专利名称：真空断路器中电流保护控制方法
技术领域：
本发明属于输变电技术领域，具体是一种应用于配电网中的真空断路器中电 流保护控制方法。
背景技术：
随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需 求量也越来越大，从而促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，用户对供电质量 和供电可靠性的要求也越来越高。配电系统能否安全、稳定、可靠地运行，不但 直接关系到企业用电的通畅，而且涉及到电力系统能否正常的运行。因此，当配 电网络中某条线路处于非正常运行状态时，线路断路器应该能及时、可靠地将它 切除，以防故障的进一步发生和扩大。另外，当线路中存在变压器空载合闸时， 会在线路上出现一个瞬时性涌流。由于其不是故障性的，线路断路器不需动作， 但是其幅值很大，会造成线路一次合闸不成功或上级线路断路器误跳的情况。因 此，在实际运行中，需要线路断路器既能切断处于过流、短路状态的线路，又可 以对线路的过流、短路状态和线路上瞬时出现的涌流进行区分。
现有的应用于线路断路器的电流保护控制装置较少，且现有的装置对于线路 过流、短路的判断采取了基于电流的峰值作为整定值的判断方法，对于躲过线路 涌流采取了线路断路器突然合闸时加入一定的延时时间来实现。这样判断线路的 过流、短路状态存在一定的缺陷，并且上级线路断路器在下级线路突然合闸时有 可能会因为涌流而误跳，并且故障判别时间过长。
现有技术中，自适应继电保护算法能根据电力系统运行方式和故障状态的变 化而改变保护采样滤波算法中所对应的数据窗形状或窗长。由于自适应保护算法 能够根据一次系统的故障情况的变化而调整数据窗，因此，它能在很大程度上克 服传统保护的缺陷，有效提高算法的相应速度，缩短故障判别时间。但大多数自 适应保护算法的设计和研究对采样滤波算法并未有太多改变，大体上还是应用变 数据窗的自适应算法，而对算法的步长以及突变量的变化率均未做考虑。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种适合于真空断路器的 全新电流保护控制方法，在算法上都做了全新的设计，具体技术方案如下
一种真空断路器中电流保护控制方法，包括歩骤
1) 从电流互感器采样电流信号；
2) 在一个电流信号基波周期内采样，判断采样得到的电流信号是干扰信号， 还是过流/短路信号；
3) 如果是过流/短路信号，则以采样得到的电流信号为参数，计算电流有效 值，如果该有效值大于整定值，则做出保护动作；否则，则继续采样；
所述步骤2)中还包括步骤
2. 1)先对间隔多个连续的采样点的一组采样电流信号计算突变量、—n;如果
突变量、_ 大于其预设的整定值^—ns，则进入歩骤2.2);如果、—。不大于预设的
整定值、_，则继续对下一组采样点的电流信号计算突变量；本步骤中，每组采 样点的个数相同；
2.2)对该组采样点中每对相邻的采样点计算突变量Z&，如果每个突变量^
都大于其预设的整定值/^，则认为是过流/短路，进入步骤3)。
步骤l)中，当突然上电时，延时采样，避开本级线路突然合闸时出现的涌流。
步骤2)中， 一个基波周期内采样48个点，即采样频率为2400/^。(现有 的傅立叶算法都是12个点，也有用24个点的。采样的点数越多，越能反应真实 的情况，但是这要受设备的采样能力的限制，不可能使采样频率过大。现有技术 中的傅立叶算法，要判断故障得釆集一个周波的数据，然后才能判断，判断时间 太长。本发明是四个点一组，作为判断是否启动变步长算法的依据，启动后， 根据突变情况，确定函数窗长，这样可以大大縮短判别时间。)
步骤2. 1)中，所述每组采样电流信号是连续4个采样点的电流信号，所述
突变量ZA—n是第4个采样点的电流值z'(4m -1)和第1个采样点的电流值!'(4m - 4)差 的绝对值。
