24kV真空断路器中电流保护控制方法转让专利
申请号 : CN200810024070.5
文献号 : CN100593891C
文献日 : 2010-03-10
发明人 : 徐建源 , 闫鸿魁 , 王博
申请人 : 南京因泰莱配电自动化设备有限公司
摘要 :
一种24kV真空断路器中电流保护控制方法，包括步骤：1)当突然上电时延时采样，避开本级线路突然合闸时出现的涌流；2)在稳定运行后，计算出电路中电流有效值；3)如果有效值没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌流还是过流/短路；如果是涌流则重新采样，如果是过流/短路则做出保护动作；一种实现上述方法24kV真空断路器中的电流保护控制装置，包括电源模块、单片机、A、C相电流互感器、电量信号采集模块、拨码开关状态输入模块、继电器输出模块和脱扣线圈驱动模块。本发明的方法和装置控制精确，容易实现。
权利要求 :
1、一种24kV真空断路器中电流保护控制方法，包括步骤： 1)当突然上电时延时采样，避开本级线路突然合闸时出现的涌流； 2)在稳定运行后，计算出电路中电流有效值， 3)如果有效值没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌流还是过流/短路；如果是涌流则重新采样，如果是过流/短路则做出保护动作； 所述步骤2)中，电路中电流有效值是由公式： id="icf0001" file="C2008100240700002C1.tif" wi="17" he="9" top= "60" left = "121" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>得出，式中，N-每工频周期的采样点数；ii-采样时刻电流的瞬时值； 其特征是所述步骤3)中，所述整定值取范围5A-30A；由公式： id="icf0002" file="C2008100240700002C2.tif" wi="49" he="6" top= "89" left = "26" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>计算得到k点处半波傅氏算法与全波傅氏算法的差值，式中，ik，bc，ik，bs分别是k点处半波傅氏算法中相电流的余弦系数和正弦系数；ik，qc，ik，qs分别是k点处全波傅氏算法中相电流的余弦系数和正弦系数； 由公式： id="icf0003" file="C2008100240700002C3.tif" wi="54" he="6" top= "122" left = "51" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>计算得到全波傅氏算法的差动电流基波值，式中，ik+1，qc，ik+1，qs分别是全波傅氏算法中k+1点处相电流基波的余弦系数和正弦系数；ik，qc，ik，qs分别是全波傅氏算法中k点处相电流基波的余弦系数和正弦系数； 如果 id="icf0004" file="C2008100240700002C4.tif" wi="9" he="12" top= "160" left = "44" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>与 id="icf0005" file="C2008100240700002C5.tif" wi="8" he="12" top= "160" left = "60" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的比值大于励磁涌流的门坎值，门坎值的范围是0.15-0.3，则判断是涌流；反之为过流/短路。
2、根据权利要求1所述的24kV真空断路器中电流保护控制方法，其特征是所述 采样点数^20个，采样周期是20ms。
3、根据权利要求1或2所述的24kV真空断路器中电流保护控制方法，其特征是 所述釆样点数N是24;门坎值是0.2，可以可靠的区分励磁涌流和故障电流。
说明书 :
24kV真空断路器中电流保护控制方法
技术领域
本发明属于微机继电保护领域，尤其涉及24kV线路过流、短路三段式电流 保护以及躲过线路涌流的电流保护控制方法及装置。
随着社会经济和科学技术的高速发展，城市负荷密度越来越大，12kV配网 已出现许多不适应性，而24kV配网具有投资低、节约线损、供电能力强等特点， 实社会效益和经济效益都是非常明显的。为此，我国目前正投以巨资对24kV电 网进行建设，其中已经对江苏省地区部分进行了 24kV配网线路的全面建设。配 电系统能否安全、稳定、可靠地运行，不但直接关系到企业用电的通畅，而且涉 及到电力系统能否正常的运行，因此，当配电网络中某条线路处于非正常运行状 态吋，线路断路器应该能及时、可靠地将它切除，以防故障的进一步发生和扩大。 另外，当线路中存在变压器空载合闸时，会在线路上出现一个瞬时性涌流。由于 其不是故障性的，线路断路器不需动作，但是其幅值很大，会造成线路一次合闸 不成功或上级线路断路器误跳的情况。因此，在实际运行中，需要线路断路器既 能切断处于过流、短路状态的线路，又可以对线路的过流、短路状态和线路上瞬 吋出现的涌流进行区分。
目前，线路断路器用电流保护控制装置较少，且现有的装置对于线路过流、 短路的判断采取了基于电流的峰值作为整定值的判断方法，对于躲过线路涌流采 取了线路断路器突然合闸时加入一定的延时时间来实现。这样判断线路的过流、 短路状态存在一定的缺陷，并且上级线路断路器在下级线路突然合闸时有可能会 因为涌流而误跳。
