一种快速捕捉电网故障启动点的方法
专利名称：一种快速捕捉电网故障启动点的方法
技术领域：
本发明涉及电力系统综合自动化系统，特别是在35kV及以下电压等级电网中的 利用小电流接地故障选线装置快速捕捉电网故障启动点的方法。
二.背景技术 电力是国民经济发展的推动力，而微机保护是电力安全稳定运行的可靠保障。我 国电力系统中明确要求保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。速动性是 指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损 坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。一 般从装设速动保护(如高频保护、差动保护)、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保 护的作用、减少继电器固有动作时间和开关跳闸时间等方面入手来提高速动性。可见，速动性是衡量继电装置保护性能的一个重要指标，而提高速动性的一个重 要手段是加快保护动作出口时间。保护动作出口时间主要跟保护原理、保护算法有关。现 有的保护算法都是基于故障分量进行计算，故障启动点是故障分量的起始点，快速识别故 障启动点有利于加快动作出口，减少设备故障运行时间，有利于保障设备安全。另外，近年来基于故障暂态信号的保护原理和算法在微机保护中渐渐得到开发和 应用。暂态信号中含有丰富的谐波分量，根据香农定理，采样频率必须是谐波频率的2倍以 上，因此，暂态信号保护对微机保护的CPU运算能力和采样系统有很高的要求。由于暂态信 号只存在于电力系统故障发生瞬间，存在时间短，要求微机保护装置在最快的时间内识别 并将故障信息保存下来，这对微机保护提出了更高要求。基于暂态零序电流的小电流接地选线装置，其选线理论要求实现高速采样下的实 时处理，其实现的一个前提是高速采样系统。在高速采样系统下，微处理器需要对采样数据 进行实时性处理，判别是否有故障发生。若有，则马上启动数据存储程序，将从故障点开始 的一段数据保存下来，以便进行下一步分析。这一过程中，采样频率越高，数据的采集、计算 和保存的工作量就越大。高速采样和实时处理之间是矛盾的。因此，在微处理器运算能力一定的情况下，采用双突变量算法，大大减少处理器运 算时间，提高了数据处理能力，实现了数据的实时性处理。小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列(以下简称FPGA)。
三.
发明内容
本发明的目的是设计一种利用小电流接地故障选线装置快速捕捉电网故障启动 点的方法，以进一步满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。本发明的目的是这样实现的一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在 于a.小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列FPGA数据采集作为整个采集系 统中采样控制及数据暂存的核心单元，对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波50 2MHz后的电流、电压数字信号，从而实现了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集，采样频率设定51. 2k，即每周波1024点；b.小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从FPGA中读取所有通道的采样数 据，并按采样先后顺序排序；c.从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据 窗k(0) k(7)，共8个数据，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据，记为 kl(0) kl(7)；d.对k(0) k(7)数据进行第一次突变量启动判别，即Ak(j) = k(j)_kl(j) |， j =0 7，当Ak(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n) 中位置序号，假设为i (P)；e.从…)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到 启动点，此点即为真正的故障启动点。采取以上措施的本发明，在产品应用中，尤其是电力系统微机保护中应用效果明 显。以1024点采样为例，传统算法下，每周波采样需要计算1024次，而本方案只需要计算 1024/16+48 = 112次，大大减少了微处理器的运算量，节省了时间，实现了高速采样下的数 据实时性处理。
四.
附图1是电力系统发生接地或短路故障时，电压或电流波形突变示意图。附图2是本发明的采样示意图；附图3是本发明的算法流程图；附图4是小电流接地故障选线装置的电路方框图；附图5是小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图；附图6是小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图；附图7是小电流接地故障选线装置CPU系统部分电气原理图；附图8是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图9是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图10是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图11是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图12是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图13是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图14是小电流接地故障选线装置的软件流程图。以下再结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。
五.
