一種電流突變量的檢測和控制電路的研究與實現

李建明

(南京師范大學，江蘇 南京 210046)

一種電流突變量的檢測和控制電路的研究與實現

李建明

(南京師范大學，江蘇 南京 210046)

介紹了將數據采集和數據處理、通信、存儲功能分開的檢測和控制電路，用以檢測突變電流，迅速處理并發出斷路器動作信號。為了定量測得系統動作時間的快速，給出了測定系統動作時間的實際電路。

電流突變量；檢測和控制；高速數據采集

過電流是供配電系統常見的故障，過流所產生的電弧往往燒壞設備，造成大面積停電，甚至造成人員傷亡[1]，故采用過電流保護裝置，將過電流時間控制在一個極短的時間有著極為重要的作用。文中介紹的檢測和控制電路將數據采集和數據處理、通信、存儲功能分開，使得各個環節的處理效率得到提高；實現了數據的高速采集，以電流信號為判斷依據，準確并迅速處理并發出斷路器動作信號，將從故障出現到斷路器跳開的時間控制在10ms以內。

1 高速數據采集硬件設計

a) 高速模數轉換

數據采集是指對模擬信號以很高的采樣頻率進行A/D轉換，采集到系統控制所需要的模擬信號。該系統主要是對供配電系統電流信號進行高速采樣，以便進一步進行處理，為電流速斷保護提供支柱。

現采用高速數據采集芯片是ADI公司生產的AD9225，AD9225是由單電源供電、12位精度、25 Msps高速模數轉換器,片內集成高性能的采樣保持放大器和參考電壓源，采用帶有誤差校正邏輯的四級差分流水結構,以保證在25 Msps采樣率下獲得精確的12位數據。除了最后一級,每一級都有一個低分辨率的閃速A/D與一個殘差放大器(MDAC)相連，此放大器用來放大重建DAC的輸出和下一級閃速A/D的輸入差,每一級的最后一位作為冗余位,以校驗數字誤差。

b) 信號調理電路

通過電流互感器將一次回路電流轉化成小電流，再通過取樣電阻將電流轉化為模擬電壓。在電流數據采集過程中，通常需要從電流周期開始的時間開始采集，故要為MCU提供一個同步信號加在處理器的中斷信號端口，為此采用了圖1所示的其中一路帶有同步信號的互感器信號調理電路。

圖1 帶有同步信號的互感器信號調理電路

圖中的A1是由TL072組成的跟隨器，A2是有LM393組成的電壓比較器。其中A1的同相輸入端輸入一個由互感器輸出電流經由取樣電阻得到的一個正弦電壓信號uo1；而A2的同相端與地連接構成一個過零比較器，其反相端與另外一個取樣電阻相連，輸入一個與A1同相端信號相位相反的正弦電壓信號uo2，作為過零比較器的輸入，其輸出端得到一個占空比為50%的方波信號，可在其下降沿觸發MCU中斷，如圖2所示的相序關系，當A1輸出同相信號時A2輸出為高電平，而A1輸出反相信號時，A2輸出為低電平。

圖2 輸出信號相序關系圖

c) 完整的電流采樣系統

使用電流互感器將強電信號轉化為弱電信號和電壓信號，信號處理電路對信號進行放大、濾波等處理變換為標準可靠的電信號；數模轉換環節是將模擬信號轉化為計算機內可以處理的數字信號。

電流的瞬時值Ik可表示為：

(1)

式中：Ik為瞬間電流，Dk是經數模轉化后得到的數字量，T為電流互感器的變比。在模擬電路中電流的有效值可表示為[2]：

(2)

式中：I為有效值，T為電流周期，i為瞬時值表達式。將式(2)推廣到計算機系統中其有效值的計算方法可表示為：

(3)

式中：I為有效值，T為電流周期，n為一個周期內的采樣點數，ik為k點的電流采樣值。通過式(1)和式(3)可以根據A/D轉換結果很簡單的計算出電流的瞬時值和有效值，構成完整的電流采樣系統。

2 電流突變量算法

微機保護中常采用相電流突變量作為啟動元件。相電流突變量為：

Δik=ik-ik-N

(4)

式中：ik為kTs時刻的采樣值，N為一個工頻周期的采樣點數，若Ts=1ms，則一個工頻周期采樣點數N=20，ik-N為ik前NTs=20ms時刻的采樣值，Δik為KTs采樣時刻的電流突變量[3]。

電流突變量啟動原理如圖3所示。系統正常運行時，負荷雖有變化，但不會在一個工頻周期(20ms)內有很大的變化，故兩采樣值ik與ik-N應接近相等，即Δik≈0。

圖3 電流突變量啟動原理示意圖

當某一時刻發生短路故障時，故障相電流突然增大，如圖3中虛線所示。采樣值ik突然增大很多，其中包含有負荷分量，與ik-N做差后，得到的Δik中不包含負荷分量，僅為短路時的故障分量電流Δik≠0，使啟動元件動作。但是，系統正常運行時，當電網頻率波動偏離50Hz 時，ik與ik-N將不是同一相角的電流值，將會產生較大的不平衡電流，致使啟動元件誤動作。為消除因電網頻率波動引起的不平衡電流，相電流突變量按式(5)計算：

