一种火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发方法与装置与流程

1.本发明涉及电线的短路故障检测技术领域，具体地涉及一种火电厂低压 交流系统继电保护脱扣触发方法与装置。


背景技术：

2.随着社会的发展，我国对于电力的需求正在不断增涨，全国发电总量也 在不断增涨。火电厂作为发电的主力军是电力系统的重要组成部分，其安全 可靠地运行是我国电力网络稳定运行的前提。然而，火电厂低压交流系统馈 线数量众多且负载类型不同，常发生短路故障，严重影响火电厂稳定可靠的 运行。
3.目前广泛应用于火电厂低压交流系统中的电流三段式保护，由于对可靠 性的优先保证，在速动性及灵敏性方面难以满足需求，对短路故障的检测时 间通常超过几百毫秒，在这个过程中由于短路电流已多次到达尖峰，往往已 经对设备产生了不可逆的损坏。
4.针对故障检测快速性的需求，国内外均对于短路故障快速检测技术的实 现做了大量研究，例如针对电气特征量的检测方法，主要有电压，电流，电 流斜率、二阶导等。由于电压信号相比电流信号稳定性较差，易受到复杂工 况干扰，可靠性难以保证。电流变化率法在理论上克服了电流瞬时值法检测 速度慢的缺点，但其难以剔除线路或设备噪声的干扰，其安全性、可靠性无 法得到保证。
5.除此以外，针对暂态信号的检测方法也是故障诊断的重要依据。此前， 傅立叶变换在信号处理技术领域有着广泛的应用，但它采用的是一个窗口函 数固定不变的分析方法，无法反映短路电流暂态分量的非平稳、持时短、时 频和频域局部化的特性。且实现该算法至少需要一个周期的采样数据，不能 够满足短路故障快速实时检测的要求。近年来，小波变换在电力系统暂态稳 定分析、动态安全分析、状态监视和故障诊断等方面的应用研究取得一定的 研究成果。其可通过伸缩和平移等运算功能实现对信号的多分辨率细化分析， 在时域与频域两个方面能有效表征局部信号的特征信息，能够实现更加高效、 快速的识别短路故障，但存在部分短路相角下特征信息不明显等问题。
6.经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献的公开号cn104714078a
ꢀ“
电平信号的分析方法和触发脱扣器的方法”以及cn102142674a“船舶岸 电系统单相接地故障选择性切除方法”中都对故障检测方法和脱扣触发方法 进行了相关描述，但仍存在如下不足之处：实现故障检测算法至少需要一个 采样周期数据，不能够满足短路故障快速实时检测的要求，且算法需要较高 的算力支持，硬件成本高；信号稳定性差，易受到复杂工况干扰，可靠性难 以保证。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题，在于提供一种火电厂低压交流系统继电保护 脱扣触发方法与装置，满足短路故障快速、高效、可靠的实时检测与脱扣触 发。
8.本发明是这样实现的：
9.一种火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发方法，包括以下步骤：
10.s1、电流传感器采样火电厂三相交流电的电流，得到采样信号；
11.s2、利用形态学滤波算法，滤除所述采样信号中的脉冲噪声，得到初步 处理信号；
12.s3、利用小波包分解算法，滤除所述初步处理信号中的高斯白噪声，同 时提取电流特征值；
13.s4、将所述电流特征值与预设的保护阈值进行比较，若所述电流特征值 大于等于所述保护阈值，则中央控制单元判定为发生短路故障，转到s5； 若所述电流特征值小于所述保护阈值，转到s1；
14.s5、中央控制单元发送分断命令给脱扣触发单元，完成短路故障分断。
15.进一步地，所述s4具体为：
16.s4-1、将所述电流特征值与预设的速动保护阈值和后备保护阈值进行比 较，若所述电流特征值大于等于所述速动保护阈值，则所述中央控制单元判 定为发生短路故障，转到所述s5；若所述电流特征值小于所述速动保护阈 值且大于等于所述后备保护阈值，则开启斜率检测，转到s4-2；若所述电 流特征值小于所述后备保护阈值，转到所述s1；
