技术领域
[0001] 本
发明涉及配电网继电保护技术领域，更具体的，涉及一种具有双互感器配置的配电网接地保护装置及其采样控制方法。
背景技术
[0002]
中性点小
电阻接地系统在配网中的应用广泛，单相接地故障作为配网故障的主要类型之一，目前主要的保护配置方案是阶段式零序
电流保护，但其灵敏性受过渡电阻的影响较大，无法满足单相高阻接地故障检测的要求。目前的解决办法中，除了利用零序电流外，还可以通过引入零序
电压来提高阻接地故障检测的灵敏性和准确性。同时，由于发生高阻接地故障时，零序电流和零序电压都会明显比金属性接地故障时小得多，例如在故障电阻为1000欧时，其零序电流约为低阻时的百分之一。
[0003] 而目前针对配电网
馈线保护的保护装置在设计时大多数只考虑大
信号的情况，其电压电流互感器在小信号的情况下
精度较低，无法满足高阻接地故障检测这种要求数据精度较高的情况。零序电压电流数值上较大的偏差会对高阻接地故障检测
算法造成一定的影响，严重时甚至会导致保护的误动作，扩大停电面积，对人们的日常生活及生产造成较大的困扰。
[0004] 高阻接地故障检测算法要求保护装置具有高速的
数据采集和处理能
力，以及能够存储大容量的数据，然而目前配电网保护装置普遍存在采样精度低、
频率低、
硬件配置低等问题，很难满足高阻接地故障检测的需求。
发明内容
[0005] 本发明为了解决目前配电网保护装置普遍存在采样精度低的问题，提供了一种具有双互感器配置的配电网接地保护装置，其所配置的双互感器能提高采样精度低，满足低故障电阻下大信号的测量精度要求，同时满足高故障电阻下小信号的测量精度要求。
[0006] 为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种具有双互感器配置的配电网接地保护装置，包括FPGA主控模
块、具有双互感器配置的模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、
人机交互模块、供电模块；所述FPGA主控模块分别与模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块电连接；所述供电模块分别向FPGA主控模块、模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块提供所需的工作电压；所述FPGA主控模块根据模拟量采集模块采集信号的大小选择切换采样信号通道。
[0007] 本发明所述模拟量采样模块用于负责
三相电压、零序电压、
三相电流和零序电流的测量，将测量数据信息传输给FPGA主控模块，FPGA主控模块对测量数据信息进行处理，将测量数据信息通过以太网模块上传到IEC61850站层进行处理；所述人机交互模块用于显示测量结果、调试设置。所述供电模块用于向模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块提供所需的工作电源。当检测到异常故障时，所述FPGA主控模块通过控制开入开出模块进行切断
电路，实现配电箱保护。
[0008] 优选地，所述供电模块包括第一供电模块、第二供电模块、第三供电模块、第四供电模块、第五供电模块；所述第一供电模块的输出端接FPGA主控模块的电源端；所述第二供电模块的输出端接模拟量采样模块的电源端；第三供电模块的输出端与以太网模块的电源端连接；所述第四供电模块的输出端接开入开出模块的电源端，所述第五供电模块的输出端接人机交互模块的电源端。
[0009] 进一步地，所述FPGA主控模块基于Intel公司的Cyclone V-E系列FPGA设计，具体型号为5CEA5_F484，该型号FPGA具有49k的逻辑元件，并提供了行业最低的系统成本和功耗。所述FPGA主控模块包括型号为5CEA5_F484的FPGA芯片、一片型号为K4T1G1640F的DDR2
存储器芯片，所述DDR2存储器芯片容量为128MB、两片型号为IS25LP01G的QUAD_SPI Flash存储器芯片，其容量为128MB；所述FPGA芯片分别与DDR2存储器芯片、QUAD_SPI Flash存储器芯片电连接；所述第一供电模块为FPGA芯片、存储器芯片所需的工作电压；所述FPGA芯片分别与模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块电连接。
[0010] 再进一步地，所述模拟量采样模块包括互感器模块、
信号处理模块、A/D转换模块；所述互感器模块的输出端接信号处理模块的输入端，所述信号处理模块的输出端接A/D转换模块的输入端；所述A/D转换模块的输出端通过SPI
接口与所述FPGA芯片连接。
