一种配网灵活接地保护设备的制作方法

本实用新型涉及供配电网技术领域的一种配网灵活接地保护技术，具体地，涉及一种配网灵活接地保护设备。

背景技术：

在6-35kv供配电网中，主要采用了两种中性点接地方式：中性点经消弧线圈接地、中性点经小电阻接地。

对以架空线为主的配电网，由于单相接地后电容电流有限，一般采用中性点经消弧线圈接地方式，由消弧线圈在接地后可实现对电容电流的补偿。接地电流被消弧线圈补偿后明显变小，造成选线装置不能准确判断接地信号，影响了选线的准确性，给永久性故障选线带来一定的困难，使接地故障难以快速、准确地切除。

对于以电缆线路为主的配电网，由于单相接地后电容电流显著增大的，采用消弧线圈已经不能实现良好的补偿，因此多采用中性点经小电阻接地方式，再发生单相接地后，小电阻会提供较大的零序电流，促使故障线路零序保护动作，直接切除故障线路。但是中性点经小电阻接地方式，无法区分瞬时接地故障与永久性接地故障，对所有单相接地均启动线路跳闸，增加了线路跳闸次数，影响了供电可靠性。

因此，采用中性点经消弧线圈并联小电阻的灵活接地方式，结合二者各自的优点，避免各自存在的问题，可以有效提高配电网的供电安全性和可靠性。一般情况下，在6-10(20)kv系统，消弧线圈及小电阻经接地变压器接入系统；35kv系统，消弧线圈及小电阻可直接接到变压器中性点。消弧线圈的电流上限，一般为电网电容电流135％；小电阻的阻值，一般以金属性接地时小电阻可以产生400～600a的电流来选择。

一个典型中性点灵活接地的配电网，采用消弧线圈并联小电阻，电网正常运行时，消弧线圈直接挂载在电网的中性点中，小电阻与电网中性点断开。此时由消弧线圈实现对电网电容电流的跟踪测量。

当电网发生单相接地故障后，立即投入消弧线圈进行补偿，若故障为瞬时性故障，则由于消弧线圈的补偿作用，接地故障可直接消除，电网即恢复正常，消弧线圈随后退出补偿；若消弧线圈投入后，故障仍旧存在，则视为永久性故障，此时在消弧线圈持续补偿的情况下，延时投入小电阻，接地电流随之显著增大，从而使线路的零序保护动作，自动切除故障线路，使电网恢复正常，消弧线圈随后也退出补偿；若投入小电阻后，线路零序保护不能动作，则小电阻在投入一定时间后，自动退出，防止小电阻被烧毁。

配电网中性点灵活接地方式，目前已经在部分电网中进行了实际使用。但应用过程中，由于对接地过程的复杂性的认识不足、对小电阻与配电网相关保护设备协调配合策略考虑不周等原因，实际并未体现出灵活接地的应有的优越性，未能达到灵活接地的设计初衷。

为实现对灵活接地系统的更完善监测、控制，实现各类接地故障、尤其是高阻接地故障时，灵活接地系统都能够正确切除故障线路，需要开发新的灵活接地保护技术。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种配网灵活接地保护设备。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

一种配网灵活接地保护设备，包括：监测终端装置以及与监测终端装置连接的交流量采集装置、数字量采集装置和人机交互装置；其中：

所述交流量采集装置包括电压采集器和/或电流采集器，分别对电网三相电压、中性点电压、中性点消弧线圈分支电流、小电阻电流以及各支路零序电流信号进行采集，并输出到所述监测终端装置；

所述数字量采集装置包括消弧线圈档位传感器、小电阻投入开关状态传感器以及支路断路器投切状态信号传感器，分别对消弧线圈档位、小电阻投入开关状态以及各支路断路器投切状态信号进行采集，并输出到所述监测终端装置；

所述监测终端装置，包括：处理器以及设置于处理器外围的fpga器件、模数转换器、flash闪存、ram存储器以及can总线；所述fpga器件分别与所述处理器、所述模数转换器、所述can总线、所述ram存储器连接，所述处理器还连接所述flash闪存、所述ram存储器；所述模数转换器连接所述交流量采集装置；所述can总线连接所述数字量采集装置；所述can总线通过一个或多个控制信号输出端口与电网的消弧线圈调档控制器、小电阻投切控制器和/或各支路跳闸控制器连接，所述处理器根据所述交流量采集装置、所述数字量采集装置采集的信号生成消弧线圈调档、小电阻投切以及各支路跳闸控制信号，经所述can总线输出到消弧线圈调档控制器、小电阻投切控制器和/或各支路跳闸控制器，实现消弧线圈调档控制、小电阻投切控制和/或各支路跳闸控制；

