基于快速故障保護(hù)的微機(jī)保護(hù)裝置研究

楊婷婷

(滁州學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

近年來(lái)，我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，在豐富系統(tǒng)作業(yè)功能的同時(shí)，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度[1]。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜，很難在調(diào)試過(guò)程中挖掘所有問(wèn)題，因而在投入使用時(shí)呈現(xiàn)出不同類型的故障問(wèn)題，并且設(shè)備作業(yè)故障發(fā)生頻率較高[2]。如果未能及時(shí)處理故障，很有可能給電力系統(tǒng)造成較大損失，隱藏著安全問(wèn)題。所以，構(gòu)建一套微機(jī)保護(hù)裝置顯得尤為重要。為了滿足故障及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理需求，對(duì)保護(hù)裝置提出了快速故障保護(hù)性能要求[3]。以往研發(fā)的微機(jī)保護(hù)裝置在故障保護(hù)效率方面存在較大提升空間，本文嘗試將半波傅氏、全波傅氏、并聯(lián)補(bǔ)償3種算法結(jié)合到一起，提出新型微機(jī)保護(hù)裝置研究[4]。

1 微機(jī)保護(hù)裝置硬件設(shè)計(jì)

1.1 微機(jī)保護(hù)裝置硬件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的新型微機(jī)保護(hù)裝置在以往裝置結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，選取微控制器作為裝置作業(yè)核心控制器，利用該控制器，分別下達(dá)信號(hào)調(diào)理、信號(hào)復(fù)位、電流泄放、建立通信連接、跳閘、故障記錄、供電等控制命令，根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際作業(yè)情況，判斷當(dāng)前線路是否發(fā)生故障。如果發(fā)現(xiàn)某線路發(fā)生故障，采用人機(jī)交互模式，為系統(tǒng)管理人員發(fā)送故障信號(hào)，同時(shí)發(fā)出裝置自行保護(hù)模式。如圖1所示為微機(jī)保護(hù)裝置框架結(jié)構(gòu)。

圖1 微機(jī)保護(hù)裝置框架結(jié)構(gòu)

如圖1中，考慮到保護(hù)裝置所處工作線路可能存在供電故障，為了保證該裝置得以正常作業(yè)，本文設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)中添加了自供電模塊，利用該模塊繼續(xù)為裝置供電，從而保證裝置得以連續(xù)不間斷地作業(yè)，使得電力系統(tǒng)安全保護(hù)性能得以提升。

1.2 微機(jī)保護(hù)裝置硬件電路設(shè)計(jì)

本文提出的保護(hù)裝置硬件電路設(shè)計(jì)方案，主要包括供電電路、電源監(jiān)測(cè)電路、電池充電電路3部分。

1.2.1 供電電路

該電路分為兩部分，其中一部分為裝置供電，當(dāng)裝置供電發(fā)生故障時(shí)，能夠及時(shí)為裝置供電?？紤]到裝置跳閘以后，需要驅(qū)動(dòng)電容充電，使得電容數(shù)值保持在一定范圍內(nèi)，滿足跳閘回路電壓參數(shù)驅(qū)動(dòng)要求[5]。因此，另外一部分為電容充電電路，利用DC-DC升壓芯片作為充電工具，為電容充電。

1.2.2 電源監(jiān)測(cè)電路

為了有效保護(hù)裝置的供電電源，本設(shè)計(jì)方案添加了電源監(jiān)測(cè)電路，利用該電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)+24V電源[6]。電路中，采用串聯(lián)分壓方式，在電源監(jiān)測(cè)電路中接入兩個(gè)電阻。接通此電路后，在單片機(jī)的控制下，采集電路中的電壓數(shù)值。當(dāng)裝置供電出現(xiàn)低壓或者欠壓?jiǎn)栴}時(shí)，及時(shí)發(fā)覺(jué)問(wèn)題，并開(kāi)啟電池供電模式。根據(jù)電力系統(tǒng)供電需求，通過(guò)軟件程序控制，按照電壓作業(yè)范圍為電路供電。