[0011] 再进一步地，所述互感器模块包括3个电压互感器A、3个电流互感器B、1个大量程零序电流互感器、1个小量程零序电流互感器、1个大量程零序电压互感器、1个小量程零序电压互感器；所述电压互感器A的型号为TR1176，所述电流互感器B的型号为TR0176；所述电压互感器A和电流互感器B的二次侧额定值均为3.53V；所述大量程零序电流互感器的量程为0～30A，所述大量程零序电压互感器的量程为0～120V，所述大量程零序电流互感器、大量程零序电压互感器用于满足低故障电阻接地故障的测量精度要求；所述小量程零序电流互感器的量程为0～5A，所述小量程零序电压互感器的量程为0～30V，所述小量程零序电流互感器、小量程零序电压互感器用于满足高故障电阻接地故障的测量精度要求。所述互感器模块分别负责三相电压、零序电压、三相电流和零序电流的测量。
[0012] 再进一步地，所述信号处理模块包括ADA4940
运算放大器，实现信号电平转换的低通滤波的功能。所述ADA4940
运算放大器为低失真全差分运算放大器，其带宽为260MHz，输入电压噪声为3.9nV/Hz，失调电压为0.35mV。所述电压互感器A的输入端、电流互感器B的输入端、大量程零序电流互感器的输入端、小量程零序电流互感器的输入端、大量程零序电压互感器的输入端、小量程零序电压互感器的输出端分别与ADA4940运算放大器的输入端连接；所述ADA4940运算放大器的输出端接A/D转换模块的输入端；所述信号处理模块放大倍数为0.8，其
输入信号的幅度为±5V，
输出信号的幅度为差分4.096V，低通滤波的截止频率为2kHz。
[0013] 所述A/D转换模块包括A/D转换器AD7761、A/D转换器AD7768；其中，电压互感器的输出端A、电流互感器B的输出端、大量程零序电流互感器的输出端、大量程零序电压互感器的输出端均通过ADA4940运算放大器接A/D转换器AD7761的输入端；所述小量程零序电流互感器的输出端、小量程零序电压互感器的输出端均通过ADA4940运算放大器接A/D转换器AD7768的输入端；所述A/D转换器AD7761、A/D转换器AD7768通过SPI接口与FPGA芯片连接；所述第二供电模块提供+5V电源给ADA4940运算放大器的电源端、A/D转换模块的模拟供电端；同时第二供电模块提供4.096V电源给A/D转换模块的参考供电端。
[0014] 本发明所述模拟量采样模块的A/D转换部分基于AD7761和AD7768两款Sigma-Delta芯片设计，
采样频率均为10ksps。其中AD7761为16位精度，具有8个采样通道，分别负责三相电压、大量程零序电压以及三相电流、大量程零序电流的测量，并通过SPI接口和7位串行接口与所述FPGA芯片连接。所述AD7768为24位精度，具有1个采样通道，负责小量程零序电流和小量程零序电压的测量，并通过SPI接口与所述FPGA芯片连接。
[0015] 进一步地，所述以太网模块包括光纤以太网接口、电以太网接口、SFP网络模块；所述以太网接口、电以太网接口均采用SFP插座，通过更换不同的SFP网络模块实现光纤以太网和电以太网的切换；所述SFP网络模块经由SFP插座并通过SerDes接口与所述FPGA芯片连接；所述FPGA芯片通过I2C接口与SFP网络模块连接用于配置SFP网络模块；以太网模块供电电压为3.3V，由第三供电模块提供。所述以太网模块支持IEC61850站层MMS(Manufacturing Message Specification)通信，通过收发IEC61850站层总线上的MMS报文，实现与变电站控制中心的信息交互；所述FPGA主控模块通过以太网模块与变电站控制中心进行通信，将模拟量采样模块采集的
信号传输到FPGA主控模块进行处理后，FPGA主控模块与变电站控制中心进行通信，并通过变电站控制中心获取到的数据进行对比判断模拟量采样模块采集的信号是否异常。
[0016] 再进一步地，所述开入开出模块包括开入模块、开出模块；所述开入模块的输出端与FPGA芯片的输入端电连接；所述FPGA芯片的输出端与开出模块的输入端电连接；其中，开入模块采用双级光耦隔离芯片，所述双
极光耦隔离芯片的型号为FODM124，共8个输入通道；所述开出模块包括光耦隔离芯片和继电器，所述FPGA芯片的输出端与光耦隔离芯片的输入端电连接；所述光耦隔离芯片的输出端与继电器的输入端电连接；所述光耦隔离芯片的型号为FODM124，继电器的型号为DK2a-24V；所述开出模块共有6个接点的容量为10A 250V AC的输出通道，开入开出模块的供电电压为24V，由第四供电模块提供；若模拟量采样模块采集的信号异常，则FPGA主控模块控制所述开入开出模块切断电路，进行安全保障配电网安全。
