專利名稱：小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所屬領(lǐng)域本實用新型涉及電網(wǎng)單相接地故障選線方法，特別是小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線裝置，主要應(yīng)用于66kV及以下電網(wǎng)中性點非直接接地方式運行系統(tǒng)中，當電網(wǎng)發(fā)生單相接地時，該裝置可自動選出接地的線路。
背景技術(shù)：
小電流接地電網(wǎng)單相接地故障自動選線(以下簡稱小電流接地選線)是一個研究多年的老問題。早在上世紀50年代就開始有人研究，但是直到上世紀70年代，研究工作都沒有取得大的進展。上世紀80年代，微機的出現(xiàn)給小電流接地選線提供了硬件條件，華北電力大學(xué)電控研究室抓住了這個機會，在楊以涵教授的帶領(lǐng)下首次提出群體比幅比相方法，研制出小電流微機選線裝置，在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，并在90年代掀起了“小電流接地選線技術(shù)”的應(yīng)用高潮。但是之后的幾年小電流接地選線技術(shù)的應(yīng)用又陷入了低潮，約有80～90％的選線裝置因選線效果不佳退出了運行，而選線失敗的原因主要是(1)把局部經(jīng)驗當成普遍真理，用金屬接地故障測試的選線結(jié)果，代替實際運行中所有故障條件下的選線結(jié)果，得到裝置100％的選線正確率。而我們的實驗證實，金屬接地時，信號大，波形諧波和擾動小，非常容易判斷，達到100％正確率并不難；實際上，純金屬接地的故障并不多，大多數(shù)故障是瞬間接地、電阻接地、電弧接地、不穩(wěn)定電阻接地、不穩(wěn)定電弧接地、間歇電弧接地以及這些故障的組合等等。
(2)裝置選線方法單一。以前的研究者在找到一種方法后就聲稱已經(jīng)對真理的認識達到終結(jié)。比如比幅比相法、五次諧波法、能量函數(shù)法、小波法，都曾有相關(guān)論文認為其達到了絕對高度，選線的研究工作可以到此終止。
(3)從想象出發(fā)，過分依靠數(shù)學(xué)模型，沒有進行樣本檢驗。根據(jù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計的選線方法，又用相同的數(shù)學(xué)模型檢驗有效性，這樣的檢驗沒有意義，屬于典型的紙上談兵，脫離實際的技術(shù)路線。
(4)認識真理的手段。小電流接地選線的現(xiàn)場試驗很難實現(xiàn)，即使現(xiàn)場單位同意做，也都限于非常簡單的金屬接地。但是沒有實測樣本檢驗選線方法的有效性，就不能檢驗選線原理的癥結(jié)所在?，F(xiàn)在我們的實驗和故障錄波已經(jīng)證實，五次諧波方法在有過渡電阻的情況下往往是失效的；信號注入法和能量函數(shù)法都存在有效域和局限性；比幅比相方法也不是絕對有效的。可以這么說，以前的選線方法在原理上存在很多紕漏，而沒有足夠的故障樣本檢驗，這些紕漏是無法暴露出來的。
(5)抗干擾的軟措施，選線裝置的適應(yīng)能力較差。而現(xiàn)場這種干擾的存在是客觀的和普遍的。
(6)用戶在管理維護方面也存在一些問題選線裝置安裝到現(xiàn)場以后，常有極性接反、線路編號與名稱不符的疏漏發(fā)生。有一個典型的例子，沈陽某變電所的選線儀從裝上以后就從來沒有正常工作過。原因是安裝時線路還沒有命名，采用了編號區(qū)分的辦法。線路命名以后，又沒有更改，導(dǎo)致選線裝置一直不可用
實用新型內(nèi)容
66kV及以下電網(wǎng)按中性點非直接接地方式運行，其主要優(yōu)點是當系統(tǒng)發(fā)生單相瞬間接地故障時，可以自行熄滅電??；發(fā)生單相永久接地時，負荷可以不必立即停電，因此國內(nèi)66kV及以下電網(wǎng)大部分都采用這種接地方式。但它的缺點是發(fā)生單相永久接地故障時，很難確認是哪一條線路故障。因故障會引起非接地相電壓的升高，而且間歇性弧光接地可能引起電弧過電壓，對系統(tǒng)絕緣有威脅，較長時間運行可能會引起接地絕緣擊穿發(fā)生相間故障。因此需盡快確定故障線路，排除故障。本實用新型的目的就是解決小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時自動選線問題。
