CN100442618C - 一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种可区分短路与谐波的继电保护系统，其特征在于它包括数字信号处理单元、数据采集及数据转换模块、开关量输入/输出模块、电源模块、报警模块及人机交换模块；其工作方法为数据采集、检测比较、开关量信号输出、继电保护动作；其优越性在于：①利用数字信号处理芯片实现继电保护动作的控制，提高了继电保护动作的可靠性和快速性；②调节性能好和可靠性高，降低了因继电保护得误动或拒动带来的停产等事故的概率，进而增强了电网的稳定性；③可以有效的对系统中存在的短路故障和谐波进行区分，且不影响继电保护原有的区分故障和正常运行状态的能力；④对继电保护的动作执行装置进行双重信号控制，其硬件电路简单、实时控制精度高。

Description

一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法

(一)技术领域：

本发明属于电力系统继电保护技术领域，特别是一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法。

(二)背景技术：

电力系统继电保护的主要任务就是在电力系统发生故障时，以尽可能短的时间有选择地切除故障线路。一般继电保护装置是由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件三部分组成。目前，为了适应快速发展的电力事业，使得电网可以连续、安全、可靠的为用户提供高质量的电能，数字式继电保护控制技术越来越多的应用于实际操作中，从而提高了继电保护装置的各方面性能。目前，几乎所有的继电保护装置，尤其是量度继电器，其阀值的设置都是基于对各电气量在系统正常运行和故障运行的两种不同运行状态下存在的差别进行分析，并没有考虑不正常运行状态的运行特性。然而，随着电力电子技术的发展，尤其是可控硅技术的应用，使得系统在运行过程中产生大量的谐波，对电力系统构成了严重的危害，尤其是给继电保护等自动化装置的正常运作造成很大的影响。就继电保护本身而言，它可以区分故障状态和由谐波引起的不正常运行状态的能力很差。可见，如何快速、有效地区分电力系统故障运行状态和不正常运行状态，尤其是短路故障和谐波状态，以实现继电保护装置正确、可靠地动作变得非常重要。

(三)发明内容

本发明的目的在于发明一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法，它运用经典的对称分量法的序电流理论，并结合高性能处理器，可较好的克服上述传统控制系统的缺点，是一种快速度、高精度、可有效区分短路与谐波的继电保护系统。

本发明的技术方案：一种可区分短路与谐波的继电保护系统，包括计算机，其特征在于系统还包括数字信号处理单元、数据采集及数据转换模块、开关量输入/输出模块、电源模块、报警模块及人机交换模块；所说的数据采集及数据转换模块的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接数字信号处理单元的输入端；所说的开关量输入/输出模块的输入端分别连接数字信号处理单元和保护单元的输出端，其输出端连接保护单元的输入端；所说的电源模块输出端接数字信号处理单元的输入端；中央处理模块与人机交换模块呈双向连接；所说的报警模块的输入端连接数字信号处理单元的输出端。

上述所说的数据采集及数据转换模块由电压、电流交流采样前端电路、滤波、放大电路和A/D转换电路组成；交流采样前端电路将采集的电流信号，经过二次电流互感器后变换为小电流量，小电流量再经滤波、放大电路后，变换为A/D转换器可以接受的电压范围并存储数字信号处理单元RAM中；滤波电路采用二阶低通有源滤波器。

上述所说的电压、电流交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的滤波、放大电路用R1、R2、R3、R4、R5、R6及比较器构成；所说的A/D转换电路由R6、R7、R8、R9、R10、R11、C3、比较器U3A、U4A和A/D转换芯片构成。

上述所说的数字信号处理单元由数字信号处理芯片、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路构成；所说的数据总线驱动电路、电源管理模块、晶振电路的输出端分别连接数字信号处理芯片的输入端。

上述所说的数字信号处理芯片是单片机或DSP芯片；电源管理模块由双电源供电器件及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给数字信号处理芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器构成；其中电源管理模块与晶振电路的输出与DSP芯片相连，输入与交流采样电路的输出相连。

上述所说的人机交换模块由通讯模块和键盘与显示模块构成；其中所说的键盘的输出端连接数字信号处理单元的输入端，所说的显示模块的输入端连接数字信号处理单元的输出端；所说的键盘可以采用工作于中断方式的行列式键盘，显示模块可以采用彩色液晶显示器。

