專利名稱：基于gprs的小電流接地選線保護裝置及保護方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力傳輸領域，應用于中性點不接地電網(wǎng)，為一種基于GPRS的小電流 接地選線保護裝置及保護方法。
背景技術：
在中性點非直接接地電網(wǎng)，又稱小接地電流系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，由于故障點的 電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷供電沒有影響，因此，在一般 情況下，都允許再繼續(xù)運行1 2個小時，而不必立即跳閘。但是在單相接地以后，其 他兩相的對地電壓升高V^倍，為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路，運行 人員應及時采取措施予以消除。
中性點不接地電網(wǎng)是中性點非直接接地電網(wǎng)一種。當配電網(wǎng)絡發(fā)生小電流接地故障 時，在事先無法測知并采取有效的防范措施，僅能在事后采用拉路法及人工巡線目測法 確定接地點的準確位置，拉路法需要進行大量的倒閘操作，給生產(chǎn)帶來很大的損失，尤 其是對在連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)區(qū)域及一些關鍵設備；而在事故發(fā)生后采取人工巡線目測法尋 找接地點，每次都要耗費大量的人力、物力和時間。目前一些技術人員對此作了大量的 研制工作，開發(fā)出的一種保護裝置，是采用群體比幅比相方法，但是受零序電流互感器 不平衡電流、運行方式的影響，判別不穩(wěn)定。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題是目前中性點不接地電網(wǎng)中沒有合適的保護裝置，故障維護 耗費大量的人力、物力和時間，已有的保護裝置判別不穩(wěn)定，需要一種穩(wěn)定有效的小電 流接地選線保護裝置及保護方法。
本發(fā)明的技術方案為基于GPRS的小電流接地選線保護裝置，包括電源模塊、電
量信號采集模塊、顯示模塊、開關量輸出模塊、單片機模塊、通訊模塊和GPRS模塊，
電源模塊、電量信號采集模塊的輸出連接單片機模塊，顯示模塊、開關量輸出模塊和通
訊模塊與單片機模塊雙線連接，通訊模塊與GPRS模塊由RS232連接，電量信號采集 模塊由電流、電壓互感器、運算放大器和濾波電路組成，濾波電路為二階壓控電壓源低 頻濾波電路，單片機模塊包括C8051F206芯片、相應的晶振電路和復位電路，顯示模 塊由LED顯示燈組成，開關量輸出模塊由繼電器、驅動三極管和保護電路組成，通訊模塊由RS232電平轉換芯片和保護電路組成。
為了防止通訊線路上的干擾進入控制器，通訊電路要和單片機電路電氣隔離。 本發(fā)明保護裝置的電源模塊由電流/電壓變換器獲得電量信號采集模塊的電流互感 器二次側的電流，經(jīng)過共模和差模抑制電路、整流濾波電路、集成穩(wěn)壓芯片、定電壓輸 入高隔離非穩(wěn)壓單輸出得到所需電壓，具體為電量信號采集模塊的電流互感器二次側 的電流經(jīng)過共模和差模抑制電路和整流濾波電路接入集成穩(wěn)壓芯片7805和 SPX1117M3一3.3，分別輸出5V和3.3V的電壓，由去耦電容和旁路電容保證輸出的穩(wěn)定， 其中5V電源經(jīng)過定電壓輸入高隔離非穩(wěn)壓單輸出為通訊模塊提供5V的隔離電源，3.3V 為單片機C8051F206提供電源。
本發(fā)明基于GPRS的小電流接地選線保護方法，采用零序補償導納方法，在單相接 地穩(wěn)態(tài)下采集零序電壓、零序電流，由于單相接地后零序電壓為J7。e(30V，100V)，當 監(jiān)測到零序電壓超過30V后啟動選線程序，其判別步驟如下
(1) 初始化；
(2) 確定需要進行故障判斷的接線方式，是中性點不接地NUS還是中性點經(jīng)消弧 線圈接地NES;
(3) 如果是NUS，單相接地穩(wěn)態(tài)下，計算基波零序電壓的正弦系數(shù)^、基波零序 電壓的余弦系數(shù)w^、基波零序電流的正弦系數(shù)/15、基波零序電流的余弦系數(shù)/,。，判斷 是否/15^+、1/1<;<0， /lewls-/ls^<0，若同時滿足，則發(fā)生了接地故障，轉入歩驟(6)， 否則轉入步驟(7);