Δik=|(ik-ik-N)-(ik-N-ik-2N)|

(5)

式中，(ik-ik-N)和(ik-N-ik-2N) 兩相中的不平衡電流相抵消，防止了啟動元件的誤動作。為提高抗干擾能力，避免突變量元件誤動作，可在連續幾次計算Δik都超過額定值時，元件才動作。

3 數據采集流程圖

檢測部分將檢測到的最新5個周期的電流波形通過循環隊列的形式存放在雙口RAM中，并將最新的8個周期電流波形存放在靜態RAM存儲器62256中，與此同時檢測單元擔任了故障判斷功能，通過相電流突變算法，每次檢測到一個電流值均與前一個周期的相應電流值進行差值比較，當結果超出額定值δs時向從單元通信部分發出故障報警中斷，并將故障之后3個周期波形放入雙口RAM，單元采集流程如圖4所示。

圖4 數據采集流程圖

控制單元部分將接收到的報警信號進行相關的處理，并進行相應的跳閘動作，切除該單元對應的出口單元斷路器。之后啟動0.1s定時，判斷是否繼續過流，當0.1s以后仍然有過流信號，說明斷路器拒動，需要發送出口斷路器拒動信號，直接切斷進線，實現后備保護功能。0.1s以內過流信號消失則清除過流標志，并讀取故障發生前5個周期、故障發生后3個周期的電流波形以及故障發生的時間，按照時間順序將波形存入數據存儲器進行永久保存。

4 系統動作時間的測定

為了說明系統動作的快速性，需要測定系統的動作時間，即從故障發生到系統發出出口斷路器跳閘信號的間隔時間。考慮到通過實際短路實驗來進行系統時間的難度和危險性，設計了另外一個測定系統動作時間的嵌入式故障模擬實驗裝置[4]。

實驗方法是：采用一個輔助單片機構建一個系統，通過RS232串口接收上位機“開始測試”命令，通過P1.0上升沿產生一個超出電流測量額定值的電壓信號加在測控單元A/D芯片AD9225的輸入端，以此來模擬實測電流過大；控制單元檢測到過流信號后進行處理，然后就可以發出跳閘信號。與此同時單片機通過定時器T0進行較為準確的計時，當控制單元發出跳閘信號后，將跳閘的繼電器信號轉化為一個下降沿信號加在單片機的/INT0信號端，在單片機的/INT0中斷服務程序中停止定時器T0的計時，同時去掉過流信號，并計算出斷路器跳閘所用時間，通過RS232串口發送至上位計算機。

該時間測試系統的原理圖，如圖5所示。

圖5 時間測試系統原理圖

該測試系統具有如下特點：

1) 有效地模擬了過流信號的實際情況；

2) 無需實際短路電流來測定系統響應時間，安全性高；

3) 通過內部定時器精準可靠地計算出開通時間；

4) 與上位機聯機，人機交互接口友好。

該測試系統軟件流程如圖6所示。

由此可知系統有效地實現了選擇性動作，而且電流切除時間有效的控制在極短的時間內，實現了快速動作，避免了短路電流的產生而引起事故。

圖6 測試系統軟件流程

5 結語

系統采用雙CPU，將高速數據采集和通信、處理、動作分別處理，對于縮短動作時間，將斷路器開閘時間控制在10ms以內是切實可行的。

[1] 稅正中，施懷瑾. 電力系統繼電保護[M]. 重慶：重慶大學出版社，1993.

[2] 邱關源. 電路(第一版)[M] . 北京：人民教育出版社，1978.

[3] 張明君，等. 電力系統微機保護[M] . 北京：冶金工業出版社，2002.

[4] 王勇. 基于CAN總線的供配電系統電流保護裝置的研究[D]. 碩士學位論文，2009.

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Research on Detection and Control Circuit of Current Mutation and Realization

LI Jianming

(Nanjing Normal University, Nanjing 210046, China)

This paper introduces a detection and control circuit with the separate function of data acquisition and processing, communication and storage. The circuit is used to rapidly deal the detected sudden-changing current, meanwhile send the trip signals to breaker. In addition, the actual time-measured circuit is proposed for verifying the quick response capacity of the system.

current mutation; detection and control; High speed data acquisition

李建明(1965-)，男，江蘇如皋人，工程師，大專，曾獲南京市科技進步三等獎，江蘇省科技進步四等獎，從事工業工程自動化、變電所綜合自動化工作。

TM762;TP274

B

1671-5276(2015)05-0168-03

2014-03-10