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GYJXK工控机小电流接地选线装置

1.1概述

单相接地是中压配网系统中最常见的故障,发生接地后系统虽可继续带故障运行,由于非故障相对地电压升高了 倍,若不及时处理可能会发展为非故障相绝缘破坏继发相间短路的威胁。及时准确地判定接地回路是快速排除单相接地故障的基础,实现判定接地故障回路的保护装置通常被称为小电流接地选线装置,但早期的选线装置常发生误选和漏选,效果不能令人满意。
我公司在总结了各种小电流接地选线方案成功经验和失败教训的基础上,应用当代计算机测控技术的新理念和新方法,对模拟信号处理、A/D转换、计算平台以及算法做了重大改进,研制出GYJXK型智能小电流接地系统接地选线装置,最终突破了“选线准确率偏低”这一长期困扰人们的难题,使选线结果真正具有了实用价值。
该装置具有操作简单、用户界面友好、选线准确、运行可靠等特点,可正确区分系统谐振和接地。采用标准部颁通讯规约,可与各保护生产厂家的综自设备接口;具备超大容量的故障纪录和故障录波功能,可利用随机配备的波形分析软件,对故障录波数据进行事后调阅分析,为现场运行人员迅速处理接地故障提供了极大的方便。

1.2适用范围

本装置适用于3KV-66KV中性点不接地或中性点经电阻、消弧线圈接地系统的单相接地选线,可广泛用于电力系统的变电站、发电厂、水电站及化工、采油、冶金、煤炭、铁路等大型厂矿企业的供电系统,能够迅速可靠地指示出发生单相接地故障的线路。

1.3技术特点

GYJXK型小电流接地系统接地故障选线装置拥有以下技术特点:
1.3.1  运用近年来接地选线领域提出的基波群体比幅比相法、五次谐波法、首半波法、小波法、电流抽样法、零序有功分量法等多种方法进行综合选线。
1.3.2  率先引入其他领域先进的信号处理方法:巡航制导的电视地形匹配技术,对故障信号做图像预识别和分类,根据预识别结果,运用人工智能领域的模糊推断方法,对分别适用于不同接地故障类型的每种选线方法动态确定最优的加权系数,对各选线方法的结论做加权处理,从而得到最可靠的选线结果。
1.3.3 装置采用当今在业界具有领先技术的最新嵌入式台湾研华工控机作为硬件平台,该型工控机采用超低功耗处理器和电子元器件,可配置IDE及固态电子硬盘,具有坚固、紧凑、防震、抗冲击、体积小、低功耗、独特散热设计、易安装、易维护、性能稳定,(无需风扇、无任何机械部件)可靠性非常强,满足恶劣环境下的工作条件的特点。避免应用中功耗大带来的系统发热量大、工作温度上升,增加散热风扇与系统空间,电子元器件在高温下工作及风扇机械的寿命短都造成系统稳定性、可靠性降低,机器停止工作整个系统崩溃,控制失灵造成事故。装置具有强大的整型和浮点运算能力和数据存储空间,同时配有标准的RS232 /RS485/ RS422通讯接口,能够提供完整的控制和通讯功能。
采用高达1Mbps的12bit高分辨率高速数据采集卡,以确保精确采集接地瞬间的暂态过程电流电压数据。装置集成有一体的6.4”高亮度真彩液晶屏幕,内置标准键盘和两键式触摸鼠标,前置两个USB接口,结构紧凑,操作简单,方便实用。
1.3.4  本装置选用高精度电压、电流互感器,精度:0.2、角误差:5’。
1.3.5  对故障反应迅速,完成1次选线时间小于5个周波(100ms),能够准确捕捉闪络放电型接地故障;灵敏度高,零序二次电流达到10mA即可准确选线。
1.3.6  硬件自检智能化,采用硬件看门狗(Watchdog)技术,抗干扰、自检及自恢复能力强。
1.3.7  具有超大容量的故障录波能力,录波数据存储容量大于100万次,利用随机配备的波形分析软件,在本机上即可以直观的进行波形分析,也可以通过USB接口或以太网接口取出录波数据,进行离线分析。
1.3.8  配备标准串行通信接口(RS232或RS485 /RS422),采用部颁标准CDT通讯规约,可以方便地和国内外各综自厂家的产品无缝对接。

