一种快速捕捉电网故障启动点的方法技术

一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在于：ＦＰＧＡ数据采集对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波后的电流、电压数字信号，小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从ＦＰＧＡ中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺序排序；从零序电压通道的１２８个数据中每隔１６点提取一个数据，得到新的数据窗ｋ（０）～ｋ（７），同时找到这８个数据相对应的一周波前的采样数据；对数据进行第一次突变量启动判别，当Δｋ（ｎ）大于设定门槛时判故障启动，记录ｊ值，并找到ｋ（ｊ）在数据窗ｉ（ｎ）中位置序号，假设为ｉ（ｐ）；从ｉ（ｐ）开始往前取４８个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统综合自动化系统，特别是在35kV及以下电压等级电网中的 利用小电流接地故障选线装置快速捕捉电网故障启动点的方法。二.
技术介绍
电力是国民经济发展的推动力，而微机保护是电力安全稳定运行的可靠保障。我 国电力系统中明确要求保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。速动性是 指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损 坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。一 般从装设速动保护(如高频保护、差动保护)、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保 护的作用、减少继电器固有动作时间和开关跳闸时间等方面入手来提高速动性。可见，速动性是衡量继电装置保护性能的一个重要指标，而提高速动性的一个重 要手段是加快保护动作出口时间。保护动作出口时间主要跟保护原理、保护算法有关。现 有的保护算法都是基于故障分量进行计算，故障启动点是故障分量的起始点，快速识别故 障启动点有利于加快动作出口，减少设备故障运行时间，有利于保障设备安全。另外，近年来基于故障暂态信号的保护原理和算法在微机保护中渐渐得到开发和 应用。暂态信号中含有丰富的谐波分量，根据香农定理，采样频率必须是谐波频率的2倍以 上，因此，暂态信号保护对微机保护的CPU运算能力和采样系统有很高的要求。由于暂态信 号只存在于电力系统故障发生瞬间，存在时间短，要求微机保护装置在最快的时间内识别 并将故障信息保存下来，这对微机保护提出了更高要求。基于暂态零序电流的小电流接地选线装置，其选线理论要求实现高速采样下的实 时处理，其实现的一个前提是高速采样系统。在高速采样系统下，微处理器需要对采样数据 进行实时性处理，判别是否有故障发生。若有，则马上启动数据存储程序，将从故障点开始 的一段数据保存下来，以便进行下一步分析。这一过程中，采样频率越高，数据的采集、计算 和保存的工作量就越大。高速采样和实时处理之间是矛盾的。因此，在微处理器运算能力一定的情况下，采用双突变量算法，大大减少处理器运 算时间，提高了数据处理能力，实现了数据的实时性处理。小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列(以下简称FPGA)。三.
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种利用小电流接地故障选线装置快速捕捉电网故障启动 点的方法，以进一步满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。本专利技术的目的是这样实现的，其特征在 于a.小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列FPGA数据采集作为整个采集系 统中采样控制及数据暂存的核心单元，对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波50 2MHz后的电流、电压数字信号，从而实现了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集，采样频率设定51. 2k，即每周波1024点；b.小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从FPGA中读取所有通道的采样数 据，并按采样先后顺序排序；c.从零序电压通道的128个数据中每隔16点提取一个数据，得到新的数据 窗k(0) k(7)，共8个数据，同时找到这8个数据相对应的一周波前的采样数据，记为 kl(0) kl(7)；d.对k(0) k(7)数据进行第一次突变量启动判别，即Ak(j) = k(j)_kl(j) |， j =0 7，当Ak(n)大于设定门槛时判故障启动，记录j值，并找到k(j)在数据窗i(n) 中位置序号，假设为i (P)；e.从…)开始往前取48个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到 启动点，此点即为真正的故障启动点。采取以上措施的本专利技术，在产品应用中，尤其是电力系统微机保护中应用效果明 显。