基于快速故障保護的微機保護裝置研究

楊婷婷

(滁州學院 機械與電氣工程學院，安徽 滁州 239000)

近年來，我國電力系統規模逐漸擴大，在豐富系統作業功能的同時，增加了系統結構復雜程度[1]。由于系統結構日漸復雜，很難在調試過程中挖掘所有問題，因而在投入使用時呈現出不同類型的故障問題，并且設備作業故障發生頻率較高[2]。如果未能及時處理故障，很有可能給電力系統造成較大損失，隱藏著安全問題。所以，構建一套微機保護裝置顯得尤為重要。為了滿足故障及時發現和處理需求，對保護裝置提出了快速故障保護性能要求[3]。以往研發的微機保護裝置在故障保護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、并聯補償3種算法結合到一起，提出新型微機保護裝置研究[4]。

1 微機保護裝置硬件設計

1.1 微機保護裝置硬件框架結構設計

本文提出的新型微機保護裝置在以往裝置結構基礎上進行了改進，選取微控制器作為裝置作業核心控制器，利用該控制器，分別下達信號調理、信號復位、電流泄放、建立通信連接、跳閘、故障記錄、供電等控制命令，根據電力系統實際作業情況，判斷當前線路是否發生故障。如果發現某線路發生故障，采用人機交互模式，為系統管理人員發送故障信號，同時發出裝置自行保護模式。如圖1所示為微機保護裝置框架結構。

圖1 微機保護裝置框架結構

如圖1中，考慮到保護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，本文設計的框架結構中添加了自供電模塊，利用該模塊繼續為裝置供電，從而保證裝置得以連續不間斷地作業，使得電力系統安全保護性能得以提升。

1.2 微機保護裝置硬件電路設計

本文提出的保護裝置硬件電路設計方案，主要包括供電電路、電源監測電路、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，當裝置供電發生故障時，能夠及時為裝置供電。考慮到裝置跳閘以后，需要驅動電容充電，使得電容數值保持在一定范圍內，滿足跳閘回路電壓參數驅動要求[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 電源監測電路

為了有效保護裝置的供電電源，本設計方案添加了電源監測電路，利用該電路實時監測+24V電源[6]。電路中，采用串聯分壓方式，在電源監測電路中接入兩個電阻。接通此電路后，在單片機的控制下，采集電路中的電壓數值。當裝置供電出現低壓或者欠壓問題時，及時發覺問題，并開啟電池供電模式。根據電力系統供電需求，通過軟件程序控制，按照電壓作業范圍為電路供電。

1.2.3 電池充電電路

本設計方案選取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，當電容電壓低于20V時，利用芯片為電容充電，當電容的電壓達到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TPS43060，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為驅動電容充電。整個電路依靠核心控制器進行操控，由該控制器驅動DC-DC升壓芯片，開啟跳閘電容充電模式，儲備電能，由電源監測電路采集當前電能儲備情況信息。如果電能儲備達到了上限，則關閉充電模式，同時跳閘輸出電能。如果電能未能達到上限，則繼續充電。其中，讀取到的電容充電信息將發送至核心控制器，經過判斷分析，下達充電/供電控制命令。

2 微機保護裝置軟件程序及算法

2.1 軟件程序開發流程

本裝置利用AD7606采集器獲取相關數據，這些數據輸入系統后，通過算法計算分析，得到線路電流有效值，根據此數值判斷當前線路中是否發生故障，根據判斷結果下發故障保護作業命令。關于軟件程序開發核心流程如下。

(1)系統經過初始化處理以后，開啟數據采集初始化模式。

(2)開啟系統中斷。

(3)監測電源供電情況。

(4)判斷當前系統處于何種工作模式。如果工作方式處于電池供電模式，則進入“快速保護”任務解掛環節，并開啟電源監測任務。判斷監測期間，裝置是否恢復正常供電(+24V)，如果進入正常供電模式，則開始執行“快速保護”任務，完成一次運行后掛起。如果工作方式處于正常供電模式，則進入“主保護”任務，而后執行其他任務。

