CN101499650A - 基于gprs的小电流接地选线保护装置及保护方法 - Google Patents

Abstract

基于GPRS的小电流接地选线保护装置及保护方法，采用零序补偿导纳选线方法，一台装置能兼容实现NUS和NES接线方式下的小电流接地的选线保护，在适用范围上更加广泛。同时保护装置对外提供了一个开关输出信号，利用GPRS无线网络，实现无线通讯。本发明的保护方法增加了NUS接线方式下故障判断的判断条件，误差大幅度减小，进一步提高了选线的准确度，使得装置的误判率降低，理想状态下误判率低于1％，现场试验测试误判率也能保持在5％以内；本发明装置的可靠性高、传输距离远，使用GPRS模块，可减少建设费用，入网快速，通讯可靠。

Description

基于GPRS的小电流接地选线保护装置及保护方法

技术领域

本发明属于电力传输领域，应用于中性点不接地电网，为一种基于GPRS的小电流接地选线保护装置及保护方法。

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个小时，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。

中性点不接地电网是中性点非直接接地电网一种。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。目前一些技术人员对此作了大量的研制工作，开发出的一种保护装置，是采用群体比幅比相方法，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

本发明要解决的问题是：目前中性点不接地电网中没有合适的保护装置，故障维护耗费大量的人力、物力和时间，已有的保护装置判别不稳定，需要一种稳定有效的小电流接地选线保护装置及保护方法。

本发明的技术方案为：基于GPRS的小电流接地选线保护装置，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、通讯模块和GPRS模块，电源模块、电量信号采集模块的输出连接单片机模块，显示模块、开关量输出模块和通讯模块与单片机模块双线连接，通讯模块与GPRS模块由RS232连接，电量信号采集模块由电流、电压互感器、运算放大器和滤波电路组成，滤波电路为二阶压控电压源低频滤波电路，单片机模块包括C8051F206芯片、相应的晶振电路和复位电路，显示模块由LED显示灯组成，开关量输出模块由继电器、驱动三极管和保护电路组成，通讯模块由RS232电平转换芯片和保护电路组成。

为了防止通讯线路上的干扰进入控制器，通讯电路要和单片机电路电气隔离。

本发明保护装置的电源模块由电流/电压变换器获得电量信号采集模块的电流互感器二次侧的电流，经过共模和差模抑制电路、整流滤波电路、集成稳压芯片、定电压输入高隔离非稳压单输出得到所需电压，具体为：电量信号采集模块的电流互感器二次侧的电流经过共模和差模抑制电路和整流滤波电路接入集成稳压芯片7805和SPX1117M3_3.3，分别输出5V和3.3V的电压，由去耦电容和旁路电容保证输出的稳定，其中5V电源经过定电压输入高隔离非稳压单输出为通讯模块提供5V的隔离电源，3.3V为单片机C8051F206提供电源。

本发明基于GPRS的小电流接地选线保护方法，采用零序补偿导纳方法，在单相接地稳态下采集零序电压、零序电流，由于单相接地后零序电压为U₀∈(30V，100V)，当监测到零序电压超过30V后启动选线程序，其判别步骤如下：

(1)初始化；

(2)确定需要进行故障判断的接线方式，是中性点不接地NUS还是中性点经消弧线圈接地NES；

(3)如果是NUS，单相接地稳态下，计算基波零序电压的正弦系数u_1s、基波零序电压的余弦系数u_1c、基波零序电流的正弦系数i_1s、基波零序电流的余弦系数i_1c，判断是否i_1su_1s+i_1cu_1c<0，i_1cu_1s-i_1su_1c<0，若同时满足，则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则转入步骤(7)；

(4)如果是NES，计算补偿导纳，判断补偿导纳基准值Y_per，若满足|Y_per|<1.5％则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则判断是否|Y_per|>20％，若满足则发生了接地故障，转入步骤(6)，若均不满足|Y_per|<1.5％和|Y_per|>20％，转入步骤(5)；

(5)判断补偿导纳角θ，若满足180°-θ1<θ<180°+θ₂，则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则转入步骤(7)，其中θ₁为过补偿动作边界角，θ₂为欠补偿动作边界角；

