一种小电流接地系统的接地故障选线方法
【专利摘要】本发明提供一种小电流接地系统的接地故障选线方法，该方法包括：零序电压互感器和零序电流互感器分别获取小电流接地系统故障时的零序电压信号和零序电流信号；二次电压变送器和二次电流变送器分别将电压信号和电流信号转换为故障线路识别的测量信号；将测量信号经可编程运算放大器处理后发送至FPGA模块；FPGA模块控制AD采样模块进行高速同步采样；FPGA模块采样获取的采样码流数据以DMA的方式送到嵌入式处理器中；嵌入式处理器处理所述采样码流数据；接地故障选线检测。该方法利用FPGA控制AD采样芯片实现高速采样，实现嵌入式处理器与FPGA模块之间的DMA通信，提升数据吞吐能力，使嵌入式处理器有更多的资源用于多种故障选线算法判断逻辑的综合应用。
【专利说明】一种小电流接地系统的接地故障选线方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力系统领域的方法，具体涉及一种小电流接地系统的接地故障选线方法。
【背景技术】
[0002]电力系统按中性点运行方式分为两种:中性点有效接地系统和中性点非有效接地系统。中性点直接接地或经过低值阻抗接地的系统称为中性点有效接地系统或大电流接地系统；中性点不接地、经高值阻抗接地或经消弧线圈(消弧电抗器)接地(谐振接地)，称为中性点非有效接地系统或小电流接地系统。
[0003]在6?66kV配电网中，广泛采用的是小电流接地系统。配电网采用小电流接地系统的优点为:在发生单相接地故障时，由于中性点非有效接地，故障点不会产生大的短路电流，而且相与相之间的线电压仍保持对称，不影响对负荷的供电，因此允许系统短时间带故障运行，这对于减少用户停电时间，提高供电可靠性是非常有意义的。但是，相应的问题也随之而来，由于小电流接地电网单相接地时故障电流非常小，加之配电网结构复杂，运行方式多变，使配电网的故障选线受到很多的限制，给故障选线造成困难。采用常规继电保护装置根本无法准确检出故障线路，导致长期以来小电流单相接地故障选线问题成为一个技术难题。目前也提出了一些小电流接地系统的接地故障线路方法，但这些方法总体存在一定的不足之处，主要是故障特征提取能力差，选线方法单一等。
[0004]因此，需要提供一种速度更快、效率更高、判断更准确的故障选线方法。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种小电流接地系统的接地故障选线方法，该方法具有能够自适应的根据故障特征的大小对程控运算放大器进行动态设置，利用FPGA控制AD采样芯片实现高速采样，同时实现嵌入式处理器与FPGA模块之间的DMA通信，提升数据吞吐能力，从而使嵌入式处理器能够有更多的资源用于多种故障选线算法判断逻辑的综合应用。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0007]一种小电流接地系统的接地故障选线方法，其改进之处在于:所述方法包括以下步骤:
[0008]1、零序电压互感器和零序电流互感器分别获取小电流接地系统故障时的零序电压信号和零序电流信号；
[0009]I1、二次电压变送器和二次电流变送器分别将所述电压信号和电流信号转换为故障线路识别的测量信号；
[0010]II1、将所述测量信号经可编程运算放大器处理后发送至FPGA模块；
[0011]IV、FPGA模块控制AD采样模块进行高速同步采样；
[0012]V、所述FPGA模块采样获取的采样码流数据以DMA的方式送到嵌入式处理器中；[0013]V1、所述嵌入式处理器处理所述采样码流数据；
[0014]VI1、接地故障选线检测。
[0015]进一步的，所述步骤III中，所述可编程运算放大器的放大倍数由进行故障识别判断的嵌入式处理器根据接地故障时零序故障电流的强弱确定。
[0016]进一步的，所述步骤IV中，所述FPGA模块控制AD采样模块进行高速同步采样，所述FPGA模块实现高速AD采样，采样速率为25600每秒。