1.2.3 電池充電電路

本設(shè)計(jì)方案選取DC-DC升壓芯片作為充電控制芯片，為跳閘電容充電[7]。以20V和24V作為充電控制限制，當(dāng)電容電壓低于20V時(shí)，利用芯片為電容充電，當(dāng)電容的電壓達(dá)到24V，停止充電。如圖2所示為電池充電電路。

圖2 電池充電電路

如圖2中核心控制器為T(mén)PS43060，該裝置輸入電壓范圍4.5～38V，升壓輸出最大值為58V。該器件與電感元件連接，VOUT為驅(qū)動(dòng)電容充電。整個(gè)電路依靠核心控制器進(jìn)行操控，由該控制器驅(qū)動(dòng)DC-DC升壓芯片，開(kāi)啟跳閘電容充電模式，儲(chǔ)備電能，由電源監(jiān)測(cè)電路采集當(dāng)前電能儲(chǔ)備情況信息。如果電能儲(chǔ)備達(dá)到了上限，則關(guān)閉充電模式，同時(shí)跳閘輸出電能。如果電能未能達(dá)到上限，則繼續(xù)充電。其中，讀取到的電容充電信息將發(fā)送至核心控制器，經(jīng)過(guò)判斷分析，下達(dá)充電/供電控制命令。

2 微機(jī)保護(hù)裝置軟件程序及算法

2.1 軟件程序開(kāi)發(fā)流程

本裝置利用AD7606采集器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)后，通過(guò)算法計(jì)算分析，得到線路電流有效值，根據(jù)此數(shù)值判斷當(dāng)前線路中是否發(fā)生故障，根據(jù)判斷結(jié)果下發(fā)故障保護(hù)作業(yè)命令。關(guān)于軟件程序開(kāi)發(fā)核心流程如下。

(1)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化處理以后，開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集初始化模式。

(2)開(kāi)啟系統(tǒng)中斷。

(3)監(jiān)測(cè)電源供電情況。

(4)判斷當(dāng)前系統(tǒng)處于何種工作模式。如果工作方式處于電池供電模式，則進(jìn)入“快速保護(hù)”任務(wù)解掛環(huán)節(jié)，并開(kāi)啟電源監(jiān)測(cè)任務(wù)。判斷監(jiān)測(cè)期間，裝置是否恢復(fù)正常供電(+24V)，如果進(jìn)入正常供電模式，則開(kāi)始執(zhí)行“快速保護(hù)”任務(wù)，完成一次運(yùn)行后掛起。如果工作方式處于正常供電模式，則進(jìn)入“主保護(hù)”任務(wù)，而后執(zhí)行其他任務(wù)。

2.2 快速故障保護(hù)算法

本文將半波傅氏、全波傅氏、并聯(lián)補(bǔ)償3種算法結(jié)合到一起，快速挖掘電力系統(tǒng)中線路故障，并縮短故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，應(yīng)用算法提高作業(yè)精準(zhǔn)度。

假設(shè)線路故障電流大小如式(1)所示。

(1)

公式(1)中，IRn=Imnsinφn；IIn=Imncosφn。

故障電流余弦積分計(jì)算如式(2)所示，故障電流正弦積分計(jì)算如式(3)所示。

(2)

(3)

從電力系統(tǒng)線路中隨機(jī)采樣，將積分求值變?yōu)榍箅x散和，可以得到系統(tǒng)作業(yè)發(fā)生故障時(shí)的采樣點(diǎn)。如果計(jì)算基波分量，n取值1，則利用半波傅氏算法，可以求取實(shí)部，即IRe(k)。

依據(jù)導(dǎo)數(shù)算法，可以推理出基波分量幅值的計(jì)算方法如式(4)所示。

(4)

對(duì)于公式(4)，如果求取的諧波次數(shù)為n，則計(jì)算公式添加分母，即2sin(nΔθ)。

采用上述算法判斷故障點(diǎn)，不需要設(shè)置過(guò)多采樣點(diǎn)，大大提高了故障檢測(cè)效率。由于這種算法存在誤差大缺點(diǎn)，所以本研究不單獨(dú)使用。而是引入全波傅氏中的并聯(lián)補(bǔ)償算法，對(duì)故障診斷結(jié)果進(jìn)行二次處理，從而降低診斷結(jié)果誤差。該算法應(yīng)用的核心思想是利用傅氏算法計(jì)算輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的基頻正弦分量，最后求取補(bǔ)償系數(shù)。假設(shè)輸入信號(hào)如式(5)所示。