(4) 如果是NES，計算補償導納，判斷補償導納基準值:r,，若滿足|1^|<1.5%則 發(fā)生了接地故障，轉入步驟(6)，否則判斷是否|1^|>20%，若滿足則發(fā)生了接地故障， 轉入步驟(6)，若均不滿足|};"<1.5%和|}^」>20%，轉入步驟(5);
(5) 判斷補償導納角0，若滿足18(T—《<0<180°+《，則發(fā)生了接地故障，轉入 步驟(6)，否則轉入步驟(7)，其中《為過補償動作邊界角，《為欠補償動作邊界角；
(6) 計數(shù)器加l，計數(shù)器是否大于設定閾值，若滿足報警，同時調用通訊子程序； 否則轉入步驟(2);
(7) 返回步驟(1);
步驟(6)所述設定閾值為進行接地故障判斷次數(shù)。 步驟(7)中調用的通訊子程序包括以下步驟
(1) GPRS短信格式設置，初始化參數(shù)；
(2) 發(fā)送建立連接指令；
(3) 判斷GPRS模塊是否連接，若已連接轉入步驟(4)，否則轉入步驟(2);
6(4) 發(fā)送短消息；
(5) 判斷短消息是否發(fā)送成功，若發(fā)送成功，轉入步驟(6)，否則轉入步驟(4);
(6) 返回。
當運行中如發(fā)生中斷，會自動啟動中斷服務程序，其中斷服務程序包括以下歩驟
(1) SWCINT中斷請求；
(2) 若滿足從GPRS模塊接收數(shù)據(jù)，否則轉入歩驟(5);
(3) 判斷是否有短消息，若滿足提取消息，否則轉入歩驟(5);
(4) 根據(jù)短消息判斷是否分閘，若滿足進行分閘，否則轉入步驟(5);
(5) 中斷返回。
本發(fā)明采用單片機C8051F206作為控制芯片，通過電壓、電流互感器，利用片內A/D轉換器采集零序電壓、零序電流，由單片機進行處理，采用零序補償導納選線方法。同時保護裝置對外提供了一個開關輸出信號，使用RS232通訊端口和GPRS短信貓連接，利用GPRS無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線通訊。
當發(fā)生單相接地故障時，零序電壓和零序電流的相位關系發(fā)生變化，經(jīng)過一次轉換
后的零序電壓、零序電流經(jīng)過電壓互感器和電流互感器的變換和運算放大器的調理轉換成單片機可以采集的電壓信號。單片機將模擬量轉換成數(shù)字量后，進行運算處理對故障進行選線判斷，將相關故障信息分別經(jīng)I/O端口輸送至LED顯示器和開關量輸出電路。相關故障信息輸入開關量輸出電路的輸入端，即驅動三極管的基極，經(jīng)驅動三極管放大后驅動繼電器動作，產(chǎn)生開關量信號，該開關量信號可以輸入斷路器的對應端口，對斷路器進行控制。故障信息還可通過RS232串行通訊接口發(fā)信息給GPRS短信貓模塊，以無線形式發(fā)送短信給值班室工作人員進行告知接地故障的發(fā)生。
以往也有一些應用零序補償導納法的論文，但都只分析了中性點經(jīng)消弧線圈接地
NES的故障判斷，本發(fā)明在零序補償導納法的基礎上增加了判別中性點不接地NUS的方法，并將兩者結合到一起，由一套裝置即可實現(xiàn)對兩種系統(tǒng)的選線保護，在適用范圍上更加廣泛。
本發(fā)明零序導納選線方法的動作方程需要計算基波零序電壓的正弦系數(shù)^、基波
零序電壓的余弦系數(shù)i^、基波零序電流的正弦系數(shù)^、基波零序電流的余弦系數(shù)^，
以往對NUS都是通過零序電壓判斷接地故障的發(fā)生，然后通過對零序電流進行傅里葉變換，提取出基波分量，判斷接地故障。但是由于電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障信號中還含有衰減直流分量。由于衰減直流分量是典型的非周期信號，對應的頻譜為連續(xù)譜，從而與信號中基頻、二次諧波分量的頻譜混疊，計算時會造成很大的誤差，最嚴重的情況下計算誤差超過10%。本發(fā)明方法在傅立葉算法的基礎上，考慮了衰減直流分量的影響，同時對零序電壓和零序電流進行傅里葉變換，利用電壓、電流兩個基波分量的系數(shù)構成判別式，通過基波零序電壓的正弦系數(shù)W,?；阈螂妷旱挠嘞蚁禂?shù)"k、基波零序電
流的正弦系數(shù)^、基波零序電流的余弦系數(shù)^來進行判斷，這樣可以明顯的減少誤差，
原先的故障判別條件只有一個零序電流基波分量， 一旦零序電流受到干擾，對故障的判斷就會出現(xiàn)誤差，現(xiàn)在本發(fā)明通過零序導納的特性，得到同時利用零序電壓和零序電流基波分量來判斷的兩個判別式，判別條件細化，誤差大幅度減小，進一歩提高了選線的準確度，使得裝置的誤判率降低，，理想狀態(tài)下誤判率低于1%，現(xiàn)場試驗測試誤判率也能保持在5%以內。