(6)计数器加1，计数器是否大于设定阈值，若满足报警，同时调用通讯子程序；否则转入步骤(2)；

(7)返回步骤(1)；

步骤(6)所述设定阈值为进行接地故障判断次数。

步骤(7)中调用的通讯子程序包括以下步骤：

(1)GPRS短信格式设置，初始化参数；

(2)发送建立连接指令；

(3)判断GPRS模块是否连接，若已连接转入步骤(4)，否则转入步骤(2)；

(4)发送短消息；

(5)判断短消息是否发送成功，若发送成功，转入步骤(6)，否则转入步骤(4)；

(6)返回。

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)SWCINT中断请求；

(2)若满足从GPRS模块接收数据，否则转入步骤(5)；

(3)判断是否有短消息，若满足提取消息，否则转入步骤(5)；

(4)根据短消息判断是否分闸，若满足进行分闸，否则转入步骤(5)；

(5)中断返回。

本发明采用单片机C8051F206作为控制芯片，通过电压、电流互感器，利用片内A/D转换器采集零序电压、零序电流，由单片机进行处理，采用零序补偿导纳选线方法。同时保护装置对外提供了一个开关输出信号，使用RS232通讯端口和GPRS***连接，利用GPRS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可以采集的电压信号。单片机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，即驱动三极管的基极，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RS232串行通讯接口发信息给GPRS***模块，以无线形式发送短信给值班室工作人员进行告知接地故障的发生。

以往也有一些应用零序补偿导纳法的论文，但都只分析了中性点经消弧线圈接地NES的故障判断，本发明在零序补偿导纳法的基础上增加了判别中性点不接地NUS的方法，并将两者结合到一起，由一套装置即可实现对两种***的选线保护，在适用范围上更加广泛。

本发明零序导纳选线方法的动作方程需要计算基波零序电压的正弦系数u_1s、基波零序电压的余弦系数u_1c、基波零序电流的正弦系数i_1s、基波零序电流的余弦系数i_1c，以往对NUS都是通过零序电压判断接地故障的发生，然后通过对零序电流进行傅里叶变换，提取出基波分量，判断接地故障。但是由于电力***出现故障时，故障信号中还含有衰减直流分量。由于衰减直流分量是典型的非周期信号，对应的频谱为连续谱，从而与信号中基频、二次谐波分量的频谱混叠，计算时会造成很大的误差，最严重的情况下计算误差超过10％。本发明方法在傅立叶算法的基础上，考虑了衰减直流分量的影响，同时对零序电压和零序电流进行傅里叶变换，利用电压、电流两个基波分量的系数构成判别式，通过基波零序电压的正弦系数u_1s、基波零序电压的余弦系数u_1c、基波零序电流的正弦系数i_1s、基波零序电流的余弦系数i_1c来进行判断，这样可以明显的减少误差，原先的故障判别条件只有一个：零序电流基波分量，一旦零序电流受到干扰，对故障的判断就会出现误差，现在本发明通过零序导纳的特性，得到同时利用零序电压和零序电流基波分量来判断的两个判别式，判别条件细化，误差大幅度减小，进一步提高了选线的准确度，使得装置的误判率降低，，理想状态下误判率低于1％，现场试验测试误判率也能保持在5％以内。

另外，单片机模块处理需要的是电流、电压中的基波和二次谐波信号。因此，应该采用滤波电路滤掉信号中三次以上的谐波。在滤波电路中，无源滤波电路简单，但是受负载影响较大；有源滤波电路中一阶滤波电路的最大衰减斜率只有-20dB/十倍频，二阶电路衰减频率升高为-40dB/十倍频，但是与理想的低频滤波特性差别较大。本发明装置采用二阶压控电压源低频滤波电路，它具有-40dB/十倍频的最大衰减频率，而且在最大限度衰减无用信号的同时，使得有用信号受到的影响较小。

以往保护装置的电源需要单独电源的提供供电，在户外环境下，不能很好的利用，应用范围窄，存在一定的局限性，本发明的装置主要用在户外架空线路上，没有单独的电源供电，同时，它又和真空断路器一起配合使用，因此，将真空断路器中的电流互感器的二次电流经变换器微型CT转换为适合于该控制器的电源，解决了以往装置不能应用在户外环境的缺陷。由于本装置上电时状态不能确定，将造成装置不能正常工作，为解决这个问题，需要一个复位信号将单片机模块初始化为确定的状态。传统的阻容复位电路虽然也可以较好工作，但是其可靠性不高；随着电压检测芯片价格上的降低，高可靠性的优点逐渐被广泛采用。本发明采用电压检测芯片做复位电路，提高装置的可靠性，抗干扰性强，比起传统的阻容电路易受干扰、稳定性差的特点，复位芯片防抖动，不随电源的波动而轻易误动作。