[0017]进一步的，所述步骤VI中，所述嵌入式处理器对所述采样码流数据进行有效值和相位信息计算，包括零序电压的基波幅值信息、基波相位信息、五次谐波幅值信息、五次谐波相位信息和零序电压的频率的计算。
[0018]进一步的，所述步骤VII包括以下步骤:
[0019]S701、根据所述步骤VI的数据及缓冲数据进行零序电压突变量检测，当零序电压突变量启动且零序电压越限则进入接地故障选线逻辑；
[0020]S702、当零序电压突变量启动，获取所有线路的暂态能量并排序，对前三大暂态能量的线路进行暂态强度检测；
[0021]当暂态强度大于2时，则运用暂态极性方法分析表征线路接地故障特征的零序电流，确定故障线路；
[0022]当暂态强度小于2时，分析零序电压的相位，当零序电压在过零点附近时，判断小电流系统是否存在消弧线圈接地，存在则确定衰减直流分量，在前三明显的暂态故障特征线路中，衰减直流分量大于另两条线路衰减直流分量之和的线路为故障线路，进入步骤S704 ;否则进入步骤S703 ；
[0023]S703、当暂态强度小于2时，小电流接地系统不存在消弧线圈接地，则确定前三大每周波零序电流幅值的线路，对比线路的相位和零序电压的相位；
[0024]若某线路的相位与零序电压相位相反，则认为故障线路；获取其零序电流码值的放大倍数，保证下次接地故障时，故障特征以所述放大倍数放大；进入步骤S705 ；
[0025]S704、连续3次进行步骤S702中的选线判断，若结果一致，则认为选线正确；
[0026]否则获取小电流接地系统存在消弧线圈接地时零序电流中五次谐波电流最大的线路，判断该线路的五次谐波电流与基波电流的比值是否大于8%，大于则比对五次谐波电流前三大的线路的相位与零序电压的五次谐波相位，认为五次谐波电流和零序电压的五次谐波相位相反的线路为故障线路；进入步骤S703 ；
[0027]S705、连续3次进行步骤S703中五次谐波选线判断，若结果一致，则认为选线正确；
[0028]否则获取小电流接地系统消弧线圈接地时，利用能量法对所述步骤S702中五次谐波电流前三大的线路进行选线，认为有功功率大于另两条线路之和的线路为故障线路；
[0029]S706、若上述步骤S702、S703、S7604和S705选线失败，则认为母线接地故障。
[0030]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0031]1、本发明的方法能够根据电力系统的实际运行情况，自适应的根据上次发生接地故障时零序电流的大小调制程控运放的放大倍数，从而能够提升微弱的故障零序电流的提取能力，提升故障选线的准确度。
[0032]2、本发明的方法采用专用的FPGA实现高速的AD采样控制，同时以DMA的方式和嵌入式处理器进行通信，实现了高速采集的同时，也实现了大数据量的存储，同时也保证了嵌入式处理器有更多的计算资源用于复杂的的故障选线算法逻辑。
[0033]3、本发明的方法充分重视铁磁谐振以及负荷不平衡、负荷波动等可能带来的零序电压越限误启动以及突变量误启动带来接地故障出线的误选可能，当零序电压越限时，对其幅值和频率进行判断，只有在其频率范围在49-51HZ范围以内，幅值不大于120V的情况才认为确实是接地故障导致的零序电压上升。当零序电压突变量启动时候，利用暂态强度进行判断，只有暂态强大大于2才认为是接地故障导致的零序电压突变量启动。
[0034]4、本发明的方法充分利用小电流接地系统故障接地时的故障暂态特征和稳态故障特征的特点，综合利用暂态极性法、直流分量衰减法、稳态比幅比相法、五次谐波法、能量法多种算法进行接地故障的判别，上述五种方法有序结合，有效提升接地故障选线的准确。
[0035]5、本发明的方法解决了现有技术中接地故障选线方法存在的故障特征提取能力差，选线方法单一等问题，实现了自适应的根据故障特征的大小对程控运算放大器进行动态设置，利用FPGA控制AD采样芯片实现高速采样，同时利用嵌入式处理器是实现和FPGA模块之间的DMA通信，提升数据吞吐能力，从而使嵌入式处理器能够有更多的资源用于多种故障选线算法判断逻辑的综合应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为小电流接地系统的接地故障线路系统图；
