一种适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置的制作方法

本实用新型涉及电力系统智能状态检测应用技术领域，尤其涉及一种适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置。

背景技术：

电力系统作为全社会运转的关键基础设施之一，是现代经济社会发展依赖的最主要能源渠道，电力线路的运行关乎国民生产、人民生活的各个方面。电力系统按中性点接地方式不同可以可划分为两大类：小电流接地系统和大电流接地系统。在我国66KV以下的配电网中广泛采用小电流接地系统，又称中性点不直接接地系统(NUGS)，根据中性点接地方式又分为中性点经消弧线圈接地系统(NES)、中性点不接地系统(NUS)和中性点经高值电阻接地系统(NRS)。

统计数据表明，小电流接地系统中的80％以上是单相接地故障。小电流接地系统在发生单相接地故障时，由于大地与中性点之间非有效接触，因此短路电流很小，接地相电压降为0，非故障两相电压上升为原来的倍。线电压仍然保持平衡，短时间不影响负载的运行。但是由于非故障相电压升高，长时间运行线路绝缘薄弱环节容易击穿从而导致事故的扩大，配电网发生单相接地故障后可带电继续运行1-2个小时，因此准确地检测出配电网故障线路，对于及时隔离并修复故障、提高供电可靠性具有十分重要的意义。

同时，为了节能减排，各大中型高能耗企业开始回收并利用生产过程中的附加产品作为燃料，建立自备发电机组；也有一些企业为了较小用电成本，建了小型自备电厂，在企业内部并网或作为专门设备的配电网，即孤网系统。孤网的稳定运行可以缓解能源短缺，环境和生产成本等多方面压力。孤网系统也是小电流接地系统的一种，也可以采用小电流接地系统中的三种中性点接地方式。孤网运行最突出的特点，是由负荷控制转变为频率控制。对于孤网运行，运行人员关注的问题不再是负荷调整，而是调整孤网运行频率。由于孤网系统容量较小，出线少，且各条出线线路基本较短，这就导致孤网系统在发生单相接地故障时故障零序电流很小，而且当孤网系统在运行频率变化时产生孤网单相接地故障，会使传统固定采样频率的选线装置无法正确采集暂稳态零序电流信号。因此，传统小电流选线装置并不能适用孤网变频系统。变频系统主要有以下几个问题影响传统装置的选线准确率：

1)传统选线装置基于信号的基波频率为50Hz，采用固定采样频率的方式对零序电压和零序电流进行A/D采样并提取信号故障特征。在变频系统中，系统运行频率变化，单相接地故障产生的零序电压和零序电流信号频率也随之改变，对于一个信号周期的采样点数不再是一个固定值，而是随着机组频率的降低而增加，机组频率的增加而减少，而计算零序电压和零序电流的有效值与相角时仍以固定的采样点数计算，导致计算结果不准确，甚至是错误的结果；

2)变频系统发生单相接地故障时故障零序电流很小，需要更好的检测手段才能检测出来故障零序电流；

3)对于装置接入一段母线及其线路来说，当零序电压和零序电流频率变化时，尤其是在频率连续变化时，采用固定采样频率采集的故障数据会使选线算法提取的暂态或者稳态故障区间数据出现错误导致选出错误的故障线路，对于基于暂态量与稳态量的算法都有影响，使其出现误报的情况，装置选线准确率低；

4)若装置接入几段母线及其线路，不同母线在不同的频率下运行，且不同母线运行频率的变化也不同，传统的选线装置则不能有效的采集并存储不同母线不同运行频率下的母线零序电压及其对应线路上的零序电流数据。

因此，需要研制适用于变频配电网的小电流单相接地故障检测及选线装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，解决现有小电流单相接地故障选线装置无法进行频率跟踪采样，没有合理的故障录波存储结构，以致无法准确计算变频系统零序电压电流有效值和相角，且故障选线准确率低等无法适用变频系统的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：提供一种适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置。所述适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，包括DSP、A/D芯片、CPLD、人机界面、零序电流采集模块、零序电压采集模块、电压频率测量模块、开关量采集模块、开关量输出模块和电源模块。

