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1、(10)申请公布号 CN 101995511 A (43)申请公布日 2011.03.30 CN 101995511 A *CN101995511A* (21)申请号 200910115967.3 (22)申请日 2009.08.17 G01R 19/25(2006.01) (71)申请人 中国瑞林工程技术有限公司 地址 330002 江西省南昌市八一大道 1 号 (72)发明人 刘祥印 王时胜 欧阳伟 沈力军 (74)专利代理机构 南昌市平凡知识产权代理事 务所 36122 代理人 姚伯川 (54) 发明名称 电网接地选线的总线型零序电流现场处理系 统 (57) 摘要 本发明提供一种配电网接。
2、地选线的总线型零 序电流现场处理系统，该现场处理系统于每条线 路现场配置基于 FPGA 的数据盒，在现场完成信 号放大、滤波、数据采集、储存，同时完成数字 信号处理及分析，实现现场数字通信。从而有效 解决小电流接地系统单相接地故障时，信号弱， 干扰多、模拟信号传输易受干扰致使测量不准的 难题，提高了选线正确率。 适用于6-35KV电网 接地选线。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 101995516 A1/1 页 2 1. 一种电网接地选线的总线型零序电流现场处理系统， 包括故障选线单元，。
3、 其特征在 于包括数据采集单元、 FPGA 单元、 外扩数据存储器及现场总线接口 ； 其中， 数据采集单元包括用于获取变、 配电站母线零序电压的电压互感器和安装在馈 线上的、 用来获取一次侧零序电流的零序电流互感器 ； FPGA 单元包括 ： 存储器， 用于存取零序电流低速采样信号、 零序电流高速采样信号、 零序电压采样信 号 ； 处理器， 用于控制数据采集、 数据分离， 并通过所述现场总线接口与所述故障选线单元 进行通信 ； 选频器， 用于提取零序电流的基波以及五次谐波 ； 小波包分析模块， 用于计算零序电流暂态分量各频带对应的能量 ； 数据采集及顺序移位控制模块， 用于控制数据采样和数据的。
4、存取 ； 所述电压互感器将检测到的零序电压经隔离变压器变成合适的电压信号， 经放大、 低 通滤波后， 一路经低速采样、 A/D 转换后， 由 FPGA 单元控制存入所述存储器中 ； 另一路经过 整形后输入到 FPGA 单元进行逻辑判断 ； 所述零序电流互感器将检测到的零序电流经负载电阻转换成电压信号， 再经过放大和 低通滤波后， 分别进行高速采样和低速采样， 经A/D转换后， 由FPGA单元控制存入所述存储 器中 ； 处理器从所述存储器中提取故障零序电压存入所述外扩数据存储器中， 从所述存储器 中提取故障零序稳态电流送选频器获得基波以及谐波分别存入所述外扩数据存储器中， 从 所述存储器中提取故。
5、障暂态电流送所述小波分析模块分析， 获得各频带信号的能量存入所 述外扩数据存储器， 同时， 处理器将存入所述外扩数据存储器中的数据通过现场总线接口 发给故障选线单元。 2. 根据权利要求 1 所述的电网接地选线的总线型零序电流现场处理系统， 其特征在 于 ： 所述存储器为双口顺序移位存储器， 其包括零序电压低速采样双口顺序移位存储器、 零 序电流低速采样双口顺序移位存储器和零序电流高速采样双口顺序移位存储器 ； 零序电压低速采样数据存入所述零序电压低速采样双口顺序移位存储器， 零序电流低 速采样的数据存入所述零序电流低速采样双口顺序移位存储器， 零序电流高速采样的数据 存入所述零序电流高速采样。
6、双口顺序移位存储器。 3. 根据权利要求 1 所述的电网接地选线的总线型零序电流现场处理系统， 其特征在 于 ： 所述选频器包括基波选频器和五次谐波选频器。 4. 根据权利要求 1 所述的电网接地选线的总线型零序电流现场处理系统， 其特征在 于 ： 所述数据采集单元、 FPGA 单元和外扩数据存储器及现场总线接口设于一现场 FPGA 数据 盒内。 权 利 要 求 书 CN 101995511 A CN 101995516 A1/4 页 3 电网接地选线的总线型零序电流现场处理系统 技术领域 0001 本发明涉及电网单相接地故障选线技术， 特别是涉及 6kv-35kv 的零序电流现场 处理的电网。