17.s4-2、在设定的检测时间窗口内，根据所述电流特征值，持续计算电流 斜率，若所述电流斜率超过预设的斜率阈值，则所述中央控制单元判定为发 生短路故障，转到所述s5；若所述电流斜率没有超过斜率阈值，则所述中 央控制单元判定为发生扰动，关闭斜率检测，转到所述s1。
18.进一步地，在所述s3中提取电流特征值具体为：利用离散小波变换将 输入信号通过高通滤波器g和低通滤波器h来分解处理，从而确定出高频 细节分量w和低频平滑分量s；将所述初步处理信号连续通过三次低通滤 波器h获得的第四尺度高频细节分量，再对所述第四尺度高频细节分量进 一步分解，提取出第五尺度高频细节分量。
19.进一步地，所述s1具体为：
20.s1-1、电流传感器包括罗氏线圈，三个所述罗氏线圈安装在火电厂三相 交流电的三条相线上，得到模拟采样信号；
21.s1-2、将所述模拟采样信号进行积分、放大、滤波处理，生成预处理模 拟采样信号；
22.s1-3、将所述预处理模拟采样信号转换成数字采样信号，转到所述s2。
23.一种火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发装置，包括：
24.中央控制单元，与电流传感器、脱扣触发单元电连接；
25.所述电流传感器用于采样火电厂三相交流电的电流，得到采样信号；
26.所述中央控制单元包括存储模块、第一处理模块、第二处理模块、比较 模块与判定模块；
27.所述存储模块用于接收所述采样信号并存储；
28.所述第一处理模块用于调取存储的所述采样信号，再通过形态学滤波算 法滤除其中的脉冲噪声，得到初步处理信号；
29.所述第二处理模块用于接收所述初步处理信号，再通过小波包分解算法 滤除其中的高斯白噪声，同时提取电流特征值；
30.所述比较模块用于预设保护阈值，将所述电流特征值与所述保护阈值进 行比较，
易于安装、可靠性好、抗干扰能力强、测量精度高以及无铁芯饱和现象等优 点，可满足复杂电磁条件下的短路故障电流检测。4、信号处理电路先对模 拟采样信号进行硬件电路方面的滤波，尽可能地滤除高频信号，减轻后续软 件滤波的压力；再利用a/d转换芯片进行a/d转换，提高采样精度，降低了 采样延时；再利用形态学滤波算法和小波包分解算法加强滤波效果，有利于 更加准确高效地提取电流特征值。5、配合触发脱扣单元，满足短路故障快 速、高效、可靠的实时检测与脱扣触发，形成一套基于形态学算法滤波、小 波包分解算法滤波以及电流斜率判据的发电厂低压交流系统继电保护的脱 扣触发方案。
附图说明
45.下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
46.图1是本发明的火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发方法的流程图。
47.图2是本发明的火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发装置的示意图。
48.图3是本发明中脱扣触发单元的电路示意图。
49.图4是本发明中小波包细节分解图。
50.图5是本发明中速动检测效果图。
51.图6是本发明中后备检测效果图。
52.附图标记：电流传感器10；信号处理单元20；中央控制单元30；供电 单元40；脱扣触发单元50；断路器60；第一电阻r1；第二电阻r2；第三 电阻r3；npn型三极管q1；继电器jk1；励磁脱扣接口jp1；稳压二极管 zd1；发光二极管vd1。
具体实施方式
53.本发明实施例通过提供一种火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发方 法与装置，解决了现有技术中硬件成本高、信号稳定性差、易受到复杂工况 干扰、可靠性难以保证的缺点，实现了满足短路故障快速、高效、可靠的实 时检测与脱扣触发的技术效果。