2.2 快速故障保護算法

本文將半波傅氏、全波傅氏、并聯補償3種算法結合到一起，快速挖掘電力系統中線路故障，并縮短故障保護動作時間，應用算法提高作業精準度。

假設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算如式(2)所示，故障電流正弦積分計算如式(3)所示。

(2)

(3)

從電力系統線路中隨機采樣，將積分求值變為求離散和，可以得到系統作業發生故障時的采樣點。如果計算基波分量，n取值1，則利用半波傅氏算法，可以求取實部，即IRe(k)。

依據導數算法，可以推理出基波分量幅值的計算方法如式(4)所示。

(4)

對于公式(4)，如果求取的諧波次數為n，則計算公式添加分母，即2sin(nΔθ)。

采用上述算法判斷故障點，不需要設置過多采樣點，大大提高了故障檢測效率。由于這種算法存在誤差大缺點，所以本研究不單獨使用。而是引入全波傅氏中的并聯補償算法，對故障診斷結果進行二次處理，從而降低診斷結果誤差。該算法應用的核心思想是利用傅氏算法計算輸入信號對應的基頻正弦分量，最后求取補償系數。假設輸入信號如式(5)所示。

(5)

假設單次周期內裝置采樣數量為N，采樣次數編號為k條件下的采樣值為ωn=nω1。其中，n取值范圍是正整數。根據文獻[8]中計算思路，整理補償系數求取公式如式(6)所示。

(6)

公式(6)計算結果誤差大小與輸入信號的時間常數相關，如果時間常數已知，則計算結果誤差非常小，如果未知，則計算結果會出現一定誤差。通常情況下，以±5.0%作為誤差限定范圍，如果計算誤差在此范圍內，則認為該計算結果可以作為故障保護工作開展參考依據。

3 實驗測試分析

為了檢驗本文設計的微機保護裝置在故障保護方面的性能是否有所改善，本次實驗以目前比較常用的卡爾曼、最小二乘作為對照組故障診斷計算方法，設置3組采樣點，分別為10個、20個、40個，統計已知時間常數0.03s條件下的故障情況、未知時間常數(假設0.10s)條件下的故障情況，結果如表1、表2所示。

表1 已知時間常數0.03s實驗仿真結果統計

如表1中，3組采樣仿真統計結果，隨著樣本數量的增加，誤差發生變化。其中，本文提出的處理方法，誤差隨著樣本數量的增加逐漸減小，經過多算法的綜合處理，在已知時間常數情況下，故障計算誤差達到了0%，而其它兩種處理方法誤差出現了增加情況，即而卡爾曼、最小二乘法的計算結果出現了誤差，最大誤差達到了-34.885%。相比之下，本文提出的的快速故障保護方案更為可靠。

表2 未知時間常數0.10s實驗仿真結果統計

如表2中統計了未知時間常數情況下，3種故障保護算法應用下的故障計算誤差結果。如果故障計算誤差絕對值能夠控制在5.0%以內，則認為算法可靠。從統計結果來看，雖然本文提出的綜合算法計算結果中出現了誤差，但是較其它兩種算法，該誤差較小，經過多重處理以后，誤差小于1.0%，在允許范圍之內。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。

綜合上述兩組實驗測試結果可知，本文提出的故障保護方法，能夠快速且準確找出線路故障，對時間常數沒有過多要求，在未知情況下也可以準確實施線路故障保護措施。

4 結論

傳統微機保護裝置在斷電后無法繼續保護線路，為了彌補這項不足，本文對裝置的硬件電路進行了改進，添加了蓄電池，并且為電容充電。根據故障保護需求，設計裝置軟件控制程序流程，引入半波傅氏、全波傅氏、并聯補償3種算法，開發故障保護計算模型。實驗測試結果顯示，本文提出的故障保護設計方法在已知時間常數情況下，故障計算誤差為0，在未知時間常數情況下故障計算誤差接近0，符合計算標準。