现有的保护装置在单相接地保护应用范围单一，本发明对NUS***和NES***都采用了零序补偿导纳方法，一套硬件装置即可实现，在NUS***、NES***中都适用，并且不受过渡电阻的影响，采用的保护算法准确性高、可靠性强，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。保护装置的单片机由高性能单片机C8051F206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***，作为单相接地故障的自动选线保护装置；它的电源来自于电流互感器二次侧，经过电流—电压互感器获得，零序电流识别范围在0.5A—5A之间，利用单片机内自带A/D转换采集零序电压、电流转换成数字量，其测量原理图如图4所示。本发明装置的出口接线选用接插件形式，方便用户进行接线连接，并且设置了故障指示灯和正常运行灯，方便工作人员观察装置是否正常运行，不需要工作人员爬到线路上近距离观看，只需在下面观看装置指示灯的运行情况既可判别装置是否正常工作，给工作人员带来了极大的方便，使用独立封闭单元机箱，密封性好，抗干扰、坚固可靠，抗振动能力强，保护装置的RS232通讯方式，可靠性高，保护装置使用GPRS模块，可以直接联入现有移动通信网络，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为本发明保护装置结构框图。

图2为本发明保护装置电路原理图。

图3为本发明保护装置电源线路原理图。

图4为本发明保护方法中零序电流采集测量原理图。

图5为本发明保护方法中零序补偿导纳动作平面关系图。

图6为本发明保护装置液晶显示电路原理图。

图7为本发明保护装置单片机进行零序补偿导纳法判别流程图；图7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8为图7中步骤(6)的通讯子程序框图。

图9为本发明保护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、电量信号采集模块的输出连接单片机模块，显示模块、开关量输出模块和通讯模块与单片机模块双线连接，通讯模块与GPRS模块由RS232连接。

电源模块如图3所示。由线路电流互感器CT二次侧，经过电流—电压互感器获得，线路CT二次侧电流流入电源模块内部一个5VA的微型电流互感器CT3，微型CT3二次侧开路时，其电压饱和，且大小基本不变；电源模块由电流互感器CT3获得电量信号采集模块的电流互感器二次侧的电流，经过共模和差模抑制电路、集成稳压芯片、定电压输入高隔离非稳压单输出得到所需电压，如图3所示，TVS1、TVS2、TVS3为瞬态电压抑制器P6KE系列，分别进行两相之间、A相对地、C相对地的保护。CY1和CY2为共模抑制电容，选择耐压为50V，容量为10nF的陶瓷电容，其公共端和TVS2、TVS3公共端通过控制器外壳接入大地。CX1和CX2为差模抑制电容，选择耐压为63V，容量为0.1μF的薄膜电容。由于CX1上电荷的积累会影响滤波特性，所以在CX1上并联大阻值的泄放电阻RX。接下来的全波整流电路、滤波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，为时钟芯片DS1307、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。再把+5V直流电压变为稳定的+3.3V电压，为单片机模块供电，电容C1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，输出接E2电解电容来保证输出的稳定性。采用隔离电源F0303S-1W为输出级提供电源，电路如图3所示，F0303S-1W是定电压输入单输出电源模块，输入电压为3V～3.5VDC，输出电压为3VDC，隔离电压可达3000VDC，最大输出电流200mA。

单片机模块、电量信号采集模块、开关量输出模块和通讯模块如图2所示，显示模块如图6所示。

电量信号采集模块包括滤波电路，采用二阶压控电压源低频滤波电路，它具有-40dB/十倍频的最大衰减频率，而且在最大限度衰减无用信号的同时，使得有用信号受到的影响较小。

本发明装置的单片机模块采用Silicon Laboratories公司的单片机C8051F206，自身带有A/D转换通道，在图2的显示中只用了两路，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。本发明采用北京耀华德昌的电压互感器TV19E和电流互感器TA1915LB，将零序电压和电流转变成单片机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；同时使用了复位电路，采用的电压监测芯片是飞利浦公司的MAX708RD。MAX708RD是一款用于3.3V电源***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、自动复位功能和手动复位功能，如图2所示。当复位按钮SW1闭合、***刚上电或MAX708RD的电源电压降到2.63V以下时，低有效复位输出引脚变低，芯片C8051F206可靠复位。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GPRS模块的***实现通讯功能，采用RS232通讯电路，其核心是飞利浦的LPC23系列处理器，支持数据、语音、短信息和传真等通信功能，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。