步骤2. 2)中相邻的采样点突变量^分别是第4和3个采样点、第3和2个 采样点、第2和1个采样点的电流值差的绝对值；如果这三个值都大于预设的整 定值/w，则认为是过流/短路，进入步骤3)。步骤3)中根据步骤2.2)中的突变量^的变化率山^ =zAi-!;n确定傅 氏算法中窗长/f = G(AM)，步长A/i^QW^)，其中G、 2为由突变量变化率确 定傅氏算法正弦窗的窗长函数和步长函数；贝lj,对应于第&次采样值的正弦窗为
"、 1 + . 2兀A
那么，由傅氏算法确定的基波分量余弦量的幅值<formula>formula see original document page 6</formula>和基波分量正弦量的幅值
l丄
，+ -"、 ■ 2("AA)兀
,其中《为基波一个周期内的采样点数，A为窗
内采样点数；/(h)为h点的采样电流值；
最后，得到电流的有效值/,二、i^，如果有效值大于其整定值，则做出
~ 2
保护动作。
所述步骤3)中的整定值通过微型CT 二次侧的电流确定的，整定值范围在 5A-30A。
ns的取值原则 一个周期采样48个点，就每4个点之间相隔的角度是
360/12=30度。正弦或者余弦函数在过零点时候导数最大，也就是说那个时候两 个点之间的差值最大，所以最大差值为Sin30-Sin0=0.5，用这个系数乘以保护线 路的额定最大电流，在乘以一个相应的系数即可，最后乘以的这个系数可以适灵 敏度要求自行调整， 一般取1.2. 1.5A。
^s的取值原则 一个周期采样48个点，就每个点之间相隔的角度是
360/48=7.5度。正弦或者余弦函数在过零点时候导数最大，也就是说那个时候两 个点之间的差值最大，所以最大差值为sin7.5-sin0K).1305，用这个系数乘以保护 线路的额定最大电流，在乘以一个相应的系数即可，最后乘以的这个系数可以适 灵敏度要求自行调整， 一般取1.2. 1.5A。
本发明具有对故障电流反应灵敏，判断准确，判断时间短的优点。
图1为自适应滤波原理框图
图2为实施例中装置的电路原理图
6图3为装置中电源电路原理图 图4为装置中复位电路原理图 图5为装置中A、 C两相电流采集测量原理图 图6为装置中单片机与LCD液晶显示连接图 图7为装置中开关量输出、LED显示原理图 图8为装置中脱扣线圈驱动电路原理图 图9为装置中实时时钟模块原理图 图10为装置中单片机程序流程图
具体实施例方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步说明。 首先对本发明采用的算法进行详细的说明.
在现有技术中，自适应滤波的研究始于上世纪五十年代。参考图l，自适应 滤波的迭代公式为
= , _ = f (，* W _ Ir W，)① eW =病- 7 W =柳+洲-y W = c(" +洲……(2) ，+ 1)=釋)+ 2/^("歸)......(3)
式中，义7'("为"时刻参考输入信号；『(A)为自适应滤波器的权系数；fT(A)为 未知系统权系数；"0t)为期望信号；为滤波器输出信号；e(W为由f(yt)和c(yt) 组成的误差信号；《fc)为干扰信号，c(/t)为跟踪误差信号；//为步长因子。
自适应算法的目的就是通过误差反馈不断调整滤波器的权值W("来逼近 ，使得/("能够跟踪rf("的变化。
在继电保护算法中，设输入的电流信号为/(/)，傅氏分解后为
/(/)-l;[八sin(2兀/j + ^)〗^(0 + 4(0……(4)，式中'/"为第"次谐波频率，
/"为谐波的幅值，A为谐波的相角。"o为基波电流，^w为除基波电流外所有 谐波电流总和。将/",)设为图1中的干扰信号""，/^)作为期望信号"a),输入
电流信号/(o作为参考输入信号义("。继电保护算法为现有成熟技术，在此不作 进一步限制。在微机保护算法中，输入电流信号《f)即参考输入信号进入自适应滤波 器后，输出信号y'(/t)跟踪期望信号c/("， y(/t)从幅值和相位上逼近电流基波分量
"f)。当/(&)在幅值及相位均相等时，即可判定故障状态，进入故障处理程序。 微机保护算法为现有成熟技术，在此不作进一步限制。
传统的自适应滤波算法一般为定歩长自适应算法，即不考虑步长因子//，主
要是靠改变权系数『("来改变保护算法的响应速度和计算精度，而『(A:)—经确