具体实施例方式本发明提出了一种优化的算法双突变量启动算法，可以大大减少微处理器运算 时间，解决了高速采样下数据的快速实时性处理问题，大大提高了产品性能。附图1是电力系统发生接地或短路故障时，电压或电流波形突变示意图。可以看 出，故障前后波形差异很大，通过采样值比较i (η)和i(n-N)可以识别出是否发生故障。为了防止系统波动和干扰，保证算法的安全和可靠，在计算时通常需要连续三次满足条件才 认为是发生故障。附图2是采样示意图。i (η)是按装置采样频率定时采样得到的原始数据窗，而 k(m)是从i(n)中等间隔提取出来得到的新数据窗。图3是算法流程图，是算法实现过程体现。当小电流接地系统发生单相接地故障时，接地瞬间电压电流会产生突变，信号中 含有丰富的谐波分量，称之为故障时的暂态分量，该信号是进行选线分析的基础。暂态分量 存在时间很短，必须快速识别并保存下来。传统的做法是由微处理器控制AD转换，并定时 中断读取数据。每采集一个数据进行一次突变量计算，判别故障启动点。由于采样中断频 率高，微处理器用于运算的时间有限，这种方法在高速采样下很难实现，即使采用高性能的 微处理器也很困难。本发明采用微处理器+FPGA的实现方式，由FPGA控制模数AD转换和数据读取，在 满足 实时性要求的前提下，以2. 5ms时间间隔定时向微处理器发中断命令，由微处理器一 次性将FPGA中采集到的数据读取过来，然后对该批数据进行双突变量启动计算，判别故障 启动点。相对于传统方式，这种实现方式实时性稍差，但这种差异几乎是微秒级的，对于电 力系统来说是可以忽略的。突变量启动算法是针对电力系统特有的故障信息特征而开发的。在电力系统中， 系统正常运行时，负荷电流(或电压)是稳定的，或虽然有变化，但不会在一个工频周期这 样短的时间内突然发生很大变化。当有故障发生时，电流会发生突变(见附图1)，下面公式 (1)可以有效反应出故障变化量Δ i (η) = I i (η) _i (η_Ν) | (1)当Δ i (η)超过设定值时判故障启动。双突变量的核心是连续进行两次突变量启动算法。第一次突变量启动计算的数据 窗是在原始数据窗基础上等间隔抽取生成(见图2)，相当于降低了采样频率，减少计算量； 第一次突变量启动计算完成后，将得到一个启动点，设为QD1，然后从启动开始往前按顺序 取一定量的原始采样数据，进行第二次突变量启动计算，找到真正的启动点，设为QD2(见 附图1)。算法流程参看附图3.1)FPGA作为整个采集系统中采样控制及数据暂存的核心单元，对AD实施控制并 暂时保存AD由二阶硬件带通滤波(50 2MHz)后所采进的电流、电压数字信号，从而实现 了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集。采样频率设定51. 2k，即每周波1024点。2)微处理器MCU定时2. 5ms从FPGA中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺 序排序，即每通道读128点数据。3)从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据 窗k(0) k(7)，共8个数据，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据，记为 kl(0) kl(7)4)对k(0) k(7)数据进行第一次突变量启动判别，即Ak(j) = k(j)_kl(j) |， j =0 7，当Ak(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n) 中位置序号，假设为i (P)。
5)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。附图4给出了小电流接地故障选线装置的电路方框图，具有与电网相接的一路以 上的电压互感器和电流互感器的PT/CT电路、一路以上的与电压互感器和电流互感器PT/ CT电路及运放电路相连的滤波电路、一路以上的与滤波电路和A/D转换电路相连的运放电 路、与运放电路和FPGA数据采集电路相连的A/D转换电路、与A/D转换电路和微处理器电 路相连的FPGA数据采集电路、与FPGA数据采集电路和出口电路相连的微处理器电路、与微 处理器电路相连的出口电路，此外还有供各电路工作的电源电路。附图5 6给出了小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图。附图 7 13给出了小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图。参看以上附图和结合 以下的材料表即可完成本发明硬件的制造。装置采用标准19英寸4U机箱，背插式结构。各插件强弱电回路完全隔离，减少了 外部电磁干扰信号在弱电侧的耦合，增强了装置的抗干扰能力。装置以摩托罗拉高性能的 32位微控制器单元为核心处理器，配备功能强大的外围设备，具有极强的数据处理和信息 存储能力。内部结构采用插件式，各插件按照功能设计，主要包括电源插件、CPU插件、交 流采样插件、遥控插件等。以下的表1-表7给出小电流接地故障选线装置的主要元器件数值。
表1PT/CT模块材料表 表2滤波电路模块材料表 表3运放电路模块材料表 表4AD转换模块材料表 表5FPGA数据采集模块材料表 表6微处理器模块材料表 表7出口模块材料表 软件设计在小电流接地系统中，当线路发生单相接地故障发生时，故障信号中含有丰富的 谐波分量，流经故障线路的零序电流为其它线路暂态零序电流之和，这对任一频率的零序 电流分量都是成立的，即