[0037]图2为小电流接地系统的接地故障线路方法流程图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0039]一种小电流接地系统的接地故障选线系统
[0040]如图1所示，图1为小电流接地系统的接地故障线路系统图；本发明的系统包括零序电压互感器、零序电流互感器、二次电压变送器和二次电流变送器、可编程控制运算放大器模块、FPGA模块、AD米样模块和嵌入式处理器。
[0041 ] 零序电压互感器和零序电流互感器分别获取母线零序电压信号和馈线的零序电流信号；将电压信号和电流信号发送给二次电压变送器和二次电流变送器，由二次电压变送器和二次电流变送器分别将电压信号和电流信号转换为测量信号；再将该测量信号送到可编程控制的运算放大器，由运算放大器根据以往故障时自适应设置的放大倍数进行放大，FPGA模块对经过程控运放放大以后的测量信号通过控制AD采样模块进行高速采样，高速采样后转换为AD采样码流，以DMA的方式送到嵌入式处理器，由嵌入式处理器综合利用多种选线算法进行故障选线。
[0042]一种小电流接地系统的接地故障选线方法
[0043]运用本发明的系统确定接地故障线路前，对本发明的系统进行初始化，具体指嵌入式处理器内部相关变量的初始化。嵌入式处理器内部相关变量的初始化，包括:每周波采样点数N，本例按故障特征提取的要求，选择为512 ;电压、电流的比例系数；零序电压互感器变比(实施例为35Kv/0.1Kv)，零序电流互感器变比(实施例为50/1A) ;二次电压变送器规格(实施例为200V/3.53V), 二次电流变送器规格(实施例为IA/1.2V)；AD内部变比(I个码值代表0.000152587890625)；DFT变换系数，缓冲准备AD采样数据，零序电压越限启动定
值、零序电流突变量启动定值。
[0044]本发明的小电流接地系统的接地故障选线方法包括以下步骤:
[0045]步骤一、零序电压互感器和零序电流互感器分别获取小电流接地系统故障时的零序电压信号和零序电流信号；
[0046]步骤二、二次电压变送器和二次电流变送器分别将所述电压信号和电流信号转换为故障线路识别的测量信号；
[0047]步骤三、将所述测量信号经可编程运算放大器处理后发送至FPGA模块；
[0048]步骤四、FPGA模块控制AD采样模块进行高速同步采样；
[0049]步骤五、所述FPGA模块采样获取的采样码流数据以成组数据传送方式(DMA方式)送到嵌入式处理器中；
[0050]步骤六、嵌入式处理器处理所述采样码流数据；
[0051]步骤七、接地故障选线检测。
[0052]步骤一中、零序电压互感器和零序电流互感器分别获取小电流接地系统故障时的零序电压信号和零序电流信号。
[0053]电压互感器和电流传感器接入的是线路的零序电压和零序电流，为了能够充分对暂态故障特征进行分析，采样速率大于等于25600Hz。
[0054]步骤二中，二次电压变送器和二次电流变送器分别将所述电压信号和电流信号转换为故障线路识别的测量信号；
[0055]步骤三中，将所述测量信号经可编程运算放大器处理后发送至FPGA模块。
[0056]由于小电流接地故障时，零序电流比较微弱，因此利用可编程运算放大器实现自适应的放大倍数的设置。
[0057]可编程运算放大器的放大倍数根据上一次发生接地故障时零序故障电流的强弱确定，由负责进行故障识别判断的嵌入式处理器给出的。
[0058]步骤四中，FPGA模块控制AD采样模块进行高速同步采样。
[0059]FPGA模块控制的AD采样模块实现高速同步采样，由FPGA模块实现高速的AD采样，采样速率提高到25600每秒；
[0060]步骤五中，所述FPGA模块采样获取的采样码流数据以DMA的方式送到嵌入式处理器中。