本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是首先是建立了國內(nèi)第一個小電流接地選線的10kV物理模擬實驗室。這套實驗系統(tǒng)深入揭示了小電流接地電網(wǎng)的運行規(guī)律和接地故障的本質(zhì)，再現(xiàn)了弧光接地、間歇性弧光接地、大電阻接地、不穩(wěn)定大電阻接地等故障現(xiàn)象。并在此基礎(chǔ)上研究成功了適合于各種接地方式(中性點接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地)下的智能群體比幅比相方法、小波方法、樣本建模方法、電流突變量法、網(wǎng)絡(luò)化法；首次提出并應(yīng)用了有效域分析和連續(xù)判斷技術(shù)；首次提出并應(yīng)用了證據(jù)理論、故障測度理論、粗糙集理論以及多種判據(jù)智能融合的思想。小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線方法，采用高性能工控機，運行于Win98平臺上，采用高精度傳感器和軟硬件抗干擾措施，保證采集信號的可靠性；在程序設(shè)計中采用了多線程結(jié)構(gòu)，運用了Win32的消息處理機制，這樣在算法判斷的同時能夠同時對信號進行采樣，保證采樣信號的連續(xù)性和實時性；在選線算法上，用多種算法進行智能綜合判斷，克服了以前單一選線算法的不足；當裝置啟動檢測后，啟動采樣線程，當零序電壓超過門檻值的數(shù)目達到一定數(shù)目后，判斷系統(tǒng)發(fā)生了單相接地故障，存儲暫態(tài)數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，進行故障處理，提取故障特征，利用穩(wěn)態(tài)量判據(jù)、暫態(tài)量判據(jù)、奇異量判據(jù)等進行多判據(jù)融合，對各種判據(jù)進行智能決策綜合判定接地線路，實現(xiàn)了選線判據(jù)的充要性目標；采用連續(xù)判斷，提出了可信度概念，克服了誤判和漏判現(xiàn)象；進行故障錄波，建立管理信息系統(tǒng)，遠程監(jiān)視裝置的運行，保證裝置運行的長期可靠；遠程搜集故障樣本，充實樣本庫，為改進和完善選線能力積累資料。
小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線裝置，包括主板、濾波器卡、數(shù)據(jù)采集卡、開關(guān)量卡、故態(tài)繼電器、PT/CT版、交直流電源、液晶大屏幕、外置調(diào)制解調(diào)器、金屬機箱，其特征是工控機采用PC/AT總線結(jié)構(gòu)，各種采用信號經(jīng)過低通濾波器電路和A/D轉(zhuǎn)換電路以后，連接到PC/AT總線上，工控機主板采用PCA-6153，它負責從PC/AT總線上調(diào)用實時數(shù)據(jù)并進行各種算法的處理，綜合給出故障線路信息，一方面直接通過液晶屏幕顯示，另一方面通過PC/AT總線傳送給開關(guān)量板，開關(guān)量板再通過光電隔離后傳送給遠動。
本實用新型通過1∶1高壓物理模擬實驗室系統(tǒng)、電網(wǎng)實際接地模擬實驗和實際掛網(wǎng)運行證明其選線正確率為100％。該項發(fā)明應(yīng)用于電網(wǎng)后，以丹東供電公司電網(wǎng)規(guī)模為例每年為企業(yè)可節(jié)約數(shù)百萬元，推廣應(yīng)用后將形成規(guī)模效益。對于某些重要用戶，可節(jié)約數(shù)百萬甚至數(shù)千萬元的損失。減少誤操作次數(shù)。全國約有中壓變電所十多萬座，如果有一半安裝小電流接地選線裝置，創(chuàng)造利潤可超過上億元，必將給國家和企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益！