另外，單片機模塊處理需要的是電流、電壓中的基波和二次諧波信號。因此，應該采用濾波電路濾掉信號中三次以上的諧波。在濾波電路中，無源濾波電路簡單，但是受負載影響較大；有源濾波電路中一階濾波電路的最大衰減斜率只有-20dB/十倍頻，二階電路衰減頻率升高為-40dB/十倍頻，但是與理想的低頻濾波特性差別較大。本發(fā)明裝置采用二階壓控電壓源低頻濾波電路，它具有-40dB/十倍頻的最大衰減頻率，而且在最大限度衰減無用信號的同時，使得有用信號受到的影響較小。
以往保護裝置的電源需要單獨電源的提供供電，在戶外環(huán)境下，不能很好的利用，
應用范圍窄，存在一定的局限性，本發(fā)明的裝置主要用在戶外架空線路上，沒有單獨的
電源供電，同時，它又和真空斷路器一起配合使用，因此，將真空斷路器中的電流互感
器的二次電流經(jīng)變換器微型CT轉換為適合于該控制器的電源，解決了以往裝置不能應
用在戶外環(huán)境的缺陷。由于本裝置上電時狀態(tài)不能確定，將造成裝置不能正常工作，為
解決這個問題，需要一個復位信號將單片機模塊初始化為確定的狀態(tài)。傳統(tǒng)的阻容復位
電路雖然也可以較好工作，但是其可靠性不高；隨著電壓檢測芯片價格上的降低，高可
靠性的優(yōu)點逐漸被廣泛采用。本發(fā)明采用電壓檢測芯片做復位電路，提高裝置的可靠性，
抗干擾性強，比起傳統(tǒng)的阻容電路易受干擾、穩(wěn)定性差的特點，復位芯片防抖動，不隨
電源的波動而輕易誤動作。
現(xiàn)有的保護裝置在單相接地保護應用范圍單一，本發(fā)明對NUS系統(tǒng)和NES系統(tǒng)都
采用了零序補償導納方法， 一套硬件裝置即可實現(xiàn)，在NUS系統(tǒng)、NES系統(tǒng)中都適用，
并且不受過渡電阻的影響，采用的保護算法準確性高、可靠性強，可以提高故障線路的
識別準確性和實時性，同時采用精密零序電流互感器減少不平衡電流對選線可靠性的影
響。保護裝置的單片機由高性能單片機C8051F206構成，可以直接應用與裝設有三相電流互感器或零序電流互感器的10kV小電流接地系統(tǒng)，作為單相接地故障的自動選線保護裝置；它的電源來自于電流互感器二次側，經(jīng)過電流一電壓互感器獲得，零序電流識別范圍在0.5A—5A之間，利用單片機內自帶A/D轉換采集零序電壓、電流轉換成數(shù)字量，其測量原理圖如圖4所示。本發(fā)明裝置的出口接線選用接插件形式，方便用戶進行接線連接，并且設置了故障指示燈和正常運行燈，方便工作人員觀察裝置是否正常運行，不需要工作人員爬到線路上近距離觀看，只需在下面觀看裝置指示燈的運行情況既可判別裝置是否正常工作，給工作人員帶來了極大的方便，使用獨立封閉單元機箱，密封性好，抗干擾、堅固可靠，抗振動能力強，保護裝置的RS232通訊方式，可靠性高，保護裝置使用GPRS模塊，可以直接聯(lián)入現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡，減少通訊網(wǎng)絡的建設費用，具有入網(wǎng)快速，通訊可靠的特點。


圖l為本發(fā)明保護裝置結構框圖。
圖2為本發(fā)明保護裝置電路原理圖。
圖3為本發(fā)明保護裝置電源線路原理圖。
圖4為本發(fā)明保護方法中零序電流采集測量原理圖。
圖5為本發(fā)明保護方法中零序補償導納動作平面關系圖。
圖6為本發(fā)明保護裝置液晶顯示電路原理圖。
圖7為本發(fā)明保護裝置單片機進行零序補償導納法判別流程圖；圖7中的n相當于一個計數(shù)器，記錄故障的發(fā)生次數(shù)，防止干擾造成誤判斷，進行累加區(qū)分。圖8為圖7中步驟(6)的通訊子程序框圖。圖9為本發(fā)明保護方法中斷服務程序框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明裝置構成如圖l所示，由電源模塊、電量信號采集模塊、顯示模塊、開關量輸出模塊、單片機模塊和通訊模塊組成，電源模塊、電量信號采集模塊的輸出連接單片機模塊，顯示模塊、開關量輸出模塊和通訊模塊與單片機模塊雙線連接，通訊模塊與GPRS模塊由RS232連接。
