一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护技术与行波测距领域，具体地，涉及一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统。

背景技术

随着电力系统的不断发展以及电力设备的大规模投运，现代配电网逐渐成为较为复杂的系统，当线路中发生故障后如何对故障进行快速查找和排除成为了目前提高配电网供电安全性与可靠性的主要研究课题之一，目前常用行波测距技术定位线路的故障点，其采集的行波数据的准确性决定了故障点位置的准确性。

目前现有的配电网设备及终端，尤其是柱上断路器，作为配电网中常用的设备，一般不具备高频行波信号采集功能，而目前能应用在配电网中的高频行波信号采集装置通常为整机设计，在线路接入时操作繁琐，且针对配电网大规模投入高频行波信号装置则会导致成本巨大，甚至在一定程度上高频行波信号装置可能会对配电网的正常运行与检修造成影响。

发明内容

为了解决柱上断路器无法采集高频行波信号以及传统高频行波信号采集装置通常为整机设计，线路接入操作复杂且成本大的问题，本发明提供了一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统，所述系统包括：

电压采集模块：用于基于柱上断路器内置的信号采集组件采集配电线路的高频行波信号；

电流采集模块：用于基于所述信号采集组件采集与一次电流对应的二次侧感应电动势信号，基于所述二次侧感应电动势信号获得二次侧感应电动势输出波形；

信号处理模块：用于基于信号处理组件处理所述高频行波信号获得所述高频行波信号的二次输出波形，基于所述二次输出波形和所述二次侧感应电动势输出波形定位配电线路的故障点。

电压采集模块通过柱上断路器内置的信号采集组件采集配电线路的高频行波信号，电流采集模块通过所述信号采集组件采集与一次电流对应的二次侧感应电动势信号，再基于所述二次侧感应电动势信号获得二次侧感应电动势输出波形，所述电压采集模块将所述高频行波信号传输至信号处理模块，所述信号处理模块通过信号处理组件处理所述高频行波信号获得所述高频行波信号的二次输出波形，再基于所述二次输出波形和所述二次侧感应电动势输出波形定位配电线路的故障点。本系统通过柱上断路器内置的信号采集组件对配电线路的高频信号进行采集，解决了柱上断路器无法采集高频行波信号的问题，同时信号采集组件内置于柱上断路器，与柱上断路器相结合，线路接入简单，不需要额外的高频行波信号采集装置，降低成本。

为了准确获得配电线路的高频行波信号以及信号采集组件的安装不影响柱上断路器本身电压互感器的功能与精度，本系统的信号采集组件采用了柱上断路器本身的电压互感器，并在其基础上增加了阻容分压型电子式互感器，电压互感器与阻容分压型电子式互感器相连接，使用阻容分压型电子式互感器采集配电线路的高频行波信号，且在电压互感器的基础上使用阻容分压型电子式互感器对其进行改装，电压互感器的相比和差比变化幅度微小，不影响电压互感器的功能和精度，实现采集高频信号的同时不影响柱上断路器本身的功能与精度。

进一步地，所述信号采集组件包括电压互感器和阻容分压型电子式互感器，所述电压互感器的输入端与所述柱上断路器的进线侧连接，所述电压互感器的输出端与所述柱上断路器的出线侧连接，所述电压互感器包括高压臂电容C1和低压臂电容C2，所述高压臂电容C1正极与所述电压互感器的输入端连接，所述高压臂电容C1负极与所述低压臂电容C2正极连接，所述低压臂电容C2负极与所述阻容分压型电子式互感器的输入端连接，所述阻容分压型电子式互感器的接地端接地。

进一步地，所述阻容分压型电子式互感器包括阻容分压板、压敏电阻、采样电容C和采样电阻R1，所述压敏电阻、所述采样电容C和所述采样电阻R1三者并联，所述压敏电阻、所述采样电容C和所述采样电阻R1的输入端均与所述阻容分压板的输入端连接，所述压敏电阻、所述采样电容C和所述采样电阻R1的输出端均与所述阻容分压板的输出端连接。

为了可以更准确的定位配电线路的故障点和不影响柱上断路器本身电流互感器的设计结构和精度，本系统的信号采集组件还采用了柱上断路器本身的电流互感器，并在其基础上增加了采样电阻，电流互感器与采样电阻并联连接，采集采样电阻上与一次电流对应的二次侧感应电动势信号，基于二次侧感应电动势信号反映配电线路的一次电流的变化情况，通过其变化情况与高频行波信号可以更准确定位配电线路的故障点，且电流互感器与采样电阻采用并联连接，其流过电流互感器的一次电流的电流值不变，不影响柱上断路器本身电流互感器的设计结构和精度。

