線路之間電氣量特征的差別變小，難以識別，因此如何消除這些不利因素的影 響是小電流選線技術中亟待解決的難題。相對于穩(wěn)態(tài)工頻選線，暫態(tài)信號選線具有如下優(yōu)勢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)消弧線圈對于暫態(tài)高頻 分量的補償作用很小，其影響可以忽略，不會對正確選線帶來實質性的影響。
三.

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是設計一種小電流接地故障選線裝置，用于電力系統(tǒng)低壓配電網單 相接地故障時的選出故障線路并告警。本發(fā)明的目的是這樣達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電路及運放電路相連的濾波電路、一路以上的與濾波電路和A/ D轉換電路相連的運放電路、與運放電路和FPGA數(shù)據(jù)采集電路相連的A/D轉換電路、與A/D 轉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，開始后分別進 入任務1和任務2，任務1主要負責模擬量采集及判別啟動，其工作流程為模擬量采集，到 判別是否故障啟動？是則進入故障錄波后結束；否故障啟動則進入計算零序電壓，再判別 零序電壓是否大于定值？是設置故障啟動標志后結束；否則結束；任務2主要負責選擇接 地故障線路，其工作流程為判別是否故障啟動？否回到任務2開始處繼續(xù)循環(huán)判別，是故障啟動則到查找故障啟動點，再進入暫態(tài)量選線計算，再到報文處理及告警，再清故障啟動 標志后結束。所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的運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轉換電路采用精度為16 位，采樣速率為250kSPS(kSPS 千個信號每秒)的模數(shù)轉換集成電路。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 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，運算能力超過63MIPS(MIPS 每秒處理的百萬級的機器語言指 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)量選線計算采用對100 次諧波范圍內的各次諧波進行比較計算，選取一個特征頻帶，對頻帶內的諧波大小進行比 較，認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，采用強大的硬件平臺和先進的軟件算 法實現(xiàn)小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線，具有選線準確率高，對瞬時性故障或間歇性弧 光接地反應靈敏，不受電網系統(tǒng)接地方式影響等優(yōu)點。本發(fā)明相對于穩(wěn)態(tài)工頻選線，暫態(tài)信號選線具有如下優(yōu)勢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)消弧線圈對于暫 態(tài)高頻分量的補償作用很小，其影響可以忽略，不會對正確選線帶來實質性的影響。通過西 安交通大學和國家繼電保護及自動化設備質量監(jiān)督檢驗中心動模試驗檢測，選線準確率達 100%。
四.


附圖1是本發(fā)明(實施例)的電路方框圖；附圖2是本發(fā)明(實施例)的采樣系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖3是本發(fā)明(實施例)的采樣系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖4是本發(fā)明(實施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖5是本發(fā)明(實施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖6是本發(fā)明(實施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖7是本發(fā)明(實施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖8是本發(fā)明(實施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖9是本發(fā)明(實施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖10是本發(fā)明(實施例)的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖；附圖11是本發(fā)明(實施例)的軟件流程圖。以下再結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳述。五.
具體實施例方式附圖1給出了本發(fā)明實施例的電路方框圖，本發(fā)明具有與電網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 路及運放電路相連的濾波電路、一路以上的與濾波電路和A/D轉換電路相連的運放電路、 與運放電路和FPGA數(shù)據(jù)采集電路相連的A/D轉換電路、與A/D轉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)明實施例的CPU系統(tǒng)部分電氣原理圖。參看以上附圖和結合以下的材料表即可完成本 發(fā)明硬件的制造。裝置采用標準19英寸4U機箱，背插式結構。各插件強弱電回路完全隔離，減少了 外部電磁干擾信號在弱電側的耦合，增強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，配備功能強大的外圍設備，具有極強的數(shù)據(jù)處理和信息存 儲能力。