電源模塊如圖3所示。由線路電流互感器CT 二次側，經(jīng)過電流一電壓互感器獲得，線路CT 二次側電流流入電源模塊內部一個5VA的微型電流互感器CT3，微型CT3 二次側開路時，其電壓飽和，且大小基本不變；電源模塊由電流互感器CT3獲得電量信號采集模塊的電流互感器二次側的電流，經(jīng)過共模和差模抑制電路、集成穩(wěn)壓芯片、定電壓輸入高隔離非穩(wěn)壓單輸出得到所需電壓，如圖3所示，TVS1、 TVS2、 TVS3為瞬態(tài)電壓抑制器P6KE系列，分別進行兩相之間、A相對地、C相對地的保護。CY1和CY2為共模抑制電容，選擇耐壓為50V，容量為10nF的陶瓷電容，其公共端和TVS2、TVS3公共端通過控制器外殼接入大地。CX1和CX2為差模抑制電容，選擇耐壓為63V，容量為O.lpF的薄膜電容。由于CX1上電荷的積累會影響濾波特性，所以在CX1上并聯(lián)大阻值的泄放電阻RX。接下來的全波整流電路、濾波電路使得交流電壓變?yōu)椴▌硬淮蟮?2V直流電壓，即可為繼電器供電。集成穩(wěn)壓芯片7805內部含有啟動電路、串聯(lián)穩(wěn)壓電路、保護電路，把+12V直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的+5V電壓，為時鐘芯片DS1307、運放等器件供電，穩(wěn)壓二極管Z1將電路的過電壓限制在一定水平，保護繼電器線圈和后級7805等器件。再把+5V直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的+3.3V電壓，為單片機模塊供電，電容Cl可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲，起著一個低頻騷擾濾波器的作用，輸出接E2電解電容來保證輸出的穩(wěn)定性。采用隔離電源F0303S-1W為輸出級提供電源，電路如圖3所示，F(xiàn)0303S-1W是定電壓輸入單輸出電源模塊，輸入電壓為3V 3.5VDC，輸出電壓為3VDC，隔離電壓可達3000VDC，最大輸出電流200mA。
單片機模塊、電量信號采集模塊、開關量輸出模塊和通訊模塊如圖2所示，顯示模塊如圖6所示。
電量信號采集模塊包括濾波電路，采用二階壓控電壓源低頻濾波電路，它具有-40dB/十倍頻的最大衰減頻率，而且在最大限度衰減無用信號的同時，使得有用信號受到的影響較小。
本發(fā)明裝置的單片機模塊采用Silicon Laboratories公司的單片機C8051F206，自身帶有A/D轉換通道，在圖2的顯示中只用了兩路，對一條線路的在線檢測單相接地故障，最多可以實現(xiàn)對四條線路的同時在線檢測。本發(fā)明采用北京耀華德昌的電壓互感器TV19E和電流互感器TA1915LB，將零序電壓和電流轉變成單片機可以檢測的小電壓信號。使用運算放大器LM358，采用反相放大電路；同時使用了復位電路，采用的電壓監(jiān)測芯片是飛利浦公司的MAX708RD。 MAX708RD是一款用于3.3V電源系統(tǒng)的電壓監(jiān)測芯片，復位門檻電壓為2.63V，具有雙路電源監(jiān)控、電源失效告警、自動復位功能和手動復位功能，如圖2所示。當復位按鈕SW1閉合、系統(tǒng)剛上電或MAX708RD的電源電壓降到2.63V以下時，低有效復位輸出引腳變低，芯片C8051F206可靠復位。電路檢測到故障報警時，使用按鈕進行設備的重新復位，重新檢測線路。并且使用了繼電器輸出電路，使用快速二極管IN4148,對繼電器線圏上的電流進行瞬間續(xù)流。在線路發(fā)生故障時，給出一個開關信號。為了與GPRS模塊的短信貓實現(xiàn)通訊功能，采用RS232
10通訊電路，其核心是飛利浦的LPC23系列處理器，支持數(shù)據(jù)、語音、短信息和傳真等
通信功能，同時具有限斜率驅動功能，可以有效遏制干擾的產(chǎn)生。同時使用隔離技術進行通訊模塊和控制模塊的電氣隔離，提高通訊和整個裝置可靠性。
本發(fā)明保護裝置中采用電壓互感器、電流互感器將外界的大電壓和大電流轉化成單片機可以使用的小電壓和微電流，小電壓和微電流分別接入兩個運算放大器的負端，轉
變成電壓信號，由兩個運算放大器的輸出端直接接入單片機C8051F206的腳37和腳38的A"轉換端口，實現(xiàn)外界模擬信號的采集。復位電路接入單片機的腳14低壓復位端口； 16MHz晶振分別接入單片機的腳9、 10，為單片機提供時鐘；單片機運行指示燈和故障指示燈分別接入單片機的腳34、 35;繼電器的開關量輸出信號線通過光耦的電氣隔離接入單片機的腳36。通訊模塊采用RS232電平轉換芯片和保護電路組成，單片機管腳40、 39接入RS232電平轉換芯片的11、 10管腳，RS232電平轉換芯片的管腳15、14、 7、 16分別與電源地、半雙工串口通訊和電源連接。