本发明保护装置中采用电压互感器、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C8051F206的脚37和脚38的A\D转换端口，实现外界模拟信号的采集。复位电路接入单片机的脚14低压复位端口；16MHz晶振分别接入单片机的脚9、10，为单片机提供时钟；单片机运行指示灯和故障指示灯分别接入单片机的脚34、35；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36。通讯模块采用RS232电平转换芯片和保护电路组成，单片机管脚40、39接入RS232电平转换芯片的11、10管脚，RS232电平转换芯片的管脚15、14、7、16分别与电源地、半双工串口通讯和电源连接。

本发明保护装置的保护功能在零序电流、零序电压大于一个整定值时投入工作，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30V时，视为不是小电流接地故障出现，则可以设置零序电流的整定值为10A，零序电压的整定值为30V。装置提供了两个LED显示灯，分别为单片机数据计算指示(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。装置提供标准的UART串行接口RS232和RS485可选，本发明装置采用RS232通信端口，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。

本发明的保护方法主要通过单片机实现，如图7所示，其步骤如下：

(1)初始化；

(2)确定接线方式，是中性点不接地NUS还是中性点经消弧线圈接地NES；

(3)如果是NUS，单相接地稳态下，计算基波零序电压的正弦系数u_1s、基波零序电压的余弦系数u_1c、基波零序电流的正弦系数i_1s、基波零序电流的余弦系数i_1c，判断是否i_1su_1s+i_1cu_1c<0，i_1cu_1s-i_1su_1c<0，若同时满足，则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则转入步骤(7)；

(4)如果是NES，计算补偿导纳，判断补偿导纳基准值Y_per，若满足|Y_per|<1.5％则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则判断是否|Y_per|>20％，若满足则发生了接地故障，转入步骤(6)，若均不满足|Y_per|<1.5％和|Y_per|>20％，转入步骤(5)；

(5)判断补偿导纳角θ，若满足180°-θ1<θ<180°+θ₂，则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则转入步骤(7)，其中θ₁为过补偿动作边界角，θ₂为欠补偿动作边界角；

(6)计数器加1，计数器是否大于设定阈值，若满足报警，同时调用通讯子程序；否则转入步骤(2)；

(7)返回步骤(1)；

步骤(6)所述设定阈值为进行接地故障判断次数，一般设为5次。

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：

式中，I₀—直流分量，i₀＝I₀；

k—谐波分量的谐波次数；

K—谐波分量的最高次谐波次数；

I_km—k次谐波的幅值，且 $I_{\mathrm{km}}=\sqrt{a_k^2+b_k^2};$

—k次谐波的初相角，且

a_k—k次谐波的余弦系数，且

b_k—k次谐波的正弦系数，且

滤去直流分量后，得到单相接地稳态下用傅氏系数表达的基波零序电压、电流：

基波零序电压u₁＝u_1c cos ωt+u_1s sin ωt

基波零序电流i₁＝i_1c cos ωt+i_1s sin ωt

则u_1m为基波电压的幅值，i_1m为基波电流的幅值。

在本发明装置上应用时，单片机对离散型的采样信号进行计算，假设每—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：

$i_{\mathrm{kc}}=\frac{2}{N}\underset{M=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}f\left(M\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\right)\cos \left(\mathrm{kM}\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\right)$

$i_{\mathrm{ks}}=\frac{2}{N}\underset{M=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}f\left(M\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\right)\cos \left(\mathrm{kM}\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}\right)$

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，如取N＝24，则有：

$i_{1c}=\frac{2}{24}\underset{0}{\overset{23}{\mathrm{\&Sigma;}}}f\left(M\frac{\mathrm{\&pi;}}{12}\right)\cos \left(M\frac{\mathrm{\&pi;}}{12}\right)$

