CN100588065C - 单相接地故障在线选线保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种单相接地故障在线选线保护装置及方法，包括电源模块、电量信号采集模块、显示模块、开关量输出模块、单片机模块和通讯模块，其联接是单片机模块采用PIC16F877芯片，相应的晶振电路与复位电路与单片机相连；显示模块由LED显示灯组成，分别与单片机相连；开关量输出模块由继电器、驱动三极管和保护电路组成，光耦输入端连接单片机，输出端与三极管的控制极连接，继电器两端反相并联IN4148；电量信号采集模块由电流、电压互感器和运算放大器组成，分别接入单片机；通讯模块采用RS485芯片、光耦隔离和保护电路组成。其优点：可靠性高，传输距离远，使用GSM模块，可减少建设费用，入网快速，通讯可靠。

Description

单相接地故障在线选线保护装置及方法

技术领域

本发明属于电力传输领域，特别涉及一种中性点不接地电网中单相接地故障在线选线保护装置。

背景技术

在中性点非直接接地电网(又称小接地电流***)中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷供电没有影响，因此，在一般情况下，都允许再继续运行1-2小时，而不必立即跳闸。但是在单相接地以后，其他两相的对地电压升高

倍，为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，运行人员应及时采取措施予以消除。

当配电网络发生小电流接地故障时，在事先无法测知并采取有效的防范措施，仅能在事后采用拉路法及人工巡线目测法确定接地点的准确位置，拉路法需要进行大量的倒闸操作，给生产带来很大的损失，尤其是对在连续作业的生产区域及一些关键设备；而在事故发生后采取人工巡线目测法寻找接地点，每次都要耗费大量的人力、物力和时间。人们对此作了大量的研制工作，开发出的一种保护装置，是采用比幅选相方法，但是受零序电流互感器不平衡电流、运行方式的影响，判别不稳定。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种中性点不接地电网中单相接地故障时在线选线保护装置。

本装置由电源模块，电量信号采集模块，显示模块，开关量输出模块、单片机模块和通讯模块几部分组成。

它们之间的连接方式如下：

单片机模块包括Microchip公司的PIC16F877、相应的晶振电路和复位电路组成。晶振与PIC16F877的管脚13、14相连，复位电路与单片机管脚1连接。

电源模块由开关电源、共模和差模抑制电路、定电压输入高隔离非稳压单输出电源等组成如原理图所示。外接220V交流电源经过共模、差模抑制电路接入开关电源输入引脚，分别输出5V和12V的电压，经过去耦和旁路电容保证输出的稳定。再经过电阻分压为后级电路提供2V电压。5V电源经过定电压输入高隔离非稳压单输出电源为通讯提供5V的隔离电源。电源模块提供的电源经过排线接入控制电路。

开关电源产生的+5v与控制电路的VCC相连，产生的+2v与控制电路的两个运算放大器的正极相连，开关电源产生的+12v与控制电路的+12v相连，定电压输入高隔离非稳压单输出电源+5V与控制电路的通讯电源+5v相连。

显示模块是由LED显示灯组成。分别显示工作状态和故障显示。分别与单片机的管脚37、38相连。

开关量模块由继电器、驱动三极管和相应的保护电路组成。由光耦使单片机模块与继电器隔离。光耦输入端连接单片机的管脚39，输出端与驱动三极管的控制级b连接，由驱动三极管驱动继电器动作，继电器两端反相并联IN4148.

电量信号采集模块由电流、电压互感器，运算放大器组成。由相应的电流、电压互感器将外界电流、电压信号统一转换成电压信号，经反相放大器将信号转换成单片机模块可以采集的电压信号，并分别接入单片机的管脚2、3。

通讯模块采用RS485通讯芯片U₈、光耦隔离和相应的保护电路组成。连接如原理图所示，光耦隔离U₅输入端接单片机管脚40，光耦隔离U₅输出端接入RS485芯片U₈的2、3管脚。光耦隔离U₆输入端与单片机管脚25连接，光耦隔离U₆输出端连接到RS485芯片U₈的脚4。光耦隔离U₇输入端与RS485芯片U₈的管脚1连接，光耦隔离U₇输出端连接到单片机的管脚26。RS485芯片U₈的管脚5、6、7、8分别与电源地、半双工串口通讯接口和电源连接。