本發(fā)明保護裝置的保護功能在零序電流、零序電壓大于一個整定值時投入工作，整定值可以按照現(xiàn)場的要求進行修改，如現(xiàn)場給定數(shù)據(jù)在零序電流小于IOA，零序電壓小于30V時，視為不是小電流接地故障出現(xiàn)，則可以設置零序電流的整定值為IOA，零序電壓的整定值為30V。裝置提供了兩個LED顯示燈，分別為單片機數(shù)據(jù)計算指示(綠燈)和故障指示(紅燈)。在裝置保護功能已經(jīng)投入后，單片機數(shù)據(jù)計算指示燈會間隙的閃爍，方便工作人員判斷裝置是否正常運行；當已經(jīng)判斷系統(tǒng)中存在單相接地故障時，故障指示燈會點亮，提示工作人員進行故障檢修。裝置在判定存在單相接地故障后，不僅提供故障指示燈指示，同時對外提供繼電器開關信號。為防止系統(tǒng)中瞬間的干擾信號或短期存在的故障使裝置產(chǎn)生的誤判斷，裝置提供記憶功能，在一個整定時間內持續(xù)檢測到故障信號，裝置才判斷為發(fā)生單相接地故障。這個整定時間可以按照現(xiàn)場要求進行修改。在裝置判定故障后，經(jīng)過人員的維修使系統(tǒng)中故障排除，裝置的故障指示燈會自動熄滅；裝置也提供了復位按鈕，可以人為使系統(tǒng)重新投入線路的單相接地故障檢測。裝置提供標準的UART串行接口 RS232和RS485可選，本發(fā)明裝置采用RS232通信端口，有防靜電和抗雷擊的功能。同時采用隔離技術使通訊部分和核心控制芯片完全電氣隔離，有效提供通訊的可靠性和裝置的整體抗干擾性。通訊功能可由用戶要求選擇使用。
本發(fā)明的保護方法主要通過單片機實現(xiàn)，如圖7所示，其步驟如下U)初始化；
(2) 確定接線方式，是中性點不接地NUS還是中性點經(jīng)消弧線圈接地NES;
(3) 如果是NUS，單相接地穩(wěn)態(tài)下，計算基波零序電壓的正弦系數(shù)^、基波零序電壓的余弦系數(shù)",e、基波零序電流的正弦系數(shù)^、基波零序電流的余弦系數(shù)/,e，判斷
11是否^"15+、"^<0， /le"ls-/ls"1(;<0，若同時滿足，則發(fā)生了接地故障，轉入歩驟(6)，否則轉入步驟(7);
(4) 如果是NES，計算補償導納，判斷補償導納基準值y,，若滿足|1^|<1.5%則發(fā)生了接地故障，轉入歩驟(6)，否則判斷是否|1^|>20%，若滿足則發(fā)生了接地故障，轉入歩驟(6)，若均不滿足|1;"<1.5%和|;,|>20%，轉入步驟(5);
(5) 判斷補償導納角^，若滿足180°-《<^<180°+《，則發(fā)生了接地故障，轉入歩驟(6)，否則轉入步驟(7)，其中《為過補償動作邊界角，《為欠補償動作邊界角；
(6) 計數(shù)器加l，計數(shù)器是否大于設定閾值，若滿足報警，同時調用通訊子程序；否則轉入步驟(2);
(7) 返回歩驟(1);
步驟(6)所述設定閾值為進行接地故障判斷次數(shù)， 一般設為5次。
單相接地穩(wěn)態(tài)下，零序電壓、電流的數(shù)學描述/")，都屬于非正弦周期時變函數(shù)，
可以用傅立葉級數(shù)表示為
K 《/(0 = /0 + Z Am sin(細f + % ) = 'o + Z ("4 cos to/ + & sin A:c^)
式中，/。一直流分量，f。=/。；' A;—諧波分量的諧波次數(shù)；
i:一諧波分量的最高次諧波次數(shù)；
L一A次諧波的幅值，且/^""〖+《;^一A:次諧波的初相角，且(^-tg"i;
A — ^次諧波的余弦系數(shù)，且^二/^sin^;
^一A:次諧波的正弦系數(shù)，且^ = /ta cos% 。
濾去直流分量后，得到單相接地穩(wěn)態(tài)下用傅氏系數(shù)表達的基波零序電壓、電流基波零序電壓= wlc cos + wls sin基波零序電流4 = /lc cos W + /ls sin W則"lc = "im sin， "ic = "lm cos， I = /lm sin ^ ， /lc = /lm cos % ， "lm為基波電壓的幅值，/^為基波電流的幅值。
在本發(fā)明裝置上應用時，單片機對離散型的采樣信號進行計算，假設每一個周期中的采樣次數(shù)為N，采樣順序為M-0 (N—1)，則有公式為'kc4i!，與)—淑與)
M=0
TV
為了可以準確的計算、簡單地求取k- 1時的零序電壓和零序申流基波分量，如取N=24，則有
=* [" - A) + 0.259(/5 一 /7 — ,7 + y;9) +
0.5(/4 一 /8 — ,6 + /2。) + 0.707(/3 一 /9 一 y;5 + /21) +0.歸(/2 一乂。 -厶+/22) + 0.966(/1 -兒-兒+/23)]
'"—l;/(《)sin(M^)
2