所述A/D芯片、CPLD与DSP直接相连；零序电流采集模块、零序电压采集模块与A/D芯片相连；人机界面、电压频率测量模块、开关量采集模块和开关量输出模块与DSP相连。所述电源模块分别与DSP、A/D芯片、 CPLD、人机界面、零序电流采集模块、零序电压采集模块、电压频率测量模块、开关量采集模块、开关量输出模块相连。

所述零序电压采集模块、零序电流采集模块分别与小电流系统母线上零序电压互感器输出端口、零序电流互感器输出端口相连接，分别接收小电流系统输出的零序电压和零序电流。所述零序电流采集模块、零序电压采集模块将转换的零序电流、零序电压信号传输给A/D芯片进行采样，DSP再根据A/D芯片采样完成标志读取采样数据并存储。

所述电压频率测量模块接收零序电压模块转换的零序电压信号，并进行频率测量，将其测量的母线的频率信息传输给DSP。

所述DSP接收电压频率测量模块输出的频率信息并根据该频率信息设定与该频率信息相匹配的新的采样频率的定时器初值，通过定时器中断产生 A/D启动信号并传递给CPLD。CPLD接收A/D启动信号并启动A/D芯片开始A/D转换，按照新的采样频率进行采样。

进一步地，所述电压频率测量模块包括若干个电压互感器、与所述电压互感器相配合的电压信号调理电路、采样测频电路和通信电路。

所述电压互感器接收小电流系统输出的零序电压信号并进行转换。所述电压信号调理电路接收电压互感器转换后的电压信号并对其进行调理。所述采样测频电路接收电压信号调理电路调理后的电压信号并计算该电压信号的频率值。所述通信电路将采样测频电路测量出来的电压信号的频率值传输给DSP。

优选地，所述采样测频电路为STM32采样测频电路，通信电路为RS485 通信电路。

优选地，所述电压互感器为1～4个。

进一步地，所述电压互感器将接收的零序电压信号转换为-5V～+5V电压信号。

进一步地，所述电压信号调理信号将转换后的-5V～+5V电压信号调理为 0～3V电压信号。

优选地，所述电压频率测量模块、开关量采集模块和开关量输出模块均通过RS485总线与DSP进行通信。

优选地，所述人机界面通过RS232总线与DSP进行通信。

进一步地，所述DSP接收电压频率测量模块输出的频率信息并根据该频率信息设定该频率信息对应母线每周波采样200点数据的新的采样频率的定时器初值。

本实用新型具有的优点和积极效果是：本申请提供的适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，采用独立的电压频率测量电路模块，对频率计算算法可以方便升级完善，并且降低了DSP程序的复杂度，提高了装置对于变频系统接地故障选线的实时性；且电压频率测量模块采用与装置其他模块一样的接插件，安装方便，升级更换简单。

本申请提供的适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，采用 DSP定时器实现采样频率的设置，不需要添加其他器件就能实现采样频率的跟踪设置，实现方便。

本申请提供的适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，可以使用正确的数据对零序电压和零序电流的有效值和相角值进行计算，并且可以使选线算法能够提取正确的故障录波数据进行故障选线算法的计算，从而使装置能适用于变频的小电流系统，并保证了接地故障选线装置选线的准确、可靠动作，避免了装置因母线运行频率变化而导致的选线错误，可以提高了整个电网运行的可靠性。

本申请提供的适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，适用最多4段母线，36条线路，不仅适用一段或多段母线不同运行频率的小电流系统，也适用普通工频小电流系统的单相接地故障监测，母线段数及各段母线上线路条数可设置，适应性好。

附图说明

图1是本申请的适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置的结构框图。

图2是本申请中电压频率测量模块的示意图。

图3是本使用本申请的选线装置采样数据存储结构示意图。

图中：1-电压信号调理电路，2-第1数据，3-第200个数据。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型，下面结合具体实施例和附图对本实用新型进行进一步的描述。

如图1所示，本申请提供一种适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，包括DSP、A/D芯片、CPLD、人机界面、零序电流采集模块、零序电压采集模块、电压频率测量模块、开关量采集模块、开关量输出模块和电源模块。

电源模块分别与DSP、A/D芯片、CPLD、人机界面、零序电流采集模块、零序电压采集模块、电压频率测量模块、开关量采集模块、开关量输出模块相连。开关量采集模块和开关量输出模块与相配合的单片机相匹配。

