專利名稱：一種基于電能計(jì)量芯片技術(shù)的高精度智能接地選線設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及配電網(wǎng)小電流接地選線測(cè)控技術(shù)，也涉及電能計(jì)量芯片技術(shù)與接地選線技術(shù)相交融的邊緣技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景小電流接地系統(tǒng)的選線問題一直是國內(nèi)外電力系統(tǒng)的一個(gè)古老而不成熟的技術(shù)難題。單相接地后準(zhǔn)確檢出故障線路并迅速排除故障，對(duì)日益龐大的電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、提高供電可靠性和節(jié)能起著非常重要的作用。我國3KV-66KV配電網(wǎng)及部分400V-3KV配電網(wǎng)一般采用小電流接地方式既中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)(NUGS)，包括中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)(NUS)、中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)(NRS)和中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)(NES，又稱為諧振接地系統(tǒng))。小電流接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是單相接地電流較小，單相接地時(shí)不形成短路回路，多數(shù)情況下能夠自動(dòng)熄弧并恢復(fù)絕緣。我國電力系統(tǒng)規(guī)程規(guī)定小電流系統(tǒng)發(fā)生接地故障后可繼續(xù)運(yùn)行1 2小時(shí)。但是發(fā)生永久性接地故障時(shí)，非故障相電壓升高，長時(shí)間的接地運(yùn)行，極易形成相間接地短路，弧光接地還會(huì)引起全系統(tǒng)過電壓，危害電網(wǎng)絕緣。國外對(duì)小電流接地保護(hù)的研究重點(diǎn)和處理方式各不相同。美國電網(wǎng)中性點(diǎn)主要采用電阻接地方式，利用零序過電流保護(hù)瞬間切除故障線路，但故障跳閘僅用于中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地系統(tǒng)，對(duì)高阻接地系統(tǒng)，接地時(shí)僅有報(bào)警功能。法國過去以地電阻接地方式居多，利用零序過電流原理實(shí)現(xiàn)接地故障保護(hù)，隨著城市電纜線路的不斷投入，電容電流迅速增大， 已開始采用自動(dòng)調(diào)諧的消弧線圈以補(bǔ)償電容電流，并為解決此種系統(tǒng)的接地選線問題，提出了利用ftxmy方法和小波變換以提取故障暫態(tài)信號(hào)中的信息(如頻率、幅值、相位)以區(qū)分故障與非故障線路的保護(hù)方案。挪威一公司采用測(cè)量零序電壓與零序電流空間電場(chǎng)和磁場(chǎng)相位的方法，研制了一種懸掛式接地故障指示器，分段懸掛在線路和分叉點(diǎn)上。加拿大一公司研制的微機(jī)式接地故障繼電器也采用了零序過電流的保護(hù)原理，其軟件算法部分采用了沃爾什函數(shù)，以提高計(jì)算接地故障電流有效值的速度。國外還有將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及專家系統(tǒng)方法應(yīng)用于保護(hù)的文獻(xiàn)。我國從50年代就開始了對(duì)接地選線保護(hù)原理和裝置的研究，并相繼推出了幾代產(chǎn)品。目前國內(nèi)的選線裝置主要基于零序電流原理、零序功率方向原理、首半波原理、諧波電流方向原理和“信號(hào)注入法”原理。在選線方案上，除常規(guī)的絕對(duì)定值保護(hù)方案外，還有群體比幅比相方案，最大Isincj5或Δ (Isincj5)方案等。上世紀(jì)80年代，微機(jī)的出現(xiàn)給小電流接地選線研制提供了硬件條件，90年代初掀起了 “小電流接地選線技術(shù)”的應(yīng)用高潮，市場(chǎng)上生產(chǎn)各類型選線裝置的廠家很多。接地選線保護(hù)裝置曾在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，為保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行起到了積極的作用。但是90年代后期又陷入了低潮，約有80% 90% 的廠家選線裝置因選線效果不佳退出了生產(chǎn)。國內(nèi)外對(duì)NUGS單相接地故障的相關(guān)理論研究已經(jīng)比較深入，選線技術(shù)在理論方法上已經(jīng)比較豐富，提出很多基于不同故障特征量的選線判據(jù)。