12 12'[(/6 —/18) + 0.259(乂 +/ 一/13 -/23) +
0.5(/2 + /10 - /14 - /22) + 0.707(/3 + /9 - /15 - /21) +0.866(/4 + /8 - /16 — /2。) + 0.969(/5 + /7 - /17 一 /19)]
式中的/。 /23分別為M=0~23次采樣時的零序電壓或零序電流瞬時值。
根據(jù)零序電壓、零序電流的基波量，計算零序測量導納^=^。 NUS系統(tǒng)單相接
地后，零序測量導納位于導納復平面的第三象限，即arg(g)e(18(T,27(r)，分別取實部和虛部可得
Re(》Re(余)〈0Im(g) = Im(4)<。
即
cos(p入—% ) = (cos % cos % + sin ^ sinsin((z^ - % ) = (sin % cos % - cos ^ sin % ) < 0
上面公式兩側分別乘以t/,/,，可得上面公式即為NUS系統(tǒng)中，單相接地故障的判據(jù)，在NUS系統(tǒng)中，如果上述兩個 公式都滿足，則發(fā)生了單相接地故障。不滿足條件，則沒有發(fā)生單相接地故障。
NES系統(tǒng)單相接地后，根據(jù)動作區(qū)域圖，需要進行保護整定，如圖5所示。在判 斷前，先對補償導納進行歸一化處理，其基準值選為各條線路的零序電納
pero m/ / 、e,
1^表示補償導納的基準值、4，為補償導納，當1^大于一定門檻值時，直接判 為線路故障，否則，利用動作區(qū)域圖進行判斷。當補償導納落入左半平面的故障區(qū)域時， 判為線路故障，否則判為線路正常。如果所有線路的補償導納均在非動作區(qū)，經(jīng)過一段 時間后，零序電壓仍未復歸，故障被判為母線故障。
首先，整定小圓的半徑，即消弧線圈的電導分量，消弧線圈的有功損耗可以占到補 償容量的百分比為1.5%~2%， 一般取為1.5%。根據(jù)公式
k， -乙=-+!>,)-y[令十("-w-a
k為系統(tǒng)導納，6,為i次諧波零序導納，|>,為除基波外零序導納之和。
當各條非故障線路為無損耗線且補償線圈運行在諧振點時，故障線路補償導納將出 現(xiàn)最小模值，該最小模值為消弧線圈的電導分量&。 一般情況下，消弧線圈的有功損 耗可以占到補償容量的百分比為1.5%~2%，即
gL =(1.5%~2%)x(l-u)& ;=& A = [(l .5% ~ 2%) x (1 -哨]A 其中，^,為零序電納、u為失諧度、&2為總電納，Zg,是非故障線路總電導。
由上式可知；r,取最小值的條件是線路無損且^:^，即故障線路的電納在總電
納中占了絕對比重，在諧振補償狀態(tài)下"=0，此時有l(wèi);r,l^-i.5。/。。實際上，上述條
件同時滿足的幾率是微乎其微的。取0.015作為導納動作平面小圓的半徑，則任何的故
障線路導納都不可能落入該圓內。
其次，考慮動作區(qū)邊界的整定。假定進行導納測量時，電納的測量誤差不會超過
1420%。即如果|;」>20%，則直接判該線路為故障線路；如果|;,|<20%，對于故障線 路，因電導部分為負，補償導納始終位于導納平面的左半部分；對于非故障線路，最不 利的判別條件為線路無損，電納誤差又在1.5%以上，則判別結果取決于誤差的正負， 其導納角將位于正、負虛軸上。而一般情況下，當線路電導的影響不能忽略時，導納角 將偏向第I或第1V象限。不論是以上哪種情況，非故障線路的補償導納均不會進入導 納平面的左半部分，因此，非故障線路和故障線路均可以通過補償導納角實現(xiàn)區(qū)分。為 增強判據(jù)的可靠性，結合對實際因素的考慮，探討最不利的條件下，故障線路補償導納 角可能達到的上、下限，以此作為故障線路的判別門檻。 由前邊公式可得，
y戸與負實軸的夾角為^-arctanM^/(gi+;^g,)，在某一確定補償度下，當健全線無
損、"^取最小時，該相角最大，即與虛軸的夾角最小，此時，&mm=1.5%(l-")&，因 此，有P, =arctan{|"|/[1.5%x(l —")]}，當M最大時，即|^ = 20%時，過補償動作邊界
角《=arctan{0.2/[1.5%x(l + 0.2)]} = 84.86° ，類似地可求得欠補償狀態(tài)下的動作邊界角為
<92 =arctan{0.2/[1.5%x(l-0.2)]} = 86.57°,至此，所有的故障區(qū)動作邊界均巳確定。
