一種基於dsp的電流分離動作型漏電保護裝置及其方法
2023-10-17 20:57:44 4
專利名稱：一種基於dsp的電流分離動作型漏電保護裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及電力系統漏電保護領域，具體涉及一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置及其方法。
背景技術：
自19世紀末，電力進入人類的生活和生產領域以來，人類就開始同觸/漏電事故做不懈的鬥爭。國內外，先後出現了電壓動作型和剩餘電流動作型漏電保護裝置，但電壓動作型因其不可克服的缺點，已逐漸為剩餘電流動作型所代替。電流動作型剩餘電流保護裝置(Residual Current Devices, RCDs)也稱漏電保護器,是較早應用於電力系統的剩餘電流保護裝置之一，已經成為低壓電網漏電事故(包括設備漏電事故和人體觸電事故)的最基本和最重要的保護手段。隨著檢測技術和計算技術的快速發展，在電流動作型基礎上，近年 來國內外相繼出現了脈衝動作型、鑑幅鑑相動作型等幾種類型的剩餘電流保護裝置，並取得了一定的應用成果。但這些類型的漏電保護器其動作判斷依據通常是低壓供電迴路總洩漏電流的幅值大於某整定值，或總洩漏電流的微增量大於某個規定值而動作。運行實踐表明，現有剩餘電流保護裝置，就動作特性而言，大多都無法真正辨識觸/漏電支路的汲出電流信號，難以準確動作於故障電流，均存在一定的保護死區。例如，電流動作型在觸/漏電故障電流與正常洩漏電流夾角180°周圍存在不動作區，另外還存在過靈敏相和欠靈敏相問題；電流脈衝動作型與電流動作型相比，增加了第二動作區，但在第二動作區與第一動作區之間仍然存在一定的保護動作死區。在實際中，常常出現大負荷時漏電保護裝置合不上閘、無法正確投運(此時，工頻總洩漏電流值已接近或超過整定值)；或在潮溼天氣條件下，因電氣迴路絕緣水平顯著降低，導致對地自然洩漏電流增大，進而出現誤動作和誤切電源的現象。其關鍵原因在於，現有漏保裝置僅基於總剩餘電流幅值大小，而不是觸/漏電故障電流本身，保護的針對性不強。迄今為止，還沒有一款剩餘電流保護裝置能夠完全消除動作死區及誤動作等問題，這是本領域共同面臨的技術難點，也是今後的主要攻關方向。因此，基於將正常剩餘電流與觸/漏電故障電流分離的電流分離動作型剩餘電流保護裝置將是未來發展趨勢。該類型保護裝置，從原理上看，可完全消除一般剩餘電流保護裝置的拒動和誤動問題，獲得理想的保護運行特性。隨著計算技術和微弱電氣信號檢測技術的快速發展，電流分離技術將趨於完善和成熟，將逐步取代現有的脈衝動作型和鑑幅鑑相動作型剩餘電流保護技術，並且具有廣闊的應用前景。電網及電網中的電氣設備的絕緣水平不可能是絕對理想的，均存在對地絕緣電阻和對地分布電容，因此存在洩漏電流，這一洩漏電流一般稱為漏電電流或剩餘電流。當發生觸/漏電故障時，觸/漏電故障電流L作為一個分量匯入正常剩餘電流k中。故障後的總剩餘電流Im為電網正常剩餘電流込與觸/漏電故障電流L的疊加相量和，如附圖I。電網的正常漏電電流為三相線路各自的洩漏電流的矢量和。由於三相線路各相上線路絕緣水平、所接設備、設備漏電狀態可能各不相同，所以總的洩漏電流的相位是任意的。觸/漏電事故可能發生在三相上的任意一相上，再考慮到間接觸/漏電事故還可能存在過渡阻抗等，因此，觸/漏電故障電流的相位也是任意的。綜上，觸/漏電故障電流與正常洩漏電流間的相位差是任意的。現有的剩餘電流型漏電保護技術中，通常是通過判斷剩餘電流幅值或其微增量是否達到或超過規定動作閾值來實現保護的。由上述分析可知，當電網中有觸/漏電事故發生時，總剩餘電流不僅有幅值的變化，而且有相位的變化。由於觸/漏電故障電流與正常剩餘電流相位的不確定性，使得兩者的向量和故障後總剩餘電流並不一定是幅值增大的，也有可能是幅值減小的。因此，單純通過檢測剩餘電流的幅值是無法進行正確保護的，還必須考慮相位關係。電流鑑相動作型觸電保護通過鑑別觸電電流相位的方法來獲取信號，消除了電流動作型和電流脈衝動作型所共有的保護死區，獲得了在一定條件下的理想運行特性。但該條件是苛刻的，其假設人體阻抗為純阻性的；觸電發生在三相線路的任意一相上；且觸電電流同觸電相電壓同相位。在偏離上述特定條件時，其運行特性就不是理想的了。尤其當觸電電流與其標準電壓相位差±90°左右時，觸電動作電流非常大，保護器往往發生拒動現象