采用单片机模块PIC16F877作为控制芯片，利用片内A/D转换器采集零序电压、零序电流，由单片机模块进行处理。本发明采用基波零序电流方向选线方法。

单相接地稳态下，零序电压、电流的数学描述f(t)，都属于非正弦周期时变函数，可以用傅立叶级数表示为：

$f\left(t\right)=A_0+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{km}}\sin (\mathrm{k\ωt}+{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ψ}}}_k)=a_0+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(a_k\cos \mathrm{kwt}+b_k\sin \mathrm{kwt})$

式中A₀一直流分量，且A₀＝a₀；

    k一谐波分量的谐波次数；

    A_km一k次谐波的幅值，且 $A_{\mathrm{km}}=\sqrt{a_k^2+b_k^2};$

    ψ_k一k次谐波的初相角，且 ${\mathrm{\ψ}}_k={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{b_k}{a_k};$

    a_k一k次谐波的余弦系数，且a_k＝A_kmsinψ_k；

b_k一k次谐波的正弦系数，且b_k＝A_kmcosψ_k，

滤去直流分量后，单相接地稳态下用傅氏系数表达的基波零序电压、电流分别为：

u₀＝u_oc*cos wt+u_ossin wt

i_o＝i_oc*cos wt+i_ossin wt

式中， $u_{\mathrm{oc}}=u_{\mathrm{om}}\sin {\mathrm{\ψ}}_{u_0},$ 基波零序电压的余弦系数

$u_{\mathrm{os}}=u_{\mathrm{om}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{u_0},$ 基波零序电压的正弦系数

$i_{\mathrm{oc}}=i_{\mathrm{om}}{\sin \mathrm{\ψ}}_{i_0},$ 基波零序电流的余弦系数

$i_{\mathrm{os}}=i_{\mathrm{om}}\cos {\mathrm{\ψ}}_{i_0},$ 基波零序电压的正弦系数

单片机模块需要对离散型的采样信号进行计算，假设每一个周期中的采样次数为N，采样顺序为M＝0-(N-1)，则有公式为：

$a_k=\frac{2}{N}\underset{M=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(M*\frac{2\mathrm{\π}}{N})*\cos (k*M*\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

$b_k=\frac{2}{N}\underset{M=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}f(M*\frac{2\mathrm{\π}}{N})*\sin (k*M*\frac{2\mathrm{\π}}{N})$

为了可以准确的计算、简单地求取k＝1时的零序电压和零序申流基波分量，本设计取N＝12，则有：

$a=\frac{2}{12}\underset{0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}f(M*\frac{\mathrm{\π}}{6})*\cos (M*\frac{\mathrm{\π}}{6})=\frac{1}{6}[(f_0-f_6)+\frac{1}{2}(f_2-f_4-f_8+f_{10})+$

$\frac{\sqrt{3}}{2}(f_1-f_5-f_7+f_{11})]$

$b=\frac{2}{12}\underset{0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}f(M*\frac{\mathrm{\π}}{6})*\sin (M*\frac{\mathrm{\π}}{6})=\frac{1}{6}[(f_3-f_9)+\frac{1}{2}(f_1-f_7-f_{11}+f_5)+$

$\frac{\sqrt{3}}{2}(f_2-f_8-f_{10}+f_4)]$

式中的f₀～f₁₁分别为M＝0-11次采样时的零序电压或零序电流瞬时值。

动作方程依据为单相接地时，故障线零序电流滞后零序电压约90°。若以母线零序电压U₀为参考相量，则在极座标系中，U₀与故障线零序电流I₀间的相位关系如图5所示。

与此相应的动作方程为：

$I_m\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0}<0$

式中，符号I_m表示取其虚部， $\sin ({\mathrm{\&psi;}}_{I_0}-{\mathrm{\&psi;}}_{U_0})=\sin {\mathrm{\&psi;}}_{I_0}\cos {\mathrm{\&psi;}}_{U_0}-\cos {\mathrm{\&psi;}}_{I_0}\sin {\mathrm{\&psi;}}_{U_0}<0$

两边都乘以U₀I₀，可得

$I_0\sin {\mathrm{\&psi;}}_{I_0}*U_0\cos {\mathrm{\&psi;}}_{U_0}-I_0\cos {\mathrm{\&psi;}}_{I_0}*U_0\sin {\mathrm{\&psi;}}_{U_0}=I_{0c}*U_{0s}-I_{0s}*U_{0c}<0$