[0017] 再进一步地，所述人机交互模块包括
分辨率为800*480的TFTLCD
液晶屏、矩阵
键盘、RS232串口；其中，所述TFTLCD液晶屏用于保护测控装置进行整定配置和工况监视，并通过SPI接口与所述FPGA芯片连接；所述矩阵键盘共24个按键，分别为数字按键和功能按键，通过I2C接口与所述FPGA芯片连接，工作人员可以通过所述矩阵键盘设置
阈值参数；所述RS232串口与所述的FPGA芯片进行连接，用于保护测控装置调试。
[0018] 一种基于以上所述的配电网接地保护装置的采样控制方法，所述采样控制方法包括如下步骤：
[0019] S1.通过人机交互模块对FPGA主控模块设置零序电流数据来源切换阈值TC和零序电压数据来源切换阈值TV，预设零序电流数据由大量程零序电流互感器通道提供，预设零序电压数据由大量程零序电压互感器通道提供；
[0020] S2.FPGA主控模块计算测量电流的有效值Irms和测量电压的有效值Urms；
[0021] S3.FPGA主控模块判断是否满足Irms>TC；
[0022] a.如果满足，则采用当前的电流采样数据，并继续进行下面的流程；
[0023] b.如果不满足，则FPGA主控模块控
制模拟量采样模块切换电流数据通道至小量程零序电流互感器通道，并继续进行下面的流程；
[0024] S4.FPGA主控模块判断是否满足Urms>TV；
[0025] a.如果满足，则采用当前的电压采样数据，并继续进行下面的流程；
[0026] b.如果不满足，则FPGA主控模块控制模拟量采样模块切换电压数据通道至小量程零序电压互感器通道，并继续进行下面的流程；
[0027] S5.FPGA主控模块在零序电流和零序电压信号通道选择完毕后，转入接地故障检测判断算法进行判断。
[0028] 本发明所述具有双互感器配置的模拟量采样模块设置连接有大量程零序电流互感器、小量程零序电流互感器、大量程零序电压互感器、小量程零序电压互感器。所述模拟量采样模块用于负责三相电压、零序电压、三相电流和零序电流的测量，将测量数据信息传输给FPGA主控模块，FPGA主控模块对测量数据信息进行处理，如测量数据超出小量程零序电压互感器的量程范围、小量程零序电流互感器的量程范围，则FPGA主控模块选择大量程零序电流互感器、大量程零序电压互感器进行测量，否则选择小量程零序电流互感器、小量程零序电压互感器进行测量，达到高阻接地故障检测的精度需求。
[0029] 本发明的有益效果如下：
[0030] 1.本发明通过双互感器配置的模拟量采样模块，能够同时满足低故障电阻接地故障的大信号以及高故障电阻接地故障的小信号测量精度要求，采集低、高故障电阻接地故障信号并传输至主控模块进行预处理，然后通过其采样控制方法判断并选取对应的大量程微型互感器数据或是小量程微型互感器数据，并用于故障逻辑判断，实现各种接地故障的准确识别。
[0031] 2.本发明所采用的双互感器配置以及采样控制方法，解决了现有的保护装置在高故障电阻接地故障下测量精度低、无法兼顾低故障电阻接地故障和高故障电阻接地故障的测量精度要求的问题，同时其强大的
数据处理能力能够实现各种接地故障检测算法的需求，为配电网的安全稳定运行和智能化提供助力。
附图说明
[0032] 图1是本
实施例一种具有双互感器配置的配电网接地保护装置的总体结构
框图。
[0033] 图2是本实施例FPGA主控模块结构框图。
[0034] 图3是本实施例具有双互感器配置的模拟量采样模块结构示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
[0037] 实施例1
[0038] 如图1所述，一种具有双互感器配置的配电网接地保护装置，包括FPGA主控模块、具有双互感器配置的模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块、供电模块；所述FPGA主控模块分别与模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块电连接；所述供电模块分别向FPGA主控模块、模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块提供所需的工作电压；所述FPGA主控模块根据模拟量采集模块采集信号的大小选择切换采样信号通道。
[0039] 本实施例所述供电模块包括第一供电模块、第二供电模块、第三供电模块、第四供电模块、第五供电模块；所述第一供电模块的输出端接FPGA主控模块的电源端；所述第二供电模块的输出端接模拟量采样模块的电源端；第三供电模块的输出端与以太网模块的电源端连接；所述第四供电模块的输出端接开入开出模块的电源端；所述第五供电模块的输出端接人机交互模块的电源端。