1.4产品型号

GYJXK小电流接地选线装置类别如下:
             GYJXK /A/B/C/D 
公司标记                          A代表2段母线、14路出线
产品型号                          B代表4段母线、28路出线
C代表6段母线、42路出线
D代表8段母线、56路出线

二、技术特性

2.1 环境条件

■ 工作环境温度:-10℃~+55℃。贮存环境温度:-25℃~+70℃。
■ 相对湿度:最湿月的月平均最大相对湿度为90%,表面无凝结。
■ 大气压力:80kPa~110kPa。
■ 海拔:<2000米。
■ 无爆炸危险,无腐蚀性气体,无导电尘埃,无剧烈振动冲击源。

2.2 技术参数

(1)装置电源:AC220V±l0%;
(2)装置功耗:电源回路 <120W;  PT/CT回路 ≤0.5VA;
(3)额定零序电压:<100V;
(4)额定零序电流:<1A;
(5)继电器接点容量: AC220V/5A;DC30V/5A
(6)电压等级:1~4个;
(7)母线段数:2段、4段、6段、8段;
(8)出线数:14路、28路、42路、56路;
(9)装置重量:≤25KG;                       
(10)通讯:接口RS232/RS485,波特率1200~115200bps;
(11)通讯规约:部颁标准CDT规约(主动上传);
(12)装置尺寸:一个标准19英寸,4U机箱(宽482×高178×深480)。

三、技术原理

单相接地故障选线装置选线原理主要有两大类型:
1基于故障电网系统零序电参数选线方法:零序法一、二次设备结构简单,工程总费用低,易于施工,但软件算法复杂,对输入的零序电参数精度要求较高,需要采用高性能计算机、高精度CT变换器及数据采集卡。
2基于对故障电网注入特定频率信号(信号注入)并在各回路检测该频率信号选线方法:信号注入法软件算法简单,对信号检测装置精度要求较低,易于实现故障点定段,但要求信号注入装置有较大功率,结构庞大复杂,通常需要在变电站内额外增加间隔,一、二次设备安装改造工程量大,工程造价高,注入的大功率非工频信号增加了电网谐波分量,影响电网供电质量,另外,综自站及无人值守站的使用不便。
概括而言,以上两种原理的选线装置均可实现准确选线,特色上各有千秋。
GYJXK系列小电流接地选线装置是基于零序法的选线装置。基于零序法的选线装置在国内电力系统的使用已有20余年,但以前的选线装置运行中常发生误判,使用效果并不理想。我公司运用系统工程的分析方法,对早期基于零序法的选线装置及其使用工程进行了深入的研究分析,认为造成这种结果的原因有四个方面:
①. 提供零序电流的CT精度低。
②. 信号A/D变换和处理的硬件平台性能低下。
③. 选线算法单一。
④. 工程管理和运行管理存在缺陷。
针对以上四种原因,我公司提出了以下解决方案:
①. 对电缆出线形式的变电站,我公司提供GY-LJK系列高精度零序CT供用户选购;对架空出线形式的变电站,选线装置应接入计量回路(电路分析可以证明接入选线装置对计量精度毫无影响)。
②. 采用性能稳定,计算能力强大的工业计算机作为计算平台,使用制造工艺先进的高精度高速A/D卡进行数据采集,工频每周波采样可做到200个点,确保不漏掉任何暂态信号。
③. 同时采用基波群体比幅比相法、五次谐波法、首半波法、小波法、电流抽样法、零序有功分量法等多种选线方法。运用图像匹配技术,对故障信号做预识别和分类,依据分类得到的相关系数,运用人工智能模糊推理方法根据模糊规则动态确定各种方法选线结果的加权系数,从而得到最优的选线结论。
④. 利用工控机海量存储空间优势,开发出接地故障录波功能。当装置发生误选情况时,使用随装置提供的录波数据分析软件对故障数据进行分析,即可查明误选原因。对管理缺陷造成误判的情况,提供了有效的改进参考意见。

四、硬件配置

4.1 GYJXK系列选线装置外观 

     如图(4-1)
 图(4-1)GYJXK小电流接地选线装置

4.2嵌入式低工耗工业主板

如图(4-2)
采用高度集成及无风扇设计,性能卓越,稳定可靠,可广泛应用在环境比较恶劣的工业现场。
①. 工业级CPU卡intel 852GM+ICH4芯片组,板载ULV Celeron-M 800MHz超低功耗处理器。
②. intel 852GM+ICH4芯片组集成显卡支持36bitLVDS功能.
③. 板载256M DDR200/266MHz系统内存。
④. CompactFlash固态电子硬盘。
⑤. LAN 10/100M以太网控制器,一个RJ 45接口。
⑥. 4串1并2USB等多接口。
 