定，在硬件程序中往往未考虑也无法进行更改。因此，传统自适应保护算法在响 应速度与计算精度之间无法兼顾。
现有技术中，对于式(4)中的被采样电流信号奶=|;[/>(2兀/ "<^)]，
展开成傅立叶级数后为= Z [" sin("6V) + 6 cosOv)]，式中，"为自然数；A
表示基波角频率； 和&分别表示各次谐波的余弦项和正弦项的幅值，其中a。表 示直流分量。
以",和6,分别表示基波分量余弦量、正弦量的幅值，贝(j，基波有效值为
时间，/7为采样窗内的采样点数，《 = 2tt/， /为基波频率，r = i//。 采样后，连续函数变为离散函数，积分运算变为离散求和运算。
离散全周傅氏算法的正弦窗可以表示为wW = l^>tsin，，式中〖为
基波一个周期内的采样点数，A = 0,l,2,...,《-1。本例中优选《=48，即采样频 率为2400//z 。
考虑窗长为a-w;-:r时
a禾n夂为
式中4为采样间隔
8本发明实施例的变步长自适应算法在未检测到突变量(每4个采样点计算一 次突变量)的运行方式下，取每四个采样点中的最后一个，即
/t'=4m-1(柳=0,1,2,...,12)计算参加傅氏计算，计算输入电流有效值，此时对于 傅氏算法相当于每采样周期12个采样点，即每周期采样点为尺'=12，
此时a,和6，为
1
2A;兀
《-i , 2》(()cos
A =二
k 一i
2W)
a =0
2A:兀 7
(6)，式中/0O为电流信号的第
/t'次采样值。
同理，计算突变量的采样间隔也为4个采样点，第A:、4w-l次采样结束后， 将该次采样的瞬时值/(4附-1) = #')与第*'=4(附-1)-1次采样的瞬时值 《4(m — 1) -1) = -1)计算突变量/A—4 —| /(f) I -1 /(A' -1) II……(7)
当突变量14大于其整定值^4、.时，启动变步长突变量计算。计算第
々=4w —1次采样值及以前三个时亥U: /t —1 = 4附一2、 /t —2 = 4m — 3、七一3 = 4附一4 的采样值的三个突变量
,M =||《4附—1) H《4m 一 2) HI州H
=|| /(4w — 2)卜I /(4附-3) HI — 1)卜I # -2) II 、
"4m — 3) H /(4m — 4) — 2)卜| /(/i: — 3) ||
(8)
将三个纟m、 L。
zm—2与整定值^比较，当三个突变量全部大于整定值^
时，启动自适应窗长。
若未全部大于整定值，则继续采样计算突变量，此时计算突变量的采样相邻
的采样点，即^HU("卜IW-……(9)，这样，将大大提高突变量检测的速
度，在最快的时间内反应一次系统相关输入量的变化。
当出现三个连续突变量^大于整定值时，设突变量的变化率为
二 — z'aa:—1
(11)
根据突变量的变化率确定傅氏算法的窗长为// = (7^^)……(12)、确 定的算法步长为^々=0("^)……(13)， G、 2为由突变量变化率确定傅氏
9算法正弦窗的窗长函数和步长函数-
//,^arctan(《)
//^是全周傅氏算法窗长，即数据窗包括一个周波内的全部采样点。
确定窗长//后，对应于第看yt次采样值的正弦窗为
'.(14);
-减
-成
1
.2兀/7 S1I1-
由傅氏算法确定的^和、为:
1
■， + ■"、 2("M)兀
—丄
〃+l
2 X州sm
(15)
根据式(5)，每次采样结束计算电流基波的有效值，再与整定值/,一w比较，
当计算出的基波有效值大于整定值/,^j则发出保护动作信号。
上述方法的实现装置是电流保护控制装置，该装置包括电源模块、单片机、 A、 C相电流互感器、电量信号采集模块、人机交互界面模块、幵关量输出模块 和脱扣线圈驱动模块，与上位机通信模块，时钟模块；所述电源模块的输出连接 单片机的电源输入端；A、 C相电流互感器的输出分别连接电量信号采集模块的 输入端，信号采集模块的输出端经A/D转换后连接单片机的采集信号输入端；参 数输入与显示模块连接单片机的输入端；单片机扩展485串行接口实现与上位机 通信，利用单片机I2C接口连接时钟现实模块；单片机的输出端连接开关量输 出模块的输入端，开关量输出模块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱 扣线圈驱动模块的电源端连接到A、 C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输 出端连接外部脱扣线圈。