所述处理器通过其内部数据总线与所述人机交互装置连接。

优选地，所述处理器采用omap-l138双核处理器。

优选地，所述电流采集器设置于电网的中性点消弧线圈分支电流采集位置、小电阻电流采集位置和/或各支路零序电流采集位置处；其中，每一个所述电流采集器均包括16路电流采集通道。

优选地，所述电流采集器设置于电网的三相电压采集位置和/或中性点电压采集位置处；其中，每一个所述电压采集器均包括16路电压采集通道。

优选地，所述消弧线圈档位传感器、小电阻投入开关状态传感器和/或支路断路器投切状态信号传感器分别包括32路数字信号采集通道。

优选地，所述控制信号输出端口包括32路控制信号输出通道。

优选地，每一个所述人机交互装置均包括多路网口或串口以及输入输出部件(键盘、显示器、usb接口等)，所述人机交互装置通过网口或串口与上位机连接。

优选地，所述人机交互装置连接于监测终端装置与上位机之间。

优选地，所述交流量采集装置和数字量采集装置分别为一个或多个。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：

本实用新型提供的配网灵活接地保护设备，采用部件化的、积木化的设计方案，以各功能组成单独的功能装置，即监测终端装置、交流量采集装置、数字量采集装置，以监测终端装置为核心，辅以人机交互装置，并以实际需要动态整合一组或多组交流量采集装置和数字量采集装置，完整、灵活的组成配网灵活接地保护设备，能够极大的提高灵活接地系统的运行可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例所提供的配网灵活接地保护设备总体架构图；

图2为本实用新型实施例中监测终端装置内部以及与其他组成装置之间的组成关系图；

图3为本实用新型实施例中交流量采集装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中数字量采集装置的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中控制信号输出端口的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中人机交互装置的结构示意图；

图7为本实用新型实施例中监测终端装置中处理器控制原理图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明：本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例提供了一种配网灵活接地保护设备，如图1所示，包括：监测终端装置以及与监测终端装置连接的交流量采集装置、数字量采集装置和人机交互装置；其中：交流量采集装置包括电压采集器和/或电流采集器；数字量采集装置包括消弧线圈档位传感器、小电阻投入开关状态传感器以及支路断路器投切状态信号传感器。

如图2所示，监测终端装置包括：处理器以及设置于处理器外围的fpga器件、模数转换器、flash闪存、ram存储器以及can总线；fpga器件与处理器连接，模数转换器和can总线分别与fpga器件连接，flash闪存与处理器连接，ram存储器分别与处理器和fpga器件连接；交流量采集装置与模数转换器连接；数字量采集装置与can总线连接；can总线通过一个或多个控制信号输出端口与电网的消弧线圈调档控制器、小电阻投切控制器和/或各支路跳闸控制器连接；处理器通过其内部数据总线与人机交互装置连接；人机交互装置连接于监测终端装置与上位机之间；交流量采集装置和数字量采集装置分别为一个或多个。

作为一优选实施例，处理器采用omap-l138双核处理器。

作为一优选实施例，电流采集器设置于电网的中性点消弧线圈分支电流采集位置、小电阻电流采集位置和/或各支路零序电流采集位置处；其中，每一个电流采集器均包括16路电流采集通道。

作为一优选实施例，电流采集器设置于电网的三相电压采集位置和/或中性点电压采集位置处；其中，每一个电压采集器均包括16路电压采集通道。

作为一优选实施例，消弧线圈档位传感器、小电阻投入开关状态传感器和/或支路断路器投切状态信号传感器分别包括32路数字信号采集通道。控制信号输出端口包括32路控制信号输出通道。

作为一优选实施例，每一个人机交互装置均包括多路网口或串口以及输入输出部件(键盘、显示器、usb接口等)，人机交互装置通过网口或串口与上位机连接。

本实用新型上述实施例提供的配网灵活接地保护设备，其中：交流量采集装置的电压采集器和电流采集器，分别对电网三相电压ua/ub/uc、中性点电压u0、中性点消弧线圈分支电流il、小电阻电流ir以及各支路零序电流i0信号进行数据采集；数字量采集装置的各传感器，分别对消弧线圈档位、小电阻投入开关状态以及各支路断路器投切状态信号进行数据采集；监测终端装置，对交流量采集装置和数字量采集装置进行采集控制，并根据交流量采集装置和数字量采集装置采集的数据，生成消弧线圈调档、小电阻投切以及各支路跳闸控制信号通过控制信号输出端口输出至电网的消弧线圈调档控制器、小电阻投切控制器以及各支路跳闸控制器；人机交互装置，实现监测终端装置与上位机之间的数据交互。

