基于故障录波的直流系统瞬时接地监测系统研究

2022-09-14全杰雄温才权黄永丰刘英男于大洋

电子设计工程 2022年17期

全杰雄，温才权，黄永丰，刘英男，于大洋

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局，广西梧州 543002；2.山东大学电气工程学院，山东济南 250061）

在电力系统中，直流系统为通信、监控设备、继电器保护装置提供稳定可靠的直流电源[1]。目前，变电站直流系统的接地故障依赖于绝缘监测装置进行监测，多采用平衡桥加切换桥的方式。文献[2]中规定：直流系统对地绝缘故障报警响应时间应不大于100 s，支路选线响应时间不大于180 s。对于几十毫秒不稳定接地故障，绝缘监测装置无法检测，经常出现人员到达现场接地已经消失，现有的便携式接地查找仪在这种情况也无法起到接地查找作用，而使得接地查找无从下手，影响电力系统供电可靠性[3-5]。

综上所述，设计一种基于故障录波的直流系统瞬时接地监测系统，通过采集瞬时电压电流波形，实现直流系统瞬时接地故障监测。

1 系统原理及模拟试验

1.1 瞬时接地故障类型判断

直流电源系统发生瞬时接地的故障类型分为正极瞬时接地故障和负极瞬时接地故障，故障过程包括故障发生阶段和故障复归阶段[6-10]。当发生负极瞬时接地时，在故障发生阶段，正极对地电压受系统电容的作用会逐渐上升直到稳定，最终稳定的电压值由平衡桥电阻值与发生的瞬时接地电阻值以及接地的时间而决定。在故障复归阶段，正极对地电压受系统电容的作用会逐渐下降直到稳定，而最终稳定的电压值由平衡桥电阻值决定。

当发生正极瞬时接地时，在故障发生阶段，正极对地电压因为系统电容的作用会逐渐下降直到稳定，而最终稳定的电压值由平衡桥电阻值与发生的瞬时接地电阻值以及接地的时间而决定。在故障复归阶段，正极对地电压因为系统电容的作用会逐渐上升直到稳定，而最终稳定的电压值由平衡桥电阻值决定。若系统电容为0，正极对地电压或负极对地电压会马上达到稳态值，如图1 虚线所示；否则正极对地电压或负极对地电压则按照指数曲线的方式进行变化直到稳态值，如图1 中实线所示。

图1 系统电容对故障恢复影响示意图

因此，发生正极瞬时接地故障时，母线电压变化特征：正极对地电压的变化过程是先下降再上升，负极对地电压是先上升再下降；发生负极瞬时接地故障时，正极对地电压的变化过程是先上升再下降，负极对地电压先下降再上升。通过监测正负极母线对地电压是否发生突变和电压复归，判定是否发生瞬时接地故障，再通过正负极母线对地电压的变化趋势区分瞬时接地故障的类型，实现瞬时接地故障的监测。

1.2 瞬时接地特征量提取及故障判断

在发生瞬时接地时，接地支路漏电流会存在明显的变化，而电容较大的无接地支路由于电容的充放电，也会存在较大的电流变化，需减少分布电容对测量的影响。对于馈线支路电容引起的特征量变化考虑采用阻容相位差异和曲线变化方向的方式进行检测，根据阻容相位差异区分是发生瞬时接地故障引起的特征量变化还是电容性馈线的特征量变化。结合系统母线对地电压变化加以确认判断，避免出现误判现象。

瞬时接地故障母线电压会波动，投入带电容的直流负荷时，电容充放电也会引起母线电压波动，监测系统需区分母线电压波动是投入负荷引起还是瞬时接地引起，电阻性瞬时接地故障支路才认为是故障支路，电容性瞬时接地支路则认为是干扰。

设计如图2 所示的模拟试验，其中V为直流系统母线电压，R为平衡桥电阻，C为系统正负极对地电容，R1为模拟瞬时接地电阻，C1为支路对地电容，CT1为接地支路漏电流，CT2为容性支路漏电流，K1为模拟开关。

图2 阻容接地模拟试验

从图3 可以看到在瞬时接地发生时，正极母线电压因为系统电容C+和C-的作用逐渐上升直到稳定。接地支路漏电流CT1有一个逐渐下降的过程，容性支路漏电流CT2因电容充放电会产生一个正向的脉冲后马上产生一个较小的反向脉冲。因此监测系统对母线对地电压进行缓存，监测到漏电流特征信号后判定瞬时接地故障。瞬时接地特征量如表1 所示。