所述电量信号釆集模块包括两个电流互感器CT1、 CT2，它们的输入端分别 连接A、 C相电流互感器的输出端，两个电流互感器的输出信号分别经可调电阻、 组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。所述A、 C相 电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流 互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。所述脱 扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能电容串联， 为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部的脱扣线 圈，控制脱扣线圈脱扣。
所述于上位机通信，采用485串行通讯接口技术完成与上位机的通信，参数 设定也可以通过上位机进行。
所述的时钟功能，通过外接DS1307时钟芯片来实现。
所述的人机交互界面，由功能按键配合液晶现实完成各种参数的设定，LCD 还可以用来现实故障的种类，故障电流的大小，故障时间，故障断路器编号等信息。这两项功能集成在块电路板上，通过接插件可以与主电路板连接，实现现场参数设定，也可以安装于控制平台上，通过串行总线进行远程参数设定。
所述单片机是日本瑞撒公司推出的M16C/62P系列单片机M30626FHPFP，外接频率是10MHz晶振；单片机的复位输入端连接复位电路；还外接了时钟现实芯片；扩展了 485总线；单片机的输出端还连接LCD组成的显示模块。
如图3、 4所示，电源模块由电流互感器、全波整流电路、稳压电路、瞬态过压抑制电路、共模和差模抑制电路组成。线路A、 C两相电流互感器输出电流在微型电流互感器取样后并联接到一起，经过控制器内部另一微型电流互感器、全波整流电路、稳压电路，使得交流电压变为波动不大的12V直流电压，即可为继电器供电。集成稳压芯片7805内部含有启动电路、串联稳压电路、保护电路，把+12V直流电压变为稳定的+5V电压，为运放等器件供电，稳压二极管Z1将电路的过电压限制在一定水平，保护继电器线圈和后级7805等器件；电容C2可以抑制因负载变化而产生的噪声，起着一个低频骚扰滤波器的作用。再把+5V直流电压变为稳定的+3.3V电压，为控制器内部单片机供电，输出接10uF电容来保证输出的稳定性，如图3所示，这里采用的电压检测芯片是飞利浦公司的MAX708RD。 MAX708RD是一款用于+3. 3V电源系统的电压监测芯片，复位门槛电压为+2.63V，具有双路电源监控、电源失效告警和复位功能和手动复位功能。当复位按钮SW1闭合、系统刚上电或MAX708RD的电源电压降到+2. 63V —下时，低有效复位输出引脚变低，芯片M16C/62P-M30626FHPFP可靠复位。
如图3所示，电量信号采集模块分为A、 C两相采集，每一相由一只电流互感器、 一路可调电阻、阻容滤波电路，运放组成，分别接入单片机I/0引脚。
如图4所示，LCD与单片机连接图。将LCD相应的数据线和控制线连接好和M16C/62P-M30626FHPFP，对LCD进行相应的写操作就可以实现LCD显示。
如图5所示，开关量输出模块由继电器、光耦TLP521、驱动三极管和保护电路组成，单片机输出引脚输与三极管的控制极连接，继电器两端反相并联快速二极管IN4148。
如图6所示，脱扣线圈驱动模块由升压电路、储能电容、整流桥组成，作为输出端口连接控制装置外部的脱扣线圈