54.本发明实施例中的技术方案为解决上述缺点，总体思路如下：使用罗氏 线圈作为电流传感器，采样火电厂三相交流电的电流，得到模拟采样信号； 将模拟采样信号先通过硬件电路的积分、放大、滤波处理，再通过a/d转 换得到数字采样信号；以单片机作为中央控制单元存储此数字采样信号，利 用形态学滤波算法，滤除脉冲噪声，再利用小波包分触算法，滤除高斯白噪 声，同时提取电流特征值；将电流特征值与预设的保护阈值进行比较，根据 比较结果，当中央控制单元判定为发生短路故障时，中央控制单元发送分断 命令给脱扣触发单元；脱扣触发单元使断路器动作，断开设备电器的电源。
55.为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施 方式对上述技术方案进行详细的说明。
56.参阅图1至图6，本发明的优选实施例。
57.一种火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发方法，包括以下步骤：
58.s1、电流传感器采样火电厂三相交流电源线的电流，得到采样信号；所 述s1具体为：
59.s1-1、电流传感器包括罗氏线圈，三个所述罗氏线圈安装在火电厂三相 交流电源线的三条相线上，得到模拟采样信号；罗氏线圈为卡扣式罗氏线圈。 罗氏线圈又叫电流测
量线圈、微分电流传感器，是一个均匀缠绕在非铁磁性 材料上的环形线圈；输出信号是电流对时间的微分。罗氏线圈具有体积小、 易于安装、可靠性好、抗干扰能力强、测量精度高以及无铁芯饱和现象等优 点，可满足复杂电磁条件下的短路故障。
60.s1-2、将所述模拟采样信号进行积分、放大、滤波处理，生成预处理模 拟采样信号；此处使用硬件电路的积分、放大、滤波，尽可能地滤除高频信 号，减轻后续软件滤波的压力。
61.s1-3、将所述预处理模拟采样信号转换成数字采样信号，转到所述s2。 利用ad转换芯片对预处理模拟采样信号进行a/d处理转换成数字采样信 号，提高采样精度，降低了采样延时；再通过16位并行数据总线将数字采 样信号的数据存储至单片机的ram中。单片机作为本实施例的中央控制单 元。单片机以50us的间隔循环时间进入定时器中断读取所存储的数字采样 信号的数据，检测算法整体由中断程序实现，检测流程图如1图所示.
62.s2、利用形态学滤波算法，滤除所述采样信号中的脉冲噪声，得到初步 处理信号；形态学滤波算法是现有技术的算法。形态学滤波算法以程序的形 式存储于单片机中。
63.s3、利用小波包分解算法，滤除所述初步处理信号中的高斯白噪声，同 时提取电流特征值；小波包分解算法是现有技术的算法。小波包分解算法以 程序的形式存储于单片机中。
64.在所述s3中提取电流特征值具体为：利用离散小波变换将输入信号通 过高通滤波器g和低通滤波器h来分解处理，从而确定出高频细节分量w 和低频平滑分量s；将所述初步处理信号连续通过三次低通滤波器h获得的 第四尺度高频细节分量，再对所述第四尺度高频细节分量进一步分解，提取 出第五尺度高频细节分量(dd5)。结合图4，初步处理信号为第 五尺度高频细节分量(dd5)为
65.通过形态学滤波算法与小波包分解算法，可以有效滤除电流信号中的脉 冲噪声及高斯白噪声，避免环境干扰；小波包分解算法得到的电流特征分量 可以实现对短路故障暂态特征的提取放大，在短路发生的暂态阶段检测到故 障，缩短了故障检测时间。
66.s4、将所述电流特征值与预设的保护阈值进行比较，保护阈值以参数的 形式存储于单片机中；若所述电流特征值大于等于所述保护阈值，则中央控 制单元即单片机判定为发生短路故障，转到s5；若所述电流特征值小于所 述保护阈值，转到s1；
67.所述s4具体为：
68.s4-1、保护阈值分为速动保护阈值与后备保护阈值；将所述电流特征值 与预设的速动保护阈值和后备保护阈值进行比较，若所述电流特征值大于等 于所述速动保护阈值，则所述中央控制单元判定为发生短路故障，转到所述 s5；若所述电流特征值小于所述速动保护阈值且大于等于所述后备保护阈值， 则开启斜率检测，转到s4-2；若所述电流特征值小于所述后备保护阈值， 转到所述s1；