表1 瞬时接地特征量

图3 特征量变化

从图3 可以看出，瞬时接地电流瞬间增大逐渐减小至0，而投入电容性负荷电流受充放电影响方向会有正负变化，以此特征来区分瞬时接地还是投入电容性负荷。瞬时接地故障特征判断如表2 所示。

表2 瞬时接地故障特征判断

2 系统设计

2.1 系统架构

现有的绝缘监测装置均采用分立式设计[11-14]，由装置主机、选线模块、电流传感器三部分组成。一个选线模块连接若干个电流互感器，可以同时监测若干路馈线。一台主机通过RS485 总线以一主多从的方式连接几个到十几个选线模块，主机一般情况下都是以波特率4 800 b/s 或9 600 b/s，点对点一问一答的方式逐个轮询选线模块，数据交换时间1～8 s 左右，无法监测毫秒级的瞬时接地故障。

为了实现瞬时接地定位功能，所设计的监测系统主机与选线模块之间的通信方式采用CAN_bus 的方式，CAN(Controller Area Network)现场总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。采用多主方式，网络中的各节点可以根据总线访问优先权采用无损结构逐位仲裁方式竞争向总线发送数据，使得网络各节点之间的通信数据实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。系统架构如图4 所示。

图4 系统架构

2.2 瞬时接地故障录波监测

在绝缘监测装置上引入故障录波，实现故障录波关键在于故障时刻点的判断以及启动录波采集数据任务。利用绝缘装置现有的硬件架构及接口，通过绝缘装置对母线电压的监测实现故障时母线对地电压变化曲线的录波功能，通过安装在馈线支路上的电流互感器对支路电流的突变进行故障录波。根据装置记录的数据波形，可以快速找到故障点位置。

理想情况下，直流电源系统无交流成分，当发生交流窜入时，直流系统会存在50 Hz 的交流信号[15-16]，根据奈奎斯特采样定理，绝缘装置的故障录波功能采样频率不能小于100 Hz。为了满足10 ms 瞬时接地故障的检测，数据采集间隔必须小于10 ms 的采样间隔，即10 Hz 的采样频率。综合考虑到绝缘装置的硬件资源以及屏幕显示的分辨率和显示数据长度等原因，采样频率设为1 kHz，即1 ms 进行一次定时采样及计算。数据采集主要分为两部分：一是直流系统母线对地电压的采集，保存500 ms 的母线对地波形，采集原理图如图5 所示；二是故障回路电流变化情况，保存5 000 ms的波形，采集原理图如图6所示。

图5 直流系统母线对地电压的采集原理图

图6 馈线电流采集原理图

该文采用高性能的STM32F7 系列芯片，具备分时多任务系统的实时信号处理，可快速判断故障时刻点并启动录波，同时完成数据记录存储、录波分析、通信管理、功能巡检、显示等功能。

如图7 所示，母线对地故障录波图分为两部分：A时段故障前和B时段故障后，以电压突变量作为故障判断的启动量Un，当母线正极对地电压或负极对地电压突变量ΔV＜Un，即系统没有发生故障，由S时刻开始按A时段的顺序执行缓存，如果A时段缓存满后按照先进先出的方式缓存。当母线正极对地电压或负极对地电压突变量ΔV≥Un，即此时刻T系统发生了故障，由T时刻开始按照B时段的顺序执行采样数据缓存，直到缓存满B时段的数据。A时段：系统对地电压出现扰动开始前的状态数据，输出原始记录波形及有效值，记录时间约为250 ms。B时段：系统对地电压出现扰动后初期的状态数据，输出原始记录波形及有效值，记录时间约为250 ms。

图7 采样时段顺序

2.3 程序流程

系统程序判断流程如图8 所示，系统采集直流系统母线各处电压后，先判断是否处于录波状态，若处于录波中，判断录波时长，若录波时长大于T2，则退出录波继续测电压；若录波时长小于T2，则继续存储数据录波，完成录波后继续监测母线电压。若非录波状态，则比较电压波动变化，若电压波动ΔVt小于或等于预设波动阈值ΔV，则继续进行母线电压监测；若电压波动ΔVt大于预设波动阈值ΔV，则生成录波记录，并进行数据存储。完成录波后，母线电压监测主机收集各母线电压监测从机相同时间的录波数据，进行对比分析，找出波动趋势最大的母线电压监测从机，确定直流系统母线故障的具体位置。