为了解决技术中存在的上述问题，本发明提供一种适合于24kV的新电流保 护控制方法及装置，具体技术方案如下-
一种电流保护控制方法，包括步骤：当突然上电时延时采样，避开本级线路 突然合闸吋出现的涌流；在稳定运行后，计算出电流有效值；如果有效值没有超 过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌流还是 过流/短路；如果是涌流则重新采样；如果是过流/短路则做出保护动作。整定值 通过微型CT1 二次侧的电流确定的，整定值范围在5A-30A。
所述判断电路中电流有效值是由公式：/= [I?7，得出；式中，iV—每工频
周期的采样点数；/,一采样时刻电流的瞬时值。所述整定值范围可取5A-30A。所
述采样点数是》20个，采样周期是20ms。采样周期的确定是因为现有电路中工 频是50Hz。
由公式：/M =)&+4; —计算得到k点处半波傅氏算法与全波傅
氏算法的差值，式中，、fc， /^,分别是k点处半波傅氏算法中相电流的余弦系数 和正弦系数；",分别是k点处全波傅氏算法中相电流的余弦系数和正弦系
随着社会经济和科学技术的高速发展，城市负荷密度越来越大，12kV配网 已出现许多不适应性，而24kV配网具有投资低、节约线损、供电能力强等特点， 实社会效益和经济效益都是非常明显的。为此，我国目前正投以巨资对24kV电 网进行建设，其中已经对江苏省地区部分进行了 24kV配网线路的全面建设。配 电系统能否安全、稳定、可靠地运行，不但直接关系到企业用电的通畅，而且涉 及到电力系统能否正常的运行，因此，当配电网络中某条线路处于非正常运行状 态吋，线路断路器应该能及时、可靠地将它切除，以防故障的进一步发生和扩大。 另外，当线路中存在变压器空载合闸时，会在线路上出现一个瞬时性涌流。由于 其不是故障性的，线路断路器不需动作，但是其幅值很大，会造成线路一次合闸 不成功或上级线路断路器误跳的情况。因此，在实际运行中，需要线路断路器既 能切断处于过流、短路状态的线路，又可以对线路的过流、短路状态和线路上瞬 吋出现的涌流进行区分。
目前，线路断路器用电流保护控制装置较少，且现有的装置对于线路过流、 短路的判断采取了基于电流的峰值作为整定值的判断方法，对于躲过线路涌流采 取了线路断路器突然合闸时加入一定的延时时间来实现。这样判断线路的过流、 短路状态存在一定的缺陷，并且上级线路断路器在下级线路突然合闸时有可能会 因为涌流而误跳。
为了解决技术中存在的上述问题，本发明提供一种适合于24kV的新电流保 护控制方法及装置，具体技术方案如下-
一种电流保护控制方法，包括步骤：当突然上电时延时采样，避开本级线路 突然合闸吋出现的涌流；在稳定运行后，计算出电流有效值；如果有效值没有超 过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌流还是 过流/短路；如果是涌流则重新采样；如果是过流/短路则做出保护动作。整定值 通过微型CT1 二次侧的电流确定的，整定值范围在5A-30A。
所述判断电路中电流有效值是由公式：/= [I?7，得出；式中，iV—每工频
周期的采样点数；/,一采样时刻电流的瞬时值。所述整定值范围可取5A-30A。所
述采样点数是》20个，采样周期是20ms。采样周期的确定是因为现有电路中工 频是50Hz。
由公式：/M =)&+4; —计算得到k点处半波傅氏算法与全波傅
氏算法的差值，式中，、fc， /^,分别是k点处半波傅氏算法中相电流的余弦系数 和正弦系数；",分别是k点处全波傅氏算法中相电流的余弦系数和正弦系
背景技术
发明内容数；
由公式：& =)?+1,+42+1々,-^,+t,、计算得到全波傅氏算法的差动电流 基波值，式中，/^,， z'w,分别是全波傅氏算法中k+l点处相电流基波的余弦
系数和正弦系数；/,,, /^、.分别是全波傅氏算法中k点处相电流基波的余弦系数 和正弦系数；
如果2^与;^4的比值大于励磁涌流的门坎值（门槛指的范围是
0.15-0.3)，则判断是涌流；反之为过流/短路；其中，N为每工频周期的采样点数， 取24;门坎值优选0.2可以可靠的区分励磁涌流和故障电流。
一种实现上述方法的电流保护控制装置，包括电源模块、单片机、A、 C相
电流互感器、电量信号采集模块、拨码开关状态输入模块、继电器输出模块和脱
扣线圈驱动模块；所述电源模块的输出连接单片机的电源输入端；A、 C相电流 互感器的输出分别连接电量信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端经 A/D转换后连接单片机的采集信号输入端；拨码开关状态输入模块的输出端连接 单片机的输入端；单片机的输出端连接继电器输出模块的输入端，继电器输出模 块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱扣线圈驱动模块的电源端连接到 A、 C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输出端连接外部脱扣线圈。
所述电量信号采集模块包括两个电流互感器CT1、 CT2，它们的输入端分别 连接A、 C相电流互感器的输出端，两个电流互感器的输出信号分别经可调电阻、 组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。所述A、 C相 电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流 互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。所述拨 码开关状态输入模块是10路拨码开关。