7、单相接地故障选线技术。 背景技术 0002 现在大型企业配电网 (6kv-35kv) 广泛采用中性点不直接接地系统， 即小电流接 地系统。 这种接地方式的优点是 ： 当发生单相接地故障时对电力设备和人身危害小， 可允许 电网在此情况下继续运行1小时2小时。 但由于此时非故障相对地电压升高了倍(稳 态 )， 如果伴随有电弧现象则可能使非故障线路的最高暂态电压达到相电压的 3 倍左右， 增 加了对线路的绝缘性能的要求， 容易发生非故障相对地闪络， 造成两相接地短路， 其危害较 大。 因此， 发生单相接地故障后迅速确定故障线路、 故障位置并及时排除对配电系统的安全 运行意义重大。 0003 小电流接。
8、地系统自动选线技术是一项难度较高的技术问题， 单相接地故障时， 故 障电流小， 信号弱， 且单相接地故障的类型复杂， 可能发生不稳定接地， 产生间隙性弧光等 干扰信号， 增加了接地故障检测的难度。 0004 虽从上世纪八十年代， 国内开始小电流接地系统故障选线的研究， 提出了许多选 线方法， 九十年代初， 开始推出单片机为控制器的接地故障选线装置， 到目前为止， 国内多 家公司相继推出小电流接地故障选线装置， 均采用集中式结构， 配电网多条线路的现场模 拟信号 ( 零序电压、 零序电流、 线电压等 ) 通过信号传输线送至故障选线装置集中采集， 集 中处理。这种方法由于现场到故障选线装置之间是模。
9、拟信号传输， 极易受到干扰， 且 CPU 或 一个环节出故障会引起整个系统瘫痪， 故弊端多。 它们的诊断正确率在50左右， 使用效果 仍然不是很理想。 发明内容 0005 本发明所要解决的技术问题是 ： 提供一种电网接地选线的总线型零序电流现场处 理系统， 该系统用来解决小电流接地系统单相接地故障时， 信号弱， 干扰多、 模拟信号传输 易受干扰致使测量不准的问题， 以提高选线正确率。 0006 为了解决上述技术问题， 本发明提出一种配电网接地选线的总线型零序电流现场 处理系统， 该系统包括故障选线单元、 数据采集单元、 FPGA 单元、 外扩数据存储器及现场总 线接口 ； 0007 其中， 数。
10、据采集单元包括用于获取变、 配电站母线零序电压的电压互感器和安装 在馈线上、 用来获取一次侧零序电流信号的零序电流互感器 ； 0008 FPGA 单元包括 ： 0009 存储器， 分别用于存取零序电流低速采样信号、 零序电流高速采样信号、 零序电压 采样信号 ； 0010 处理器， 用于控制数据采集、 数据分离， 并通过总线接口与故障选线单元进行通 说 明 书 CN 101995511 A CN 101995516 A2/4 页 4 信 ； 0011 选频器， 用于提取零序电流的基波以及五次谐波 ； 0012 小波包分析模块， 用于计算零序电流暂态分量各频带对应的能量 ； 0013 数据采集及。
11、顺序移位控制模块， 用于控制数据采样和数据的存取 ； 0014 所述电压互感器将检测到的零序电压经隔离变压器变成合适的电压信号， 经放 大、 低通滤波后， 一路经低速采样、 A/D 转换后， 由 FPGA 单元控制存入所述存储器中， 另一路 经过整形后输入到 FPGA 单元进行逻辑判断 ； 0015 所述零序电流互感器将检测到的零序电流经负载电阻转换成电压信号， 再经过放 大和低通滤波后， 分别进行高速采样和低速采样， 经A/D转换后， 由FPGA单元控制存入所述 存储器中 ； 0016 处理器从所述存储器中提取故障零序电压存入所述外扩数据存储器中， 从所述存 储器中提取故障零序稳态电流送选频。