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置及其方法，解決了現有的漏電保護裝置存在保護死區、容易出現誤動作和誤切電源，無法準確檢測出觸/漏電電流有效值的問題。為解決上述的技術問題，本發明採用以下技術方案一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置，其特徵在於包括利用零序電流互感器採集故障前的剩餘電流込信號和故障後的剩餘電流Iui信號的檢測單元；將故障前的剩餘電流込信號和故障後的剩餘電流Iui信號轉換為數位訊號的A/D轉換單元；讀取A/D轉換單元轉換的數位訊號，通過將兩個以上周期的故障前剩餘電流込和故障後剩餘電流Iui相乘的方法計算出觸/漏電故障電流U並與預設額定動作值進行比較的DSP處理單元；根據DSP處理單元做出的判斷切斷被保護電路的電源的執行單元。更進一步的技術方案是本一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置還包括通過電阻和按鈕產生模擬故障信號檢驗整個保護裝置是否正常的試驗單元。更進一步的技術方案是本一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置還包括用於儲存故障前的剩餘電流k信號和故障後的剩餘電流Im信號轉換為數位訊號的緩存器。一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法，包括如下步驟在DSP處理單元中預設額定動作值、前後相乘周期數和滑動步長H ；通過檢測單元中的零序電流互感器採集故障前的剩餘電流L信號和故障後的剩餘電流Im信號；當採集到前後相乘周期數相應的故障前的剩餘電流L信號和故障後的剩餘電流Im信號後，通過A/D轉換單元轉換成數位訊號；
數位訊號傳輸至DSP處理單元，DSP處理單元根據故障前的剩餘電流L和故障後的剩餘電流Ilh利用公式Ir = ψ +I2m-IIlIlh cos0得出觸/漏電故障電流Ir ；將觸/漏電故障電流L和預設額定動作值進行比較分析，判斷出是否切斷被保護電路的電源的結果；根據結果，通過執行單元切斷被保護電路的電源。更進一步的技術方案是本發明一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法還包括一個預先實驗步驟，在正式使用前先利用試驗單元中的電阻和按鈕產生模擬故障信號檢驗整個保護裝置是否正常。更進一步的技術方案是上述滑動步長H的時間大於DSP處理單元單次計算出觸/漏電故障電流Ir有效值的時間。
更進一步的技術方案是上述前後相乘周期數大於兩個周期。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明不論觸/漏電電流與正常剩餘電流相位關係如何，也不論觸電後總剩餘電流幅值是增大的還是減小的均能準確檢測出觸電電流有效值，具有理想的保護運行特性，特別適用於低壓配電網三相四線制線路的全網總保護及大分支保護。
圖I為故障前的剩餘電流込信號和觸/漏電故障電流仁合成故障後的剩餘電流Im矢量圖。圖2為本發明的連接關係圖。圖3為本發明的工作流程圖。圖4為本發明的一個實施例用於仿真軟體PSCAD/EMTDC中的人體觸電電流波形圖。圖5為本圖4所示本發明的一個實施例用於仿真軟體PSCAD/EMTDC中的剩餘電流變化波形。圖6為圖4所示本發明的一個實施例用於仿真軟體PSCAD/EMTDC中的觸電電流幅值變化波形。圖7為本發明的另一個實施例用於仿真軟體PSCAD/EMTDC中的人體觸電電流波形圖。圖8為圖7所示本發明的另一個實施例用於仿真軟體PSCAD/EMTDC中的剩餘電流變化波形。圖9為圖7所示本發明的另一個實施例用於仿真軟體PSCAD/EMTDC中的觸電電流幅值變化波形。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。圖2示出了本發明一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置的一個實施例一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置，其特徵在於包括利用零序電流互感器採集故障前的剩餘電流込信號和故障後的剩餘電流Iui信號的檢測單元；將故障前的剩餘電流込信號和故障後的剩餘電流Iui信號轉換為數位訊號的A/D轉換單元；讀取A/D轉換單元轉換的數位訊號，通過將兩個以上前後相乘周期的故障前的剩餘電流L和故障後的剩餘電流Im，相乘的方法計算出觸/漏電故障電流並與預設額定動作值進行比較的DSP處理單元；根據DSP處理單元做出的判斷切斷被保護電路的電源的執行單元。