[0061]由于实际小电流接地系统中接入的线路比较多，FPGA模块以25600每秒的采样速率进行采样，所产生的实时数据量很大，采取DMA的方式将采样数据送到嵌入式系统，减少嵌入式系统进行数据搬移所耗费的资源，从而嵌入式系统能够有更多的资源用于故障选线的算法逻辑。
[0062]步骤六中，所述嵌入式处理器处理所述采样码流数据，具体包括以下步骤；
[0063]嵌入式处理器获取FPAG以DMA方式送达的AD采样码流数据后进行FFT计算(快速傅里叶变换，Fast Fourier Transform)。
[0064]FFT计算活的零序电压的基波幅值信息、基波相位信息、五次谐波幅值信息、五次谐波相位信息和零序电压的频率。
[0065]步骤七中，接地故障选线检测，具体包括以下步骤:[0066]1、根据获得的数据和以往缓冲的数据进行突变量检测，当突变量启动并且零序电压越限且小于120V，同时零序电压频率在49-51HZ范围内时，进行接地故障线路逻辑分析，具体如图2所示，图2为小电流接地系统的接地故障线路方法流程图；
[0067]2、当零序电压突变量启动后，对突变量启动时刻前半周波和后半周波的数据进行存储，对所有线路的暂态能量进行排序，暂态能量为缓存的一周波采样点数据的绝对值之和，对选出暂态能量前三大的线路进行暂态强度检测，发现其暂态强度TI大于2时，利用暂态极性方法对表征线路接地故障特征的零序电流进行判断，选出故障线路；
[0068]暂态极性
[0069]利用小电流接地故障瞬间，故障线路的零序电流的方向和非故障线路的零序电流方向是相反的，且在接地的瞬间这种暂态极性比较明显，同时为避免由于电流系统运行的不对称性、CT的不平衡性带来的误差，利用所述的暂态强度的概念对故障现象进行区分，只有暂态强大大于2时，才认为可以利用暂态极性方法。
[0070]当暂态特征不够充分，暂态强度TI小于2时，对零序电压的相位进行判断，当判断出零序电压在过零点附近时，同时小电流接地系统存在消弧线圈接地，则利用检测故障信息中的衰减直流分量判断，若暂态故障特征比较明显的前三大线路中，一条线路的衰减直流大于另外两条线路衰减直流之和时，则认为衰减直流分量大的该线路就为故障线路，进入步骤4 ；
[0071]零序电压过零点附近的判断依据:利用零序电压和零序电流之间的相位差进行判断，图2中theta为电压和电流之间的相位角差，当60〈theta〈120或-120〈theta〈_60认为其属于过零点附近的范围；
[0072]3、当暂态强度TI小于2时，小电流接地系统不存在消弧线圈接地，首先对每周波计算得到的各线路的零序电流的幅值进行排序选择，选出幅值前三大的线路；
[0073]将选出的前三大零序电流幅值的线路相位和零序电压的相位进行比较，当某一线路和零序电压相位相反时，则认为该线路为故障线路；
[0074]同时根据最大的零序电流码值进行程控运放倍数的计算，使下次发生接地故障的时候，程控运放的放大倍数处于一个合适的状态，确保下次接地故障时，故障特征能够通过程控运放得到很好的放大；进入步骤5 ；
[0075]4、步骤2中的选线判断连续进行3次，当3次的结果都一致的时候，则认为该选线结果正确；
[0076]当3次选线结果不一致时，若小电流接地系统为有消弧线圈接地时，则检测其零序电流中五次谐波电流，根据五次谐波电流的大小，对各个线路进行排序，选出前三大线路；
[0077]当五次谐波电流最大的那条线路的五次谐波电流与其基波电流的比值大于8%时，则将选出的五次谐波电流前三大的线路的相位与零序电压的五次谐波相位进行比较，当某一条线路的五次谐波电流和零序电压的五次谐波相位相反时，则认为该线路为故障线路；
[0078]5、当步骤3中的利用五次谐波选线判断连续进行3次，如果3次的结果都一致的时候，则认为该选线结果正确；
[0079]若3次选线结果不一致，当小电流接地系统有消弧线圈接地时，则利用能量法对步骤2中检测的前三大线路进行选线，前三大线路中一条线路的有功大于另两条线路的有功和，则认为是该条线路接地故障；