所以基波零序电流方向选线方法的动作方程(或称‘判据’)为：

$I_{0c}*U_{0s}-I_{0s}*U_{0c}<0$

使用本发明装置现场装置需要提供交流220V电源，由现场提供零序电压经过一次电压互感器转换后的电压，零序电流经过一次电流互感器转换后的电流。同时装置对外提供了一个开关输出信号。使用RS485通讯端口和GSM***连接，利用***的无线网络，实现无线通讯。

当发生单相接地故障时，零序电压和零序电流的相位关系发生变化，经过一次转换后的零序电压、零序电流经过电压互感器和电流互感器的变换和运算放大器的调理转换成单片机模块可以采集的电压信号。单片机模块将模拟量转换成数字量后，进行运算处理对故障进行选线判断，将相关故障信息分别经I/O端口输送至LED显示器和开关量输出电路。相关故障信息输入开关量输出电路的输入端(驱动三极管的基极)，经驱动三极管放大后驱动继电器动作，产生开关量信号，该开关量信号可以输入断路器的对应端口，对断路器进行控制。故障信息还可通过RS485串行通讯接口发信息给GSM***模块，以无线形式通过***发送短信给值班室工作人员进行告知接地故障的发生。

本装置采用的基波功率方向判别方法，可以提高故障线路的识别准确性和实时性，同时采用精密零序电流互感器减少不平衡电流对选线可靠性的影响。

由高性能单片机模块PIC16F877构成，可以直接应用与装设有三相电流互感器或零序电流互感器的10kV小电流接地***，做为单相接地故障的自动选线保护装置。它的电源工作电压为220VAC，正负误差为20％，零序电流识别范围在0.5A-5A之间。利用单片机模块内自带A/D转换采集零序电压、电流转换成数字量。其测量原理图如附图2所示。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。

在本设计中采用了RS485通讯方式，采用差分方式传输信号，可靠性高，传输距离远，传输速度高达10Mbit/s。为了防止通讯线路上的干扰进入控制器，通讯电路要和CPU电路电气隔离。并使用GSM模块，可以直接联入***，减少通讯网络的建设费用。具有入网快速，通讯可靠的特点。

附图说明

图1为本发明装置结构框图；

图2为本发明装置电路原理图；

图3为本发明装置电源线路原理图；

图4为本发明方法中零序电流采集测量原理图；

图5为本发明方法中母线零序电压U₀与故障线零序电流I₀的相位关系图；

图6为本发明装置单片机模块进行基波功率方向判别流程图；图6中的n相当于一个计数器，记录故障的发生次数，防止干扰造成误判断，进行累加区分；

图7为图6中步骤(6)的通讯子程序框图；

图8为本发明方法中断服务程序框图。

具体实施方式：

本发明装置构成如图1所示，由电源模块、电量信号采集模块、显示模块、开关量输出模块、单片机模块和通讯模块组成。

电源模块如图3所示。可以利用电压互感器或者工频电源直接提供。选用开关电源为交流变直流电源模块，输入范围在85～265V，输出两路分别为直流5V/0.3A、12V/0.3A。开关电源前端使用压敏电阻保护开关电源，防止过电压对后面电路的损坏。同时使用共模电感和相应电路来抑制市电的共模和差模干扰。因为对零序电压、电流的采集采用单极性A/D转换，所以需要为后面电路提供2V的提升电压。本设计采用电阻分压方法，从5V电源上提取2V直流电。并且后面需要实现与外界的通讯，因此这里要提供一个与控制线路电气隔离的5V电源，本设计选用定电压输入高隔离非稳压单输出的F0505S-1W，该电子器件输入5V，输出5V。

单片机模块、电量信号采集模块、显示模块、开关量输出模块和通讯模块如图2所示。

采用Microchip公司的单片机模块PIC16F877，自身带有8路A/D转换通道，在电路图中只用了两路，对一条线路的在线检测单相接地故障，最多可以实现对四条线路的同时在线检测。设计中采用了星格的电压互感器SPT204A和电流互感器SCT254AZ，将零序电压和电流转变成单片机模块可以检测的小电压信号。使用运算放大器LM358，采用反相放大电路如图所示。同时设计中使用了按钮复位电路。电路检测到故障报警时，使用按钮进行设备的重新复位，重新检测线路。并且使用了继电器输出电路，使用快速二极管IN4148，对继电器线圈上的电流进行瞬间续流。在线路发生故障时，给出一个开关信号。为了与西门子的***GSM模块实现通讯功能，设计中采用RS485通讯电路。选用了半双工RS485接口芯片SN75LBC184，该芯片不但能够抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击。同时具有限斜率驱动功能，可以有效遏制干扰的产生。同时使用隔离技术进行通讯模块和控制模块的电气隔离，提高通讯和整个装置可靠性。