12、器获得基波以及谐波分别存入所述外扩数据存储器 中， 从所述存储器中提取故障暂态电流送所述小波分析模块分析， 获得带各频带信号的能 量存入所述外扩数据存储器， 同时， 处理器将存入所述外扩数据存储器中的数据通过现场 总线接口发给故障选线单元。 0017 优选地 ： 所述存储器为双口顺序移位存储器， 其包括零序电压低速采样双口顺序 移位存储器、 零序电流低速采样双口顺序移位存储器和零序电流高速采样双口顺序移位存 储器 ； 0018 零序电压低速采样数据存入所述零序电压低速采样双口顺序移位存储器， 零序电 流低速采样的数据存入所述零序电流低速采样双口顺序移位存储器， 零序电流高速采样的 数据存入所述。
13、零序电流高速采样双口顺序移位存储器。 0019 优选地 ： 所述选频器包括基波选频器和五次谐波选频器。 0020 优选地 ： 所述数据采集单元、 FPGA 单元和外扩数据存储器及现场总线接口设于一 现场 FPGA 数据盒内。 0021 本发明的有益效果如下 ： 0022 相比现有技术， 本发明在需要进行故障选线时， 每条线路现场配置一个 FPGA 数据 盒， 即可在现场完成信号放大、 滤波、 数据采集， 数字信号处理及分析， 通过工业现场总线完 成现场数据传输。从而有效解决小电流接地系统单相接地故障时， 信号弱， 干扰多、 模拟信 号传输易受干扰致使测量不准的难题， 提高选线正确率至 80以上。
14、。 附图说明 0023 图 1 是本发明的电路原理方框图。 0024 图 2 是线路现场数据采集处理的软件流程图。 具体实施方式 0025 本发明提供一种电网接地选线的总线型零序电流现场处理系统， 其实施例结构如 图 1 所示。图 1 中虚线框内为现场可编程逻辑阵列 FPGA 单元。与 FPGA 单元连接的是数据 采集单元， 模拟信号处理电路连接着数据采集单元。FPGA 单元还连接着外扩数据存储器及 现场总线接口。 说 明 书 CN 101995511 A CN 101995516 A3/4 页 5 0026 数据采集单元包括用于获取变、 配电站母线零序电压的电压互感器 PT 和安装在 馈线上。
15、、 用来获取一次侧零序电流的零序电流互感器 CT。 0027 FPGA 单元包括 ： 0028 双口数据顺序移位存储器， 用于存取零序电流低速采样信号、 零序电流高速采样 信号、 零序电压采样信号 ； 双口数据顺序移位存储器包括零序电压低速采样数据存储器 A、 零序电流低速采样数据存储器 B 和零序电流高速采样数据存储器 C。 0029 处理器， 用于控制数据采集、 数据分离， 并通过总线接口与故障选线单元进行通 信。处理器可以选用 NiosII 的处理器。 0030 选频器， 用于提取零序电流的基波以及五次谐波。 选频器包括基波选频器和五 次谐波选频器， 其中基波选频器为 FIR50Hz 选。
16、频器， 五次谐波选频器为 FIR250Hz 选频器。 0031 小波包分析模块， 用于计算零序电流暂态分量各频带对应的能量。 0032 数据采集及顺序移位控制模块， 用于控制采样数据和数据的存取。 0033 其中， 电压互感器 PT 将检测到的零序电压经隔离变压器变成合适的电压信号后， 再经第一差分放大器、 第一低通滤波器、 低速通道采样保持器、 第一 A/D 转换器依次处理 后， 由 FPGA 单元控制存入零序电压低速采样双口顺序移位存储器 A 中， 经过低通滤波后的 零序电压信号的另一路经过整形电路后输入到 FPGA 单元进行逻辑判断。 0034 零序电流互感器 CT 将检测到的零序电流经。
17、负载电阻转换成电压信号， 再经过第 二差分放大器和第二低通滤波器后， 分别进入高速通道采样保持器和低速通道采样保持 器， 其中， 低速通道采样信号经第一 A/D 转换器转换后由 FPGA 单元控制存入零序电流低速 采样双口顺序移位存储器 B 中 ； 高速采样信号经第二 A/D 转换器转换后， 由 FPGA 单元控制 存入零序电流高速采样双口顺序移位存储器 C 中。 0035 在发生单相接地故障时， 处理器从零序电压低速采样双口顺序移位存储器 A 中提 取故障零序电压存入外扩数据存储器中， 从零序电流低速采样双口顺序移位存储器 B 中提 取故障零序稳态电流， 经50Hz选频器获得基波以及250H。