附圖1為小電流接地電網(wǎng)單相故障選線方法與裝置程序流程圖；附圖2為2KA2000小電流接地電網(wǎng)單相故障選線裝置原理圖；附圖3為大屏幕液晶顯示主界面。
系統(tǒng)的母線零序電壓以及各條線路的零序電流經(jīng)過PT和CT變換后輸入本實用新型開發(fā)出的裝置，電壓和電流信號經(jīng)過高精度PT和CT進一步變換，所有信號變換為電壓信號；電壓信號輸入低通濾波器去除干擾，輸出波形平滑的電壓模擬信號；裝置采用AC1820A數(shù)據(jù)采集卡對電壓信號進行/D采樣，采樣數(shù)據(jù)通過PC/在總線存入寄存器；工控機主板采用PCA-6153，它負責從PC/在總線上調(diào)用實時數(shù)據(jù)并進行算法的處理，給出故障線路信息；故障信息一方面直接通過液晶屏幕顯示，另一方面通過PC/在總線傳送給PCL-734開關(guān)量卡，開關(guān)量卡經(jīng)過光電隔離后通過后面板上的開關(guān)量輸出端子傳送給遠動。本裝置還裝有防死機看門狗電路，有效地克服了工控機運行中的死機問題；裝置采用調(diào)制解調(diào)器與其它計算機進行串口通信，實現(xiàn)了裝置遠程管理。見附圖2。
在本實用新型的程序設(shè)計中采用了多線程結(jié)構(gòu)，當裝置啟動檢測后，啟動采樣線程，當零序電壓超過門檻值的數(shù)目達到一定數(shù)目后，存儲暫態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送消息(1)，然后存儲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，并發(fā)送消息(2)，主線程收到消息(1)、(2)后進行故障處理，提取故障特征，利用穩(wěn)態(tài)量判據(jù)、暫態(tài)量判據(jù)、奇異量判據(jù)等進行多判據(jù)融合，對各種判據(jù)進行智能決策，得到選線結(jié)果，顯示選線結(jié)果，并進行故障錄波；如果一段時間后零序電壓小于門檻值的數(shù)目達到一定數(shù)目后，發(fā)送消息(3)，主線程收到消息(3)，則認為故障消失，自動復(fù)位。見附圖1。
算法中采用了窗口多線程的概念，分為主線程和采樣線程，運用了Win32的消息處理機制。這樣在算法判斷的同時能夠同時對信號進行采樣，保證采樣信號的連續(xù)性和實時性。在選線算法上，用多種算法進行智能綜合判斷，克服了以前單一選線算法的不足。
本實用新型開發(fā)出的裝置的前面板為人機對話部分，有大屏幕液晶和電源開關(guān)、功能按鍵，顯示內(nèi)容豐富，參數(shù)配置方便，其基本操作鍵只需要上、下、左、右和確認四個鍵，主界面提供“啟動監(jiān)測”、“停止檢測”、“參數(shù)設(shè)置”、“故障記錄”、“高級功能”、“關(guān)機退出”等六個選項，按照提示可以進行各種操作，后面板為接線板和開關(guān)量輸出端子。見附圖3。
該實用新型還內(nèi)附管理信息系統(tǒng)，附加有故障錄波程序模塊和通訊程序模塊通過故障錄波程序模塊記錄的數(shù)據(jù)，可以對故障情況進行事后分析和故障再現(xiàn)，對于分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及狀態(tài)具有重大意義。本錄波程序模塊可以提供故障后一次判斷的波形，包括故障發(fā)生時的兩個周期的暫態(tài)波形和故障發(fā)生后四個周期的穩(wěn)態(tài)波形；本錄波程序還可以提供以每秒鐘四個周期穩(wěn)態(tài)波形的錄波頻率進行連續(xù)錄波。通訊程序模塊在應(yīng)用軟件PCANYWHERE平臺上進行的開發(fā)?？蓱?yīng)用于三種通訊模式并口電纜直接連接，通過調(diào)制解調(diào)器進行網(wǎng)絡(luò)連接，通過網(wǎng)卡進行網(wǎng)絡(luò)連接。通過通訊程序模塊，可以實現(xiàn)子站和主站之間的數(shù)據(jù)回收，可以使用兩種模式子站發(fā)送和主站召喚；目前采用的是主站召喚模式；通過通訊程序模塊，還可以實現(xiàn)子站和主站之間的通訊，及時了解設(shè)備的運行情況，對設(shè)備進行遠程維護，滿足異地用戶的要求。