所述脱扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能 电容串联，为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部 的脱扣线圈，控制脱扣线圈脱扣。
所述单片机是美国Silicon Laboratories公司推出的新C8051F系列单片机 C8051F206，它的管脚9、 10连接相应的晶振电路，频率是16MHz;单片机的复 位输入端还连接复位电路，单片机的输出端还连接LED组成的显示模块。
所述时钟模块是由I2C总线接口实时时钟芯片DS1307和+ 3V的纽扣电池组 成，选用32.768kHz晶振。具体接线方式按照DS1307使用说明书要求接线。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
采用高性能单片机，可以直接应用于只装设A、 C两相电流互感器的24kV 线路断路器，作为切断过流、短路线路，躲过涌流的电流保护控制装置。它的电 源直接取自线路电流互感器，不需要额外的电压互感器等设备。
在电量信号检测方面，它包含电磁干扰抑制电路，具有很高的可靠性；并且 免整定，对电流互感器二次侧电流识别范围在3A—50A之间。
在保护时间配合方面，其过流延时时间有16档可选、速断电流倍数4档可选、速断延时时间4档可选、合闸延时时间4档可选，可以充分满足实际运行的 需要。
在对线路断路器的分闸控制方面，它的脱扣线圈驱动电路釆用的是充电电容 和线路电流同时提供电流的方式；由于有了充电电容，线路上电流互感器的功率 要求不大，5VA即可，这样电流互感器的尺寸可以做的较小一些，精度也会提高， 使其更容易安装和使用。
在线路过流、短路与涌流的识别方面，其采用通过计算电流有效值启动故障 判别程序，基于差动电流波形特征的励磁涌流识别新方法来识别线路过流、短路 状态和涌流。即在装置突然上电时加入延时，避开本级线路突然合闸时出现的 涌流；在稳定运行后如果计算出电流有效值超过整定值，利用差动电流波形特征 的励磁涌流识别新方法来识别线路过流、短路或是涌流，以避开下级线路出现的 涌流，并对本级线路实施保护。
由于使用了时钟模块，该时钟芯片可独立于CPU工作，计时准确，月累计误 差一般小于10s。对故障的报警和记录都需要对时间的精确记录，以方便故障査 询。
继电器输出模块，采用了光藕器件隔离，稳定性大大提高，继电器的开断是 通过光藕器件的开断所决定的。
由公式：& =)?+1,+42+1々,-^,+t,、计算得到全波傅氏算法的差动电流 基波值，式中，/^,， z'w,分别是全波傅氏算法中k+l点处相电流基波的余弦
系数和正弦系数；/,,, /^、.分别是全波傅氏算法中k点处相电流基波的余弦系数 和正弦系数；
如果2^与;^4的比值大于励磁涌流的门坎值（门槛指的范围是
0.15-0.3)，则判断是涌流；反之为过流/短路；其中，N为每工频周期的采样点数， 取24;门坎值优选0.2可以可靠的区分励磁涌流和故障电流。
一种实现上述方法的电流保护控制装置，包括电源模块、单片机、A、 C相
电流互感器、电量信号采集模块、拨码开关状态输入模块、继电器输出模块和脱
扣线圈驱动模块；所述电源模块的输出连接单片机的电源输入端；A、 C相电流 互感器的输出分别连接电量信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端经 A/D转换后连接单片机的采集信号输入端；拨码开关状态输入模块的输出端连接 单片机的输入端；单片机的输出端连接继电器输出模块的输入端，继电器输出模 块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱扣线圈驱动模块的电源端连接到 A、 C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输出端连接外部脱扣线圈。
所述电量信号采集模块包括两个电流互感器CT1、 CT2，它们的输入端分别 连接A、 C相电流互感器的输出端，两个电流互感器的输出信号分别经可调电阻、 组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。所述A、 C相 电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流 互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。所述拨 码开关状态输入模块是10路拨码开关。
所述脱扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能 电容串联，为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部 的脱扣线圈，控制脱扣线圈脱扣。
所述单片机是美国Silicon Laboratories公司推出的新C8051F系列单片机 C8051F206，它的管脚9、 10连接相应的晶振电路，频率是16MHz;单片机的复 位输入端还连接复位电路，单片机的输出端还连接LED组成的显示模块。