以1024点采样为例，传统算法下，每周波采样需要计算1024次，而本方案只需要计算 1024/16+48 = 112次，大大减少了微处理器的运算量，节省了时间，实现了高速采样下的数 据实时性处理。四.附图说明附图1是电力系统发生接地或短路故障时，电压或电流波形突变示意图。附图2是本专利技术的采样示意图；附图3是本专利技术的算法流程图；附图4是小电流接地故障选线装置的电路方框图；附图5是小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图；附图6是小电流接地故障选线装置的采样系统部分电气原理图；附图7是小电流接地故障选线装置CPU系统部分电气原理图；附图8是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图9是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图10是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图11是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图12是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图13是小电流接地故障选线装置的CPU系统部分电气原理图；附图14是小电流接地故障选线装置的软件流程图。以下再结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详述。五.具体实施例方式本专利技术提出了一种优化的算法双突变量启动算法，可以大大减少微处理器运算 时间，解决了高速采样下数据的快速实时性处理问题，大大提高了产品性能。附图1是电力系统发生接地或短路故障时，电压或电流波形突变示意图。可以看 出，故障前后波形差异很大，通过采样值比较i (η)和i(n-N)可以识别出是否发生故障。为了防止系统波动和干扰，保证算法的安全和可靠，在计算时通常需要连续三次满足条件才 认为是发生故障。附图2是采样示意图。i (η)是按装置采样频率定时采样得到的原始数据窗，而 k(m)是从i(n)中等间隔提取出来得到的新数据窗。图3是算法流程图，是算法实现过程体现。当小电流接地系统发生单相接地故障时，接地瞬间电压电流会产生突变，信号中 含有丰富的谐波分量，称之为故障时的暂态分量，该信号是进行选线分析的基础。暂态分量 存在时间很短，必须快速识别并保存下来。传统的做法是由微处理器控制AD转换，并定时 中断读取数据。每采集一个数据进行一次突变量计算，判别故障启动点。由于采样中断频 率高，微处理器用于运算的时间有限，这种方法在高速采样下很难实现，即使采用高性能的 微处理器也很困难。本专利技术采用微处理器+FPGA的实现方式，由FPGA控制模数AD转换和数据读取，在 满足 实时性要求的前提下，以2. 5ms时间间隔定时向微处理器发中断命令，由微处理器一 次性将FPGA中采集到的数据读取过来，然后对该批数据进行双突变量启动计算，判别故障 启动点。相对于传统方式，这种实现方式实时性稍差，但这种差异几乎是微秒级的，对于电 力系统来说是可以忽略的。突变量启动算法是针对电力系统特有的故障信息特征而开发的。在电力系统中， 系统正常运行时，负荷电流(或电压)是稳定的，或虽然有变化，但不会在一个工频周期这 样短的时间内突然发生很大变化。当有故障发生时，电流会发生突变(见附图1)，下面公式 (1)可以有效反应出故障变化量Δ i (η) = I i (η) _i (η_Ν) | (1)当Δ i (η)超过设定值时判故障启动。双突变量的核心是连续进行两次突变量启动算法。第一次突变量启动计算的数据 窗是在原始数据窗基础上等间隔抽取生成(见图2)，相当于降低了采样频率，减少计算量； 第一次突变量启动计算完成后，将得到一个启动点，设为QD1，然后从启动开始往前按顺序 取一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速捕捉电网故障启动点的方法，其特征在于：ａ．小电流接地故障选线装置的现场可编程门阵列ＦＰＧＡ数据采集作为整个采集系统中采样控制及数据暂存的核心单元，对模数转换器实施控制并暂时保存由模数转换器所采的经二阶硬件带通滤波５０～２ＭＨｚ后的电流、电压数字信号，从而实现了对所监控配网系统的快速高精度实时数据采集，采样频率设定５１．２ｋ，即每周波１０２４点；ｂ．小电流接地故障选线装置的微控制单元定时从ＦＰＧＡ中读取所有通道的采样数据，并按采样先后顺序排序；ｃ．从零序电压通道的１２８个数据中每隔１６点提取一个数据，得到新的数据窗ｋ（０）～ｋ（７），共８个数据，同时找到这８个数据相对应的一周波前的采样数据，记为ｋ１（０）～ｋ１（７）；ｄ．对ｋ（０）～ｋ（７）数据进行第一次突变量启动判别，即Δｋ（ｊ）＝｜ｋ（ｊ）－ｋ１（ｊ）｜，ｊ＝０～７，当Δｋ（ｎ）大于设定门槛时判故障启动，记录ｊ值，并找到ｋ（ｊ）在数据窗ｉ（ｎ）中位置序号，假设为ｉ（ｐ）；ｅ．从ｉ（ｐ）开始往前取４８个采样值，进行第二次突变量启动计算，方法同上，找到启动点，此点即为真正的故障启动点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海峰，曾宇，杨露，
申请(专利权)人：北海银河科技继保电气有限公司，
类型：发明
国别省市：45[中国|广西]