應用本發(fā)明時，首先對保護裝置的單片機進行各個引腳和功能的初始化，然后檢測 零序電壓、零序電流，當電流、電壓值大于一個整定值后，確定接線方式，如果是NUS， 根據(jù)零序導納選線方法的動作方程計算基波零序電壓的正弦系數(shù)^ 、基波零序電壓的 余弦系數(shù)A。、基波零序電流的正弦系數(shù)^、基波零序電流的余弦系數(shù)、；判斷是否 /lsCkls+/l￡Q^<0， /ltQ/ls-/lsQ^<0，若同時滿足，啟動零序補償導納選線保護程序進 行報警。如果是NES，計算補償導納及導納角，滿足條件，啟動零序補償導納選線保 護程序進行報警，步驟如圖7所示。在一個周期內，按全波順序采樣12個點的零序電 壓和零序電流，并保存在數(shù)據(jù)存儲器中，分別將采樣點存儲數(shù)據(jù)帶入已推導的計算公式， 計算出判斷所需要的四個參數(shù)，并給出單片機工作指示燈變換，再將計算參數(shù)帶入判斷 公式判斷故障的發(fā)生信號。為防止外界脈沖干擾造成的誤判斷，采用累加的方式確保程 序的可靠運行，即步驟(6)中設定的故障判斷閾值。
本發(fā)明方法中的通訊子程序包括以下步驟，如圖8所示
(1) GPRS短信格式設置，初始化參數(shù)；
(2) 發(fā)送建立連接指令；(3) 判斷GPRS模塊是否連接，若已連接轉入步驟(4)，否則轉入歩驟(2);
(4) 發(fā)送短消息；
(5) 判斷短消息是否發(fā)送成功，若發(fā)送成功，轉入步驟(6)，否則轉入步驟(4);
(6) 返回。
在運行中如發(fā)生中斷，會自動啟動中斷服務程序。中斷服務程序包括以下歩驟，
如圖9所示
(1) SWCINT中斷請求；
(2) 若滿足從GPRS模塊接收數(shù)據(jù)，否則轉入步驟(5);
G)判斷是否有短消息，若滿足提取消息，否則轉入歩驟(5);
(4) 根據(jù)短消息判斷是否分閘，若滿足進行分閘，否則轉入歩驟(5);
(5) 中斷返回。
權利要求
1、基于GPRS的小電流接地選線保護裝置，其特征是包括電源模塊、電量信號采集模塊、顯示模塊、開關量輸出模塊、單片機模塊、通訊模塊和GPRS模塊，電源模塊、電量信號采集模塊的輸出連接單片機模塊，顯示模塊、開關量輸出模塊和通訊模塊與單片機模塊雙線連接，通訊模塊與GPRS模塊由RS232連接，電量信號采集模塊由電流、電壓互感器和運算放大器、濾波電路組成，濾波電路為二階壓控電壓源低頻濾波電路，單片機模塊包括C8051F206芯片、相應的晶振電路和復位電路，顯示模塊由LED顯示燈組成，開關量輸出模塊由繼電器、驅動三極管和保護電路組成，通訊模塊由RS232電平轉換芯片和保護電路組成。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于GPRS的小電流接地選線保護裝置，其特征是所述 電源模塊由電流/電壓變換器獲得電量信號采集模塊的電流互感器二次側的電流，經(jīng)過共 模和差模抑制電路、整流濾波電路、集成穩(wěn)壓芯片、定電壓輸入高隔離非穩(wěn)壓單輸出得 到所需電壓，具體為電量信號采集模塊的電流互感器二次側的電流經(jīng)過共模和差模抑 制電路和整流濾波電路接入集成穩(wěn)壓芯片7805和SPX1117M3一3.3，分別輸出5V和3.3V 的電壓，由去耦電容和旁路電容保證輸出的穩(wěn)定，其中5V電源經(jīng)過定電壓輸入高隔離 非穩(wěn)壓單輸出為通訊模塊提供5V的隔離電源，3.3V為單片機C8051F206提供電源。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于GPRS的小電流接地選線保護裝置，其特征是 復位電路為飛利浦公司的電壓檢測芯片MAX708RD，連接C8051F206芯片的復位端。
4、 基于GPRS的小電流接地選線保護方法，其特征是采用零序補償導納方法，在 單相接地穩(wěn)態(tài)下采集零序電壓、零序電流，由于單相接地后零序電壓為 t/。e(30V，100V)，當監(jiān)測到零序電壓超過30V后啟動選線程序，其故障判斷歩驟如下(1) 初始化；(2) 根據(jù)要進行故障判斷的接地方式，確定進行中性點不接地NUS故障判斷或中 性點經(jīng)消弧線圈接地NES故障判斷；(3) 如果是NUS，單相接地穩(wěn)態(tài)下，計算基波零序電壓的正弦系數(shù)^、基波零序 電壓的余弦系數(shù)A。、基波零序電流的正弦系數(shù)/,s、基波零序電流的余弦系數(shù)、，判斷 是否、~ + ^"1(;<0， 、"ls-ils"le<0，若同時滿足，則發(fā)生了接地故障，轉入歩驟(6)， 否則轉入步驟(7);(4) 如果是NES，計算補償導納，判斷補償導納基準值;r,，若滿足|1^|<1.5%則 發(fā)生了接地故障，轉入步驟(6)，否則判斷是否|1^|>20%，若滿足則發(fā)生了接地故障， 轉入步驟(6)，若均不滿足ly,卜1.5yQ和lr,卜20。/。，轉入歩驟(5);(5) 判斷補償導納角9，若滿足18(T-《<^<180°+《，則發(fā)生了接地故障，轉入步驟(6)，否則轉入歩驟(7)，其中《為過補償動作邊界角，《為欠補償動作邊界角；(6) 計數(shù)器加l，計數(shù)器是否大于設定閾值，若滿足報警，同時調用通訊子程序； 否則轉入步驟(2);(7) 返回歩驟(1);歩驟(6)所述設定閾值為進行接地故障判斷次數(shù)。