所述时钟模块是由I2C总线接口实时时钟芯片DS1307和+ 3V的纽扣电池组 成，选用32.768kHz晶振。具体接线方式按照DS1307使用说明书要求接线。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
采用高性能单片机，可以直接应用于只装设A、 C两相电流互感器的24kV 线路断路器，作为切断过流、短路线路，躲过涌流的电流保护控制装置。它的电 源直接取自线路电流互感器，不需要额外的电压互感器等设备。
在电量信号检测方面，它包含电磁干扰抑制电路，具有很高的可靠性；并且 免整定，对电流互感器二次侧电流识别范围在3A—50A之间。
在保护时间配合方面，其过流延时时间有16档可选、速断电流倍数4档可选、速断延时时间4档可选、合闸延时时间4档可选，可以充分满足实际运行的 需要。
在对线路断路器的分闸控制方面，它的脱扣线圈驱动电路釆用的是充电电容 和线路电流同时提供电流的方式；由于有了充电电容，线路上电流互感器的功率 要求不大，5VA即可，这样电流互感器的尺寸可以做的较小一些，精度也会提高， 使其更容易安装和使用。
在线路过流、短路与涌流的识别方面，其采用通过计算电流有效值启动故障 判别程序，基于差动电流波形特征的励磁涌流识别新方法来识别线路过流、短路 状态和涌流。即在装置突然上电时加入延时，避开本级线路突然合闸时出现的 涌流；在稳定运行后如果计算出电流有效值超过整定值，利用差动电流波形特征 的励磁涌流识别新方法来识别线路过流、短路或是涌流，以避开下级线路出现的 涌流，并对本级线路实施保护。
由于使用了时钟模块，该时钟芯片可独立于CPU工作，计时准确，月累计误 差一般小于10s。对故障的报警和记录都需要对时间的精确记录，以方便故障査 询。
继电器输出模块，采用了光藕器件隔离，稳定性大大提高，继电器的开断是 通过光藕器件的开断所决定的。
附图说明
图l为本发明装置电路原理图；
图2为本发明装置正视图；
图3为本发明装置电源电路原理图；
图4为本发明装置复位电路原理图；
图5为本发明装置中A、 C两相电流采集测量原理图；
图6为本发明装置中开关量输入拨码开关状态输入、单片机模块原理图； 图7为本发明装置继电器输出模块、LED显示原理图； 图8为本发明装置中脱扣线圈驱动电路原理图； 图9时钟电路原理图；
图io为本发明装置中单片机程序流程图。
图2中A是10路拨码开关、B是A相可调电阻、C是C相可调电阻、D是 LED灯、1〜5是外部连线
图2为本发明装置正视图；
图3为本发明装置电源电路原理图；
图4为本发明装置复位电路原理图；
图5为本发明装置中A、 C两相电流采集测量原理图；
图6为本发明装置中开关量输入拨码开关状态输入、单片机模块原理图； 图7为本发明装置继电器输出模块、LED显示原理图； 图8为本发明装置中脱扣线圈驱动电路原理图； 图9时钟电路原理图；
图io为本发明装置中单片机程序流程图。
图2中A是10路拨码开关、B是A相可调电阻、C是C相可调电阻、D是 LED灯、1〜5是外部连线
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种电流保护控制方法，包括步骤：当突然上电时延时釆样，来避开本级线 路突然合闸时出现的涌流；在稳定运行后，计算出电流有效值超过整定值；如果 没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌 流还是过流/短路；如果是涌流则重新采样；如果是过流/短路则做出保护动作。 整定值通过微型CT1 二次侧的电流确定的， 一般范围是5A-30A。本实施例中， 整定值是5A。
所述判断电路中电流有效值是由公式：,=|!?7,得出；式中，^一离散采
样的采样点数；/,一采样时刻电流的瞬时值。所述采样点数》20个，采样周期是20ms。本实施例中，优选是采样点数是24个。采样周期的确定是因为现有电路 中工频是50Hz。
由公式：4 = V5^:-VC^:计算得到k点处半波傅氏算法与全波傅 氏算法的差值，式中，4a， /^分别是k点处半波傅氏算法中相电流的余弦
系数和正弦系数；4,， ^,分别是k点处全波傅氏算法中相电流的余弦系数 和正弦系数；
由公式：4 —C+z", -^,+t计算得到全波傅氏算法的差动电流 基波值，式中，L^分别是全波傅氏算法中k+l点处相电流基波的余弦
系数和正弦系数；4,, ^,分别是全波傅氏算法中k点处相电流基波的余弦系数 和正弦系数；
如果2&与;2&的比值大于励磁涌流的门坎值，则判断是涌流；反之为
过流/短路；其中，N为每工频周期的采样点数，取24;门坎值取0.2可以可靠 的区分励磁涌流和故障电流。
一种实现上述方法的电流保护控制装置，包括电源模块、单片机、A、 C相 电流互感器、电量信号采集模块、拨码开关状态输入模块、继电器输出模块和脱 扣线圈驱动模块；所述电源模块的输出连接单片机的电源输入端；A、 C相电流 互感器的输出分别连接电量信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端经 A/D转换后连接单片机的釆集信号输入端；拨码开关状态输入模块的输出端连接 单片机的输入端；单片机的输出端连接继电器输出模块的输入端，继电器输出模 块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱扣线圈驱动模块的电源端连接到 A、 C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输出端连接外部脱扣线圈。