电流互感器的二次侧出线端与采样电阻并联，并采集采样电阻上与一次电流对应的二次侧感应电动势信号。

进一步地，所述信号采集组件还包括电流互感器和采样电阻R2，所述电流互感器的输入端与所述柱上断路器的输入端连接，所述电流互感器的输出端与所述柱上断路器的输出端连接，所述电流互感器的二次侧接线端的一端与所述采样电阻R2的一端连接，所述电流互感器的二次侧接线端的另一端与所述采样电阻R2的另一端连接。

为了使高频行波信号更清晰和准确，本系统还增加了信号处理组件，信号处理组件包括滤波电路、放大电路、多通道差分放大电路和采样芯片，滤波电路可以滤除高频行波信号中的多余杂峰，使其更准确，放大电路、多通道差分放大电路可以放大高频行波信号，使其波形更加清晰，采样芯片可以采集处理后获得的二次输出波形。

进一步地，所述信号处理组件包括滤波电路、放大电路、多通道差分放大电路和采样芯片，所述滤波电路的输入端与所述阻容分压型电子式互感器的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与所述多通道差分放大电路的输入端连接，所述多通道差分放大电路的输出端与所述采样芯片的输入端连接，所述采样芯片的输出端用于与波形展示器连接。

进一步地，所述阻容分压型电子式互感器用于采集配电线路的所述高频行波信号。

进一步地，基于所述采样电阻R2获得与一次电流对应的所述二次侧感应电动势信号。

为了进一步通过所述二次输出波形的变化情况定位配电线路的故障点，本系统还基于信号采集组件获得高频行波信号的电压U3，再基于电压U3获得二次输出波形的电压U4，通过电压U4的变化情况判断二次输出波形的变化情况，从而进一步准确定位配电线路的故障点。

进一步地，所述电压采集模块还用于基于所述信号采集组件获得所述高频行波信号的电压U3和所述电压互感器的输出电压U1；基于所述电压U3获得所述二次输出波形的电压U4，所述输出电压U1和所述电压U4用于反映所述二次输出波形的变化情况；基于所述信号采集组件获得所述高频行波信号的电压U3和所述电压互感器的输出电压U1的具体步骤包括：获取配电线路的输入电压U；基于所述高压臂电容C1和所述低压臂电容C2获得所述阻容分压型电子式互感器的等效电容C3；基于所述输入电压U、所述高压臂电容C1、所述低压臂电容C2、所述采样电阻R1和所述采样电容C获得所述输出电压U1；基于所述输入电压U、所述等效电容C3和所述采样电阻R1获得所述阻容分压型电子式互感器的输出电压U2；基于所述输出电压U2获得所述电压U3。

柱上断路器加入阻容分压型电子式互感器后，电压互感器和阻容分压型电子式互感器的分压比发生了变化，为了准确获得二次输出波形的电压U4，本系统考虑了电压互感器和阻容分压型电子式互感器的结构组成，采用第一公式和第二公式分别计算电压互感器的输出电压U1和阻容分压型电子式互感器的输出电压U2。

进一步地，本系统基于第一公式计算获得所述电压互感器的输出电压U1，所述第一公式为：

其中，U1表示所述电压互感器的输出电压，U表示配电线路的输入电压，C1和C2分别表示所述电压互感器的高压臂电容和低压臂电容，R表示所述采样电阻R1的电阻，C表示所述采样电容，j表示虚数，ω表示角速度。

本系统基于第二公式计算获得所述阻容分压型电子式互感器的输出电压U2，所述第二公式为：

其中，U2表示所述阻容分压型电子式互感器的输出电压，C3表示所述等效电容C3，dU/dt表示所述输入电压U对时间t的微分。

进一步地，基于信号处理组件处理所述高频行波信号获得所述高频行波信号的二次输出波形的具体步骤包括：所述阻容分压型电子式互感器将所述高频行波信号输出至所述滤波电路，所述滤波电路对所述高频行波信号进行杂峰滤除获得第一波形，所述滤波电路将所述第一波形输出至所述放大电路，所述放大电路对所述第一波形进行放大获得第二波形，所述放大电路将所述第二波形输出至所述多通道差分放大电路，所述多通道差分放大电路对所述第二波形进行处理获得第三波形，所述多通道差分放大电路将所述第三波形输出至所述采样芯片，所述采样芯片对所述第三波形进行采集获得所述二次输出波形。

本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.使用柱上断路器内置的信号采集组件采集高频行波信号和与一次电流对应的二次侧感应电动势输出波形，实现了柱上断路器可采集高频信号的功能，同时信号采集组件内置于柱上断路器，与柱上断路器相结合，实现一体化且线路接入简单，不需要额外的高频行波信号采集装置，降低成本，且信号采集组件不影响柱上断路器本身的功能和精度。2.基于信号处理组件处理高频行波信号获得二次输出波形，二次输出波形和二次侧感应电动势输出波形可以准确定位配电线路的故障点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统的示意图；