(1)(1)式中‘(/)、/。,(/)为故障线路j、健全线路i上任意频率f的零序电流分量；i =1 m，m为出线数。可以看出，在某个频率点上，当健全线路相位一致时，故障线路幅值等于所有健全 线路幅值之和且相位相反，即 目前用得最多的基波比幅比相法和5次谐波法，实际上是公式(2)的一个使用特 例。可以认为，基波或5次谐波是实现选线的一个特征频率。特征频率应当是故障线路和 非故障线路差异性最明显的一个频率点。因此，正确选择特征频率是选线的关键。研究发现线路零序阻抗的相频特性是在 正负90°上交变的周期方波函数，随着频率的升高，线路零序阻抗呈容性、感性交替出现， 其周期与线路参数相关，且首段频带为容性。这就说明，任何线路都有一个最低的容性频 带，若取所有线路的公共容性频带为特征频带，则此频带内各健全线路的零序电流分量都 为容性，都能满足式(2)的要求，见图3。大量的RTDS实验证明特征频带内，幅值最大的谐波故障特征最明显，选线结果 最可靠。因此，本发明从特征频带内提取幅值最大的谐波作为特征频率进行比相选线。根据香农定量采样频率至少是被测频率的2倍以上，因此，基于特征频率的选线 理论需要稳定可靠的高速采样系统支持，这是实现这一选线理论的关键技术之一。本设计 发明的采样频率为51. 2kHz,即每周波采1024点。
在大电阻接地情况下，故障暂态信号较弱，谐波含量少，特征频率不能满足要求； 这种情况说明故障分量的能量集中在低频带，因此，采用基波进行选线可靠性更高。附图14给出了小电流接地故障选线装置的软件流程图。其使用的软件流程为 开始后分别进入任务1和任务2，任务1进入模拟量采集，再进入是否故障启动？是则进入 故障录波后结束；否故障启动则进入计算零序电压Utl，再进入U0是否大于定值，是则设置故 障启动标志后结束；Utl否大于定值则进入结束，任务2进入是否故障启动？否则到结束；故 障启动则查找故障启动点，再进入选线计算，再进入报文处理及警告，再进入故障启动标志 后结束。小电流接地故障选线装置是这样工作的CT、PT分别从被保护线路取得电流、电压 信号，将一次的大电压、大电流信号转换为装置可以处理的小电压信号；经过CT、PT转换后 的电压信号，进入滤波器，将高次谐波滤去，防止其对保护装置产生干扰；滤波后的信号，经 过运算放大器进行信号放大及电平提拉，以匹配AD芯片的采样范围及输入阻抗；AD芯片由 FPGA控制，进行模数转换以后，电压电流信号已经从模拟信号转换为数字信号可以供CPU 进行计算判别。在CPU里面主要进行的工作有先判别电压信号的幅值是否大于一个固定 门槛，如果大于，则进入小电流选 线判别程序。判别程序提取所采电流信号的暂态量，按照 暂态量选线原理进行判别，如果有一条线路的条件满足，则认为其发生接地故障。装置选出 接地故障的线路后，通过以太网向后台发送告警信号，同时，驱动出口板继电器动作(继电 器出口连接线路的断路器)，跳开故障线路。
权利要求
一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在于a.小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列FPGA数据采集作为整个采集系统中采样控制及数据暂存的核心单元，对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波50～2MHz后的电流、电压数字信号，从而实现了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集，采样频率设定51.2k，即每周波1024点；b.小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从FPGA中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺序排序；c.从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据窗k(0)～k(7)，共8个数据，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据，记为k1(0)～k1(7)；d.对k(0)～k(7)数据进行第一次突变量启动判别，即Δk(j)＝|k(j)-k1(j)|，j＝0～7，当Δk(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n)中位置序号，假设为i(p)；e.从i(p)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。
全文摘要
一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在于FPGA数据采集对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波后的电流、电压数字信号，小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从FPGA中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺序排序；从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据窗k(0)～k(7)，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据；对数据进行第一次突变量启动判别，当Δk(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n)中位置序号，假设为i(p)；从i(p)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。
文档编号H02H7/26GK101846716SQ200910113940
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月27日 优先权日2009年3月27日
发明者刘海峰, 曾宇, 杨露 申请人:北海银河科技继保电气有限公司
技术领域：
本发明涉及电力系统综合自动化系统，特别是在35kV及以下电压等级电网中的 利用小电流接地故障选线装置快速捕捉电网故障启动点的方法。