监测终端装置中各器件，可以优选以下型号：

omap-l138双核处理器为整个装置的核心，通过fpga器件实现对交流量的采集、数字量的采集、控制信号的输出；omap-l138双核处理器通过其内部数据总线，与人机交互装置实现数据互通。

fpga器件对多路模数转换器(adc)进行同步、高速采集控制，实现对各种交流信号的采样；fpga通过can总线采集数字量信号、输出控制信号；

ram存储器为omapl-138双核处理器与fpga器件提供数据共享支持，fpga器件采集到的交流量数据、数字量数据都暂存在ram存储器中，omap-l138双核处理器按需取用。

flash闪存为整个系统提供存储服务，包括各类运行参数、定值、故障录波数据、运行事件记录等。

当然，在以上器件选择仅仅是一种可能，在其他实施例中，也可以选择其他型号的器件，只要能实现对应的功能即可。

如图7所示，本实用新型上述处理器与其他组成之间配合，能够实现如下功能：消弧线圈测控、小电阻测控和接地选线及跳闸控制；其中：

消弧线圈测控，根据交流量采集装置和数字量采集装置采集的数据，生成消弧线圈调档控制信号，消弧线圈调档控制信号用于对消弧线圈进行调档、电网电容电流的变化进行监测、对电网的电容电流进行跟踪测量以及对接地后投入的消弧线圈进行补偿；

小电阻测控，根据交流量采集装置和数字量采集装置采集的数据，生成小电阻投切控制信号，小电阻投切控制信号用于控制小电阻投切、配合接地选线及跳闸控制过程实现有功分量法选线以及配合线路dtu(开闭所终端设备)和/或ftu(馈线终端设备)进行重合于故障的快速隔离；

接地选线及跳闸控制，根据交流量采集装置和数字量采集装置采集的数据，生成各支路跳闸控制信号，各支路的跳闸控制信号用于识别电网故障类型、进行暂态选线、协调小电阻进行高阻下的有功分量法选线、作为零序保护后备保护的选线跳闸、重合于故障时的后加速选线跳闸。

具体的，在一实施例中，实现消弧线圈测控的过程可以采用以下方法：

实时监测电网电容电流的变化，并对电网电流进行实时跟踪计算。实时监测采集到的中性点电压u0、中性点消弧线圈分支电流il。在中性点电压小于接地故障启动电压时，当监测到中性点电压有突变，则认为电网的支路、以及电网电容电流发生改变，此时启动电容跟踪计算。通过测量调节消弧线圈档位过程中，中性点电压u0及中性点消弧线圈分支电流il的改变情况，计算出电网的电容电流。

实时监测电网是否发生单相接地。当监测到电网中性点电压u0超过设定的接地故障启动电压时，认为电网发生单相接地。此时立即切除阻尼电阻、并投入消弧线圈进行电容电流补偿。当电网的中性点电压u0降低到接地故障启动电压以下时，认为接地故障消失。此时为防止间歇性故障发生而重复投入消弧线圈，在延时一段时间电网零序电压始终低于故障启动电压后，退出消弧线圈补偿、并投入阻尼电阻。

采集消弧线圈当前的档位信号，并可以对消弧线圈执行上调、下调、停止等调档操作。

具体的，在一实施例中，实现小电阻测控的过程可以采用以下方法：

实时监测中性点电压u0的变化，判断电网是否发生单相接地。当监测到中性点电压超过设定的接地启动电压时，认为电网发生单相接地。此时，首先等待一段时间，以使消弧线圈有足够时间消除瞬时故障；若延时后中性点电压u0仍旧高于接地电压，则认为是永久接地故障，此时投入小电阻以使线路零序保护跳闸动作。

每次投入的时间应至少满足与线路零序保护动作延时、重合闸延时配合。单次投入时间到达后，不论故障是否消失，小电阻均退出。

在每次退出后，仍旧监测电网是否继续发生单相接地，若在退出后的一段时间内，再次发生单相接地故障，则认为此时是线路上的各级dtu/ftu在故障消失、上级开关重合后依次上电重合、但重合于永久故障。此时小电阻不再等待消弧线圈延时，而是立即投入，以使线路dtu/ftu等那能够后加速跳闸，完成故障隔离。

持续监测电网是否连续发生间歇性、短时接地故障。即当电网在一段时间以内，多次发生在小电阻投入延时到达之前就已经恢复的短时接地故障，则认为电网发生间歇性短时故障，此时小电阻立即投入，以使零序线路保护跳闸。