图2是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统中安装阻容分压型电子式互感器前后的结构对比图，其中，C3和C4分别表示未安装阻容分压型电子式互感器时所述电压感应器的高压臂电容和低压臂电容；

图3是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统中阻容分压型电子式互感器的阻容分压板的设计结构图，其中，U为输入端口；RV为压敏电阻的接口；R1为采样电阻R1的接口，C为采样电阻的接口，E为输出接口；

图4是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统的安装阻容分压型电子式互感器前后柱上断路器的比差对比图；

图5是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统的安装阻容分压型电子式互感器前后柱上断路器的相差对比图；

图6是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统的二次输出波形示例图一；

图7是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统的二次输出波形示例图二；

图8是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统的二次感应电动势输出波形示例图一；

图9是本发明中一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统的二次感应电动势输出波形示例图二。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例一

参考图1、图2和图3，本实施例提供了一种用于柱上断路器的高频信号采集处理系统，所述系统包括：

电压采集模块：用于基于柱上断路器内置的信号采集组件采集配电线路的高频行波信号；

电流采集模块：用于基于所述信号采集组件采集与一次电流对应的二次侧感应电动势信号，基于所述二次侧感应电动势信号获得二次侧感应电动势输出波形；

信号处理模块：用于基于信号处理组件处理所述高频行波信号获得所述高频行波信号的二次输出波形，基于所述二次输出波形和所述二次侧感应电动势输出波形定位配电线路的故障点。

其中，所述信号采集组件包括电压互感器和阻容分压型电子式互感器，所述电压互感器的输入端与所述柱上断路器的进线侧连接，所述电压互感器的输出端与所述柱上断路器的出线侧连接，所述电压互感器包括高压臂电容C1和低压臂电容C2，所述高压臂电容C1正极与所述电压互感器的输入端连接，所述高压臂电容C1负极与所述低压臂电容C2正极连接，所述低压臂电容C2负极与所述阻容分压型电子式互感器的输入端连接，所述阻容分压型电子式互感器的接地端接地。所述阻容分压型电子式互感器用于采集配电线路的所述高频行波信号。

其中，所述阻容分压型电子式互感器包括阻容分压板、压敏电阻、采样电容C和采样电阻R1，所述压敏电阻、所述采样电容C和所述采样电阻R1三者并联，所述压敏电阻、所述采样电容C和所述采样电阻R1的输入端均与所述阻容分压板的输入端连接，所述压敏电阻、所述采样电容C和所述采样电阻R1的输出端均与所述阻容分压板的输出端连接。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例中，所述信号采集组件还包括电流互感器和采样电阻R2，所述电流互感器的输入端与所述柱上断路器的输入端连接，所述电流互感器的输出端与所述柱上断路器的输出端连接，所述电流互感器的二次侧接线端的一端与所述采样电阻R2的一端连接，所述电流互感器的二次侧接线端的另一端与所述采样电阻R2的另一端连接。基于所述采样电阻R2获得与一次电流对应的所述二次侧感应电动势信号。

实施例三

参考图1、图2和图3，在上述实施例的基础上，本实施例中，所述信号处理组件包括滤波电路、放大电路、多通道差分放大电路和采样芯片，所述滤波电路的输入端与所述阻容分压型电子式互感器的输出端连接，所述滤波电路的输出端与所述放大电路的输入端连接，所述放大电路的输出端与所述多通道差分放大电路的输入端连接，所述多通道差分放大电路的输出端与所述采样芯片的输入端连接，所述采样芯片的输出端用于与波形展示器连接。

本实施例中，所述滤波电路可以为二阶LC滤波电路、高通滤波电路或RC高通滤波电路，所述放大电路可以为以高速运算放大器为基本元件构建的单端放大电路，或以低功耗运算放大器为基本元件构建的单端放大电路；所述多通道差分放大电路可以为以单端转差分放大器为基本元件搭建的单端差分放大电路，或以高速差分放大器为基本元件搭建的差分放大电路；所述采样芯片可以为高速AD采样芯片或高速ADC采样芯片；本实施例中，优选的，所述滤波电路的输入端与所述阻容分压型电子式互感器的输出端通过同轴线缆连接，所述同轴线缆能减少高频行波信号传输过程中的干扰且传输高频行波信号稳定。