內部結構采用插件式，各插件按照功能設計，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運放電路模塊材料表 表4AD轉換模塊材料表 表5FPGA數(shù)據(jù)采集模塊材料表 表6微處理器模塊材料表 軟件設計在小電流接地系統(tǒng)中，當線路發(fā)生單相接地故障發(fā)生時，故障信號中含有豐富的 諧波分量，流經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€頻率點上，當健全線路相位一致時，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，實際上是公式⑵的一個使用特 例?？梢哉J為，基波或5次諧波是實現(xiàn)選線的一個特征頻率。特征頻率應當是故障線路和 非故障線路差異性最明顯的一個頻率點。因此，正確選擇特征頻率是選線的關鍵。研究發(fā)現(xiàn)線路零序阻抗的相頻特性是在 正負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，且首段頻帶為容性。這就說明，任何線路都有一個最低的容性頻 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，見圖3。大量的RTDS實驗證明特征頻帶內，幅值最大的諧波故障特征最明顯，選線結果 最可靠。因此，本發(fā)明從特征頻帶內提取幅值最大的諧波作為特征頻率進行比相選線。根據(jù)香農定量采樣頻率至少是被測頻率的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，這是實現(xiàn)這一選線理論的關鍵技術之一。本設計 發(fā)明的采樣頻率為51. 2kHz,即每周波采1024點。在大電阻接地情況下，故障暫態(tài)信號較弱，諧波含量少，特征頻率不能滿足要求； 這種情況說明故障分量的能量集中在低頻帶，因此，采用基波進行選線可靠性更高。附圖11給出了本發(fā)明實施例的軟件流程圖。其使用的軟件流程為開始后分別進 入任務1和任務2，任務1進入模擬量采集，再進入是否故障啟動？是則進入故障錄波后結束；否故障啟動則進入計算零序電壓，再判別零序電壓是否大于定值，是則設置故障啟動標 志后結束；零序電壓否大于定值則進入結束，任務2進入是否故障啟動？否則到結束；故障 啟動則查找故障啟動點，再進入選線計算，再進入報文處理及警告，再進入故障啟動標志后結束。 本發(fā)明是這樣工作的CT、PT分別從被保護線路取得電流、電壓信號，將一次的大 電壓、大電流信號轉換為裝置可以處理的小電壓信號；經過CT、PT轉換后的電壓信號，進入 濾波器，將高次諧波濾去，防止其對保護裝置產生干擾；濾波后的信號，經過運算放大器進 行信號放大及電平提拉，以匹配AD芯片的采樣范圍及輸入阻抗；AD芯片由FPGA控制，進行 模數(shù)轉換以后，電壓電流信號已經從模擬信號轉換為數(shù)字信號可以供CPU進行計算差別。 在CPU里面主要進行的工作有先判別電壓信號的幅值是否大于一個固定門檻，如果大于， 則進入小電流選線判別程序。判別程序提取所采電流信號的暫態(tài)量，按照暫態(tài)量選線原理 進行判別，如果有一條線路的條件滿足，則認為其發(fā)生接地故障。裝置選出接地故障的線路 后，通過以太網向后臺發(fā)送告警信號，同時，驅動出口板繼電器動作(繼電器出口連接線路 的斷路器)，跳開故障線路。流信號已經從模擬信號轉換為數(shù)字信號可以供CPU進行計算差 別。在CPU里面主要進行的工作有先判別電壓信號的幅值是否大于一個固定門檻，如果大 于，則進入小電流選線判別程序。判別程序提取所采電流信號的暫態(tài)量，按照暫態(tài)量選線原 理進行判別，如果有一條線路的條件滿足，則認為其發(fā)生接地故障。裝置選出接地故障的線 路后，通過以太網向后臺發(fā)送告警信號，同時，驅動出口板繼電器動作(繼電器出口連接線 路的斷路器)，跳開故障線路。
權利要求
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電路及運放電路相連的濾波電路、一路以上的與濾波電路和A/D轉換電路相連的運放電路、與運放電路和FPGA數(shù)據(jù)采集電路相連的A/D轉換電路、與A/D轉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， 開始后分別進入任務1和任務2，任務1主要負責模擬量采集及判別啟動，其工作流程為 模擬量采集，到判別是否故障啟動？是則進入故障錄波后結束；否故障啟動則進入計算零 序電壓，再判別零序電壓是否大于定值？是設置故障啟動標志后結束；否則結束；任務2主 要負責選擇接地故障線路，其工作流程為判別是否故障啟動？否回到任務2開始處繼續(xù) 循環(huán)判別，是故障啟動則到查找故障啟動點，再進入暫態(tài)量選線計算，再到報文處理及告 警，再清故障啟動標志后結束。
3.根據(jù)權利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的運放電路采用 集成電路0PA2227U。
4.根據(jù)權利要求1所述的小電流接地故障選線裝置，其特征為所述的A/D轉換電路 采用精度為16位，采樣速率為250kSPS的模數(shù)轉換集成電路。
5.根據(jù)權利要求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)場可編程門陣列集成電路EPIC3T144C8。
6.根據(jù)權利要求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)場可編程門陣列集成電路EPM7064SLC84-10。
8.根據(jù)權利要求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 算采用對100次諧波范圍內的各次諧波進行比較計算，選取一個特征頻帶，對頻帶內的諧 波大小進行比較，認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相接的PT/CT電路、濾波電路、運放電路、A/D轉換電路、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，采用強大的硬件平臺和先進的軟件算法實現(xiàn)小電流接地選線系統(tǒng)單相接地故障選線，具有選線準確率高，對瞬時性故障或間歇性弧光接地反應靈敏，不受電網系統(tǒng)接地方式影響等優(yōu)點。
文檔編號G01R31/08GK101846717SQ20091011394
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權日2009年3月27日
發(fā)明者劉海峰, 曾宇, 楊露 申請人:北海銀河科技繼保電氣有限公司