一种可区分短路与谐波的继电保护系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①系统投入运行，数据采集及数据转换模块中的电压、电流交流采样前端电路实时采集的电流信号，经过电流互感器后将其变换为小电流量，小电流量再经滤波、放大电路后，变换为A/D转换器可以接受的电压范围并存储数字信号处理单元RAM中，此时的信号为数字信号处理单元可以接受的数字式信号；

②接收到数字信号后，计算机将启动测量比较步骤，判断此时采集的电流值所对应的系统运行方式、相应的继电保护的整定参数值及等效阻抗，并将采集到的电流信号与整定参数值进行比较；

③当检测出系统中的电流值发生异常的变化时，计算机将启动区分短路和谐波状态的逻辑判断步骤，将系统的电流分解成正序、负序和零序电流，并做进一步的比较判断，以区分短路和谐波；

④最后将判断的结果以开关量的形式通知继电保护的执行装置是否动作。

上述所说的步骤③中的区分短路和谐波状态的逻辑判断步骤是由以下步骤构成：

(1)将采集到的电流信号分解成正序、负序和零序的电流形式；

(2)判断系统线路中流过的电流是否大于继电保护的整定值，“是”则转(3)，“否”则转(11)；

(3)判断零序电流是否为零，“是”则转(4)，“否”则转(11)；

(4)判断正序电流是否为零，“是”则转(5)，“否”则转(6)；

(5)系统中存在3n-1次谐波，判断谐波电流值是否占到系统电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(6)判断负序电流是否为零，“是”则转(7)，“否”则转(8)；

(7)判断正序电流与系统中流过的电流是否相等，“是”则转(9)，“否”则转(10)；

(8)系统中发生两相相间短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(9)系统中发生三相短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(10)系统中存在3n+1次谐波，判断谐波电流值是否占到系统电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(11)判断正序电流与负序电流是否相等，“是”则转(12)，“否”则转(13)；

(12)判断判断正序电流与负序电流是否相等且均为零，“是”则转(14)，“否”则转(15)；

(13)系统中发生两相接地短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(14)系统中存在3n次谐波，判断谐波电流值是否占到系统电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(15)系统中发生单相接地短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(16)向继电保护的执行装置发出跳闸信号，将谐波含量大的线路断开；

(17)仍然保持继电保护原始状态不动作；

上述所说的步骤(5)、(10)和(14)中的n为自然数。

本发明的工作原理：此系统主要是利用控制单元对电力系统线路中的电流进行监测。信号整形变换处理电路把输电线路电流互感器二次侧电流变换为较低幅值交流电压，处理后送入到以DSP为核心的中央数据处理电路中。设定DSP的计数器为定时采样的时间计数器，数据处理子程序集中在该时间计数器的中断服务子程序中，并赋予其中断优先级为系统最高级，这样可以避免数据处理被其他中断所打断，从而保证采样数据的实时性和准确性。在数据处理模块中，采集到离散的电压电流量后，最重要的一步是精确计算电网的瞬时参数。正常工作时，继电保护的执行装置(即断路器)处于闭合状态，系统处于正常运行状态。当检测到电流瞬时突变时，此时的突变可能是因故障引起的，也可能是由于某些装置的投切或正常的人工操作引起的谐波所导致。采用经典的对称分量法中的序电流理论，依据线路中电流值、谐波分量的特征，中央数据处理电路按照一定的控制规律判断各序电流及其相互间的关系，给出断路器控制信号，只有当系统中存在短路或存在高含量谐波时，继电保护装置才会动作。

本发明的优越性和技术效果在于：①利用高性能数字信号处理芯片实现继电保护动作的控制，很大程度上提高了继电保护动作的可靠性和快速性，克服了PLC技术及单片机技术处理速度限制而引起的控制滞后、动作不及时的缺陷；②整个控制系统具有很好的调节性能和可靠性，降低了因继电保护得误动或拒动带来的停产等事故的概率，进而增强了电网的稳定性；③采用经典对称分量法的序电流理论，可以有效的对系统中存在的短路故障和谐波进行区分，且不影响继电保护原有的区分故障和正常运行状态的能力；④对继电保护的动作执行装置进行双重信号控制，其硬件电路简单、实时控制精度高，具有广阔的技术应用前景。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法的结构示意图；