所述电量信号采集模块包括两个电流互感器CT1、 CT2，它们的输入端分别 连接A、 C相电流互感器的输出端，两个电流互感器的输出信号分别经可调电阻、 组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。所述A、 C相 电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流 互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。所述拨 码开关状态输入模块是10路拨码开关。
所述脱扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能 电容串联，为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部 的脱扣线圈，控制脱扣线圈脱扣。
所述单片机是美国Silicon Laboratories公司推出的新C8051F系列单片机 C8051F206，它的管脚9、 10连接相应的晶振电路，频率是16MHz;单片机的复 位输入端还连接复位电路，单片机的输出端还连接LED组成的显示模块。
所述时钟模块是由I2C总线接口实时时钟芯片DS1307和+ 3V的纽扣电池组 成，选用32. 768kHz晶振。具体接线方式按照DS1307使用说明书要求接线。
如图3、 4所示，电源模块由电流互感器、全波整流电路、稳压电路、瞬态过压抑制电路、共模和差模抑制电路组成。线路A、 C两相电流互感器输出电流 在微型电流互感器取样后并联接到一起，经过控制器内部另一微型电流互感器、 全波整流电路、稳压电路，使得交流电压变为波动不大的12V直流电压，即可为 继电器供电。集成稳压芯片7805内部含有启动电路、串联稳压电路、保护电路， 把+12V直流电压变为稳定的+5V电压，为运放等器件供电，稳压二极管Z1将电 路的过电压限制在一定水平，保护继电器线圈和后级7805等器件；电容C2可以 抑制因负载变化而产生的噪声，起着一个低频骚扰滤波器的作用。再把+5V直流 电压变为稳定的+3.3V电压，为控制器内部单片机供电，输出接10uF电容来保 证输出的稳定性，如图4所示，这里采用的电压检测芯片是飞利浦公司的 MAX708RD。 MAX708RD是一款用于+3. 3V电源系统的电压监测芯片，复位门槛电压 为+2.63V，具有双路电源监控、电源失效告警和复位功能和手动复位功能。当复 位按钮SW1闭合、系统刚上电或MAX708RD的电源电压降到+2. 63V—下时，低有 效复位输出引脚变低，芯片C8051F206可靠复位。
显示模块是由LED显示灯组成，作为整定值设定的标志，即在用户在控制器 输入端施加5A电流时，调节可调电阻，当LED显示器由不亮变为均匀闪烁时， 整定值设定完毕。LED显示灯并接在继电器线圈两端。
如图5， 6所示，电量信号采集模块分为A、 C两相采集，每一相由一只电 流互感器、 一路可调电阻、阻容滤波电路，运放组成，分别接入单片机的P0.2、 P0.3引脚。
如图6所示，拨码开关状态输入模块采用IO路拨码开关，分别连接单片机 的P2.0、 P2.1、 P2.2、 P2.3、 P2.4、 P2.5、 Pl.O、 Pl.l、 P1.2、 P1.3引脚。
如图7所示，继电器输出模块由继电器、光耦TLP521、驱动三极管和保护 电路组成，单片机输出引脚P1.7与三极管的控制极连接，继电器两端反相并联 快速二极管IN4148。
如图8所示，脱扣线圈驱动模块由升压电路、储能电容、整流桥组成，作为 输出端口连接控制装置外部的脱扣线圈。
时钟模块的接线如图9所示。
装置采用单片机C8051F206作为控制芯片，利用片内A/D转换器采集A、 C 两相电流，由单片机进行处理。该单片机内的控制程序实现电流保护控制方法。
本发明采用通过计算电流有效值启动故障判别程序，基于差动电流波形特征 的励磁涌流识别新方法来识别线路过流、短路状态和涌流。线路出现大电流时， 可能是线路过流、短路，也有可能是线路上某台变压器空载合闸出现的涌流。正 是由于励磁涌流与短路电流波形特征的不同，因此本文采用基于差动电流波形特 征的励磁涌流识别新方法就可以在线路出现大电流时，正确辨别线路的过流、短 路状态，躲过涌流。
电流有效值的计算公式如公式1所示。
(1);式中，/ —电流的瞬时值；r —电流的周期；/ —
电流的有效值；
离散化得到电流有效值的计算公式2如下所示:
(2);式中，iV—离散采样的采样点数；/,一采样时刻内部 ADC转换为数字量后存放起来并计算，观察计算值是否超过整定值。若未超过， 重新采样并计算，开始一轮新的循环；若超过，启动涌流识别程序。
单片机需要对离散型的采样信号进行计算，假设每一个周期中的采样次数为
N，采样顺序为M=0〜(N_1)，则有公式(3)， （4)如下所示。
r 4 . 斗/ ^ . . 2/br
7尉=T72^cos~7T + ^72Asm;
T 2 . 2A:;r 2/ . . 2A;;t 八w =——〉^ cos--h——> ^ sm-
本设计选取N=24，则有公式(5)〜(14)如下所示。
=4[(/。 -乂2) + 0.259(/5 -/7 -义7 +乂9) +
0.5(/4 -"6 + /20) + 0.707(/3 _ /9 — 乂5 + /21) + 0.866(/2 - /。 - /14 + /22) + 0.966" — H + /23)〗