69.结合图6，图6为80度故障初相角下的短路故障，此时短路特征较明 显，在故障发生后504us时，dd5值超过短路故障保护动作阈值，立即判定 发生了短路故障，中央控制单元下达分断命令，脱扣触发单元触发脱扣。
70.s4-2、本实施例中，检测时间窗口设为10ms；在设定的检测时间窗口 内，根据所述电流特征值，中央控制单元持续计算电流斜率，若所述电流斜 率超过预设的斜率阈值，斜
率阈值以参数的形式存储于单片机中，则所述中 央控制单元判定为发生短路故障，转到所述s5；若所述电流斜率没有超过 斜率阈值，则所述中央控制单元判定为发生扰动，关闭斜率检测，转到所述 s1。
71.结合图6，图6为160度故障初相角下的短路故障，此时短路特征较小， dd5值没有超过短路故障保护的速动保护阈值，但是超过了短路故障保护的 后备保护阈值，触发了斜率检测，并在触发斜率检测2.35ms后，电流斜率 值超过斜率阈值，判定发生了短路故障，此时中央控制单元下达分断命令， 脱扣触发单元触发脱扣。此时由于故障本身能量释放很小，检测到故障时刻 电流仅为24a，约为短路电流最大峰值的0.7％，仍有充足的时间实现有效 保护。
72.s5、中央控制单元发送分断命令给脱扣触发单元，完成短路故障分断。 脱扣触发单元在收到分断命令后，使断路器动作，断开设备电器的电源。本 发明的火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发方法，实现了故障的快速检测 与触发分断，形成一套完善的适用于火电厂低压交流系统短路故障的快速检 测与触发脱扣的方案。
73.一种火电厂低压交流系统继电保护脱扣触发装置，包括：
74.电流传感器10、信号处理单元20、中央控制单元30、供电单元40以 及脱扣触发单元50。
75.所述电流传感器10用于采样火电厂三相交流电源线70的电流，得到采 样信号；所述电流传感器包括罗氏线圈，三个所述罗氏线圈用于分别安装在 火电厂三相交流电源线70的三条相线上。罗氏线圈为卡扣式罗式线圈，作 为电流传感器，具有体积小、易于安装、可靠性好、抗干扰能力强、测量精 度高以及无铁芯饱和现象等优点，可满足复杂电磁条件下的短路故障电流检 测。
76.所述电流传感器10与所述中央控制单元30通过所述信号处理单元20 电连接，所述中央控制单元30是单片机；所述信号处理单元20包括信号处 理电路与a/d转换芯片；所述信号处理电路用于将所述罗氏线圈的模拟采 样信号进行积分、放大、滤波处理，生成预处理模拟采样信号；所述a/d 转换芯片用于将所述预处理模拟信号转换成数字的采样信号，并发送到所述 单片机的ram中存储。所述信号处理单元20可将罗氏线圈输出的信号转 换成单片机能够处理的信号。
77.所述供电单元40为所述信号处理单元20、中央控制单元30、脱扣触发 单元50提供直流电压。所述供电单元40可将220v单相交流电转换成24v、 5v、3.3v以及1.9v等直流电压，以满足不同单元的供电要求。
78.所述中央控制单元30具备短路故障检测、分断命令下达、按键复位、 jtag烧写以及信号显示等功能；所述中央控制单元30包括存储模块、第 一处理模块、第二处理模块、比较模块与判定模块；
79.所述存储模块用于接收所述采样信号并存储；此处存储模块为单片机 的ram。数字采样信号通过16位并行数据总线将数字采样信号的数据存储 至单片机的ram中。
80.所述第一处理模块用于调取存储的所述采样信号，再通过形态学滤波算 法滤除其中的脉冲噪声，得到初步处理信号；第一处理模块存储了形态学滤 波算法的程序，单片机以50us的间隔循环时间进入定时器中断读取所述存 储模块中的数据。
81.所述第二处理模块用于接收所述初步处理信号，再通过小波包分解算法 滤除其
中的高斯白噪声，同时提取电流特征值；第二处理模块存储了小波包 分解算法的程序。
