基于接地故障特征增强识别的直流漏电流传感保护功能设计

孔玉辉，李良权，徐立军，井琼琼，雷炳银

（平高集团有限公司，河南平顶山 467001）

电力企业一直将电网事故的防范，尤其是电网瓦解与大面积停电等大型事故的防范作为保障电网平稳安全运行的重点工作。电网事故具有影响面大、停电范围广的显著特征，因此其供电可靠性的保障受到越来越多人的重视。然而电网事故仍然频繁发生，对地区经济的发展与电网的平稳运行造成了极大影响。

在工业革命后，对于直流漏电流传感保护功能的研究迅速兴起，并在近几十年获得了普遍关注，其中，文献[1]设计了一种数字式大口径直流漏电流传感器；文献[2]应用小波包变换对直流系统各支路的漏电流进行分解，计算直流系统发生接地故障时各支路的小波相对熵。

但是以往研究中，直流漏电流传感保护功能的局限性较大，体现在故障识别率与供电可靠性方面，因此，引入接地故障特征增强识别方法，进行直流漏电流传感保护功能设计。

1 直流漏电流传感保护功能设计

1.1 直流漏电流传感保护器硬件设计

对直流漏电流传感保护器硬件进行设计[3-6]，其硬件构造包括控制模块、电源模块、振荡电路、处理器模块、传感器模块、漏电检测电路。

1.1.1 控制模块

首先对控制模块进行设计。控制模块选用的微控制芯片型号为AT AVR 12 单片机，具备低功耗、高性能的特性，能够实现传感器的数据处理、采集以及其智能化设计，进而实现直流漏电流的自诊断与实时显示功能，以及提供多种保护功能，包括只报警不脱扣、动作报警等。

AT AVR 12 单片机的具体技术参数如下：

工作寄存器32个，I/O 通用口线4个，EEPROM大小为512 B，T/C 个数（比较模式）为3个，SRAM 大小为1 kB，Flash 可编程系统大小为1 kB，可进行特殊微控制。芯片集成功能主要体现为工作存储器、非易失的数据与程序，独立预分频器2个，8 位计数器/定时器具备比较器功能与独立预分频器功能，位计数器/定时器具备捕捉功能、比较功能与预分频器功能，四通道PWM，专用供电电源为单独模拟电源，LED 指示灯包括缺相灯、欠压灯、漏电灯、运行灯。

1.1.2 电源模块

直流漏电流传感保护器工作的电网是110 V直流电网，因此可以通过直流外部24 V 电源对其进行供电。据此设计的电源模块电路示意图如图1所示[7-9]。该电路能够在直流20～150 V 的范围内稳定工作，其输出电压为12 V 和5 V，输出功率可达10 W。

图1 电源模块电路图

1.1.3 振荡电路

在直流漏电流传感器保护器中，需要向变压器线圈提供方波励磁电压，以此设计振荡电路。由于方波电压的状态可分为低电平和高电平两种，因此在振荡电路中引入电压比较器是十分必要的。

由于振荡需要在这两种状态之间自由转换，因此振荡电路也需要及时反馈。另外，输出状态会产生周期性的变化，因此有必要在振荡电路中设计延迟环节来确定实际输出状态保持的时间。在振荡电路的设计中，运算放大器采用轨对轨输出和输入方式，可实现±12 V 的电压输出摆幅和400 Hz 的工作频率。

1.1.4 处理器模块

处理器模块选择的中央处理器型号为STM23 F704ZGT5，该中央处理器具备功耗低、资源充足、设计灵活、接口丰富的特征，具体技术数据如表1所示。

表1 中央处理器的具体技术数据

1.1.5 传感器模块

传感器模块由电流传感器、电压传感器、振动传感器构成。

其中，电流传感器选用的型号为YW89-P2，类型为光纤电流传感器[10-11]，其显示方式为LCD，频率在46～66 Hz 之间，配备断码液晶屏与32 位处理器，可以对电流信号进行实时测量并进行声光报警，具备供电中断、过流、欠压、过压、错相、缺相、失电等保护功能。除此之外，该电流传感器还具备事件记录功能、增选功能以及扩展功能等。通过事件记录功能能够对最近的一百条事件信息进行循环记录，在掉电时也不会丢失记录信息。而通过扩展功能，能够实现一路继电器输出与两路开关量输入。增选功能则可以实现4 路温度与一路剩余电流的监测。