 
 
 
 
图(4-2)主板

4.3 CT/PT滤波板

如图(4-3)
小电流接地系统的母线零序电压信号和各条线路的零序电流信号经过现场的PT和CT变换后输入高精度CT/PT滤波板,经低通滤波器滤波后变换为平滑的电压信号送至A/D卡。
 
图(4-3)CT/PT滤波板

4.4 A/D卡

如图(4-4)
本装置采用AC1820A数据采集卡,采样数据通过ISA总线存入寄存器,输入最大电压±5V,分辨率12位。16路单端输入(0-10V)。多通道时每通道的A/D采样速度1000Ksps,输入通道自动扫描,可以程控从任意通道开始到任意通道结束。
 
图(4-4)A/D卡

4.5开关量板

如图(4-5)
开关量板最多可以提供48路大驱动容量开关量输出,每路输出有1000 的高电压隔离,集电极开路电压达到40 ,输出通道带有D型锁存器,有感性负载二极管保护回路,可以适用于现场的多种应用。通道信号以继电器常开接点形式输出。
 
图(4-5)开关量板

五、选线原理

我国的3KV-66KV配网系统接地方式及运行方式千变万化,而每种选线原理都存在一定的局限性,基于某一选线原理的装置不可能在任何场合都能准确选线,这就是许多厂家的产品在甲地能准确选线在乙地就不能准确选线的原因,目前国内有些厂家推出了有几种判据的选线装置,但只是利用几种选线原理分别判断,并未对这些结果进行科学的分析和综合,有时出现几种结果互相矛盾的情况。
该装置在选线原理上突破了传统选线装置采用单一判据或几种判据机械罗列的缺陷,采用了综合判据选线理论与方法,采用测度理论和证据理论,引入可信度及加权系数两个指标,对每一种选线方法在不同运行方式和故障下选线结果的可信度做量化评估,根据可信度确定一个加权系数,构造一个判据函数,应用模糊决策理论,确定选线结果。本装置综合应用了以下选线方法:

5.1基波群体比幅比相法

    对小电流接地系统,当系统发生单相接地时,故障线路零序电流等于非故障线路零序电流之和,故障线路零序电流方向与非故障线路零序电流方向相反(相位相差180°)。 本装置根据上述原理形成了基波群体比幅比相判据,考虑到不能安装零序电流互感器的架空线路的零序电流由三相CT合成,CT变比不同及CT的测量误差导致依靠零序电流幅值判断接地线路可靠性很低,因此本装置以相位做主要判据。

5.2五次谐波法

对于中性点经消弧线圈接地系统,由于消弧线圈不能对谐波进行补偿,系统中五次谐波含量最大,因此可以采用系统中五次谐波分量比幅比相进行选线。

5.3首半波法 

根据发生故障的最初半个周波内,故障线路零序电流与正常线路零序电流极性相反的特点,比较首半波的零序电流极性进行故障选线。

5.4小波法

    小电流接地选线判据可分为暂态判据和稳态判据,暂态判据是利用系统接地瞬时的暂态数据进行选线,稳态判据则是利用系统接地过渡过程完成后的稳态数据进行选线,系统接地时暂态信号的幅值比稳态信号大,信噪比高,本装置采用了暂态判据,进行接地故障选线。

5.5电流抽样法

对于自动调谐的消弧线圈,由于自动调谐消弧线圈自动跟踪系统电容,正常情况下消弧线圈处于过补偿状态,发生接地后自动调谐到全补偿状态,减小接地电流,电流抽样法利用调谐前后的零序电流变化进行选线,首先将调谐前后的零序电流折算到一个电压,然后比较各条线路的零序电流变化量,变化量最大的就是故障线路。

5.6零序有功分量法

 对于中性点经消弧线圈接地系统,消弧线圈不能补偿零序电流有功分量,因此故障线路零序电流有功分量与正常线路零序电流有功分差相位相反,并且故障线路零序电流有功分量幅值最大,通过计算能量函数E=∑U0(K)I0(K)的值来体现有功分量的大小和方向。
 
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