全杰雄，溫才權(quán)，黃永豐，劉英男，于大洋

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西梧州 543002；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

在電力系統(tǒng)中，直流系統(tǒng)為通信、監(jiān)控設(shè)備、繼電器保護(hù)裝置提供穩(wěn)定可靠的直流電源[1]。目前，變電站直流系統(tǒng)的接地故障依賴于絕緣監(jiān)測裝置進(jìn)行監(jiān)測，多采用平衡橋加切換橋的方式。文獻(xiàn)[2]中規(guī)定：直流系統(tǒng)對(duì)地絕緣故障報(bào)警響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于100 s，支路選線響應(yīng)時(shí)間不大于180 s。對(duì)于幾十毫秒不穩(wěn)定接地故障，絕緣監(jiān)測裝置無法檢測，經(jīng)常出現(xiàn)人員到達(dá)現(xiàn)場接地已經(jīng)消失，現(xiàn)有的便攜式接地查找儀在這種情況也無法起到接地查找作用，而使得接地查找無從下手，影響電力系統(tǒng)供電可靠性[3-5]。

綜上所述，設(shè)計(jì)一種基于故障錄波的直流系統(tǒng)瞬時(shí)接地監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集瞬時(shí)電壓電流波形，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)瞬時(shí)接地故障監(jiān)測。

1 系統(tǒng)原理及模擬試驗(yàn)

1.1 瞬時(shí)接地故障類型判斷

直流電源系統(tǒng)發(fā)生瞬時(shí)接地的故障類型分為正極瞬時(shí)接地故障和負(fù)極瞬時(shí)接地故障，故障過程包括故障發(fā)生階段和故障復(fù)歸階段[6-10]。當(dāng)發(fā)生負(fù)極瞬時(shí)接地時(shí)，在故障發(fā)生階段，正極對(duì)地電壓受系統(tǒng)電容的作用會(huì)逐漸上升直到穩(wěn)定，最終穩(wěn)定的電壓值由平衡橋電阻值與發(fā)生的瞬時(shí)接地電阻值以及接地的時(shí)間而決定。在故障復(fù)歸階段，正極對(duì)地電壓受系統(tǒng)電容的作用會(huì)逐漸下降直到穩(wěn)定，而最終穩(wěn)定的電壓值由平衡橋電阻值決定。

當(dāng)發(fā)生正極瞬時(shí)接地時(shí)，在故障發(fā)生階段，正極對(duì)地電壓因?yàn)橄到y(tǒng)電容的作用會(huì)逐漸下降直到穩(wěn)定，而最終穩(wěn)定的電壓值由平衡橋電阻值與發(fā)生的瞬時(shí)接地電阻值以及接地的時(shí)間而決定。在故障復(fù)歸階段，正極對(duì)地電壓因?yàn)橄到y(tǒng)電容的作用會(huì)逐漸上升直到穩(wěn)定，而最終穩(wěn)定的電壓值由平衡橋電阻值決定。若系統(tǒng)電容為0，正極對(duì)地電壓或負(fù)極對(duì)地電壓會(huì)馬上達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，如圖1 虛線所示；否則正極對(duì)地電壓或負(fù)極對(duì)地電壓則按照指數(shù)曲線的方式進(jìn)行變化直到穩(wěn)態(tài)值，如圖1 中實(shí)線所示。

圖1 系統(tǒng)電容對(duì)故障恢復(fù)影響示意圖

因此，發(fā)生正極瞬時(shí)接地故障時(shí)，母線電壓變化特征：正極對(duì)地電壓的變化過程是先下降再上升，負(fù)極對(duì)地電壓是先上升再下降；發(fā)生負(fù)極瞬時(shí)接地故障時(shí)，正極對(duì)地電壓的變化過程是先上升再下降，負(fù)極對(duì)地電壓先下降再上升。通過監(jiān)測正負(fù)極母線對(duì)地電壓是否發(fā)生突變和電壓復(fù)歸，判定是否發(fā)生瞬時(shí)接地故障，再通過正負(fù)極母線對(duì)地電壓的變化趨勢區(qū)分瞬時(shí)接地故障的類型，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)接地故障的監(jiān)測。

1.2 瞬時(shí)接地特征量提取及故障判斷

在發(fā)生瞬時(shí)接地時(shí)，接地支路漏電流會(huì)存在明顯的變化，而電容較大的無接地支路由于電容的充放電，也會(huì)存在較大的電流變化，需減少分布電容對(duì)測量的影響。對(duì)于饋線支路電容引起的特征量變化考慮采用阻容相位差異和曲線變化方向的方式進(jìn)行檢測，根據(jù)阻容相位差異區(qū)分是發(fā)生瞬時(shí)接地故障引起的特征量變化還是電容性饋線的特征量變化。結(jié)合系統(tǒng)母線對(duì)地電壓變化加以確認(rèn)判斷，避免出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