(5)

假設(shè)單次周期內(nèi)裝置采樣數(shù)量為N，采樣次數(shù)編號(hào)為k條件下的采樣值為ωn=nω1。其中，n取值范圍是正整數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中計(jì)算思路，整理補(bǔ)償系數(shù)求取公式如式(6)所示。

(6)

公式(6)計(jì)算結(jié)果誤差大小與輸入信號(hào)的時(shí)間常數(shù)相關(guān)，如果時(shí)間常數(shù)已知，則計(jì)算結(jié)果誤差非常小，如果未知，則計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定誤差。通常情況下，以±5.0%作為誤差限定范圍，如果計(jì)算誤差在此范圍內(nèi)，則認(rèn)為該計(jì)算結(jié)果可以作為故障保護(hù)工作開(kāi)展參考依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的微機(jī)保護(hù)裝置在故障保護(hù)方面的性能是否有所改善，本次實(shí)驗(yàn)以目前比較常用的卡爾曼、最小二乘作為對(duì)照組故障診斷計(jì)算方法，設(shè)置3組采樣點(diǎn)，分別為10個(gè)、20個(gè)、40個(gè)，統(tǒng)計(jì)已知時(shí)間常數(shù)0.03s條件下的故障情況、未知時(shí)間常數(shù)(假設(shè)0.10s)條件下的故障情況，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 已知時(shí)間常數(shù)0.03s實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

如表1中，3組采樣仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨著樣本數(shù)量的增加，誤差發(fā)生變化。其中，本文提出的處理方法，誤差隨著樣本數(shù)量的增加逐漸減小，經(jīng)過(guò)多算法的綜合處理，在已知時(shí)間常數(shù)情況下，故障計(jì)算誤差達(dá)到了0%，而其它兩種處理方法誤差出現(xiàn)了增加情況，即而卡爾曼、最小二乘法的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了誤差，最大誤差達(dá)到了-34.885%。相比之下，本文提出的的快速故障保護(hù)方案更為可靠。

表2 未知時(shí)間常數(shù)0.10s實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

如表2中統(tǒng)計(jì)了未知時(shí)間常數(shù)情況下，3種故障保護(hù)算法應(yīng)用下的故障計(jì)算誤差結(jié)果。如果故障計(jì)算誤差絕對(duì)值能夠控制在5.0%以內(nèi)，則認(rèn)為算法可靠。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，雖然本文提出的綜合算法計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)了誤差，但是較其它兩種算法，該誤差較小，經(jīng)過(guò)多重處理以后，誤差小于1.0%，在允許范圍之內(nèi)。而卡爾曼算法、最小二乘算法的最大誤差分別為-34.265%、-26.510%，嚴(yán)重超出了限定范圍。所以，本文提出的綜合處理算法更為可靠。

綜合上述兩組實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知，本文提出的故障保護(hù)方法，能夠快速且準(zhǔn)確找出線路故障，對(duì)時(shí)間常數(shù)沒(méi)有過(guò)多要求，在未知情況下也可以準(zhǔn)確實(shí)施線路故障保護(hù)措施。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置在斷電后無(wú)法繼續(xù)保護(hù)線路，為了彌補(bǔ)這項(xiàng)不足，本文對(duì)裝置的硬件電路進(jìn)行了改進(jìn)，添加了蓄電池，并且為電容充電。根據(jù)故障保護(hù)需求，設(shè)計(jì)裝置軟件控制程序流程，引入半波傅氏、全波傅氏、并聯(lián)補(bǔ)償3種算法，開(kāi)發(fā)故障保護(hù)計(jì)算模型。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，本文提出的故障保護(hù)設(shè)計(jì)方法在已知時(shí)間常數(shù)情況下，故障計(jì)算誤差為0，在未知時(shí)間常數(shù)情況下故障計(jì)算誤差接近0，符合計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。