如图7所示，为实时时钟电路。控制器对短路故障的保护需要对时间的精确记录，以方便检修和故障统计。单片机内部定时器数量有限，因此需要专门的硬件实时时钟。为此，控制器选取了美国DALLAS公司推出的I2C总线接口实时时钟芯片DS1307和+3V的纽扣电池。
程序流程如图8所示，具体步骤为
(1) 初始化；
(2) 合闸延时(可调)；
(3) 采集A、 C两相电流并判断电流有效值是否超过整定值；
(4) 否，则重新采样，返回步骤3;是，则对超过整定值的相电流进行变步自适应离散傅立叶分。若比值超过励磁涌流的门坎值，则认为线路中有变压器突然空载合闸，没有过流、短路故障，也返回步骤3。若比值未超过励磁涌流的门坎值，则在由开关量输入设置的延时时间内连续判断线路是否存在过流、短路状态；如果不是持续性的过流、短路，返回步骤3，如果是持续性的过流、短路，则控制线路断路器分闸。(5)结束。
装置的内部结构和外部连接方式如图IO所示。装置有5根外部引出线，其中3根连接A、 C相电流互感器，电流互感器的公共端连接机壳，接入大地；另外2根连接脱扣线圈，控制断路器分闸。虚线框内为装置的内部结构，连接方式为导线连接。为485串行通讯留有接线端子，可以根据应用情况决定是否引线。
通过对可调电阻B、 C的调节，可以将整定值调整为5A。调节方法如下将装置与A相电流互感器连接好，并将互感器输出电流调整为5A，然后逆着图中箭头方向调节可调电阻B。当LED灯D由不亮变为均匀闪烁，A相整定值即已调整为5A。 C相整定值调整方法同A相的调整方法。当连接人机交互界面时候，LCD上会现实调整结果。
整定值调整完毕后，进行保护时间的设置。通过LCD上菜单配合功能键，设定相应的速断倍数，速断时间，以及合闸涌流延时设置。
在上述歩骤都进行完毕后，将装置与线路断路器连接好并固定。图3中连线1 3连接电流互感器，4 5连接脱扣线圈。当线路断路器突然上电时，装置启动内部延时程序，躲过此时的涌流；在线路稳定运行后，若出现涌流，装置根据算法能将其识别出来，不会使断路器误动作；只有在线路处于过流、短路状态下，装置才控制其开关量输出电路，使其接通脱扣线圈驱动电路。脱扣线圈得电后，击打断路器操动机构的锁扣环节，解除其死锁状态，断路器分闸。
最后，通过485串行接口，将故障信息实事的传递给上位机。
在结构上，装置采用插件式结构，独立封闭单元机箱，密封性好，抗干扰、坚固可靠，抗振动能力强。
所述装置采用高性能单片机，该单片机运行稳定，抗干扰能力强。可以直接应用于只装设A、 C两相电流互感器的线路断路器，作为切断过流、短路线路，躲过涌流的电流保护控制装置。它的电源直接取自线路电流互感器，不需要额外的电压互感器等设备。
在保护时间配合方面，其过流延时时间可以任意设定，速断电流倍数可以任意设定，速断延时时间可以任意设定，合闸延时时间可以任意设定，可以充分满足各种实际运行的需要。
在对线路断路器的分闸控制方面，它的脱扣线圈驱动电路采用的是充电电容和线路电流同时提供电流的方式；由于有了充电电容，线路上电流互感器的功率要求不大，5VA即可，这样电流互感器的尺寸可以做的较小一些，精度也会提高，使其更容易安装和使用。
在线路过流、短路与涌流的识别方面，其釆用通过计算电流有效值启动故障判别程序，基于变步长自适应算法的励磁涌流识别新方法来识别线路过流、短路状态和涌流。即在装置突然上电时加入延时，避开本级线路突然合闸时出现的涌流；在稳定运行后通过变步长计算出电流有效值，如果超过设定值并达到判别条件，改变步长，调用自适应算法，来识别线路过流、短路或是涌流，以避开下级线路出现的涌流，并对本级线路实施保护。该算法能有效地提高微机保护的响应速度，提高微机保护性能。
可以事实记录故障的时间、上传故障信息到上位机。扩展的485总线可以外接GPRS模块，实现数据的实时无线传送，满足配网自动化的要求。
良好的人机交互界面。人机交互界面模块，与主电路采用接口连接，可以根据需要及时插拔，也可以将人机交互界面安装于控制保护平台上，进行远程操控。
1权利要求