=|[(/6 -,8)+o.259(y;+y„ -乂3 -/23) +
6
0.5(/2 + 乂o -力4 - /22) + 0.707(《+ /9 — 乂5 - /21) + 0.866(/4 + /8 —厶—/2。) + 0.969(/5 + /7 U)]
. 2 . 2ybr U一 , ^cos-
-,2) + 。.259(/5 U7 + ,9) +
0.5(/4 - /8 - ,6 + /20) + 0.707(/3 - /9 _,5 + /21) + 0.866(/2 -厶 -厶+/22) + 0.966(/; -乂, — 乂3 +/23)]
2/^. . =—〉^ sm-
w么4 W
=^— /8) + 0.259" + ^ - 乂3 - /23) +
0.5(/2 + /。 - 乂4 — /22) + 0.707(/3 + /9 - ,5 — /21) + 0.866(/4 + /8 — 乂6 — /2。) + 0.969(/5 + /7 — /广,9)]
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)Am = V'.l,qc +^,qs /" 一 f — f
2 ^ . 2/br =——〉^ cos-
-/;2) + 0.259(/5 一/7 _/7仏）+
0.5(/4 - /8 _ ,6 + /20) + 0.707(/3 — /9 —几+ /21) + 0.866(/2 —/。 —,4 +/22) + 0.9660; —,, —,3 +/23)]
(10)
(11)
(12)
》* sin-
=^ [(/6 - 乂s) + 0.259(乂 +儿-/3 - /23) +
0.5(/2 + H /22) + 。.707(/3 + /9 — 乂5 - /21) + 0.866(/4 + /8 —厶—/2。) + 0.969(/5 + /7 — — ,9)]
(13)
L = a/Z2,《c +^华一a/Z1，《?c (14)
4^,4u分别为半波傅氏算法和全波傅氏算法的采样计算值，^为半波傅氏算法
和全波傅氏算法的采样值的差值；/w为全波傅氏算法计算得到的差动电流基波 值。
动作方程依据：利用基于差动电流波形特征的励磁涌流识别新方法，识别线 路的过流、短路状态，躲过涌流。
与此相应的动作方程为公式15，如下所示：
^~>& (15);式中，整定的励磁涌流的门坎值，取0.2。上述公式以
及求解均可由单片机内的程序实现。
程序流程如图10所示，具体步骤为：
(1) 初始化；
(2) 合闸延时（可调）；
(3) 采集A、 C两相电流并判断电流有效值是否超过整定值；
(4) 否，则重新采样，返回步骤3;是，则对超过整定值的相电流进行离
散傅立叶分解，求出半波傅氏算法和全波傅氏算法的采样值的差值和 全波傅氏算法计算得到的差动电流基波值的比值。若比值超过励磁涌 流的门坎值，则认为线路中有变压器突然空载合闸，没有过流、短路
故障，也返回步骤3。若比值未超过励磁涌流的门坎值，则在由开关 量输入设置的延时时间内连续判断线路是否存在过流、短路状态；如
9果不是持续性的过流、短路，返回步骤3，如果是持续性的过流、短
路，则控制线路断路器分闸。
(5)结束。
装置的内部结构和外部连接方式如图1所示。装置有5根外部引出线，其中 3根连接A、 C相电流互感器，电流互感器的公共端连接机壳，接入大地；另外 2根连接脱扣线圈，控制断路器分闸。虚线框内为装置的内部结构，连接方式为 导线连接。
装置的正视图如图2所示。通过对可调电阻B、 C的调节，可以将整定值调 整为5A。调节方法如下：将装置与A相电流互感器连接好，并将互感器输出电 流调整为5A，然后逆着图中箭头方向调节可调电阻B。当LED灯D由不亮变为 均匀闪烁，A相整定值即已调整为5A。 C相整定值调整方法同A相的调整方法。
整定值调整完毕后，进行保护时间的设置。图2中10路拨码开关A的1〜4 路设置过流延时时间，有16种选择，具体时间可以根据需要在单片机程序里面 固定；5〜6路设置速断倍数，即短路电流的阈值，可有4种选择；7〜8路设置 速断延时时间，有4种选择；9〜10进行合闸躲涌流延时的设置，有四种选择。 这样，断路器的实际动作时间为合闸延时与过流、速断延时时间的总和。例如， 过流延时时间设置为1000ms，合闸延时时间设置为800ms，则断路器总动作时间 即为1000ras+800ms=1800ms。
在上述步骤都进行完毕后，将装置与线路断路器连接好并固定。图2中连线 1〜3连接电流互感器，4〜5连接脱扣线圈。当线路断路器突然上电时，装置启 动内部延时程序，躲过此时的涌流；在线路稳定运行后，若出现涌流，装置根据 算法能将其识别出来，不会使断路器误动作；只有在线路处于过流、短路状态下， 装置才控制其开关量输出电路，使其接通脱扣线圈驱动电路。脱扣线圈得电后， 击打断路器操动机构的锁扣环节，解除其死锁状态，断路器分闸。
在结构上，装置采用插件式结构，独立封闭单元机箱，密封性好，抗干扰、 坚固可靠，抗振动能力强。
一种电流保护控制方法，包括步骤：当突然上电时延时釆样，来避开本级线 路突然合闸时出现的涌流；在稳定运行后，计算出电流有效值超过整定值；如果 没有超过整定值，则重新采样；如果有效值超过整定值，则判断线路中电流是涌 流还是过流/短路；如果是涌流则重新采样；如果是过流/短路则做出保护动作。 整定值通过微型CT1 二次侧的电流确定的， 一般范围是5A-30A。本实施例中， 整定值是5A。
所述判断电路中电流有效值是由公式：,=|!?7,得出；式中，^一离散采