二.背景技术 电力是国民经济发展的推动力，而微机保护是电力安全稳定运行的可靠保障。我 国电力系统中明确要求保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。速动性是 指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损 坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。一 般从装设速动保护(如高频保护、差动保护)、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保 护的作用、减少继电器固有动作时间和开关跳闸时间等方面入手来提高速动性。可见，速动性是衡量继电装置保护性能的一个重要指标，而提高速动性的一个重 要手段是加快保护动作出口时间。保护动作出口时间主要跟保护原理、保护算法有关。现 有的保护算法都是基于故障分量进行计算，故障启动点是故障分量的起始点，快速识别故 障启动点有利于加快动作出口，减少设备故障运行时间，有利于保障设备安全。另外，近年来基于故障暂态信号的保护原理和算法在微机保护中渐渐得到开发和 应用。暂态信号中含有丰富的谐波分量，根据香农定理，采样频率必须是谐波频率的2倍以 上，因此，暂态信号保护对微机保护的CPU运算能力和采样系统有很高的要求。由于暂态信 号只存在于电力系统故障发生瞬间，存在时间短，要求微机保护装置在最快的时间内识别 并将故障信息保存下来，这对微机保护提出了更高要求。基于暂态零序电流的小电流接地选线装置，其选线理论要求实现高速采样下的实 时处理，其实现的一个前提是高速采样系统。在高速采样系统下，微处理器需要对采样数据 进行实时性处理，判别是否有故障发生。若有，则马上启动数据存储程序，将从故障点开始 的一段数据保存下来，以便进行下一步分析。这一过程中，采样频率越高，数据的采集、计算 和保存的工作量就越大。高速采样和实时处理之间是矛盾的。因此，在微处理器运算能力一定的情况下，采用双突变量算法，大大减少处理器运 算时间，提高了数据处理能力，实现了数据的实时性处理。小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列(以下简称FPGA)。
三.
发明内容
本发明的目的是设计一种利用小电流接地故障选线装置快速捕捉电网故障启动 点的方法，以进一步满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。本发明的目的是这样实现的一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在 于a.小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列FPGA数据采集作为整个采集系 统中采样控制及数据暂存的核心单元，对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波50 2MHz后的电流、电压数字信号，从而实现了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集，采样频率设定51. 2k，即每周波1024点；b.小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从FPGA中读取所有通道的采样数 据，并按采样先后顺序排序；c.从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据 窗k(0) k(7)，共8个数据，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据，记为 kl(0) kl(7)；d.对k(0) k(7)数据进行第一次突变量启动判别，即Ak(j) = k(j)_kl(j) |， j =0 7，当Ak(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n) 中位置序号，假设为i (P)；e.从…)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到 启动点，此点即为真正的故障启动点。采取以上措施的本发明，在产品应用中，尤其是电力系统微机保护中应用效果明 显。以1024点采样为例，传统算法下，每周波采样需要计算1024次，而本方案只需要计算 1024/16+48 = 112次，大大减少了微处理器的运算量，节省了时间，实现了高速采样下的数 据实时性处理。
四.
附图1是电力系统发生接地或短路故障时，电压或电流波形突变示意图。附图2是本发明的采样示意图；附图3是本发明的算法流程图；附图4是小电流接地故障选线装置的电路方框图；附图5是小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图；附图6是小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图；附图7是小电流接地故障选线装置CPU系统部分电气原理图；附图8是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图9是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图10是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图11是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图12是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图13是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图14是小电流接地故障选线装置的软件流程图。以下再结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。
五.