引入的工频电压交流220V，经过压敏电阻进行过压保护，通过共模电感对共模电流进行抑制。最后接入电源模块的脚2、脚3，由脚5、脚4提供+5，由脚7、脚8提供+12V。同时将+5V采用R1、R2电阻分压的方式提供+2V。将+5V接入U3脚1、脚2，有脚3、脚4提供与前面5V电气隔离的+5V。将这些输出电压通过排线由电源板引入控制板。

控制板中采用电压互感器、电流互感器将外界的大电压和大电流转化成单片机模块可以使用的小电压和微电流。小电压和微电流分别接入两个运算放大器的负端，转变成电压信号。由两个运算放大器的输出端直接接入单片机模块PIC16F877的脚2和脚3的A\D转换端口，采集外界模拟信号。采用复位电路接入单片机的脚1低压复位端口。电路中的4M晶振分别接入单片机的脚13、14，为单片机模块提供时钟。单片机模块运行指示灯和故障指示灯分别接入单片机的脚37、38。继电器的开关量输出信号线通过光耦的电气隔离接入单片机的脚39。通讯模块通过光耦实现电气隔离分别与单片机的脚40、和串口通讯引脚25、26连接。

本发明装置的保护功能在零序电流、零序电压大于一个整定值投入工作，整定值可以按照现场的要求进行修改，如现场给定数据在零序电流小于10A，零序电压小于20V时被视为不是小电流接地故障出现，所以可以设置零序电流的整定值为10A，零序电压的整定值为20V。装置提供了两个LED显示灯，分别为单片机模块数据计算指示(绿灯)和故障指示(红灯)。在装置保护功能已经投入后，单片机模块数据计算指示灯会间隙的闪烁，方便工作人员判断装置是否正常运行；当已经判断***中存在单相接地故障时，故障指示灯会点亮，提示工作人员进行故障检修。装置在判定存在单相接地故障后，不仅提供故障指示灯指示，同时对外提供继电器开关信号。为防止***中瞬间的干扰信号或短期存在的故障使装置产生的误判断，装置提供记忆功能，在一个整定时间内持续检测到故障信号，装置才判断为发生单相接地故障。这个整定时间可以按照现场要求进行修改。在装置判定故障后，经过人员的维修使***中故障排除，装置的故障指示灯会自动熄灭；装置也提供了复位按钮，可以人为使***重新投入线路的单相接地故障检测。装置的电源提供范围为交直流电压85V～265V，可以方便电力***现场的使用。装置同时可以提供半双工RS485通讯端口，有防静电和抗雷击的功能。同时采用隔离技术使通讯部分和核心控制芯片完全电气隔离，有效提供通讯的可靠性和装置的整体抗干扰性。通讯功能可由用户要求选择使用。

装置在运行过程中单片机模块的运行如图6所示，其步骤如下：

(1)初始化；

(2)判断基波零序电压U₀和基波零序电流I₀，是否大于设定的整定值；

(3)顺序采样并存储母线的零序电压U₀和零序电流I₀；

(4)根据基波零序电流方向选线方法的动作方法计算基波零序电压的正弦系数Uos、基波零序电压的余弦系数Uoc、基波零序电流的正弦系数Ios、基波零序电流的余弦系数Ioc；

(5)判断是否Ioc*Uos-Ios*Uoc＜0，若＜0，转入步骤(6)，否则转入步骤(2)；

(6)当n＞整定值，故障指示灯闪烁，继电器动作，同时进行通讯；

(7)结束。

首先对单片机模块进行各个引脚和功能的初始化。然后检测零序电压、零序电流，当电流、电压值大于一个整定值后，启动基波零序电流方向选线保护程序。在一个周期内全波顺序采样12个点的零序电压和零序电流，并保存在数据存储器中。分别将采样点存储数据带入已推导的计算公式，计算出判断所需要的四个参数，并给出CPU工作指示灯变换。将计算参数带入判断公式判断故障的发生信号。为防止外界脉冲干扰造成的误判断，采用累加的方式确保程序的可靠运行。