[0040] 如图2所示，所述FPGA主控模块基于Intel公司的Cyclone V-E系列FPGA设计，具体型号为5CEA5_F484，该型号FPGA具有49k的逻辑元件，并提供了行业最低的系统成本和功耗。所述FPGA主控模块包括型号为5CEA5_F484的FPGA芯片、一片型号为K4T1G1640F的DDR2存储器芯片，所述DDR2存储器芯片容量为128MB、两片型号为IS25LP01G的QUAD_SPI Flash存储器芯片，其容量为128MB；所述FPGA芯片分别与DDR2存储器芯片、QUAD_SPI Flash存储器芯片电连接；所述第一供电模块分别为FPGA、存储器芯片提供0.9V、1.1V、1.8V、2.5V和3.3V共5路供电电压；所述FPGA芯片分别与模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块电连接。
[0041] 本实施例所述模拟量采样模块包括互感器模块、信号处理模块、A/D转换模块；所述互感器模块的输出端接信号处理模块的输入端，所述信号处理模块的输出端接A/D转换模块的输入端；所述A/D转换模块的输出端通过SPI接口与所述FPGA芯片连接。
[0042] 所述互感器模块包括3个电压互感器A、3个电流互感器B、1个大量程零序电流互感器、1个小量程零序电流互感器、1个大量程零序电压互感器、1个小量程零序电压互感器；所述电压互感器A的型号为TR1176，所述电流互感器B的型号为TR0176；所述电压互感器A和电流互感器B的二次侧额定值均为3.53V；所述大量程零序电流互感器的量程为0～30A，所述大量程零序电压互感器的量程为0～120V，所述大量程零序电流互感器、大量程零序电压互感器用于满足低故障电阻接地故障的测量精度要求；所述小量程零序电流互感器的量程为0～5A，所述小量程零序电压互感器的量程为0～30V，所述小量程零序电流互感器、小量程零序电压互感器用于满足高故障电阻接地故障的测量精度要求。
[0043] 本实施例所述3个电压互感器A负责三相电压的测量，3个电流互感器B负责三相电流的测量，1个大量程零序电流互感器和1个小量程零序电流互感器负责对零序电流的测量，1个大量程零序电压互感器和1个小量程零序电压互感器负责零序电压的测量。
[0044] 本实施例的模拟量采样模块的互感器模块采用双零序电流互感器配置和双零序电压互感器配置，其中双零序电流互感器的采样模块结构如图3所示。
[0045] 所述信号处理模块包括ADA4940运算放大器，实现信号电平转换的低通滤波的功能。所述ADA4940运算放大器为低失真全差分运算放大器，其带宽为260MHz，输入电压噪声为3.9nV/Hz，失调电压为0.35mV。所述电压互感器A的输入端、电流互感器B的输入端、大量程零序电流互感器的输入端、小量程零序电流互感器的输入端、大量程零序电压互感器的输入端、小量程零序电压互感器的输出端分别与ADA4940运算放大器的输入端连接；所述ADA4940运算放大器的输出端接A/D转换模块的输入端；所述信号处理模块放大倍数为0.8，其输入信号的幅度为±5V，输出信号的幅度为差分4.096V，低通滤波的截止频率为2kHz。
[0046] 所述A/D转换模块包括A/D转换器AD7761、A/D转换器AD7768；其中，电压互感器A的输出端、电流互感器B的输出端、大量程零序电流互感器的输出端、大量程零序电压互感器的输出端均通过ADA4940运算放大器接A/D转换器AD7761的输入端；所述小量程零序电流互感器的输出端、小量程零序电压互感器的输出端均通过ADA4940运算放大器接A/D转换器AD7768的输入端；所述A/D转换器AD7761、A/D转换器AD7768通过SPI接口与FPGA芯片连接；所述第二供电模块提供+5V电源给ADA4940运算放大器的电源端、A/D转换模块的模拟供电端；第二供电模块提供4.096V电源给A/D转换模块的参考供电端。
[0047] 本发明所述模拟量采样模块的A/D转换部分基于AD7761和AD7768两款Sigma-Delta芯片设计，采样频率均为10ksps。其中AD7761为16位精度，具有8个采样通道，分别负责三相电压、大量程零序电压以及三相电流、大量程零序电流的测量，并通过SPI接口和7位串行接口与所述FPGA芯片连接。所述AD7768为24位精度，具有1个采样通道，负责小量程零序电流和小量程零序电压的测量，并通过SPI接口与所述FPGA芯片连接。