$=\frac{1}{12}[(f_0-f_{12})+0.259(f_5-f_7-f_{17}+f_{19})+$

$0.5(f_4-f_8-f_{16}+f_{20})+0.707(f_3-f_9-f_{15}+f_{21})+$

$0.866(f_2-f_{10}-f_{14}+f_{22})+0.966(f_1-f_{11}-f_{13}+f_{23})]$

$i_{1s}=\frac{2}{24}\underset{0}{\overset{23}{\mathrm{\&Sigma;}}}f\left(M\frac{\mathrm{\&pi;}}{12}\right)\sin \left(M\frac{\mathrm{\&pi;}}{12}\right)$

$=\frac{1}{12}[(f_6-f_{18})+0.259(f_1+f_{11}-f_{13}-f_{23})+$

$0.5(f_2+f_{10}-f_{14}-f_{22})+0.707(f_3+f_9-f_{15}-f_{21})+$

$0.866(f_4+f_8-f_{16}-f_{20})+0.969(f_5+f_7-f_{17}-f_{19})]$

式中的f₀～f₂₃分别为M＝0～23次采样时的零序电压或零序电流瞬时值。

根据零序电压、零序电流的基波量，计算零序测量导纳 ${\stackrel{\&CenterDot;}{Y}}_1=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_1}.$ NUS***单相接地后，零序测量导纳位于导纳复平面的第三象限，即分别取实部和虚部可得：

$\mathrm{Re}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{Y}}_1\right)=\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_1}\right)<0$

$\mathrm{Im}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{Y}}_1\right)=\mathrm{Im}\left(\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_1}\right)<0$

即

上面公式两侧分别乘以U₁I₁，可得：

i_1su_1s+i_1cu_1c<0

i_1cu_1s-i_1su_1c<0

上面公式即为NUS***中，单相接地故障的判据，在NUS***中，如果上述两个公式都满足，则发生了单相接地故障。不满足条件，则没有发生单相接地故障。

NES***单相接地后，根据动作区域图，需要进行保护整定，如图5所示。在判断前，先对补偿导纳进行归一化处理，其基准值选为各条线路的零序电纳：

Y_per＝Y_comp/b_set

Y_per表示补偿导纳的基准值、Y_comp为补偿导纳，当Y_per大于一定门槛值时，直接判为线路故障，否则，利用动作区域图进行判断。当补偿导纳落入左半平面的故障区域时，判为线路故障，否则判为线路正常。如果所有线路的补偿导纳均在非动作区，经过一段时间后，零序电压仍未复归，故障被判为母线故障。

首先，整定小圆的半径，即消弧线圈的电导分量，消弧线圈的有功损耗可以占到补偿容量的百分比为1.5％～2％，一般取为1.5％。根据公式

$Y_{\mathrm{comp}}=Y_k-Y_{\mathrm{set}}=-(g_L+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{g}_i)-j[\mathrm{\&upsi;}\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i+(\mathrm{\&upsi;}-1)b_1]-{\mathrm{jb}}_1$

$=-(g_L+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{g}_i)-\mathrm{j\&upsi;}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i$

Y_k为***导纳，b_i为i次谐波零序导纳，

为除基波外零序导纳之和。

当各条非故障线路为无损耗线且补偿线圈运行在谐振点时，故障线路补偿导纳将出现最小模值，该最小模值为消弧线圈的电导分量g_L。一般情况下，消弧线圈的有功损耗可以占到补偿容量的百分比为1.5％～2％，即

g_L＝(1.5％～2％)×(1-υ)b_∑

Y_per＝g_L/b₁＝[(1.5％～2％)×(1-υ)b_∑]/b₁

其中，b_set为零序电纳、υ为失谐度、b_∑为总电纳，

是非故障线路总电导。

由上式可知：Y_per取最小值的条件是线路无损且b₁＝b_∑，即故障线路的电纳在总电纳中占了绝对比重，在谐振补偿状态下υ＝0，此时有|Y_per|_min＝1.5％。实际上，上述条件同时满足的几率是微乎其微的。取0.015作为导纳动作平面小圆的半径，则任何的故障线路导纳都不可能落入该圆内。