但由于種種因素，國內(nèi)國外整體行業(yè)的小電流接地選線產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中仍然表現(xiàn)無法令人滿意，準(zhǔn)確率低、誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。小電流接地系統(tǒng)單相接地故障選線問題仍是困擾配電網(wǎng)運(yùn)行的難題，制約著配電網(wǎng)自動(dòng)化的快速發(fā)展。針對(duì)接地選線技術(shù)行業(yè)面臨的問題，國內(nèi)外技術(shù)界普遍認(rèn)為選線技術(shù)在理論研究和原理上已經(jīng)比較豐富成熟；小電流接地選線應(yīng)用的最大問題是微弱信號(hào)的檢測(cè)處理以及可靠性問題，主要是裝置及測(cè)量系統(tǒng)相關(guān)硬件對(duì)電氣量的采集不夠靈敏，影響了小接地電流選線裝置的作用；各種單一原理算法或簡單機(jī)械組合具有局限性，不能在復(fù)雜接地情況下準(zhǔn)確判斷出故障線路。電能專用計(jì)量芯片技術(shù)是近年來飛速發(fā)展的一種高精度電量檢測(cè)新技術(shù)，特別適合微弱電量信號(hào)的檢測(cè)采集處理，是電力技術(shù)領(lǐng)域的顯微鏡、放大鏡。近年來，隨著智能電力管理要求越來越高和全球?qū)G色能源的重視，電能計(jì)量芯片突破了傳統(tǒng)的計(jì)費(fèi)概念，新的電能專用計(jì)量芯片測(cè)量精度高且綜合功能強(qiáng)大。國內(nèi)外主要電能計(jì)量芯片廠家的單相或三相中高檔電能專用計(jì)量芯片，均集成了不低于16位的多路ADC、參考電壓電路以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，用于采樣電壓、電流，運(yùn)算處理包括基波、諧波和全波(基波+諧波)的各種電能參數(shù)。該類芯片能夠高精度測(cè)量各相及合相包括基波、諧波和全波有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時(shí)還能測(cè)量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，提供視在電能，部分高端芯片具有ADC采樣原始數(shù)據(jù)緩存開放功能，用戶不需要頻繁的產(chǎn)生中斷來讀取實(shí)時(shí)的ADC數(shù)據(jù)，加強(qiáng)了電流有效值小信號(hào)的精度。 由于所有參數(shù)都是電能計(jì)量芯片內(nèi)部硬件運(yùn)算的結(jié)果，從而充分保證了參數(shù)的高精度與穩(wěn)定可靠性，該類芯片還提供專用(如SPI)通訊接口，方便與外部微控制器之間數(shù)據(jù)參數(shù)的傳遞，可直接輸出所有測(cè)量參數(shù)結(jié)果。外部微控制器可專注于管理、專業(yè)算法和通訊處理等工作。新的電能計(jì)量芯片技術(shù)已經(jīng)逐步在電能計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域以外的其它電氣自動(dòng)化行業(yè)中推廣應(yīng)用，但在接地選線技術(shù)領(lǐng)域還沒有見到相關(guān)應(yīng)用文獻(xiàn)和產(chǎn)品。本發(fā)明專利針對(duì)國內(nèi)外接地選線技術(shù)領(lǐng)域存在的難題和快速發(fā)展的電能計(jì)量芯片新技術(shù)，采用新的發(fā)明技術(shù)方法，設(shè)計(jì)一套高精度智能綜合小電流接地選線方法及裝置。實(shí)用新型專利內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一套高精度智能型小電流接地選線產(chǎn)品裝置，從硬件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及軟件方法創(chuàng)新解決微弱信號(hào)的檢測(cè)處理以及可靠性問題，實(shí)現(xiàn)高精度、高準(zhǔn)確性智能接地故障選線。為實(shí)現(xiàn)上敘目的，本實(shí)用新型的內(nèi)容包括以下幾部分，本實(shí)用新型范圍也包括權(quán)利要求書包含的類似實(shí)施方法。本實(shí)用新型內(nèi)容之一是新型關(guān)鍵性電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于電能計(jì)量芯片的接地選線專用電路結(jié)構(gòu)(模式)。如附圖1，電能計(jì)量芯片前端模擬輸入管腳分別與零序電壓、零序電流采集處理電路連接，專門測(cè)量處理與接地選線相關(guān)的電量參數(shù)。零序電壓經(jīng)電壓跟隨器等功能調(diào)整處理電路，獲得與母線零序電壓UO相同的多路分支輸出電壓，再分別與計(jì)量芯片電壓輸入管腳連接。本實(shí)用新型中也包含了如附圖4所示的電能計(jì)量芯片常規(guī)用法， 即模擬輸入管腳連接采樣相電壓、相電流信號(hào)。同時(shí)本專利中微控制器dsPIC30f6014A也通過內(nèi)部多達(dá)16路的12位模擬量采集通道直接采集電壓、電流等電量，在重要參數(shù)異?