[0048] 所述以太网模块包括光纤以太网接口、电以太网接口、SFP网络模块，所述以太网接口采用SFP插座，可通过更换不同的SFP网络模块实现光纤以太网和电以太网的切换；所述SFP网络模块经由SFP插座并通过SerDes接口与所述FPGA芯片连接；所述FPGA芯片通过I2C接口与SFP网络模块连接用于配置SFP网络模块；以太网模块供电电压为3.3V，由第三供电模块提供。所述以太网模块支持IEC61850站层MMS(Manufacturing Message Specification)通信，通过收发IEC61850站层总线上的MMS报文，实现与变电站控制中心的信息交互。所述FPGA主控模块通过以太网模块与变电站控制中心进行通信，将模拟量采样模块采集的信号传输到FPGA主控模块进行处理后，FPGA主控模块与变电站控制中心进行通信，并通过变电站控制中心获取到的数据进行对比判断模拟量采样模块采集的信号是否异常。
[0049] 所述开入开出模块包括开入模块、开出模块；所述开入模块的输出端与FPGA芯片的输入端电连接；所述FPGA芯片的输出端与开出模块的输入端电连接；其中，开入模块采用双级光耦隔离芯片，所述双极光耦隔离芯片的型号为FODM124，共8个输入通道；所述开出模块包括光耦隔离芯片和继电器；所述FPGA芯片的输出端与光耦隔离芯片的输入端电连接；所述光耦隔离芯片的输出端与继电器的输入端电连接，所述光耦隔离芯片的型号为FODM124，继电器的型号为DK2a-24V；所述开出模块共有6个接点的容量为10A 250V AC的输出通道，开入开出模块的供电电压为24V，由第四供电模块提供。若模拟量采样模块采集的信号异常，则FPGA主控模块控制所述开入开出模块切断电路，进行安全保障配电网安全。
[0050] 所述人机交互模块包括分辨率为800*480的TFTLCD液晶屏、矩阵键盘、RS232串口；其中，所述TFTLCD液晶屏用于保护测控装置进行整定配置和工况监视，并通过SPI接口与所述FPGA芯片连接；所述矩阵键盘共24个按键，分别为数字按键和功能按键，通过I2C接口与所述FPGA芯片连接；工作人员可以通过所述矩阵键盘设置阈值参数；RS232串口与所述的FPGA芯片进行连接，用于保护测控装置调试。
[0051] 为了优化选择双互感器信号通道，本实施例还提供基于以上所述的配电网接地保护装置的采样控制方法，具体地，FPGA主控模块对模拟量采样模块采集到的信号进行判断，并控制采样信号的来源，并用于故障逻辑判断，所述采样控制方法如图4所示，具体如下：
[0052] S1.通过人机交互模块对FPGA主控模块设置零序电流数据来源切换阈值TC和零序电压数据来源切换阈值TV，预设零序电流数据由大量程零序电流互感器通道提供，预设零序电压数据由大量程零序电压互感器通道提供；
[0053] S2.FPGA主控模块计算测量电流的有效值Irms和测量电压的有效值Urms；
[0054] S3.FPGA主控模块判断是否满足Irms>TC；
[0055] a.如果满足，则采用当前的电流采样数据，并继续进行下面的流程；
[0056] b.如果不满足，则FPGA主控模块控制模拟量采样模块切换电流数据通道至小量程零序电流互感器通道，并继续进行下面的流程；
[0057] S4.FPGA主控模块判断是否满足Urms>TV；
[0058] a.如果满足，则采用当前的电压采样数据，并继续进行下面的流程；
[0059] b.如果不满足，则FPGA主控模块控制模拟量采样模块切换电压数据通道至小量程零序电压互感器通道，并继续进行下面的流程；
[0060] S5.FPGA主控模块在零序电流和零序电压信号通道选择完毕后，转入接地故障检测判断算法进行判断。
[0061] 本实施例所述具有双互感器配置的模拟量采样模块设置连接有大量程零序电流互感器、小量程零序电流互感器、大量程零序电压互感器、小量程零序电压互感器。所述模拟量采样模块用于负责三相电压、零序电压、三相电流和零序电流的测量，将测量数据信息传输给FPGA主控模块，FPGA主控模块对测量数据信息进行处理，如测量数据超出小量程零序电压互感器的量程范围、小量程零序电流互感器的量程范围，则FPGA主控模块选择大量程零序电流互感器、大量程零序电压互感器进行测量，否则选择小量程零序电流互感器、小量程零序电压互感器进行测量。将测量数据信息通过以太网模块上传到IEC61850站层进行处理；所述人机交互模块用于显示测量结果、调试设置。所述供电模块用于向模拟量采样模块、以太网模块、开入开出模块、人机交互模块提供所需的工作电源。当检测到异常故障是，所述FPGA主控模块通过开入开出模块进行控制。
[0062] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明
权利要求的保护范围之内。