18、z选频器获得的谐波分别存入外扩 数据存储器中， 从零序电流高速采样双口顺序移位存储器 C 中提取的故障暂态电流送小波 分析模块分析， 获得带各频带信号的能量存入外扩数据存储器， 同时， 处理器将存入外扩数 据存储器中的数据通过总线接口发给故障选线单元。 0036 本发明数据采集处理单元采用电压互感器 PT、 零序电流互感器 CT 来分别获取变、 配电站母线零序电压信号和第 i 条出线的零序电流信号， 经信号调理电路 ( 隔离、 放大、 滤 波等 ) 后， 由 FPGA 单元控制采样、 A/D 转换、 数据移位存储。FPGA 单元内集成 NiosII 系统 及相关算法的硬件模块， 软核处理器 N。
19、iosII 可以宏观控制数据采集、 数据分离、 并通过现 场总线接口与故障选线单元通信。 可以提取零序电流的基波、 五次谐波， 计算零序电流暂态 分量各频带对应的能量。同时 NiosII 系统通过现场总线 (PROFIBUS) 接口及现场总线将处 理的数据传送给故障选线装置的选线单元。 0037 在开发任何现场总线型故障选线装置时， 每条线路现场安装一个基于 FPGA 的数 据盒， 数据盒内的数据采集处理工作过程如下 ： 0038 来自安装在各馈线的零序电流互感器的二次侧零序电流信号， 经负载电阻转换成 电压信号， 再经放大和低通滤波后， 送至高、 低速通道采样保持器。其中低速采样的信号经 A。
20、/D 变换后由 FPGA 单元控制存入零序电流低速采样双口顺序移位存储器 B 中， 高速采样的 说 明 书 CN 101995511 A CN 101995516 A4/4 页 6 信号经 A/D 变换后， 由 FPGA 单元控制存入零序电流高速采样双口顺序移位存储器 C 中。零 序电压来自电压互感器二次开口三角， 经隔离变压器变为合适的电压信号， 再经低通滤波 器后， 一路经低速采样、 A/D 变换后由 FPGA 单元控制存入零序电压低速采样双口顺序移位 存储器 A 中， 零序电压的另一路输入到 FPGA 单元进行逻辑判断， 实时检测线路是否发生了 单相接地故障。当发生单相接地故障时， FP。
21、GA 单元输出一触发信号， 通知 NiosII 从双口 顺序移位存储器中取出一定长度的故障数据， 进行分析、 计算， 并把相关结果经过 Profibus 总线传至故障选线单元， 进行故障选线。 0039 低频采样的采样频率取为 3.2KHz， 因而要求低频采样保持器的采样频率大于 3.2KHz。因为有 2 路低频采样的信号， 要求 A/D 转换速度大于 6.4KHz。高频采样的采样频 率取为 51.2KHz。 0040 线路现场数据采集处理单元软件流程如图 2。 0041 先对数据采集单元进行初始化 ； 然后进行数据采集、 控制数据移位存储 ； 再对采 集上来的数据进行判断， 判断是否发生单相。
22、接地故障。 0042 如果是， 则读取零序电压低速采样双口顺序移位存储器 A， 提取故障零序电压， 并 存入外扩数据存储器 ； 并读取零序电流低速采样双口顺序移位存储器 B、 零序电流高速采 样双口顺序移位存储器 C， 提取故障零序稳态电流及暂态电流 ； 然后将故障稳态零序电流 送至选频器， 获得基波以及五次谐波， 将它们存入外扩数据存储器， 故障暂态电流送小波包 分析模块， 获取各频带信号的能量存入外扩数据存储器， 并将信号通过现场总线接口向上 级传送数据 ； 完成后再重新对采集上来、 存储在数据存储器中的新数据进行判断。 0043 如果否， 则重新对采集上来、 存储在数据存储器中的新数据进行判断。 说 明 书 CN 101995511 A CN 101995516 A1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 101995511 A CN 101995516 A2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 101995511 A 。