基于電子式傳感器的電力系統短路故障診斷系統

徐中貴

摘 要：在狀態檢修過程中，如何更為準確的測量、采集電力系統運行參數對于提高系統運行安全穩定性能有著重要的意義。在下面這篇文章里，我們將重點對基于更為先進電子式傳感器的電力系統短路故障診斷系統進行分析。

關鍵詞：電子式傳感器；電力系統；短路故障；DSP

前言

在電力系統運行過程中，故障診斷的準確性和及時性對于保證電力系統的運行安全及穩定性有著積極的意義。目前在電力系統故障診斷過程中，首先需要對系統運行數據進行采集，如電壓、電流、頻率、功率等，傳統的采集過程中，主要是應用到電磁式傳感器，由于其存在磁飽和、鐵磁諧振、動態范圍小及頻帶窄等諸多缺點，所以無法滿足日益提高的電力系統運行需求。隨著電子式傳感器技術的不斷發展，目前可應用于電力系統的電子式傳感器主要包括光學電子式和混合電子式兩種，前者采用光學元件作為傳感單元，后者則是采用Rogowski線圈、霍爾器件、電阻分壓器、電容分壓器等作為傳感單元。在電力系統短路故障診斷過程中，混合電子式更具適用性，在下面這篇文章里我們就以采用Rogowski線圈為傳感單元的混合電子式傳感器為基礎對短路故障診斷系統進行分析。

1 電力系統短路故障的類型及特點

在電力系統運行過程中，造成短路故障的原因主要包括：（1）設備絕緣因老化、機械損傷而損壞；（2）過電壓導致設備絕緣擊穿；（3）人為誤操作；（4）鳥害；（5）惡劣氣候等。

短路故障的類型可分為三相短路、兩相短路、兩相接地短路及單相接地短路這四種，其中輸電系統發生短路故障的幾率最大，是電力系統最為重要薄弱環節。三相短路及兩相短路主要是發生在中性點不接地系統；而兩相接地和單相接地故障則主要是發生在中性點接地系統中。

2 短路故障識別系統的設計

實現對電力系統運行故障的準確診斷，一般需要經過四個環節，分別是信號采集、信號處理、狀態識別及顯示分析。電子式傳感器主要是應用在信號采集這一環節。整個診斷系統有軟件和硬件兩部分組成，其中硬件部分根據電壓等級可分為高壓側和低壓側兩部分。下面我們分別對系統的硬件結構和軟件設計進行簡單了解：

2.1 系統高壓側硬件結構

識別系統的高壓側主要是完成信號采集功能，其核心單元是電子式互感器，圖1為高壓側系統結構示意圖：

通過對圖1的分析，我們可以了解到，系統高壓側主要是由電流、電壓傳感器、電壓測量、電流測量及電流保護幾個信息采樣通道組成。在圖1中通過同一個Rogowski線圈分出兩路，一路用于測量，另一路用于保護。當發生短路故障時，故障電流遠大于正常運行電流，為了滿足測量需求，這兩路選用了不同放電倍數的增益可調放大器，正常運行時，系統通過放大倍數大的測量通道進行數據采樣，而當發生短路故障時，系統轉向放大倍數小的保護通道進行數據采樣。通道的選擇是由低壓側控制模擬選擇開關來實現。

Rogowski線圈輸出的電流為被測電流的微分值，在電流保護通道的放大器間添加一個短路故障判斷電路，通過簡單的電壓比較就能實現對短路故障的快速判斷。在判斷出確實發生短路故障時，電流采樣切換至保護通道。圖2為故障判斷電路結構示意圖：

圖2中LM393是集成電壓比較器；RP1、RP2是電位器，用來調整比較門限電壓；Q1是三極管；U2A、U2B是比較器。當線圈輸入信號正、負方向均小于門限值時，三極管輸出端為高電平；當輸出信號正負方向有任意一個超過門限值時，三極管輸出端為低電平。在對是否存在短路故障進行判斷時，就是對三極管輸出端低電平持續時間是否超過允許值來完成，當判斷發生短路故障時，電流采樣將切換至保護通道。

2.2 系統低壓側硬件結構

通過對低壓側電路結構示意圖3的分析，我們發現其主要是完成高壓側上傳信號的處理、狀態識別和分析顯示功能。

2.3 短路故障診斷系統軟件設計

系統的軟件部分主要是包括單片機程序、數字信號處理器程序。其中單片機程序包括主程序、數據采集子程序和短路中斷子程序。圖4為主程序結構流程圖。

通過對主程序流程圖的分析，我們可以了解到，整個程序是循環往復的，當判斷出故障未發生且定時時間溢出時，程序清除中斷標志并返回，對定時器初始值進行重新設置并啟動；當判斷短路故障發生時，系統會通知DSP，由其完成對信號的處理及狀態識別。

2.4 基于小波變換的故障特征提取

由于系統運行過程中出現故障的類型較多，在對電力系統短路故障進行診斷過程中，有必要根據不同故障類型的故障特征來對故障進行識別。傳統的傅里葉變換只適用于暫態穩定信號，隨著電力系統發展需求的提高，如何對暫態信號進行采集、處理直接影響著系統故障的快速定位與檢修。通過研究發現，通過利用小波變換的奇異性檢測特點，能夠對故障信號進行多尺度分析，并提取出關鍵的故障特征信息。這一步驟是在DSP中完成。

2.5 基于人工神經網絡的故障識別

在對故障特征信息采集完成后，還需要對故障種類進行識別，傳統的故障識別是利用專家系統，但在實際應用過程中存在著較多缺點，如知識獲取瓶頸、匹配沖突等。而隨著人工智能技術的發展應用，神經網絡技術得到了很好的發展，將其應用在故障識別過程中，能夠很好的克服專家系統存在的缺陷，體現出很好的自組織、自學習和自適應能力。[1]

3 結束語

電子式傳感器具有頻帶寬、動態性能好等諸多特點，彌補了傳統電磁式傳感器在應用過程中的缺點。在上面文章里，我們只是對基于電子式互感器的電力系統短路故障診斷系統進行了簡單的分析。電子式傳感器技術已經廣泛的應用于電力系統的各個方面，諸如電氣設備健康狀況的實時監測、輸電線路雷擊、覆冰故障的監測等。隨著相關技術的進一步發展應用，必將有效的提高電力系統整體運行水平，保證供電的安全可靠。

參考文獻

[1]邵曉非，寧媛，劉耀文，等.電力系統故障診斷方法綜述與展望[J].工業控制計算機，2012（12）：4-7.