1、一种真空断路器中电流保护控制方法，包括步骤1)从电流互感器采样电流信号；2)在一个电流信号基波周期内采样，判断采样得到的电流信号是干扰信号，还是过流/短路信号；3)如果是过流/短路信号，则以采样得到的电流信号为参数，计算电流有效值，如果该有效值大于整定值，则做出保护动作；否则，则继续采样；其特征是所述步骤2)中还包括步骤2.1)先对间隔多个连续的采样点的一组采样电流信号计算突变量iΔ-n；如果突变量iN-n大于其预设的整定值iN-ns，则进入步骤2.2)；如果iΔ-n不大于预设的整定值iΔ-ns，则继续对下一组采样点的电流信号计算突变量；本步骤中，每组采样点的个数相同。2.2)对该组采样点中每对相邻的采样点计算突变量iΔk，如果每个突变量iΔk都大于其预设的整定值iΔ1s，则认为是过流/短路，进入步骤3)。
2、 根据权利要求1所述的真空断路器中电流保护控制方法，其特征是步骤(1) 中，当突然上电时，延时采样，避开本级线路突然合闸时出现的涌流。
3、 根据权利要求1所述的真空断路器中电流保护控制方法，其特征是步骤(2) 中， 一个基波周期内采样48个点，即采样频率为2400/fe。
4、 根据权利要求3所述的真空断路器中电流保护控制方法，特征是步骤2. 1)中，所述每组采样电流信号是连续4个采样点的电流信号，所述突变量^—n是第(4个采样点的电流值i(4m-l)和第1个采样点的电流值!'(4m-4)差的绝对值。
5、 根据权利要求4所述的真空断路器中电流保护控制方法，其特征是步骤(2. 2)中相邻的采样点突变量/处分别是第4和3个采样点、第3和2个采样点、第2和1个采样点的电流值差的绝对值;如果这三个值都大于预设的整定值/^ ，则认为是过流/短路，进入步骤3);如果每个突变量^k不是都大于其预设的整定值/^ ，则认为不是过流/短路，继续采样。
6、根据权利要求5所述的真空断路器中电流保护控制方法，其特征是所述步骤3)中根据步骤2. 2)中的突变量《k的变化率&^ = /M - 确定傅氏算法中窗长// = 6(^^)，歩长AA:-2W^),其中G、 g为由突变量变化率确定傅氏算法正弦窗的窗长函数和步长函数 <formula>formula see original document page 0</formula>是全周傅氏算法窗长，即数据窗包括一个周波内的全部釆样点；则，对应于第A <formula>formula see original document page 0</formula>那么，由傅氏算法确定的基波分量余弦量的幅值 <formula>formula see original document page 0</formula>和基波分正弦的幅值 <formula>formula see original document page 0</formula>，其中《为基波一个周期内的采样点数，A为窗内采样点数；！'(h)为h点的采样电流值;最后，得到电流的有效值/,=」^^,如果有效值大于其整定值，则做出 保护动作。
全文摘要
一种真空断路器中电流保护控制方法，步骤是，先从电流互感器采样电流信号；再判断采样得到的电流信号是否过流/短路信号；如果是，则以采样得到的电流信号为参数，计算电流有效值，如果该有效值大于整定值，则做出保护动作；否则，则继续采样；判断电流信号步骤是，2.1)先对间隔多个连续的采样点的一组采样电流信号计算突变量i<sub>Δ-n</sub>；如果突变量i<sub>Δ-n</sub>大于其预设的整定值i<sub>Δ-ns</sub>，则进入步骤2.2)；如果i<sub>Δ-n</sub>不大于预设的整定值i<sub>Δ-ns</sub>，则继续对下一组采样点的电流信号计算突变量；本步骤中，每组采样点的个数相同；2.2)对该组采样点中每对相邻的采样点计算突变量i<sub>Δk</sub>，如果每个突变量i<sub>Δk</sub>都大于其预设的整定值i<sub>Δ1S</sub>，则认为是过流/短路，进入步骤3)。
文档编号H02H7/22GK101494374SQ20091002567
公开日2009年7月29日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者浩 孙, 莘 林 申请人:南京因泰莱配电自动化设备有限公司