其次，考虑动作区边界的整定。假定进行导纳测量时，电纳的测量误差不会超过20％。即如果|Y_per|>20％，则直接判该线路为故障线路；如果|Y_per|<20％，对于故障线路，因电导部分为负，补偿导纳始终位于导纳平面的左半部分；对于非故障线路，最不利的判别条件为：线路无损，电纳误差又在1.5％以上，则判别结果取决于误差的正负，其导纳角将位于正、负虚轴上。而一般情况下，当线路电导的影响不能忽略时，导纳角将偏向第I或第IV象限。不论是以上哪种情况，非故障线路的补偿导纳均不会进入导纳平面的左半部分，因此，非故障线路和故障线路均可以通过补偿导纳角实现区分。为增强判据的可靠性，结合对实际因素的考虑，探讨最不利的条件下，故障线路补偿导纳角可能达到的上、下限，以此作为故障线路的判别门槛。

由前边公式可得，

$Y_{\mathrm{per}}=-(g_L+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{g}_i)/b_1-\mathrm{j\&upsi;}\frac{b_{\mathrm{\&Sigma;}}}{b_1}$

Y_per与负实轴的夹角为 $\mathrm{\&theta;}=\arctan \left|\mathrm{\&upsi;}\right|b_{\mathrm{\&Sigma;}}/(g_L+\underset{i}{\mathrm{\&Sigma;}}{g}_i),$ 在某一确定补偿度下，当健全线无损、g_L取最小时，该相角最大，即与虚轴的夹角最小，此时，g_Lmin＝1.5％(1-υ)b_∑，因此，有θ_max＝arctan{|υ|/[1.5％×(1-υ)]}，当|υ|最大时，即|υ|＝20％时，过补偿动作边界角θ₁＝arctan{0.2/[1.5％×(1+0.2)]}＝84.86°，类似地可求得欠补偿状态下的动作边界角为θ₂＝arctan{0.2/[1.5％×(1-0.2)]}＝86.57°，至此，所有的故障区动作边界均已确定。

应用本发明时，首先对保护装置的单片机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，确定接线方式，如果是NUS，根据零序导纳选线方法的动作方程计算基波零序电压的正弦系数u_1s、基波零序电压的余弦系数u_1c、基波零序电流的正弦系数i_1s、基波零序电流的余弦系数i_1c；判断是否

若同时满足，启动零序补偿导纳选线保护程序进行报警。如果是NES，计算补偿导纳及导纳角，满足条件，启动零序补偿导纳选线保护程序进行报警，步骤如图7所示。在一个周期内，按全波顺序采样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，并给出单片机工作指示灯变换，再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，即步骤(6)中设定的故障判断阈值。

本发明方法中的通讯子程序包括以下步骤，如图8所示：

(1)GPRS短信格式设置，初始化参数；

(2)发送建立连接指令；

(3)判断GPRS模块是否连接，若已连接转入步骤(4)，否则转入步骤(2)；

(4)发送短消息；

(5)判断短消息是否发送成功，若发送成功，转入步骤(6)，否则转入步骤(4)；

(6)返回。

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，如图9所示；

(1)SWCINT中断请求；

(2)若满足从GPRS模块接收数据，否则转入步骤(5)；

(3)判断是否有短消息，若满足提取消息，否则转入步骤(5)；

(4)根据短消息判断是否分闸，若满足进行分闸，否则转入步骤(5)；

(5)中断返回。

Claims (8)

1、基于GPRS的小电流接地选线保护装置，其特征是包括电源模块、电量信号采集模块、显示模块、开关量输出模块、单片机模块、通讯模块和GPRS模块，电源模块、电量信号采集模块的输出连接单片机模块，显示模块、开关量输出模块和通讯模块与单片机模块双线连接，通讯模块与GPRS模块由RS232连接，电量信号采集模块由电流、电压互感器和运算放大器、滤波电路组成，滤波电路为二阶压控电压源低频滤波电路，单片机模块包括C8051F206芯片、相应的晶振电路和复位电路，显示模块由LED显示灯组成，开关量输出模块由继电器、驱动三极管和保护电路组成，通讯模块由RS232电平转换芯片和保护电路组成。

2、根据权利要求1所述的基于GPRS的小电流接地选线保护装置，其特征是所述电源模块由电流/电压变换器获得电量信号采集模块的电流互感器二次侧的电流，经过共模和差模抑制电路、整流滤波电路、集成稳压芯片、定电压输入高隔离非稳压单输出得到所需电压，具体为：电量信号采集模块的电流互感器二次侧的电流经过共模和差模抑制电路和整流滤波电路接入集成稳压芯片7805和SPX1117M3_3.3，分别输出5V和3.3V的电压，由去耦电容和旁路电容保证输出的稳定，其中5V电源经过定电压输入高隔离非稳压单输出为通讯模块提供5V的隔离电源，3.3V为单片机C8051F206提供电源。