具體實施方式
提出并采用了智能比幅比相法，該算法在比幅比相算法的基礎(chǔ)上采用積分算法、Butterworth數(shù)字濾波器、恒以零序電壓作為參考正方向等算法，輔以連續(xù)判斷等抗干擾措施、有效域約束、綜合判據(jù)，從根本上提高了選線準確度；與新型PT接線方法相結(jié)合，排除了鐵磁諧振帶來的誤判問題。
提出并小波方法小波選線方法利用單相接地故障產(chǎn)生的暫態(tài)電流和諧波電流作為選線判斷的依據(jù)。由于小電流接地電網(wǎng)單相接地故障等值電路是一個容性通路，故障的突然作用在電路中產(chǎn)生的暫態(tài)電流通常很大；特別是發(fā)生弧光接地故障或間歇性接地故障情況下，暫態(tài)電流含量更豐富，持續(xù)時間更長。暫態(tài)電流滿足在故障線路上的數(shù)值等于在非故障線路上數(shù)值之和且方向相反的關(guān)系，可以用來選線。由于電網(wǎng)中的暫態(tài)信號呈隨機性、局部性和非平穩(wěn)性特點，因此利用暫態(tài)信息選線的主要困難是，如何準確地提取有用的暫態(tài)信號、如何合理地表示信號并構(gòu)造出能適應(yīng)信號特點的選線判據(jù)。我們提出的小波選線方法很好地解決了這些問題，使暫態(tài)信號得到了充分利用。
提出并采用了網(wǎng)絡(luò)化選線方法；網(wǎng)絡(luò)化選線方法需要輸入與選線相關(guān)的電網(wǎng)運行狀態(tài)遙信量，如一條線路的投入與退出、線路上各分段開關(guān)的開合狀態(tài)等信息，來掌握電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和各線路的參數(shù)；當電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，根據(jù)獲得的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)與故障電壓參數(shù)來估算各線路對地充電電流，將各線路實測電流值與期望值(估算值)進行對比；非故障線路上實測電流值與期望值相差比較小，而故障線路上實測電流值與期望值相差很大，網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)還可以用于自動調(diào)節(jié)消弧線圈的補償度。
提出并采用了電流突變量法；對于中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)單相接地故障的選線問題，過去一直采用5次諧波比幅比相方法。實踐證明對于非金屬性接地故障，該方法的選線正確率極低。電流突變量方法是我們針對消弧線圈接地電網(wǎng)的故障選線問題而專門設(shè)計的。該方法在電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障后，通過自動裝置自動地改變消弧線圈參數(shù)，使各線路故障電流產(chǎn)生一個突變，利用故障線路和非故障線路電流突變特征的差異選出故障線路。該方法同小波選線方法和其它智能技術(shù)相結(jié)合，徹底地解決了消弧線圈接地電網(wǎng)的單相接地故障選線問題。
提出并采用了樣本建模(特征指紋)選線方法樣本建模選線方法又稱特征指紋選線方法。在選線裝置運行過程中，當發(fā)現(xiàn)某些極其特殊類型的故障樣本，用正規(guī)的選線方法很難做出可靠的選線判斷時，則提取這類故障樣本的個性特征(即指紋特征)，并將該次故障的指紋特征及故障信息保存下來，作為一個參考樣本。當再一次出現(xiàn)類似的故障時，通過與保存過的樣本指紋特征進行匹配，就可以推斷出新故障樣本的故障線路。不斷地收集和充實樣本庫，就可以處理各類特殊樣本的選線問題。