其中，基于信号处理组件处理所述高频行波信号获得所述高频行波信号的二次输出波形的具体步骤包括：所述阻容分压型电子式互感器将所述高频行波信号输出至所述滤波电路，所述滤波电路对所述高频行波信号进行杂峰滤除获得第一波形，所述滤波电路将所述第一波形输出至所述放大电路，所述放大电路对所述第一波形进行放大获得第二波形，所述放大电路将所述第二波形输出至所述多通道差分放大电路，所述多通道差分放大电路对所述第二波形进行处理获得第三波形，所述多通道差分放大电路将所述第三波形输出至所述采样芯片，所述采样芯片对所述第三波形进行采集获得所述二次输出波形。

实施例四

参考图1、图2、图3和图6-图9，在上述实施例的基础上，本实施例中，所述阻容分压型电子式互感器采集配电线路的所述高频行波信号并将其输出至所述滤波电路，所述滤波电路对所述高频行波信号进行杂峰滤除获得第一波形，所述滤波电路将所述第一波形输出至所述放大电路，所述放大电路对所述第一波形进行放大获得第二波形，所述放大电路将所述第二波形输出至所述多通道差分放大电路，所述多通道差分放大电路对所述第二波形进行处理获得第三波形，所述多通道差分放大电路将所述第三波形输出至所述采样芯片，所述采样芯片对所述第三波形进行采集获得所述二次输出波形。

同时，所述电流互感器采集所述采样电阻R2上的与一次电流对应的所述二次侧感应电动势信号，基于所述二次侧感应电动势信号获得二次侧感应电动势输出波形。所述二次输出波形和所述二次侧感应电动势输出波形可以定位配电线路的故障点。

实施例五

参考图1、图2和图3，在上述实施例的基础上，本实施例中，所述电压采集模块还用于基于所述信号采集组件获得所述高频行波信号的电压U3和所述电压互感器的输出电压U1；基于所述电压U3获得所述二次输出波形的电压U4，所述输出电压U1和所述电压U4用于反映所述二次输出波形的变化情况；基于所述信号采集组件获得所述高频行波信号的电压U3和所述电压互感器的输出电压U1的具体步骤包括：通过电压表获取配电线路的输入电压U；基于所述高压臂电容C1和所述低压臂电容C2获得所述阻容分压型电子式互感器的等效电容C3；基于所述输入电压U、所述高压臂电容C1、所述低压臂电容C2、所述采样电阻R1和所述采样电容C获得所述输出电压U1；基于所述输入电压U、所述等效电容C3和所述采样电阻R1获得所述阻容分压型电子式互感器的输出电压U2；基于所述输出电压U2获得所述电压U3。

其中，本系统基于第一公式计算获得所述电压互感器的输出电压U1，所述第一公式为：

其中，U1表示所述电压互感器的输出电压，U表示配电线路的输入电压，C1和C2分别表示所述电压互感器的高压臂电容和低压臂电容，R表示所述采样电阻R1的电阻，C表示所述采样电容，j表示虚数，ω表示角速度。

其中，本系统基于第二公式计算获得所述阻容分压型电子式互感器的输出电压U2，所述第二公式为：

其中，U2表示所述阻容分压型电子式互感器的输出电压， C3表示所述等效电容C3，dU/dt表示所述输入电压U对时间t的微分。

其中， 所述第二公式的条件为

实施例六

参考图2和图4-图9， 在上述实施例的基础上， 本实施例举例说明柱上断路器安装阻容分压型电子式互感器后， 不影响柱上断路器本身的功能和精度。

参考图2， 柱上断路器安装阻容分压型电子式互感器前， 所述电压互感器的所述输出电压U1为：

其中，/>

柱上断路器安装阻容分压型电子式互感器后， 所述电压互感器的所述输出电压U1为：

其中，/>

设所述电压互感器的输出电压U1的变比变化系数a＝K2/K1， 则有：

由于使用所述阻容分压型电子式互感器对所述电压互感器进行改装， C1与C3的容值相等，C2与C4的容值相等， 本质上为同一电容， 故由公式可看出变比变化系数a的变化幅度主要取决于分子式与分母式相关复数虚部变化， 即计算式的分子分母差别主要在所述采样电容C的数值变化， 即公式中C的变化。在保证所述采样电阻R1参数稳定的前提下， 此时所述电压互感器的输出电压U1的变化幅度主要取决于所述采样电容C和所述电压互感器的所述高压臂电容C1与所述低压臂电容C2的数值比较程度，但在实际应用中，所述采样电容C的数量级为10-

在实验测试中通过使用示波器等波形展示设备对柱上断路器进行精度测试， 直接进行波形输出，如图4和图5。

由上述可得，所述阻容分压型电子式互感器对柱上断路器电压互感器的精度及相差影响幅度非常微小，基本可忽略不计，符合精度要求。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。