；蚬收蠜Q策分析中，作為輔助手段靈活應(yīng)用，高速獲取并補(bǔ)充電能計(jì)量芯片不適合提供的少量其他參數(shù)。本實(shí)用新型內(nèi)容之二是在技術(shù)方法一基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并采用“微控制器+基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路”硬件結(jié)構(gòu)。高性能微控制器與專用電能計(jì)量芯片為核心提高裝置測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度和數(shù)據(jù)處理的高精度，解決接地選線微弱信號(hào)的檢測(cè)處理以及可靠性問題。本實(shí)用新型采用的中高端電能專用電能計(jì)量芯片(如珠海炬力ATT70XX系列芯片)，通過內(nèi)部高精度ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊來對(duì)輸入的電流、電壓、相位等信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波或移相等處理，DSP數(shù)字信號(hào)處理單元完成全部電能參數(shù)的運(yùn)算。多參數(shù)運(yùn)算結(jié)果及需要的原始采樣數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在相應(yīng)的寄存器中通過專用通訊接口(如SPI接口)與外部微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本實(shí)用新型微控制器采用的高精度參數(shù)是專用計(jì)量芯片內(nèi)部硬件直接進(jìn)行運(yùn)算的結(jié)果數(shù)據(jù)，所能測(cè)量提供的電參數(shù)多達(dá)近百種，包括大量的電壓、電流、功率、電能、 功率因數(shù)、功率方向、相位、頻率參數(shù)和多種基波、諧波參數(shù)等數(shù)據(jù)。本實(shí)用新型專利采用的“微控制器+基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路”結(jié)構(gòu)為接地選線綜合算法的實(shí)現(xiàn)提供了一種高精度硬件平臺(tái)。這種特殊的電路結(jié)構(gòu)所提供的大量核心數(shù)據(jù)是與接地選線相關(guān)的關(guān)鍵多參數(shù)集合主要包括零序電壓、零序電流、零序電流與零序電壓夾角、零序有功功率、零序無功功率、零序有功電能、零序無功電能、零序有功功率方向、零序無功功率方向、零序功率因數(shù)、零序諧波電流、零序諧波功率、零序基波電能、零序諧波電能等多種接地選線的關(guān)鍵電量參數(shù)。在本實(shí)用新型技術(shù)方案中，微控制器所需測(cè)量參數(shù)一般從專用計(jì)量芯片硬件計(jì)算結(jié)果中直接讀取獲得。電能專用計(jì)量技術(shù)芯片技術(shù)作為一種高精度電量檢測(cè)“顯微鏡”新技術(shù)，特別適合微弱電量信號(hào)的檢測(cè)采集處理，其硬件化運(yùn)算處理技術(shù)比微控制器更專長于精確計(jì)算，而且能獲得更加豐富的接地選線關(guān)鍵數(shù)據(jù)。該技術(shù)方案使微控制器從傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)的采集、計(jì)算等大量繁瑣工作中解脫出來，專門從事后端的綜合選線數(shù)據(jù)算法決策處理工作。本實(shí)用新型內(nèi)容之三是在內(nèi)容之一、之二的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，特別是基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用基于電能計(jì)量芯片技術(shù)的多種選線方法協(xié)同處理的接地選線組合算法。微控制器通過專用通訊口從專用電能計(jì)量芯片獲得與選線相關(guān)的多參數(shù)高精確度數(shù)據(jù)結(jié)果，微控制器利用電能計(jì)量芯片提供的豐富高精度接地選線參數(shù)進(jìn)行選線運(yùn)算處理，綜合采用智能諧波分析法、有功功率方向法、零序無功功率法、殘流增量法、突變?cè)隽糠ā⒛芰糠?、零序電流諧波比相法、智能比幅比相法等多種有效方法。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)具體實(shí)施方案分別為NUS、NES和NRS等類型接地系統(tǒng)選出使用效果優(yōu)、協(xié)同互補(bǔ)性強(qiáng)的選線算法組合。根據(jù)各種復(fù)雜的接地故障類型，從微弱的信號(hào)中準(zhǔn)確提取出有用信息， 使得每種方法都針對(duì)各自信號(hào)的具體特點(diǎn)，各方法協(xié)同互補(bǔ)，提高綜合選線的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜接地條件下的有效選線。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)用新型實(shí)施方案進(jìn)一步說明本實(shí)用新型內(nèi)容。