图2为本发明所涉一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法的原理框图(其中I0为零序电流；I1为正序电流；I2为负序电流；I为系统中流过的电流)；

图3为本发明所涉一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法中的数据采集及数据处理电路(图3-a为电压、电流交流采样电路；图3-b为滤波、放大电路；图3-c为A/D转换电路图)；

图4为本发明所涉一种可区分短路与谐波的继电保护系统及其工作方法中的中央数据处理电路的结构示意图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种可区分短路与谐波的继电保护系统(见图1)，包括计算机，其特征在于它包括数字信号处理单元、数据采集及数据转换模块、开关量输入/输出模块、电源模块、报警模块及人机交换模块；所说的数据采集及数据转换模块的输入端连接外部电压互感器和电流互感器，其输出端连接数字信号处理单元的输入端；所说的开关量输入/输出模块的输入端分别连接数字信号处理单元和保护单元的输出端，其输出端连接保护单元的输入端；所说的电源模块输出端接数字信号处理单元的输入端；中央处理模块与人机交换模块呈双向连接；所说的报警模块的输入端连接数字信号处理单元的输出端。

上述所说的数据采集及数据转换模块(见图3)由电压、电流交流采样前端电路、滤波、放大电路和A/D转换电路组成；交流采样前端电路将采集的电流信号，经过二次电流互感器后变换为小电流量，小电流量再经滤波、放大电路后，变换为A/D转换器可以接受的电压范围并存储数字信号处理单元RAM中；滤波电路采用二阶低通有源滤波器。

上述所说的电压、电流交流采样前端电路用D11、D12、D21、D22构成输入限幅保护，用R24、R25、R26、R34、R35、R36、C11、C12、C16、C17构成互感器相移补偿及阻容滤波电路；所说的滤波、放大电路用R1、R2、R3、R4、R5、R6及比较器构成；所说的A/D转换电路由R6、R7、R8、R9、R10、R11、C3、比较器U3A、U4A和A/D转换芯片ADS8364构成。

上述所说的数字信号处理单元(见图4)由DSP芯片TMS320F2812、电源管理模块、晶振电路和数据总线驱动电路构成；所说的数据总线驱动电路、电源管理模块、晶振电路的输出端分别连接数字信号处理芯片的输入端；利用所编软件程序设定各种执行条件控制DSP芯片TMS320F2812对数据总线驱动电路的输入信号进行辨识、处理并发出相关控制指令；电源管理模块电源管理模块由双电源供电器件TPS73HD301负责提供电能；晶振电路向DSP芯片TMS320F2812提供时钟信号；数据总线驱动电路主要负责数据缓冲和电平转换。

上述所说的DSP芯片包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，提供12路PWM控制脉冲信号；电源管理模块由双电源供电器件及周边电阻R15、R16、C1、C2电容构成；晶振电路由给DSP芯片提供时钟信号的电容C3、C4和晶振体U2构成；数据总线驱动电路由一片双向数据缓冲器74LVC16245构成；上端的A/D转换电路将转化所得的数字量接收到DSP后，对数据进行补偿、数字滤波后，对应相应的标准值转化为标么值，运算得出动作整定值，并产生出三相共计3个控制信号；其中电源管理模块与晶振电路的输出与DSP芯片相连，输入与交流采样电路的输出相连。

上述所说的人机交换模块由通讯模块和键盘与显示模块构成；其中所说的键盘的输出端连接数字信号处理单元的输入端，所说的显示模块的输入端连接数字信号处理单元的输出端；所说的键盘可以采用工作于中断方式的行列式键盘，显示模块可以采用彩色液晶显示器。

一种可区分短路与谐波的继电保护系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①系统投入运行，数据采集及数据转换模块中的电压、电流交流采样前端电路实时采集的电流信号，经过电流互感器后将其变换为小电流量，小电流量再经滤波、放大电路后，变换为A/D转换器可以接受的电压范围并存储数字信号处理单元RAM中，此时的信号为数字信号处理单元可以接受的数字式信号；

②接收到数字信号后，计算机将启动测量比较步骤，判断此时采集的电流值所对应的系统运行方式、相应的继电保护的整定参数值及等效阻抗，并将采集到的电流信号与整定参数值进行比较；