提出并采用連續(xù)判斷技術(shù)；連續(xù)判斷技術(shù)是針對小電流接地系統(tǒng)單相接地故障中故障信號微弱、容易受干擾的特點而采取的技術(shù)措施；該技術(shù)不完全依賴于一次判斷的結(jié)果，而是綜合考慮全過程的情況，連續(xù)判斷技術(shù)可以有效地排除隨機大干擾(主要指開關(guān)操作)的影響，提高了選線的正確性。
提出并采用選線方法的有效域技術(shù)；理論和實踐表明，沒有一種選線方法能夠保證對所有故障類型都有效，每種選線方法都有一定的適用條件；當適用條件滿足時，該選線方法選線結(jié)果一定正確，否則，選線結(jié)果可能正確，也可能不正確。我們稱選線方法能夠可靠選線的適用條件為該方法的充分性條件。滿足充分性條件的故障在空間構(gòu)成的區(qū)域，稱為該選線方法的有效域。通過對每一種選線方法界定有效域，當一個故障落在某方法的有效域內(nèi)時，該方法對該故障的選線結(jié)果一定是正確的。
提出并采用故障測度理論故障測度是定義在非負實數(shù)域上的一組變量，用來度量一個故障中每條線路具有故障征兆的程度。一條線路的故障測度越大，表明該線路越可能是故障線路。在這一理論指導(dǎo)下，我們構(gòu)造的每一種選線方法在給出選線結(jié)果的同時，還能夠計算出各條線路的故障測度值。
提出并采用了證據(jù)理論選線方法每一種選線方法對一個故障計算出的選線結(jié)果(以故障測度形式表示)相當于一條證據(jù)，用證據(jù)來表示哪些線路可能是故障線路、哪些線路不大可能是故障線路、可能與不可能的信任程度有多大等，應(yīng)用證據(jù)理論把這些信息組合起來，使最終選線結(jié)果反映了各種方法共同的支持點，選線結(jié)果非?？煽?。
提出并采用了粗糙集理論選線方法選線裝置在選線實驗和現(xiàn)場運行過程中收集了大量故障數(shù)據(jù)，這些故障數(shù)據(jù)對完善選線很有價值。特征指紋選線方法中特殊樣本的發(fā)現(xiàn)、指紋特征的提取，以及其它選線方法中參數(shù)和有效域的確定等，都需要結(jié)合實測故障數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。為實現(xiàn)這些目的而進行的故障數(shù)據(jù)處理并不是簡單的數(shù)據(jù)整理，而是需要一種系統(tǒng)的處理手段，主動地從故障數(shù)據(jù)中挖掘并發(fā)現(xiàn)有價值的知識和規(guī)律，來指導(dǎo)我們完善選線方法。我們采用粗糙集數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決了這一問題。
具有故障錄波程序模塊和通訊程序模塊，故障錄波程序模塊可以對故障情況進行事后分析和故障再現(xiàn)；通訊程序模塊通訊程序模塊在應(yīng)用軟件PCANYWHERE平臺上進行的開發(fā)，可以實現(xiàn)子站和主站之間的通訊，可應(yīng)用于三種通訊模式并口電纜直接連接，通過調(diào)制解調(diào)器進行網(wǎng)絡(luò)連接，通過網(wǎng)卡進行網(wǎng)絡(luò)連接。并安裝有穩(wěn)定、可靠的modem實現(xiàn)信息管理系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)的IP到設(shè)備。
采用高性能前置濾波器，濾除各種干擾波形。采用大容量、高可靠性的開關(guān)繼電器實現(xiàn)信號的遠動傳輸。
以一次具體的接地故障為例進行分析以發(fā)生1號線路故障為例詳細說明選線過程，程序的采樣子線程創(chuàng)建5000×32的二維數(shù)組，將數(shù)據(jù)進行準實時存儲，存滿之后從數(shù)組始端覆蓋原有數(shù)據(jù)。發(fā)生故障后(大于啟動電壓6個點)將故障點前100個點和后100個點作為暫態(tài)數(shù)據(jù)，再將后400個點作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，把這600個點提交主線程進行故障選線。