电压传感器选用的型号为MKI-DVZ，该传感器的感应范围为0～12 000 A，采用环氧树脂电感封装，电源电压为15 V，属于霍尔开环电流传感器。

振动传感器选用的型号为CTY2900，其感应范围为0～2 000 μm，是一种一体化传感器。该传感器的输出电流范围为4～22 mA，通过304不锈钢进行封装。

1.16 漏电检测模块

漏电检测电路中包含时序控制电路、复位电路、延迟电路、积分器、漏电检测电路，具体电路框图如图2 所示。

图2 漏电检测模块电路框图

1.2 直流漏电流传感保护器软件设计

对直流漏电流传感保护器软件进行设计，其软件构造包括特征识别模块、中断服务模块。

1.2.1 特征识别模块

基于接地故障特征增强识别方法，对特征识别模块进行设计。设计的特征识别模块主要通过卷积神经网络进行直流漏电流接地故障特征增强识别[12-14]。该卷积神经网络的卷积层共3个，九层结构，具体层间配置如表2 所示。

表2 卷积神经网络的具体层间配置

为加速网络收敛速度，提升故障识别精度，选择Relu 函数作为激活函数。

1.2.2 中断服务模块

中断服务模块主要通过中断服务程序实现外部触发、中断的目的。该程序有两个任务，一个是打开AD 计算方波电压频率，另一个是计算AD 转换采样的实际间隔时间。中断服务程序的具体流程如图3所示。

图3 中断服务程序的具体流程

2 保护功能测试

2.1 仿真实验设计

利用仿真实验平台对某直流电源系统进行仿真，并利用基于接地故障特征增强识别的直流漏电流传感保护功能对仿真的直流电源系统进行漏电流传感保护测试。

计算机1 采用的处理器为因特尔酷睿i5（双核四线程），其GPU 是NVIDIA ForceGe 830M，内存规格为DDR3 4.00GB，计算机2 采用的处理器为因特尔酷睿i7（六核十二线程），其GPU 是NVIDIA ForceGe RTX，内存规格为DDR4 16.00 GB。

为了增强实验结果的对比度，实验以现有的两种直流漏电流传感保护功能作为对比项目（分别是文献[1]方法与文献[2]方法），以此，测试故障识别率和供电可靠性。实验要求及约束条件如下：

1）在系统正常运行期间，故障波形具有很强的随机性，接地故障的发生往往伴随着灭弧和再燃，需要时刻注意此类问题。

2）受接地介质随机运动的影响，故障回路会间歇性地接通，故障电流在某一时刻会突然增大或减小，具有很强的随机性，因此，需要设置复杂的阈值。

2.2 实验结果分析

2.2.1 故障识别率测试结果

对3 种实验直流漏电流传感保护功能的故障识别率进行测试，基于接地故障特征增强识别的直流漏电流传感保护功能与文献[1]方法、文献[2]方法的故障识别率测试结果如表3 所示。

表3 故障识别率测试结果

根据表3 的故障识别率测试结果可知，基于接地故障特征增强识别的直流漏电流传感保护功能的故障识别率最高可达95.75%，高于文献[1]方法、文献[2]方法的故障识别率。

2.2.2 供电可靠性测试结果

进行供电可靠性的测试，基于接地故障特征增强识别的直流漏电流传感保护功能与文献[1]方法、文献[2]方法的供电可靠性测试结果具体如表4所示。

表4 供电可靠性测试结果

根据表4 的供电可靠性测试结果可知，基于接地故障特征增强识别的直流漏电流传感保护功能整体呈现较高、较稳定的供电可靠性，相较于文献[1]方法、文献[2]方法，供电可靠性更强，这是因为文中方法通过卷积神经网络进行直流漏电流接地故障特征增强识别，以卷积神经网络的具体层间配置为优化原则，加速网络收敛速度，连接更为顺畅，减少停电频率，提高供电可靠性。

3 结束语

引入接地故障特征增强识别方法，对直流漏电流传感保护功能进行设计，在控制模块、电源模块、特征识别模块、中断服务模块等多模块联合优化下，实现了故障识别率的提升与供电可靠性的增强。

但是受实验时间与实验平台的限制，尚未验证供电数据的分类效果，在未来的研究中，拟采用粒子群算法对贝叶斯分类器进行特征空间优化，提高分类准确性和计算时效性，进一步提升方法的实际应用范围。