通讯子程序包括以下步骤：

①通讯管脚格式设置，GSM短信格式设置；

②检测标志字，发送短信息发送命令和手机号码；

③做短延时等待GSM***反馈；

④设置短信息内容，并发送；

⑤检测接收字节判断发送是否成功，成功转入步骤⑥，否则转入步骤②；

⑥子程序出口。

在运行中如发生中断，会自动启动中断服务程序。

中断服务程序包括以下步骤：

(1)中断保护；

(2)判断是否串口接收数据产生中断，是转入步骤(3)，否转入步骤(5)；

(3)判断接收到字节数是否与要求一致，是转入步骤(4)，否转入步骤(5)；

(4)保存并转移接收到的字节；

(5)中断恢复。

Claims (5)

1、一种单相接地故障在线选线保护装置，其特征在于包括电源模块、电量信号采集模块、显示模块、开关量输出模块、单片机模块和通讯模块，其联接是单片机模块中的单片机采用PIC16F877芯片，相应的晶振电路与PIC16F877芯片的13、14管脚相连，复位电路与单片机的管脚1相连；显示模块由LED显示灯组成，分别与单片机的管脚37、38相连；开关量输出模块由继电器、驱动三极管和保护电路组成，保护电路的光耦的输入端连接单片机的管脚39，光耦的输出端与驱动三极管的控制极连接，继电器两端反相并联快速二极管IN4148；电量信号采集模块由电流、电压互感器和运算放大器组成，两个运算放大器分别接入单片机的管脚2、3；通讯模块采用RS485芯片U₈、光耦隔离和保护电路组成，光耦隔离U₅输入端接入单片机管脚40，光耦隔离U₅输出端接入RS485芯片U₈的2、3管脚，光耦隔离U₆输入端与单片机管脚25连接，光耦隔离U₆输出端连接到RS485芯片U₈的脚4，光耦隔离U₇输入端与RS485芯片U₈的脚1连接，光耦隔离U₇输出端连接到单片机的管脚26，RS485芯片U₈的管脚5、6、7、8分别与电源地、半双工串口通讯和电源连接。

2、根据权利要求1所述的单相接地故障在线选线保护装置，其特征在于所述电源模块由开关电源、共模和差模抑制电路、定电压输入高隔离非稳压单输出电源组成，外接220V交流电源经过共模和差模抑制电路接入开关电源输入管脚，分别输出5V和12V的电压，经过去耦电容和旁路电容保证输出的稳定，再经过电阻分压为后级电路提供2V电压，5V电源经过定电压输入高隔离非稳压单输出电源为通讯提供5V的隔离电源。

3、使用权利要求1所述单相接地故障在线选线保护装置在线选线保护的方法，其特征在于采用基波功率方向判别方法，在单相接地稳态下采集零序电压、零序电流，其判别步骤如下：

(1)初始化；

(2)判断基波零序电压U₀和基波零序电流I₀，是否大于设定的整定值；

(3)顺序采样并存储母线的基波零序电压U₀和基波零序电流I₀；

(4)根据基波零序电流方向选线方法的动作方程计算基波零序电压的正弦系数U_0s、基波零序电压的余弦系数U_0c、基波零序电流的正弦系数I_0s、基波零序电流的余弦系数I_0s，其动作方程是：

$I_m\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_0}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0}<0$

式中，符号I_m表示取其虚部，

表示基波零序电流I₀矢量值，

基波零序电压U₀矢量值；

(5)判断是否I_0c*U_0s-I_0s*U_0c＜0，若＜0，转入步骤(6)，否则转入步骤(2)；

(6)当n＞整定值，故障指示灯闪烁，继电器动作，同时调用通讯子程序，其中，n相当于一个计数器，记录故障的发生次数；

(7)结束。

4、根据权利要求3所述的在线选线保护的方法，其特征在于所述步骤(6)中调用的通讯子程序包括以下步骤：

①通讯管脚格式设置，GSM短信格式设置；

②检测标志字，发送短信息命令和手机号码；

③做短延时等待GSM***反馈；

④设置短信息内容，并发送；

⑤检测接收字节判断发送是否成功，成功转入步骤⑥，否则转入步骤②；

⑥子程序出口。

5、根据权利要求3所述的在线选线保护的方法，其特征在于当运行中如发生中断，会自动启动中断服务程序，其中断服务程序包括以下步骤：

1)中断保护；

2)判断是否串口接收数据产生中断，是转入步骤3)，否转入步骤5)；

3)判断接收到字节数是否与要求一致，是转入步骤4)，否转入步骤5)；

4)保存并转移接收到的字节；

5)中断恢复。

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