样的采样点数；/,一采样时刻电流的瞬时值。所述采样点数》20个，采样周期是20ms。本实施例中，优选是采样点数是24个。采样周期的确定是因为现有电路 中工频是50Hz。
由公式：4 = V5^:-VC^:计算得到k点处半波傅氏算法与全波傅 氏算法的差值，式中，4a， /^分别是k点处半波傅氏算法中相电流的余弦
系数和正弦系数；4,， ^,分别是k点处全波傅氏算法中相电流的余弦系数 和正弦系数；
由公式：4 —C+z", -^,+t计算得到全波傅氏算法的差动电流 基波值，式中，L^分别是全波傅氏算法中k+l点处相电流基波的余弦
系数和正弦系数；4,, ^,分别是全波傅氏算法中k点处相电流基波的余弦系数 和正弦系数；
如果2&与;2&的比值大于励磁涌流的门坎值，则判断是涌流；反之为
过流/短路；其中，N为每工频周期的采样点数，取24;门坎值取0.2可以可靠 的区分励磁涌流和故障电流。
一种实现上述方法的电流保护控制装置，包括电源模块、单片机、A、 C相 电流互感器、电量信号采集模块、拨码开关状态输入模块、继电器输出模块和脱 扣线圈驱动模块；所述电源模块的输出连接单片机的电源输入端；A、 C相电流 互感器的输出分别连接电量信号采集模块的输入端，信号采集模块的输出端经 A/D转换后连接单片机的釆集信号输入端；拨码开关状态输入模块的输出端连接 单片机的输入端；单片机的输出端连接继电器输出模块的输入端，继电器输出模 块的输出端连接脱扣线圈驱动模块的控制端，脱扣线圈驱动模块的电源端连接到 A、 C互感器的输出端；脱扣线圈驱动模块的输出端连接外部脱扣线圈。
所述电量信号采集模块包括两个电流互感器CT1、 CT2，它们的输入端分别 连接A、 C相电流互感器的输出端，两个电流互感器的输出信号分别经可调电阻、 组容滤波电路调理后再经A/D转换传入单片机的采集信号输入端。所述A、 C相 电流互感器输出电流在电流互感器CT1和CT2取样后并联接到一起连接微型电流 互感器CT3的输入端、电流互感器CT3的输出端连经电源模块的输入端。所述拨 码开关状态输入模块是10路拨码开关。
所述脱扣线圈驱动模块包括升压电路、储能电容和整流桥，升压电路与储能 电容串联，为储能电容充电；储能电容和整流桥并联接在一起连接控制装置外部 的脱扣线圈，控制脱扣线圈脱扣。
所述单片机是美国Silicon Laboratories公司推出的新C8051F系列单片机 C8051F206，它的管脚9、 10连接相应的晶振电路，频率是16MHz;单片机的复 位输入端还连接复位电路，单片机的输出端还连接LED组成的显示模块。
所述时钟模块是由I2C总线接口实时时钟芯片DS1307和+ 3V的纽扣电池组 成，选用32. 768kHz晶振。具体接线方式按照DS1307使用说明书要求接线。
如图3、 4所示，电源模块由电流互感器、全波整流电路、稳压电路、瞬态过压抑制电路、共模和差模抑制电路组成。线路A、 C两相电流互感器输出电流 在微型电流互感器取样后并联接到一起，经过控制器内部另一微型电流互感器、 全波整流电路、稳压电路，使得交流电压变为波动不大的12V直流电压，即可为 继电器供电。集成稳压芯片7805内部含有启动电路、串联稳压电路、保护电路， 把+12V直流电压变为稳定的+5V电压，为运放等器件供电，稳压二极管Z1将电 路的过电压限制在一定水平，保护继电器线圈和后级7805等器件；电容C2可以 抑制因负载变化而产生的噪声，起着一个低频骚扰滤波器的作用。再把+5V直流 电压变为稳定的+3.3V电压，为控制器内部单片机供电，输出接10uF电容来保 证输出的稳定性，如图4所示，这里采用的电压检测芯片是飞利浦公司的 MAX708RD。 MAX708RD是一款用于+3. 3V电源系统的电压监测芯片，复位门槛电压 为+2.63V，具有双路电源监控、电源失效告警和复位功能和手动复位功能。当复 位按钮SW1闭合、系统刚上电或MAX708RD的电源电压降到+2. 63V—下时，低有 效复位输出引脚变低，芯片C8051F206可靠复位。
显示模块是由LED显示灯组成，作为整定值设定的标志，即在用户在控制器 输入端施加5A电流时，调节可调电阻，当LED显示器由不亮变为均匀闪烁时， 整定值设定完毕。LED显示灯并接在继电器线圈两端。
如图5， 6所示，电量信号采集模块分为A、 C两相采集，每一相由一只电 流互感器、 一路可调电阻、阻容滤波电路，运放组成，分别接入单片机的P0.2、 P0.3引脚。
如图6所示，拨码开关状态输入模块采用IO路拨码开关，分别连接单片机 的P2.0、 P2.1、 P2.2、 P2.3、 P2.4、 P2.5、 Pl.O、 Pl.l、 P1.2、 P1.3引脚。
如图7所示，继电器输出模块由继电器、光耦TLP521、驱动三极管和保护 电路组成，单片机输出引脚P1.7与三极管的控制极连接，继电器两端反相并联 快速二极管IN4148。
如图8所示，脱扣线圈驱动模块由升压电路、储能电容、整流桥组成，作为 输出端口连接控制装置外部的脱扣线圈。
时钟模块的接线如图9所示。
装置采用单片机C8051F206作为控制芯片，利用片内A/D转换器采集A、 C 两相电流，由单片机进行处理。该单片机内的控制程序实现电流保护控制方法。
本发明采用通过计算电流有效值启动故障判别程序，基于差动电流波形特征 的励磁涌流识别新方法来识别线路过流、短路状态和涌流。线路出现大电流时， 可能是线路过流、短路，也有可能是线路上某台变压器空载合闸出现的涌流。正 是由于励磁涌流与短路电流波形特征的不同，因此本文采用基于差动电流波形特 征的励磁涌流识别新方法就可以在线路出现大电流时，正确辨别线路的过流、短 路状态，躲过涌流。