还接收接地选线及跳闸控制过程的电阻投切命令，在选线需要时，主要是发生高阻接地时，短时投入小电阻，以在故障支路产生有功电流，使接地选线及跳闸控制过程能够利用此有功电流、采用有功分量法选出接地支路。

通过监测小电阻电流ir、以及小电阻投入开关状态信号来判断小电阻是否有效投入。只有当小电阻投入开关处于合位、且小电阻电流ir超过设定的最小电流值时，才判定小电阻投入有效。

具体的，在一实施例中，实现接地选线及跳闸控制的过程可以采用以下方法：

首先要识别故障类型。通过采集到的三相电压ua/ub/uc、中性点零序电压u0，来进行故障的识别。当三相电压的数字合成值与采集的零序电压u0差别过大时(超过设定值)，认为电网发生pt断线故障；同时，对零序电压u0信号进行谐波分析，当u0信号中的谐波总畸变率thd超过100％时，认为电网发生铁磁谐振。排除掉这些pt断线、铁磁谐振等异常后，对中性点电压超过设定的启动电压值的故障，判断为接地故障，随后会启动接地选线及选线跳闸。

在确定发生的单相接地故障后，利用接地发生瞬间的暂态信号进行暂态法选线，若接地过程是高阻接地等暂态过程不明显的接地，则会辅以稳态法进行接地选线。选出接地支路后，选线装置会进行接地告警。

对发生的高阻接地故障以及线路零序保护长期存在无法切除的单相接地故障，会辅以有功分量法选线及选线跳闸。即判断出高阻接地后，若高阻接地持续较长的时间(超过设定时间)后仍然存在，则认为线路零序保护跳闸失败。此时选线与小电阻测控过程一同协作，命令小电阻测控过程短时投切小电阻，以便在接地支路中产生一定的有功电流，此电流虽然不足以使线路的零序保护动作，但已经足够选线用来识别接地支路。选出故障支路后选线装置即利用选线的跳闸功能，将故障支路切除，从而消除接地故障。

在执行选线跳闸消除故障后，持续监测接地是否再次发生，并通过采集各支路断路器投切状态信号，判断各支路是否投入运行。若短时间内接地故障再次复发，且支路已经处于合闸位置，则认为是线路保护重合于永久故障，此时选线装置立即对前次跳闸的故障支路进行后加速跳闸，实现线路保护，线路上dtu/ftu对故障的永久隔离。

在进行暂态法选线时，对各支路零序电流i0进行特征分析，从而找到暂态或稳态信号特征，暂态或问题特征最明显的即为暂态接地支路。在进行有功分量法选线时，分别计算出小电阻投切前、后的各支路零序电流有效值，通过分析各支路零序电流的增量，找到增量最大的支路即为高阻接地支路。

上述各部分的具体实现方法只是为了举例说明，便于理解，在其他实施例中，上述各部分实现方法也可以采用其他现有技术，本实用新型重点在于构建的硬件设备，并不在于上述具体实现方法。

如图3所示，作为一优选实施例，每一个电压采集器或电流采集器，可以同时采集多达16路的交流电压或电流信号。为保证采集选线所需微小电流信号时需要的精度，交流信号采用差分输入。为保证采集装置内部、以及多个采集装置之间所有的采集完全同步，所有的采集控制都可以由监测终端装置的fpga器件提供时序控制，采集到的数据由fpga器件直接读取。

如图4所示，作为一优选实施例，每一个传感器，可以同时采集多达32路的数字开入信号。所有信号都可以经过光电隔离与数字去抖，保证采集到的开入信号的准确。采集到的各开入信号，由fpga经过内部can通信总线读取。

如图5所示，作为一优选实施例，每一个控制信号输出端口，可以同时输出32路的控制信号，输出的所有控制信号均可以经过光电隔离处理。

如图6所示，作为一优选实施例，每一个人机交互装置，通过多路网口或串口，将数据上传到上位机，实现远程监控；通过输入输出部件(键盘、显示器等)，接收输入命令，并显示结果；通过多种接口(usb接口)对存储的数据进行导出(导出存储或连接至打印机进行打印)。

本实用新型上述各实施例提供的配网灵活接地保护设备，采用部件化的、积木化的设计方案，以各功能组成单独的功能装置，即监测终端装置、交流量采集装置、数字量采集装置，以监测终端装置为核心，辅以人机交互装置，并以实际需要动态整合一组或多组交流量采集装置和数字量采集装置，完整、灵活的组成配网灵活接地保护设备，能够极大的提高灵活接地系统的运行可靠性。

以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。