基于電子式傳感器的電力系統(tǒng)短路故障診斷系統(tǒng)

徐中貴

摘 要：在狀態(tài)檢修過程中，如何更為準確的測量、采集電力系統(tǒng)運行參數(shù)對于提高系統(tǒng)運行安全穩(wěn)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(tǒng)短路故障診斷系統(tǒng)進行分析。

關(guān)鍵詞：電子式傳感器；電力系統(tǒng)；短路故障；DSP

前言

在電力系統(tǒng)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(tǒng)的運行安全及穩(wěn)定性有著積極的意義。目前在電力系統(tǒng)故障診斷過程中，首先需要對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行采集，如電壓、電流、頻率、功率等，傳統(tǒng)的采集過程中，主要是應(yīng)用到電磁式傳感器，由于其存在磁飽和、鐵磁諧振、動態(tài)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(tǒng)運行需求。隨著電子式傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，目前可應(yīng)用于電力系統(tǒng)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(tǒng)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(chǔ)對短路故障診斷系統(tǒng)進行分析。

1 電力系統(tǒng)短路故障的類型及特點

在電力系統(tǒng)運行過程中，造成短路故障的原因主要包括：（1）設(shè)備絕緣因老化、機械損傷而損壞；（2）過電壓導(dǎo)致設(shè)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(tǒng)發(fā)生短路故障的幾率最大，是電力系統(tǒng)最為重要薄弱環(huán)節(jié)。三相短路及兩相短路主要是發(fā)生在中性點不接地系統(tǒng)；而兩相接地和單相接地故障則主要是發(fā)生在中性點接地系統(tǒng)中。

2 短路故障識別系統(tǒng)的設(shè)計

實現(xiàn)對電力系統(tǒng)運行故障的準確診斷，一般需要經(jīng)過四個環(huán)節(jié)，分別是信號采集、信號處理、狀態(tài)識別及顯示分析。電子式傳感器主要是應(yīng)用在信號采集這一環(huán)節(jié)。整個診斷系統(tǒng)有軟件和硬件兩部分組成，其中硬件部分根據(jù)電壓等級可分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩部分。下面我們分別對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計進行簡單了解：

2.1 系統(tǒng)高壓側(cè)硬件結(jié)構(gòu)

識別系統(tǒng)的高壓側(cè)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(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：

通過對圖1的分析，我們可以了解到，系統(tǒng)高壓側(cè)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(fā)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(shù)的增益可調(diào)放大器，正常運行時，系統(tǒng)通過放大倍數(shù)大的測量通道進行數(shù)據(jù)采樣，而當發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向放大倍數(shù)小的保護通道進行數(shù)據(jù)采樣。通道的選擇是由低壓側(cè)控制模擬選擇開關(guān)來實現(xiàn)。

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(xiàn)對短路故障的快速判斷。在判斷出確實發(fā)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(jié)構(gòu)示意圖：

圖2中LM393是集成電壓比較器；RP1、RP2是電位器，用來調(diào)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(xù)時間是否超過允許值來完成，當判斷發(fā)生短路故障時，電流采樣將切換至保護通道。

2.2 系統(tǒng)低壓側(cè)硬件結(jié)構(gòu)

通過對低壓側(cè)電路結(jié)構(gòu)示意圖3的分析，我們發(fā)現(xiàn)其主要是完成高壓側(cè)上傳信號的處理、狀態(tài)識別和分析顯示功能。

2.3 短路故障診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分主要是包括單片機程序、數(shù)字信號處理器程序。其中單片機程序包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序和短路中斷子程序。圖4為主程序結(jié)構(gòu)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(huán)往復(fù)的，當判斷出故障未發(fā)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(shè)置并啟動；當判斷短路故障發(fā)生時，系統(tǒng)會通知DSP，由其完成對信號的處理及狀態(tài)識別。

2.4 基于小波變換的故障特征提取

由于系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)故障的類型較多，在對電力系統(tǒng)短路故障進行診斷過程中，有必要根據(jù)不同故障類型的故障特征來對故障進行識別。傳統(tǒng)的傅里葉變換只適用于暫態(tài)穩(wěn)定信號，隨著電力系統(tǒng)發(fā)展需求的提高，如何對暫態(tài)信號進行采集、處理直接影響著系統(tǒng)故障的快速定位與檢修。通過研究發(fā)現(xiàn)，通過利用小波變換的奇異性檢測特點，能夠?qū)收闲盘栠M行多尺度分析，并提取出關(guān)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的故障識別是利用專家系統(tǒng)，但在實際應(yīng)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(shù)的發(fā)展應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了很好的發(fā)展，將其應(yīng)用在故障識別過程中，能夠很好的克服專家系統(tǒng)存在的缺陷，體現(xiàn)出很好的自組織、自學習和自適應(yīng)能力。[1]

3 結(jié)束語

電子式傳感器具有頻帶寬、動態(tài)性能好等諸多特點，彌補了傳統(tǒng)電磁式傳感器在應(yīng)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(tǒng)短路故障診斷系統(tǒng)進行了簡單的分析。電子式傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個方面，諸如電氣設(shè)備健康狀況的實時監(jiān)測、輸電線路雷擊、覆冰故障的監(jiān)測等。隨著相關(guān)技術(shù)的進一步發(fā)展應(yīng)用，必將有效的提高電力系統(tǒng)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(tǒng)故障診斷方法綜述與展望[J].工業(yè)控制計算機，2012（12）：4-7.