圖1是本實(shí)用新型所指的專用電能計(jì)量芯片接地選線工作模式(結(jié)構(gòu))圖圖2是本實(shí)用新型的技術(shù)硬件方案框圖[0021]圖3是本實(shí)用新型的總體程序流程圖圖4是本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
微處理器電路框圖
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型具體實(shí)施方案如下參照?qǐng)D1，這是本實(shí)用新型使用三相電能計(jì)量芯片設(shè)計(jì)的基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方案的每個(gè)電能計(jì)量芯片輸入端接同屬一段母線的零序電流I0n、I0n+l、I0n+2和該段母線的零序電壓UO。該零序電壓UO經(jīng)調(diào)整電路處理后分成多路，分別接到電能計(jì)量芯片的電壓輸入端，Ι0η,Ι0η+1、Ι0η+2分別接到計(jì)量芯片的電流輸入端。本專利具體實(shí)施方式
采用多路電壓跟隨器電路作為零序電壓UO采集后的調(diào)整電路， 目的是保障多路調(diào)整電路輸出電壓與1路輸入電壓是相同的(相位相同，大小相等)。本實(shí)用新型專利權(quán)利并不局限于該具體實(shí)施方式
采用的電壓跟隨器調(diào)整電路，也包括其它能輸出電壓與輸入電壓相同的調(diào)整電路。本實(shí)用新型具體實(shí)施方案中的裝置包括一塊或多塊電路板模塊，每個(gè)電路板模塊包括一個(gè)或多個(gè)電能計(jì)量芯片選線工作單元，本實(shí)用新型專利具體實(shí)施方案設(shè)計(jì)為1 6 個(gè)選線工作單元，每個(gè)電路板模塊可以監(jiān)測(cè)1 18路饋出線。同一電路板模塊的饋出線應(yīng)同屬一段母線。圖2是本實(shí)用新型的技術(shù)方案硬件框圖。如圖所示，本裝置以微控制器和專用電能計(jì)量芯片為硬件核心，專用電能計(jì)量芯片與微控制器通過SPI通訊口連接；同一電能計(jì)量芯片電壓輸入管腳連接母線零序電壓調(diào)整電路的分支輸出，電流輸入管腳連接同屬該母線的各出線零序電流采樣信號(hào)電路；本實(shí)用新型也具有電能計(jì)量芯片常規(guī)電路，既計(jì)量芯片模擬輸入管腳連接相電壓、相電流信號(hào)采集電路；同時(shí)本實(shí)用新型還可選擇的設(shè)計(jì)有微控制器內(nèi)部ADC通道直接連接電量采集處理電路，用于輔助快速采集少量相關(guān)電量參數(shù)。 本發(fā)明技術(shù)硬件方案中包含報(bào)警輸出電路、控制保護(hù)電路、開關(guān)量采集處理電路、開關(guān)量輸出控制電路和通訊電路等。圖3是本實(shí)用新型的總體程序流程圖。本實(shí)用新型的程序流程從初始化1到讀計(jì)量芯片及輔助電量采集處理電量各綜合參數(shù)的計(jì)算處理按照接地選線綜合算法原理，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理是否有異?；蚪拥毓收?/b>5，如果有接地故障發(fā)生，按照在各種選線技術(shù)原理基礎(chǔ)上整合的綜合原理判據(jù)，進(jìn)行接地故障報(bào)警及故障處理6，并執(zhí)行故障事件觸發(fā)，修正電子檔案記錄8，有選擇地修正或建立專門電子檔案，把處理結(jié)果執(zhí)行數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)9，然后結(jié)束返回10 ；如果有接地故障前的異?；蚱渌枪收袭惓０l(fā)生，把異常作為事件進(jìn)行異常事件觸發(fā)，修正電子檔案記錄7，結(jié)果數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)9，然后結(jié)束返回10 ；如果判斷無異?；蚬收希瑒t返回到讀計(jì)量芯片及輔助電量采集處理2，進(jìn)入新一輪循環(huán)。圖4是本實(shí)用新型專利的具體實(shí)施方式
微處理器電路框圖，該具體實(shí)施方式
電路采用美國微芯(MCR0CHIP)公司的高性能微控制器dsPIC30f6014A(內(nèi)含DSP核)，該微控制器和電能計(jì)量芯片互相配合是本實(shí)用新型的硬件技術(shù)核心。該具體實(shí)施方式
采用珠海炬力公司國產(chǎn)高性能電能計(jì)量芯片ATT7022D。該具體實(shí)施方式