3、根据权利要求1或2所述的基于GPRS的小电流接地选线保护装置，其特征是复位电路为飞利浦公司的电压检测芯片MAX708RD，连接C8051F206芯片的复位端。

4、基于GPRS的小电流接地选线保护方法，其特征是采用零序补偿导纳方法，在单相接地稳态下采集零序电压、零序电流，由于单相接地后零序电压为U₀∈(30V，100V)，当监测到零序电压超过30V后启动选线程序，其故障判断步骤如下：

(1)初始化；

(2)根据要进行故障判断的接地方式，确定进行中性点不接地NUS故障判断或中性点经消弧线圈接地NES故障判断；

(3)如果是NUS，单相接地稳态下，计算基波零序电压的正弦系数u_1s、基波零序电压的余弦系数u_1c、基波零序电流的正弦系数i_1s、基波零序电流的余弦系数i_1c，判断是否i_1su_1s+i_1cu_1c<0，i_1cu_1s-i_1su_1c<0，若同时满足，则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则转入步骤(7)；

(4)如果是NES，计算补偿导纳，判断补偿导纳基准值Y_per，若满足|Y_per|<1.5％则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则判断是否|Y_per|>20％，若满足则发生了接地故障，转入步骤(6)，若均不满足|Y_per|<1.5％和|Y_per|>20％，转入步骤(5)；

(5)判断补偿导纳角θ，若满足180°-θ₁<θ<180°+θ₂，则发生了接地故障，转入步骤(6)，否则转入步骤(7)，其中θ₁为过补偿动作边界角，θ₂为欠补偿动作边界角；

(6)计数器加1，计数器是否大于设定阈值，若满足报警，同时调用通讯子程序；否则转入步骤(2)；

(7)返回步骤(1)；

步骤(6)所述设定阈值为进行接地故障判断次数。

5、根据权利要求4所述的基于GPRS的小电流接地选线保护方法，其特征是NUS中基波零序电压的正弦系数u_1s、基波零序电压的余弦系数u_1c、基波零序电流的正弦系数i_1s、基波零序电流的余弦系数i_1c的获得为：单相接地稳态下，零序电压、电流的数学描述f(t)用傅立叶级数表示为：

式中，I₀—直流分量，i₀＝I₀；

k—谐波分量的谐波次数；

K—谐波分量的最高次谐波次数；

I_km—k次谐波的幅值，且 $I_{\mathrm{km}}=\sqrt{a_k^2+b_k^2};$

次谐波的初相角，且

a_k—k次谐波的余弦系数，且

b_k—k次谐波的正弦系数，且

滤去直流分量后，得到单相接地稳态下用傅氏系数表达的基波零序电压、电流：

基波零序电压u₁＝u_1ccos ωt+u_1ssin ωt

基波零序电流i₁＝i_1c cos ωt+i_1ssin ωt

则

u_1m为基波电压的幅值，i_1m为基波电流的幅值。

6、根据权利要求4或5所述的基于GPRS的小电流接地选线保护方法，其特征是所述步骤(7)中调用的通讯子程序包括以下步骤：

(1)GPRS短信格式设置，初始化参数；

(2)发送建立连接指令；

(3)判断GPRS模块是否连接，若已连接转入步骤(4)，否则转入步骤(2)；

(4)发送短消息；

(5)判断短消息是否发送成功，若发送成功，转入步骤(6)，否则转入步骤(4)；

(6)返回。

7、根据权利要求4或5所述的基于GPRS的小电流接地选线保护方法，其特征是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)SWCINT中断请求；

(2)若满足从GPRS模块接收数据，否则转入步骤(5)；

(3)判断是否有短消息，若满足提取消息，否则转入步骤(5)；

(4)根据短消息判断是否分闸，若满足进行分闸，否则转入步骤(5)；

(5)中断返回。

8、根据权利要求6所述的基于GPRS的小电流接地选线保护方法，其特征是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)SWCINT中断请求；

(2)若满足从GPRS模块接收数据，否则转入步骤(5)；

(3)判断是否有短消息，若满足提取消息，否则转入步骤(5)；

(4)根据短消息判断是否分闸，若满足进行分闸，否则转入步骤(5)；

(5)中断返回。

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