③当检测出系统中的电流值发生异常的变化时，计算机将启动区分短路和谐波状态的逻辑判断步骤，将系统的电流分解成正序、负序和零序电流，并做进一步的比较判断，以区分短路和谐波；

④最后将判断的结果以开关量的形式通知继电保护的执行装置是否动作。

上述所说的步骤③中的区分短路和谐波状态的逻辑判断步骤是由以下步骤构成(见图2)：

(1)将采集到的电流信号分解成正序、负序和零序的电流形式；

(2)判断系统线路中流过的电流是否大于继电保护的整定值，“是”则转(3)，“否”则转(11)；

(3)判断零序电流是否为零，“是”则转(4)，“否”则转(11)；

(4)判断正序电流是否为零，“是”则转(5)，“否”则转(6)；

(5)系统中存在3n-1次谐波，判断谐波电流值是否占到系统电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(6)判断负序电流是否为零，“是”则转(7)，“否”则转(8)；

(7)判断正序电流与系统中流过的电流是否相等，“是”则转(9)，“否”则转(10)；

(8)系统中发生两相相间短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(9)系统中发生三相短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(10)系统中存在3n+1次谐波，判断谐波电流值是否占到系统电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(11)判断正序电流与负序电流是否相等，“是”则转(12)，“否”则转(13)；

(12)判断判断正序电流与负序电流是否相等且均为零，“是”则转(14)，“否”则转(15)；

(13)系统中发生两相接地短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(14)系统中存在3n次谐波，判断谐波电流值是否占到系统电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(15)系统中发生单相接地短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(16)向继电保护的执行装置发出跳闸信号，将谐波含量大的线路断开；

(17)仍然保持继电保护原始状态不动作。

上述所说的步骤(5)、(10)和(14)中的n为自然数。

上述技术方案中所涉及的各工作模块均采用常规单元电路。

Claims (1)

1、一种可区分短路与谐波的继电保护系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①继电保护系统投入运行，数据采集及数据转换模块中的电压、电流交流采样前端电路实时采集电力系统线路中的三相电流信号，经过电流互感器后将其变换为小电流量，小电流量再经滤波、放大电路后，变换为A/D转换器可以接受的电压范围，并通过A/D转换器变换后存储在数字信号处理单元的RAM中，此时的信号为数字信号处理单元可以接受的数字信号；

②接收到上述数字信号后，计算机将启动测量比较步骤，判断此时采集的电流值所对应的电力系统运行方式、相应的继电保护的整定参数值及等效阻抗，并将采集到的电流值与整定参数值进行比较；

③当检测出电力系统中的电流发生异常的变化时，计算机将启动如下所述的区分短路和谐波状态的逻辑判断步骤：

(1)将采集到的电流值分解成正序、负序和零序的电流形式；

(2)判断电力系统中流过的电流是否大于继电保护的整定参数值，“是”则转(3)，“否”则转(11)；

(3)判断零序电流是否为零，“是”则转(4)，“否”则转(11)；

(4)判断正序电流是否为零，“是”则转(5)，“否”则转(6)；

(5)电力系统中存在3n-1次谐波，判断谐波电流值是否占到电力系统中流过的电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(6)判断负序电流是否为零，“是”则转(7)，“否”则转(8)；

(7)判断正序电流与电力系统中流过的电流是否相等，“是”则转(9)，“否”则转(10)；

(8)电力系统中发生两相相间短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(9)电力系统中发生三相短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(10)电力系统中存在3n+1次谐波，判断谐波电流值是否占到电力系统中流过的电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(11)判断正序电流与负序电流是否相等，“是”则转(12)，“否”则转(13)；

(12)判断正序电流与负序电流是否相等且均为零，“是”则转(14)，“否”则转(15)；

(13)电力系统中发生两相接地短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(14)电力系统中存在3n次谐波，判断谐波电流值是否占到电力系统中流过的电流的30％以上，“是”则转(16)，“否”则转(17)；

(15)电力系统中发生单相接地短路故障，判断故障发生相，并使相应的继电保护的断路器跳闸；

(16)向继电保护的执行装置发出跳闸信号，将谐波含量大的线路断开；

(17)仍然保持继电保护原始状态不动作；

所说的步骤(5)、(10)和(14)中的n为自然数。

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