利用該電能計(jì)量芯片內(nèi)部的專門濾波、移相等電路和19位采樣精度的ADC轉(zhuǎn)換器和DSP運(yùn)算處理器，采集各種零序電壓、零序電流等電量模擬值后，由芯片內(nèi)部DSP硬件化計(jì)算處理。微處理器通過SPI通訊口直接從ATT7022D芯片內(nèi)各電能寄存器讀出各種零序電流、零序電壓、零序功率、零序電能、零序功率因數(shù)、零序基波電能、零序諧波電能等具體數(shù)值結(jié)果，也能讀出零序有功方向、零序無功方向等狀態(tài)值。該芯片芯片采樣頻率高達(dá)3. 2K，還有一長度為MO的(M位)數(shù)據(jù)緩存存儲(chǔ)區(qū)，用于實(shí)時(shí)保存原始采樣數(shù)據(jù)，供微控制器直接讀取。本實(shí)用新型專利中對(duì)電能計(jì)量芯片的多模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖4中電能計(jì)量芯片電路 A是圖1所示的電能計(jì)量芯片接地選線工作模式(結(jié)構(gòu))，圖4中電能計(jì)量芯片電路B是對(duì)該芯片的傳統(tǒng)計(jì)量工作模式，這種多樣性設(shè)計(jì)目的是保障本實(shí)用新型專利獲得參數(shù)類型的廣泛性、多樣性。同時(shí)微控制器dsPIC30f6014A也通過內(nèi)部多達(dá)16路的12位模擬量采集通道直接采集電壓、電流等電量，在重要參數(shù)異常或故障決策分析中，作為輔助手段靈活應(yīng)用，高速獲取并補(bǔ)充電能計(jì)量芯片不適合提供的其他參數(shù)。本實(shí)用新型專利權(quán)利并不局限于該具體實(shí)施方式
采用的這兩種電能專用計(jì)量芯片電路工作方式。微處理器從電能計(jì)量芯片讀出具體電量綜合狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)各種算法運(yùn)算公式進(jìn)行選線工作專門處理。本實(shí)用新型采用雙CPU結(jié)構(gòu)，專門的管理CPU處理顯示、按鍵、管理、 通訊等人機(jī)接口處理工作。軟硬件設(shè)計(jì)與國家電網(wǎng)公司Q/GDW-2009系列標(biāo)準(zhǔn)兼容，管理 CPU具有多種通訊功能，本具體實(shí)用新型裝置管理CPU采用ARM芯片，設(shè)計(jì)包含有485通訊、 232通訊、GPRS、以太網(wǎng)、紅外、CAN通訊等通訊驅(qū)動(dòng)電路。本實(shí)用新型還包含多路開關(guān)量采集和開關(guān)量輸出控制電路。
權(quán)利要求1.一種基于電能計(jì)量芯片技術(shù)的高精度智能接地選線設(shè)備，所敘的高精度智能接地選線設(shè)備其特征在于電能計(jì)量芯片前端模擬輸入管腳分別與零序電壓、零序電流采集處理電路連接，微控制器通過專用通信口與電能計(jì)量芯片連接，構(gòu)成“微控制器+基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路”的新型接地選線電路結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所敘的基于電能計(jì)量芯片技術(shù)的高精度智能接地選線設(shè)備，其特征是在基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路結(jié)構(gòu)中，同一電能計(jì)量芯片電壓輸入管腳連接母線零序電壓調(diào)整電路的輸出端，電流輸入管腳連接同屬該母線的各出線零序電流采集處理電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所敘的基于電能計(jì)量芯片技術(shù)的高精度智能接地選線設(shè)備，其特征在于微控制器芯片也輔助通過其模擬量輸入管腳連接相電壓、相電流采集處理電路。
專利摘要一種基于電能計(jì)量芯片技術(shù)的高精度智能接地選線設(shè)備，涉及配電網(wǎng)小電流接地選線技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型專利首先設(shè)計(jì)一套基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路結(jié)構(gòu)(或稱為電能計(jì)量芯片的接地選線工作模式)，在這種結(jié)構(gòu)中電能計(jì)量芯片前端模擬輸入管腳分別與零序電壓、及其相關(guān)的零序電流采集電路連接，同時(shí)微控制器通過專用通信口與電能計(jì)量芯片連接。以這種“微控制器+基于電能計(jì)量芯片的接地選線電路”的結(jié)構(gòu)為硬件核心設(shè)計(jì)成高精度接地選線設(shè)備。在這種新型電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過多種選線方法協(xié)同處理的組合判據(jù)算法，提高綜合選線的精準(zhǔn)性，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜接地條件下的智能有效選線。
文檔編號(hào)H02H7/26GK202167841SQ201120017349
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者單立輝 申請(qǐng)人:單立輝