5、 根據(jù)權利要求4所述的基于GPRS的小電流接地選線保護方法，其特征是NUS 中基波零序電壓的正弦系數(shù)^、基波零序電壓的余弦系數(shù)^、基波零序電流的正弦系基波零序電流的余弦系數(shù)^的獲得為單相接地穩(wěn)態(tài)下，零序電壓、電流的數(shù)學描述/《)用傅立葉級數(shù)表示為《 k/(0 = /0 + 21 sin(to/ + % ) = i。 + 2 ("4 cos to/1 + sin to/)式中，/。一直流分量，zq=/。；A:—諧波分量的諧波次數(shù)； K一諧波分量的最高次諧波次數(shù)；/^一A次諧波的幅值，且4 = 《; 外一A:次諧波的初相角，且^4g"i;^一A次諧波的余弦系數(shù)，iaA=/tosin<%; ^一A:次諧波的正弦系數(shù)，且^=4^03%;濾去直流分量后，得到單相接地穩(wěn)態(tài)下用傅氏系數(shù)表達的基波零序電壓、電流基波零序電壓m, = wlc cos W + wls sin基波零序電流= /lc cos+ /ls sin W 貝U wlc = wlm sin & ， wlc = wlm cos % ， /lc = /lm sin % ， /lc = /lm cos % ， wlm為基波電壓的幅值，^為基波電流的幅值。
6、 根據(jù)權利要求4或5所述的基于GPRS的小電流接地選線保護方法，其特征是 所述歩驟(7)中調用的通訊子程序包括以下步驟(1) GPRS短信格式設置，初始化參數(shù)；(2) 發(fā)送建立連接指令；(3) 判斷GPRS模塊是否連接，若已連接轉入步驟(4),否則轉入步驟(2);(4) 發(fā)送短消息；(5) 判斷短消息是否發(fā)送成功，若發(fā)送成功，轉入步驟(6)，否則轉入步驟(4);(6)返回。
7、 根據(jù)權利要求4或5所述的基于GPRS的小電流接地選線保護方法，其特征是 當運行中如發(fā)生中斷，會自動啟動中斷服務程序，其中斷服務程序包括以下歩驟(1) SWCINT中斷請求；(2) 若滿足從GPRS模塊接收數(shù)據(jù)，否則轉入歩驟(5);(3) 判斷是否有短消息，若滿足提取消息，否則轉入步驟(5);(4) 根據(jù)短消息判斷是否分閘，若滿足進行分閘，否則轉入歩驟(5);(5) 中斷返回。
8、 根據(jù)權利要求6所述的基于GPRS的小電流接地選線保護方法，其特征是當運 行中如發(fā)生中斷，會自動啟動中斷服務程序，其中斷服務程序包括以下步驟(1) SWCINT中斷請求；(2) 若滿足從GPRS模塊接收數(shù)據(jù)，否則轉入步驟(5);(3) 判斷是否有短消息，若滿足提取消息，否則轉入步驟(5);(4) 根據(jù)短消息判斷是否分閘，若滿足進行分閘，否則轉入步驟(5);(5) 中斷返回。
全文摘要
基于GPRS的小電流接地選線保護裝置及保護方法，采用零序補償導納選線方法，一臺裝置能兼容實現(xiàn)NUS和NES接線方式下的小電流接地的選線保護，在適用范圍上更加廣泛。同時保護裝置對外提供了一個開關輸出信號，利用GPRS無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線通訊。本發(fā)明的保護方法增加了NUS接線方式下故障判斷的判斷條件，誤差大幅度減小，進一步提高了選線的準確度，使得裝置的誤判率降低，理想狀態(tài)下誤判率低于1％，現(xiàn)場試驗測試誤判率也能保持在5％以內；本發(fā)明裝置的可靠性高、傳輸距離遠，使用GPRS模塊，可減少建設費用，入網(wǎng)快速，通訊可靠。
文檔編號H02H7/26GK101499650SQ20091002540
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月10日 優(yōu)先權日2009年3月10日
發(fā)明者浩 孫, 莘 林, 云 滕, 閆鴻魁 申請人:南京因泰萊配電自動化設備有限公司