电流有效值的计算公式如公式1所示。
(1);式中，/ —电流的瞬时值；r —电流的周期；/ —
电流的有效值；
离散化得到电流有效值的计算公式2如下所示:
(2);式中，iV—离散采样的采样点数；/,一采样时刻内部 ADC转换为数字量后存放起来并计算，观察计算值是否超过整定值。若未超过， 重新采样并计算，开始一轮新的循环；若超过，启动涌流识别程序。
单片机需要对离散型的采样信号进行计算，假设每一个周期中的采样次数为
N，采样顺序为M=0〜(N_1)，则有公式(3)， （4)如下所示。
r 4 . 斗/ ^ . . 2/br
7尉=T72^cos~7T + ^72Asm;
T 2 . 2A:;r 2/ . . 2A;;t 八w =——〉^ cos--h——> ^ sm-
本设计选取N=24，则有公式(5)〜(14)如下所示。
=4[(/。 -乂2) + 0.259(/5 -/7 -义7 +乂9) +
0.5(/4 -"6 + /20) + 0.707(/3 _ /9 — 乂5 + /21) + 0.866(/2 - /。 - /14 + /22) + 0.966" — H + /23)〗
=|[(/6 -,8)+o.259(y;+y„ -乂3 -/23) +
6
0.5(/2 + 乂o -力4 - /22) + 0.707(《+ /9 — 乂5 - /21) + 0.866(/4 + /8 —厶—/2。) + 0.969(/5 + /7 U)]
. 2 . 2ybr U一 , ^cos-
-,2) + 。.259(/5 U7 + ,9) +
0.5(/4 - /8 - ,6 + /20) + 0.707(/3 - /9 _,5 + /21) + 0.866(/2 -厶 -厶+/22) + 0.966(/; -乂, — 乂3 +/23)]
2/^. . =—〉^ sm-
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(3)
(4)
(5)
(6)
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(10)
(11)
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(13)
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4^,4u分别为半波傅氏算法和全波傅氏算法的采样计算值，^为半波傅氏算法
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动作方程依据：利用基于差动电流波形特征的励磁涌流识别新方法，识别线 路的过流、短路状态，躲过涌流。
与此相应的动作方程为公式15，如下所示：
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程序流程如图10所示，具体步骤为：
(1) 初始化；
(2) 合闸延时（可调）；
(3) 采集A、 C两相电流并判断电流有效值是否超过整定值；
(4) 否，则重新采样，返回步骤3;是，则对超过整定值的相电流进行离
散傅立叶分解，求出半波傅氏算法和全波傅氏算法的采样值的差值和 全波傅氏算法计算得到的差动电流基波值的比值。若比值超过励磁涌 流的门坎值，则认为线路中有变压器突然空载合闸，没有过流、短路
故障，也返回步骤3。若比值未超过励磁涌流的门坎值，则在由开关 量输入设置的延时时间内连续判断线路是否存在过流、短路状态；如
9果不是持续性的过流、短路，返回步骤3，如果是持续性的过流、短
路，则控制线路断路器分闸。
(5)结束。
装置的内部结构和外部连接方式如图1所示。装置有5根外部引出线，其中 3根连接A、 C相电流互感器，电流互感器的公共端连接机壳，接入大地；另外 2根连接脱扣线圈，控制断路器分闸。虚线框内为装置的内部结构，连接方式为 导线连接。
装置的正视图如图2所示。通过对可调电阻B、 C的调节，可以将整定值调 整为5A。调节方法如下：将装置与A相电流互感器连接好，并将互感器输出电 流调整为5A，然后逆着图中箭头方向调节可调电阻B。当LED灯D由不亮变为 均匀闪烁，A相整定值即已调整为5A。 C相整定值调整方法同A相的调整方法。
整定值调整完毕后，进行保护时间的设置。图2中10路拨码开关A的1〜4 路设置过流延时时间，有16种选择，具体时间可以根据需要在单片机程序里面 固定；5〜6路设置速断倍数，即短路电流的阈值，可有4种选择；7〜8路设置 速断延时时间，有4种选择；9〜10进行合闸躲涌流延时的设置，有四种选择。 这样，断路器的实际动作时间为合闸延时与过流、速断延时时间的总和。例如， 过流延时时间设置为1000ms，合闸延时时间设置为800ms，则断路器总动作时间 即为1000ras+800ms=1800ms。
在上述步骤都进行完毕后，将装置与线路断路器连接好并固定。图2中连线 1〜3连接电流互感器，4〜5连接脱扣线圈。当线路断路器突然上电时，装置启 动内部延时程序，躲过此时的涌流；在线路稳定运行后，若出现涌流，装置根据 算法能将其识别出来，不会使断路器误动作；只有在线路处于过流、短路状态下， 装置才控制其开关量输出电路，使其接通脱扣线圈驱动电路。脱扣线圈得电后， 击打断路器操动机构的锁扣环节，解除其死锁状态，断路器分闸。
在结构上，装置采用插件式结构，独立封闭单元机箱，密封性好，抗干扰、 坚固可靠，抗振动能力强。