82.所述比较模块用于预设保护阈值，将所述电流特征值与所述保护阈值进 行比较，生成比较结果信号并发送给所述判定模块；保护阈值以参数的形式 存储于单片机中。
83.所述判定模块用于若所述电流特征值大于等于所述保护阈值，则发送分 断命令给所述脱扣触发单元50，若所述电流特征值小于所述保护阈值，则 不发送分断命令。
84.具体地所述中央控制单元30还包括斜率检测模块；所述保护阈值分为 速动保护阈值与后备保护阈值；
85.所述比较模块具体是用于预设速动保护阈值与后备保护阈值，将所述电 流特征值与所述预设速动保护阈值、后备保护阈值若进行比较，生成所述比 较结果信号并发送给所述判定模块与所述斜率检测模块；
86.所述判定模块具体用于若所述电流特征值大于等于所述速动保护阈值， 则发送所述分断命令给所述脱扣触发单元50，若所述电流特征值小于所述 后备保护阈值，则不发送所述分断命令；
87.所述斜率检测模块用于预设斜率阈值与检测时间窗口，斜率阈值以参数 的形式存储于单片机中，本实施例中，检测时间窗口为10ms；若所述电流 特征值小于所述速动保护阈值且大于等于所述后备保护阈值，在所述检测时 间窗口内，根据所述电流特征值，持续计算电流斜率，若所述电流斜率超过 所述斜率阈值，则也发送所述分断命令给所述脱扣触发单元50，若所述电 流斜率没有超过斜率阈值，则不发送所述分断命令。
88.所述脱扣触发单元50包括第一电阻r1、第二电阻r2、npn型三极管 q1、继电器jk1与断路器60；所述第一电阻r1的一端用于接收所述分断 命令，所述第一电阻r1的另一端与所述第二电阻r2的一端、npn型三极 管q1的基极连接，所述第二电阻r2的另一端与所述npn型三极管q1的 发射极均接地，所述继电器jk1的负极输入端与所述npn型三极管q1的 集电极连接，所述继电器jk1的正极输入端与第一电源端连接，所述继电 器jk1的正极输出端与第二电源端连接，所述继电器jk1的负极输出端与 所述断路器60的励磁脱扣接口jp1正极连接，所述断路器60的励磁脱扣接 口jp1负极接地。第一电源端为5v，第二电源端为24v。当中央控制单元 30判定为发生短路故障时，中央控制单元30的发出高电平的分断命令，高 电平通过第一电阻r1作用于npn型三极管q1的基极，npn型三极管q1 导通，从而继电器jk1的输入端通电，继电器jk1的触点闭合，这样断路 器60的励磁脱扣接口jp1通电，断路器60动作将设备电器的电源分断。当 中央控制单元30没有发出分断命令，即低电平作用于npn型三极管q1的 基极，npn型三极管q1截止，继电器jk1的输入端断电，继电器jk1的 触点断开，断路器60的励磁脱扣接口jp1断电，断路器使设备电器接通电 源。
89.所述脱扣触发单元50还包括稳压二极管zd1、第三电阻r3与发光二 极管vd1；所述稳压二极管zd1的正极与所述继电器jk1的负极输入端连 接，所述稳压二极管zd1的负极与所述继电器jk1的正极输入端连接，所 述第三电阻r3的一端与所述断路器60的励磁脱扣接口jp1正极连接，所 述第三电阻r3的另一端与所述发光二极管vd1的正极连接，所述发光二 极管vd1的负极与所述断路器60的励磁脱扣接口jp1负极连接。稳压二极 管zd1起保护继电器jk1的作用；发光二极管vd1起指示灯的作用，当断 路器60的励磁脱扣接口jp1通电时，发光二极管vd1亮起，当断路器60 的励磁脱扣接口jp1断电时，发光二极管vd1熄灭。
90.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人 员应当
理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发 明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的 修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。