瞬時(shí)接地故障母線電壓會(huì)波動(dòng)，投入帶電容的直流負(fù)荷時(shí)，電容充放電也會(huì)引起母線電壓波動(dòng)，監(jiān)測系統(tǒng)需區(qū)分母線電壓波動(dòng)是投入負(fù)荷引起還是瞬時(shí)接地引起，電阻性瞬時(shí)接地故障支路才認(rèn)為是故障支路，電容性瞬時(shí)接地支路則認(rèn)為是干擾。

設(shè)計(jì)如圖2 所示的模擬試驗(yàn)，其中V為直流系統(tǒng)母線電壓，R為平衡橋電阻，C為系統(tǒng)正負(fù)極對(duì)地電容，R1為模擬瞬時(shí)接地電阻，C1為支路對(duì)地電容，CT1為接地支路漏電流，CT2為容性支路漏電流，K1為模擬開關(guān)。

圖2 阻容接地模擬試驗(yàn)

從圖3 可以看到在瞬時(shí)接地發(fā)生時(shí)，正極母線電壓因?yàn)橄到y(tǒng)電容C+和C-的作用逐漸上升直到穩(wěn)定。接地支路漏電流CT1有一個(gè)逐漸下降的過程，容性支路漏電流CT2因電容充放電會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正向的脈沖后馬上產(chǎn)生一個(gè)較小的反向脈沖。因此監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)母線對(duì)地電壓進(jìn)行緩存，監(jiān)測到漏電流特征信號(hào)后判定瞬時(shí)接地故障。瞬時(shí)接地特征量如表1 所示。

表1 瞬時(shí)接地特征量

圖3 特征量變化

從圖3 可以看出，瞬時(shí)接地電流瞬間增大逐漸減小至0，而投入電容性負(fù)荷電流受充放電影響方向會(huì)有正負(fù)變化，以此特征來區(qū)分瞬時(shí)接地還是投入電容性負(fù)荷。瞬時(shí)接地故障特征判斷如表2 所示。

表2 瞬時(shí)接地故障特征判斷

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有的絕緣監(jiān)測裝置均采用分立式設(shè)計(jì)[11-14]，由裝置主機(jī)、選線模塊、電流傳感器三部分組成。一個(gè)選線模塊連接若干個(gè)電流互感器，可以同時(shí)監(jiān)測若干路饋線。一臺(tái)主機(jī)通過RS485 總線以一主多從的方式連接幾個(gè)到十幾個(gè)選線模塊，主機(jī)一般情況下都是以波特率4 800 b/s 或9 600 b/s，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)一問一答的方式逐個(gè)輪詢選線模塊，數(shù)據(jù)交換時(shí)間1～8 s 左右，無法監(jiān)測毫秒級(jí)的瞬時(shí)接地故障。

為了實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)接地定位功能，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)與選線模塊之間的通信方式采用CAN_bus 的方式，CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。采用多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，使得網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 瞬時(shí)接地故障錄波監(jiān)測

在絕緣監(jiān)測裝置上引入故障錄波，實(shí)現(xiàn)故障錄波關(guān)鍵在于故障時(shí)刻點(diǎn)的判斷以及啟動(dòng)錄波采集數(shù)據(jù)任務(wù)。利用絕緣裝置現(xiàn)有的硬件架構(gòu)及接口，通過絕緣裝置對(duì)母線電壓的監(jiān)測實(shí)現(xiàn)故障時(shí)母線對(duì)地電壓變化曲線的錄波功能，通過安裝在饋線支路上的電流互感器對(duì)支路電流的突變進(jìn)行故障錄波。根據(jù)裝置記錄的數(shù)據(jù)波形，可以快速找到故障點(diǎn)位置。

理想情況下，直流電源系統(tǒng)無交流成分，當(dāng)發(fā)生交流竄入時(shí)，直流系統(tǒng)會(huì)存在50 Hz 的交流信號(hào)[15-16]，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，絕緣裝置的故障錄波功能采樣頻率不能小于100 Hz。為了滿足10 ms 瞬時(shí)接地故障的檢測，數(shù)據(jù)采集間隔必須小于10 ms 的采樣間隔，即10 Hz 的采樣頻率。綜合考慮到絕緣裝置的硬件資源以及屏幕顯示的分辨率和顯示數(shù)據(jù)長度等原因，采樣頻率設(shè)為1 kHz，即1 ms 進(jìn)行一次定時(shí)采樣及計(jì)算。數(shù)據(jù)采集主要分為兩部分：一是直流系統(tǒng)母線對(duì)地電壓的采集，保存500 ms 的母線對(duì)地波形，采集原理圖如圖5 所示；二是故障回路電流變化情況，保存5 000 ms的波形，采集原理圖如圖6所示。