具体实施例方式本发明提出了一种优化的算法双突变量启动算法，可以大大减少微处理器运算 时间，解决了高速采样下数据的快速实时性处理问题，大大提高了产品性能。附图1是电力系统发生接地或短路故障时，电压或电流波形突变示意图。可以看 出，故障前后波形差异很大，通过采样值比较i (η)和i(n-N)可以识别出是否发生故障。为了防止系统波动和干扰，保证算法的安全和可靠，在计算时通常需要连续三次满足条件才 认为是发生故障。附图2是采样示意图。i (η)是按装置采样频率定时采样得到的原始数据窗，而 k(m)是从i(n)中等间隔提取出来得到的新数据窗。图3是算法流程图，是算法实现过程体现。当小电流接地系统发生单相接地故障时，接地瞬间电压电流会产生突变，信号中 含有丰富的谐波分量，称之为故障时的暂态分量，该信号是进行选线分析的基础。暂态分量 存在时间很短，必须快速识别并保存下来。传统的做法是由微处理器控制AD转换，并定时 中断读取数据。每采集一个数据进行一次突变量计算，判别故障启动点。由于采样中断频 率高，微处理器用于运算的时间有限，这种方法在高速采样下很难实现，即使采用高性能的 微处理器也很困难。本发明采用微处理器+FPGA的实现方式，由FPGA控制模数AD转换和数据读取，在 满足 实时性要求的前提下，以2. 5ms时间间隔定时向微处理器发中断命令，由微处理器一 次性将FPGA中采集到的数据读取过来，然后对该批数据进行双突变量启动计算，判别故障 启动点。相对于传统方式，这种实现方式实时性稍差，但这种差异几乎是微秒级的，对于电 力系统来说是可以忽略的。突变量启动算法是针对电力系统特有的故障信息特征而开发的。在电力系统中， 系统正常运行时，负荷电流(或电压)是稳定的，或虽然有变化，但不会在一个工频周期这 样短的时间内突然发生很大变化。当有故障发生时，电流会发生突变(见附图1)，下面公式 (1)可以有效反应出故障变化量Δ i (η) = I i (η) _i (η_Ν) | (1)当Δ i (η)超过设定值时判故障启动。双突变量的核心是连续进行两次突变量启动算法。第一次突变量启动计算的数据 窗是在原始数据窗基础上等间隔抽取生成(见图2)，相当于降低了采样频率，减少计算量； 第一次突变量启动计算完成后，将得到一个启动点，设为QD1，然后从启动开始往前按顺序 取一定量的原始采样数据，进行第二次突变量启动计算，找到真正的启动点，设为QD2(见 附图1)。算法流程参看附图3.1)FPGA作为整个采集系统中采样控制及数据暂存的核心单元，对AD实施控制并 暂时保存AD由二阶硬件带通滤波(50 2MHz)后所采进的电流、电压数字信号，从而实现 了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集。采样频率设定51. 2k，即每周波1024点。2)微处理器MCU定时2. 5ms从FPGA中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺 序排序，即每通道读128点数据。3)从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据 窗k(0) k(7)，共8个数据，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据，记为 kl(0) kl(7)4)对k(0) k(7)数据进行第一次突变量启动判别，即Ak(j) = k(j)_kl(j) |， j =0 7，当Ak(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n) 中位置序号，假设为i (P)。
5)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。附图4给出了小电流接地故障选线装置的电路方框图，具有与电网相接的一路以 上的电压互感器和电流互感器的PT/CT电路、一路以上的与电压互感器和电流互感器PT/ CT电路及运放电路相连的滤波电路、一路以上的与滤波电路和A/D转换电路相连的运放电 路、与运放电路和FPGA数据采集电路相连的A/D转换电路、与A/D转换电路和微处理器电 路相连的FPGA数据采集电路、与FPGA数据采集电路和出口电路相连的微处理器电路、与微 处理器电路相连的出口电路，此外还有供各电路工作的电源电路。附图5 6给出了小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图。附图 7 13给出了小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图。参看以上附图和结合 以下的材料表即可完成本发明硬件的制造。装置采用标准19英寸4U机箱，背插式结构。各插件强弱电回路完全隔离，减少了 外部电磁干扰信号在弱电侧的耦合，增强了装置的抗干扰能力。装置以摩托罗拉高性能的 32位微控制器单元为核心处理器，配备功能强大的外围设备，具有极强的数据处理和信息 存储能力。内部结构采用插件式，各插件按照功能设计，主要包括电源插件、CPU插件、交 流采样插件、遥控插件等。以下的表1-表7给出小电流接地故障选线装置的主要元器件数值。
表1PT/CT模块材料表 表2滤波电路模块材料表 表3运放电路模块材料表 表4AD转换模块材料表 表5FPGA数据采集模块材料表 表6微处理器模块材料表 表7出口模块材料表 软件设计在小电流接地系统中，当线路发生单相接地故障发生时，故障信号中含有丰富的 谐波分量，流经故障线路的零序电流为其它线路暂态零序电流之和，这对任一频率的零序 电流分量都是成立的，即