另外，整個保護裝置可以採用直流電源供電。根據本發明一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置的一個實施例，本一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置還包括通過電阻和按鈕產生模擬故障信號檢驗整個保護裝置是否正常的試驗單元。更進一步的技術方案是本一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置還包括用於儲存故障前的剩餘電流k信號和故障後的剩餘電流Im信號轉換為數位訊號的緩存器。圖3示出了一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法，包括如下步驟在DSP處理單元中預設額定動作值、前後相乘周期數和滑動步長H，即圖中初始化預先設置；通過檢測單元中的零序電流互感器採集故障前的剩餘電流L信號和故障後的剩餘電流Iui信號，即採樣；當採集到前後相乘周期數相應的故障前的剩餘電流k信號和故障後的剩餘電流Ilh信號後，通過A/D轉換單元轉換成數位訊號，如果沒有採集到足夠周期的信號，則繼續採樣；數位訊號傳輸至DSP處理單元，DSP處理單元根據故障前的剩餘電流I1和故障後的剩
餘電流Im利用公式Ir =cos6i得出觸丨漏電故障電流仁.將觸/漏電故障電流L和預設額定動作值進行比較分析，判斷出是否切斷被保護電路的電源的結果；根據結果，如果L大於預先設置的額定動作值，通過執行單元切斷被保護電路的電源。如果觸/漏電故障電流L小於預設額定動作值，DSP處理單元則重複持續計算。根據本發明一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法的一個優選實施例，本發明一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法還包括一個預先實驗步驟，在正式使用前先利用試驗單元中的電阻和按鈕產生模擬故障信號檢驗整個保護裝置是否正常。根據本發明一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法的另一個優選實施例，滑動步長H的時間大於DSP處理單元單次計算出觸/漏電故障電流k有效值的時間，這主要取決於DSP處理單元的處理速度，比如計算1800次花費時間O. 479s,則單次計算時間約為O. 27ms, H可設置為O. 5ms,但最大不宜超過四分之一個工頻周期，即5ms。根據本發明一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法的另一個優選實施例，前後相乘周期數大於兩個周期。
—般情況下額定動作值為30mA,前後相乘周期設置為2或3個周期,滑動步長H為O. 5ms ο由於電網不同、電網中設備不同、環境因素不同，不同電網的正常剩餘電流一般各不相同，但一般在幾毫安到幾百毫安之間；人體觸電電流一般在幾十毫安到幾百毫安之間；故障漏電變化範圍稍大，但其數量級仍為毫安級。如圖I所示，觸/漏電故障電流L與正常剩餘電流的矢量和為故障後總剩餘電流Im。設故障前後剩餘電流間的夾角為θ(0° 360° )，根據餘弦定理可得三個電流的幅值之間存在如下關係=Il Ijjri ~Ui_ILh cosΘ(I)在漏電保護器中，觸/漏電故障電流仁是不能直接測量得到的，而故障前後的剩餘電流Iy Iui是可以直接通過零序電流互感器測量得到的。根據(I)式可知，只要能計算出等式右邊的第三項，即可求得觸/漏電故障電流L的幅值。設故障前剩餘電流為·iL = -JlIr COS(COt)⑵故障後剩餘電流為iLH = \(21 n! cos、o)l+Θ)(3)將兩者相乘可得h'm = cos{(oi)^i2Iu/ cos(oj(+0)(4)= I, I, Jf cos Θ -Y Ij Jnf cos/—夕)對k與的乘積結果做求平均運算有— f v2/y cos(⑷/ hfilLn Cos(Ct)I^Θ\Πcoi) = /, Iuf cos θ(5)
2πΗ在實際應用中，通常是對離散化的採樣信號進行數字處理，積分運算可採用下面的求和運算來實現。/^i^cos 沒=丄藝++(6)
N = 其中，M為觸/漏電故障起始點，N為一個周期的採樣點數。同理有效值平方I 和Im2可分別由以下兩式求得
Λ N-II2 = — V/2(M -N+η)(7)
1 Ntd0 1I2lh =\Tj2lH(M + n)(、)
n=Q將(6) (8)式代入(I)式，便可解得觸/漏電故障電流有效值為Ir = φ + \Η -IIlIlh cqsθ(9)以該值做為判斷保護裝置動作與否，便可得到理想運行特性。其中用公式(5)或(6)計算出來時，得到的是IJuiCOS Θ三者之積，沒有必要知道Θ的確切值。下面結合仿真實驗來說明本發明所起到的有益效果，在電力系統暫態仿真軟體PSCAD/EMTDC中，進行低壓電網中人體觸電仿真，得到仿真數據樣本，然後在MATLAB中，利用本發明所述方法提取人體觸電電流有效值。仿真中，採樣頻率為5000Hz，即每周期採樣N=IOO個點；前後相乘周期數取為I個周期；滑動步長H取O. 2ms,正好一個採樣間隔如圖4-圖6所示的一個仿真實施例，觸電前正常剩餘電流L有效值為11. 