A/D芯片、CPLD与DSP直接相连。零序电流采集模块、零序电压采集模块与A/D芯片相连。人机界面、电压频率测量模块、开关量采集模块和开关量输出模块与DSP相连。作为一种实施方式，电压频率测量模块、开关量采集模块和开关量输出模块均通过RS485电路与DSP相连，进行通信。人机界面通过RS232电路与DSP相连，进行通信。

零序电压采集模块、零序电流采集模块分别与小电流系统母线上零序电压互感器输出端口、零序电流互感器输出端口相连接，分别接收小电流系统输出的零序电压和零序电流；

零序电流采集模块、零序电压采集模块将转换的零序电流、零序电压信号传输给A/D芯片进行采样，DSP再根据A/D芯片采样完成标志读取采样数据并存储；

电压频率测量模块接收零序电压模块转换的零序电压信号，并进行频率测量，将其测量的母线的频率信息传输给DSP。

如图2所示，电压频率测量模块包括若干个电压互感器、与电压互感器相配合的电压信号调理电路1、采样测频电路和通信电路。作为一种实施方式，如图2所示，电压互感器的个数为4个，采集4段母线的相应数据。电压互感器接收小电流系统输出的零序电压信号并进行转换。电压信号调理电路1接收电压互感器转换后的电压信号并对其进行调理。采样测频电路接收电压信号调理电路1调理后的电压信号并计算该电压信号的频率值。通信电路将测频电路测量出来的电压信号的频率值传输给DSP。作为一种实施方式，采样测频电路为STM采样测频电路，通信电路为RS485通信电路，电压互感器将接收的零序电压信号转换为-5V～+5V电压信号，电压信号调理信号将转换后的-5V～+5V电压信号调理为0～3V电压信号。

DSP接收电压频率测量模块输出的频率信息并根据该频率信息设定该频率信息对应母线每周波采样200点数据的新的采样频率的定时器初值，通过定时器中断产生A/D启动信号并传递给CPLD。

CPLD接收A/D启动信号并启动A/D芯片开始A/D转换，按照新的采样频率进行采样。然后按图3所示的存储模式循环存储各段母线不同频率下的4周波采样数据。

上述的各种模块和电路可采用市售相应模块、现有技术中相应功能的模块，作为一种实施方式，DSP型号为ADSP21065，A/D芯片为MAX125， STM32采样测频电路为STM32F103RCT63，RS485通信电路的型号为 MAX485。

本申请提供的适用于变频系统的小电流单相接地故障选线装置，工作过程为：电压互感器将输入的零序电压转换成-5V～+5V电压信号，再将此电压信号输入电压信号调理电路，将-5V～+5V电压信号调理成0～3V的电压信号后送入STM32采样测频电路的A/D通道，STM32采样测频电路分别计算出四段母线零序电压的频率值，DSP作为主站0.5秒读取一次最新计算出来的四段母线零序电压的频率值。DSP根据读取来的频率值先计算出I段母线一个周波采样200点需要的采样频率，再计算得到当前采样频率所需DSP定时器的初值，通过定时器中断产生A/D启动信号并传递给CPLD，CPLD再同时启动所有A/D芯片开始A/D转换，按照新的采样频率进行采样。

将以I段母线电压频率值采样得到的4周波的数据通过结构体存储如图 3所示。此时I段母线电压及接在I段母线上的各线路的零序电流数据采样及存储正确。然后依次使用读取的最新II，III，IV段母线频率值进行与I段母线同样的过程，对于4段母线不同频率，每段母线频率下存储4个周波，每个周波存储200点数据的循环存储结构如图3所示。

因此，各段母线的零序电压及其对应线路的电流有效值相角计算时在数据存储结构体对应的位置读取数据即可，即各段母线在运行频率变化时，每段母线在各自的存储区里仍然能使每个周波采集固定点数的数据，从而可以保证零序电压电流有效值相角计算正确，并且故障录波和故障选线算法等程序可分别在对应母线存储段读取正确采样数据进行计算处理，保证选线装置采样准确性，有效值相角计算等准确性，保证接地故障选线装置能准确的选出故障线路、可靠动作，提高整个电网供电的可靠性。

以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。