(1)(1)式中‘(/)、/。,(/)为故障线路j、健全线路i上任意频率f的零序电流分量；i =1 m，m为出线数。可以看出，在某个频率点上，当健全线路相位一致时，故障线路幅值等于所有健全 线路幅值之和且相位相反，即 目前用得最多的基波比幅比相法和5次谐波法，实际上是公式(2)的一个使用特 例。可以认为，基波或5次谐波是实现选线的一个特征频率。特征频率应当是故障线路和 非故障线路差异性最明显的一个频率点。因此，正确选择特征频率是选线的关键。研究发现线路零序阻抗的相频特性是在 正负90°上交变的周期方波函数，随着频率的升高，线路零序阻抗呈容性、感性交替出现， 其周期与线路参数相关，且首段频带为容性。这就说明，任何线路都有一个最低的容性频 带，若取所有线路的公共容性频带为特征频带，则此频带内各健全线路的零序电流分量都 为容性，都能满足式(2)的要求，见图3。大量的RTDS实验证明特征频带内，幅值最大的谐波故障特征最明显，选线结果 最可靠。因此，本发明从特征频带内提取幅值最大的谐波作为特征频率进行比相选线。根据香农定量采样频率至少是被测频率的2倍以上，因此，基于特征频率的选线 理论需要稳定可靠的高速采样系统支持，这是实现这一选线理论的关键技术之一。本设计 发明的采样频率为51. 2kHz,即每周波采1024点。
在大电阻接地情况下，故障暂态信号较弱，谐波含量少，特征频率不能满足要求； 这种情况说明故障分量的能量集中在低频带，因此，采用基波进行选线可靠性更高。附图14给出了小电流接地故障选线装置的软件流程图。其使用的软件流程为 开始后分别进入任务1和任务2，任务1进入模拟量采集，再进入是否故障启动？是则进入 故障录波后结束；否故障启动则进入计算零序电压Utl，再进入U0是否大于定值，是则设置故 障启动标志后结束；Utl否大于定值则进入结束，任务2进入是否故障启动？否则到结束；故 障启动则查找故障启动点，再进入选线计算，再进入报文处理及警告，再进入故障启动标志 后结束。小电流接地故障选线装置是这样工作的CT、PT分别从被保护线路取得电流、电压 信号，将一次的大电压、大电流信号转换为装置可以处理的小电压信号；经过CT、PT转换后 的电压信号，进入滤波器，将高次谐波滤去，防止其对保护装置产生干扰；滤波后的信号，经 过运算放大器进行信号放大及电平提拉，以匹配AD芯片的采样范围及输入阻抗；AD芯片由 FPGA控制，进行模数转换以后，电压电流信号已经从模拟信号转换为数字信号可以供CPU 进行计算判别。在CPU里面主要进行的工作有先判别电压信号的幅值是否大于一个固定 门槛，如果大于，则进入小电流选 线判别程序。判别程序提取所采电流信号的暂态量，按照 暂态量选线原理进行判别，如果有一条线路的条件满足，则认为其发生接地故障。装置选出 接地故障的线路后，通过以太网向后台发送告警信号，同时，驱动出口板继电器动作(继电 器出口连接线路的断路器)，跳开故障线路。
权利要求
一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在于a.小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列FPGA数据采集作为整个采集系统中采样控制及数据暂存的核心单元，对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波50～2MHz后的电流、电压数字信号，从而实现了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集，采样频率设定51.2k，即每周波1024点；b.小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从FPGA中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺序排序；c.从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据窗k(0)～k(7)，共8个数据，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据，记为k1(0)～k1(7)；d.对k(0)～k(7)数据进行第一次突变量启动判别，即Δk(j)＝|k(j)-k1(j)|，j＝0～7，当Δk(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n)中位置序号，假设为i(p)；e.从i(p)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。
全文摘要
一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在于FPGA数据采集对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波后的电流、电压数字信号，小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从FPGA中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺序排序；从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据窗k(0)～k(7)，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据；对数据进行第一次突变量启动判别，当Δk(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n)中位置序号，假设为i(p)；从i(p)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。
文档编号H02H7/26GK101846716SQ200910113940
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月27日 优先权日2009年3月27日
发明者刘海峰, 曾宇, 杨露 申请人:北海银河科技继保电气有限公司
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