84mA，相位為111.05° (以C相相電壓的相位為參考相位，後同)；觸電電流仁有效值為109.92mA，相位為-125. 15° ;觸電後總剩餘電流Iui有效值為121. 29mA (觸電後，剩餘電流幅值是增大的)，相位為-55. 62° ;利用本發明所述方法檢測觸電電流有效值結果為109. 78mA。如圖7-圖9所示另一個仿真實施例，觸電前正常剩餘電流Il有效值為38. 99mA,相位為96. 57° (以C相相電壓的相位為參考相位，後同)；觸電電流仁有效值為43. 97mA,相位為-19. 36° ;觸電後總剩餘電流Iui有效值為24. 36mA (觸電後，剩餘電流幅值是減小的)，相位為-I. 16° ;利用本發明所述方法檢測觸電電流有效值結果為43. 75mA。儘管這裡參照本發明的多個解釋性實施例對本發明進行了描述，但是，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則範圍和精神之內。更具體地說，在本申請公開、附圖和權利要求的範圍內，可 以對主題組合布局的組成部件和/或布局進行多種變型和改進。除了對組成部件和/或布局進行的變型和改進外，對於本領域技術人員來說，其他的用途也將是明顯的。
權利要求
1.一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置，其特徵在於包括 利用零序電流互感器採集故障前的剩餘電流k信號和故障後的剩餘電流^信號的檢測單元； 將故障前的剩餘電流k信號和故障後的剩餘電流Iui信號轉換為數位訊號的A/D轉換單元； 讀取A/D轉換單元轉換的數位訊號，通過將兩個以上周期的故障前剩餘電流k和故障後剩餘電流Iui相乘的方法計算出觸/漏電故障電流U並與預設額定動作值進行比較的DSP處理單元； 根據DSP處理單元做出的判斷切斷被保護電路的電源的執行單元。
2.根據權利要求I所述的一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置，其特徵在於還包括通過電阻和按鈕產生模擬故障信號檢驗整個保護裝置是否正常的試驗單元。
3.根據權利要求I所述的一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置，其特徵在於還包括用於儲存故障前的剩餘電流込信號和故障後的剩餘電流Iui信號轉換為數位訊號的緩存器。
4.一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法，包括如下步驟 在DSP處理單元中預設額定動作值、前後相乘周期數和滑動步長H ； 通過檢測單元中的零序電流互感器採集故障前的剩餘電流k信號和故障後的剩餘電流Iui信號； 當採集到前後相乘周期數相應的故障前的剩餘電流k信號和故障後的剩餘電流IuJf號後，通過A/D轉換單元轉換成數位訊號； 數位訊號傳輸至DSP處理單元，DSP處理單元根據故障前的剩餘電流k和故障後的剩餘電流Ilh利用公式々=ψ2,+I2lh-2ILILH COS0U出觸/漏電故障電流Ir ; 將觸/漏電故障電流L和預設額定動作值進行比較分析，判斷出是否切斷被保護電路的電源的結果； 根據結果，通過執行單元切斷被保護電路的電源。
5.根據權利要求4所述的一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法，其特徵在於還包括一個預先實驗步驟，在正式使用前先利用試驗單元中的電阻和按鈕產生模擬故障信號檢驗整個保護裝置是否正常。
6.根據權利要求4所述的一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法，其特徵在於所述滑動步長H的時間大於DSP處理單元單次計算出觸/漏電故障電流L有效值的時間。
7.根據權利要求4所述的一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護方法，其特徵在於所述前後相乘周期數大於兩個周期。
全文摘要
本發明涉及電力系統漏電保護領域，具體涉及一種基於DSP的電流分離動作型漏電保護裝置及其方法，包括檢測單元，A/D轉換單元，DSP處理單元和執行單元。本發明的作用是不論觸/漏電電流與正常剩餘電流相位關係如何，也不論觸電後總剩餘電流幅值是增大的還是減小的均能準確檢測出觸/漏電電流有效值，具有理想的保護運行特性，特別適用於低壓配電網三相四線制線路的全網總保護及大分支保護。
文檔編號H02H3/26GK102904209SQ20121043086
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月1日 優先權日2012年11月1日
發明者趙恆 , 肖先勇, 李 浩, 汪穎, 馬超 申請人:四川省電力公司資陽公司, 四川大學, 國家電網公司