一秒鐘之后，如果故障沒有消失，繼續(xù)提取400個點作為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)提交主線程進行連續(xù)選線。然后進行特征提取，得到選線結(jié)果。以群體比幅比相為例說明選線具體方法，提取電流幅值最大的3條線路，并設(shè)初始累加值sum(1)sum(2)sum(3)和sum(母線)。將這3個電流數(shù)組與此電壓數(shù)組進行逐點比較①與電壓符號相反，則sum直接累加絕對值；②與電壓符號相同，則sum累加絕對值；③3條線路電流與電壓符號都相同，則sum(母線)設(shè)成一個較大值。將sum(1)sum(2)sum(3)和sum(母線)進行比較，值最大的就是故障線路。裝置在前臺顯示1號線路為故障線路，同時通過開關(guān)量卡閉合繼電器給遠動發(fā)送命令，指示故障線路。在故障排除后，裝置檢測到零序電壓低于啟動閥值，繼電器恢復(fù)正常狀態(tài)(處于打開狀態(tài))，程序跳出選線流程，回到監(jiān)測狀態(tài)。
權(quán)利要求1.小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線裝置，包括主板、濾波器卡、數(shù)據(jù)采集卡、開關(guān)量卡、故態(tài)繼電器、PT/CT版、交直流電源、液晶大屏幕、外置調(diào)制解調(diào)器、金屬機箱，其特征是工控機采用PC/AT總線結(jié)構(gòu)；對各種采用信號傳送到PC/AT總線上的低通濾波器電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；負責從PC/AT總線上調(diào)用實時數(shù)據(jù)并進行各種算法的處理，綜合給出故障線路信息，傳送到液晶屏幕顯示和通過PC/AT總線傳送給開關(guān)量板，開關(guān)量板再通過光電隔離后傳送給遠動的工控機主板采用PCA-6153。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線裝置，其特征是系統(tǒng)的母線零序電壓以及各條線路的零序電流經(jīng)過PT和CT變換后輸入到工控機，電壓和電流信號經(jīng)過高精度PT和CT進一步變換，所有信號變換為電壓信號；對輸入電壓信號去除干擾，輸出波形平滑的電壓模擬信號的低通濾波器；對電壓信號進行A/D采樣的AC1820A數(shù)據(jù)采集卡；對采樣數(shù)據(jù)通過PC/AT總線存入的寄存器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線裝置，其特征是濾除各種干擾波形的前置濾波器；實現(xiàn)信號的遠動傳輸?shù)拈_關(guān)繼電器。
專利摘要本實用新型小電流接地電網(wǎng)單相接地故障選線裝置。解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是首先是建立了國內(nèi)第一個小電流接地選線的10kV物理模擬實驗室。這套實驗系統(tǒng)深入揭示了小電流接地電網(wǎng)的運行規(guī)律和接地故障的本質(zhì)，再現(xiàn)了弧光接地、間歇性弧光接地、大電阻接地、不穩(wěn)定大電阻接地等故障現(xiàn)象，并在此基礎(chǔ)上研究成功了適合于各種接地方式(中性點接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地)下的智能群體比幅比相方法、小波方法、樣本建模方法、電流突變量法、網(wǎng)絡(luò)化法；首次提出并應(yīng)用了有效域分析和連續(xù)判斷技術(shù)；首次提出并應(yīng)用了證據(jù)理論、故障測度理論、粗糙集理論以及多種判據(jù)智能融合的思想。
文檔編號G01R31/08GK2724011SQ200320126180
公開日2005年9月7日 申請日期2003年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
發(fā)明者楊以涵, 初源良 申請人:北京丹華昊博電力科技有限公司