圖5 直流系統(tǒng)母線對(duì)地電壓的采集原理圖

圖6 饋線電流采集原理圖

該文采用高性能的STM32F7 系列芯片，具備分時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理，可快速判斷故障時(shí)刻點(diǎn)并啟動(dòng)錄波，同時(shí)完成數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)、錄波分析、通信管理、功能巡檢、顯示等功能。

如圖7 所示，母線對(duì)地故障錄波圖分為兩部分：A時(shí)段故障前和B時(shí)段故障后，以電壓突變量作為故障判斷的啟動(dòng)量Un，當(dāng)母線正極對(duì)地電壓或負(fù)極對(duì)地電壓突變量ΔV＜Un，即系統(tǒng)沒有發(fā)生故障，由S時(shí)刻開始按A時(shí)段的順序執(zhí)行緩存，如果A時(shí)段緩存滿后按照先進(jìn)先出的方式緩存。當(dāng)母線正極對(duì)地電壓或負(fù)極對(duì)地電壓突變量ΔV≥Un，即此時(shí)刻T系統(tǒng)發(fā)生了故障，由T時(shí)刻開始按照B時(shí)段的順序執(zhí)行采樣數(shù)據(jù)緩存，直到緩存滿B時(shí)段的數(shù)據(jù)。A時(shí)段：系統(tǒng)對(duì)地電壓出現(xiàn)擾動(dòng)開始前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出原始記錄波形及有效值，記錄時(shí)間約為250 ms。B時(shí)段：系統(tǒng)對(duì)地電壓出現(xiàn)擾動(dòng)后初期的狀態(tài)數(shù)據(jù)，輸出原始記錄波形及有效值，記錄時(shí)間約為250 ms。

圖7 采樣時(shí)段順序

2.3 程序流程

系統(tǒng)程序判斷流程如圖8 所示，系統(tǒng)采集直流系統(tǒng)母線各處電壓后，先判斷是否處于錄波狀態(tài)，若處于錄波中，判斷錄波時(shí)長，若錄波時(shí)長大于T2，則退出錄波繼續(xù)測電壓；若錄波時(shí)長小于T2，則繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錄波，完成錄波后繼續(xù)監(jiān)測母線電壓。若非錄波狀態(tài)，則比較電壓波動(dòng)變化，若電壓波動(dòng)ΔVt小于或等于預(yù)設(shè)波動(dòng)閾值ΔV，則繼續(xù)進(jìn)行母線電壓監(jiān)測；若電壓波動(dòng)ΔVt大于預(yù)設(shè)波動(dòng)閾值ΔV，則生成錄波記錄，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。完成錄波后，母線電壓監(jiān)測主機(jī)收集各母線電壓監(jiān)測從機(jī)相同時(shí)間的錄波數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比分析，找出波動(dòng)趨勢最大的母線電壓監(jiān)測從機(jī)，確定直流系統(tǒng)母線故障的具體位置。

圖8 系統(tǒng)程序判斷流程

3 實(shí)驗(yàn)測試

以1 kHz 的采樣頻率實(shí)時(shí)采集母線對(duì)地電壓，并記錄母線故障前后共500 ms 的波形信息。而饋線電流記錄故障前后共5 s 的波形信息。判斷依據(jù)：如果母線正負(fù)極對(duì)地電壓突變超過接地巡檢電壓突變量，啟動(dòng)瞬時(shí)波形采集。

模擬在金屬性接地?zé)o干擾情況下，接地接入時(shí)間為10 ms、20 ms 的瞬時(shí)接地故障，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果

從波形分析，裝置采集母線對(duì)地電壓波形與示波器采集波形一致，饋線支路漏電流特征為先下降后上升，裝置判斷為負(fù)極金屬性接地，該判斷結(jié)果正確。

4 結(jié)論

該文針對(duì)直流系統(tǒng)瞬時(shí)接地不易查找問題，通過分析瞬時(shí)接地故障類型，通過模擬實(shí)驗(yàn)，提取瞬時(shí)接地特征量母線對(duì)地電壓和饋線電流。根據(jù)監(jiān)測特征量，提出了一種基于故障錄波監(jiān)測的直流系統(tǒng)瞬時(shí)接地監(jiān)測系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)測試，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可快速判斷和定位瞬時(shí)接地故障支路，提高直流系統(tǒng)可靠性。