[0080]6、如果上述的2、3、4、5步骤中的选线均不成立，认为接地故障不是线路接地，则认为是母线接地故障。
[0081]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种小电流接地系统的接地故障选线方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: I.零序电压互感器和零序电流互感器分别获取小电流接地系统故障时的零序电压信号和零序电流信号； I1、二次电压变送器和二次电流变送器分别将所述电压信号和电流信号转换为故障线路识别的测量信号； II1、将所述测量信号经可编程运算放大器处理后发送至FPGA模块； IV、FPGA模块控制AD采样模块进行高速同步采样； V、所述FPGA模块采样获取的采样码流数据以DMA的方式送到嵌入式处理器中； V1、所述嵌入式处理器处理所述采样码流数据； VI1、接地故障选线检测。
2.如权利要求1所述的一种小电流接地系统的接地故障选线方法，其特征在于:所述步骤III中，所述可编程运算放大器的放大倍数由进行故障识别判断的嵌入式处理器根据接地故障时零序故障电流的强弱确定。
3.如权利要求1所述的一种小电流接地系统的接地故障选线方法，其特征在于:所述步骤IV中，所述FPGA模块控制AD采样模 块进行高速同步采样，所述FPGA模块实现高速AD采样，采样速率为25600每秒。
4.如权利要求1所述的一种小电流接地系统的接地故障选线方法，其特征在于:所述步骤VI中，所述嵌入式处理器对所述采样码流数据进行有效值和相位信息计算，包括零序电压的基波幅值信息、基波相位信息、五次谐波幅值信息、五次谐波相位信息和零序电压的频率的计算。
5.如权利要求4所述的一种小电流接地系统的接地故障选线方法，其特征在于:所述步骤VII包括以下步骤: S701、根据所述步骤VI的数据及缓冲数据进行零序电压突变量检测，当零序电压突变量启动且零序电压越限则进入接地故障选线逻辑； S702、当零序电压突变量启动，获取所有线路的暂态能量并排序，对前三大暂态能量的线路进行暂态强度检测； 当暂态强度大于2时，则运用暂态极性方法分析表征线路接地故障特征的零序电流，确定故障线路； 当暂态强度小于2时，分析零序电压的相位，当零序电压在过零点附近时，判断小电流系统是否存在消弧线圈接地，存在则确定衰减直流分量，在前三明显的暂态故障特征线路中，衰减直流分量大于另两条线路衰减直流分量之和的线路为故障线路，进入步骤S704 ；否则进入步骤S703 ； S703、当暂态强度小于2时，小电流接地系统不存在消弧线圈接地，则确定前三大每周波零序电流幅值的线路，对比线路的相位和零序电压的相位； 若某线路的相位与零序电压相位相反，则认为故障线路；获取其零序电流码值的放大倍数，保证下次接地故障时，故障特征以所述放大倍数放大；进入步骤S705 ； S704、连续3次进行步骤S702中的选线判断，若结果一致，则认为选线正确； 否则获取小电流接地系统存在消弧线圈接地时零序电流中五次谐波电流最大的线路，判断该线路的五次谐波电流与基波电流的比值是否大于8%，大于则比对五次谐波电流前三大的线路的相位与零序电压的五次谐波相位，认为五次谐波电流和零序电压的五次谐波相位相反的线路为故障线路；进入步骤S703 ； S705、连续3次进行步骤S703中五次谐波选线判断，若结果一致，则认为选线正确； 否则获取小电流接地系统消弧线圈接地时，利用能量法对所述步骤S702中五次谐波电流前三大的线路进行选线，认为有功功率大于另两条线路之和的线路为故障线路； S706、若上述步骤 S702、S703、S7604和S705选线失败，则认为母线接地故障。
【文档编号】G01R31/08GK103728538SQ201310749391
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】黄静, 许蓉, 邵兵, 杨德忠, 王剑飞 申请人:国家电网公司, 国网重庆市电力公司万州供电分公司