孔玉輝，李良權，徐立軍，井瓊瓊，雷炳銀

（平高集團有限公司，河南平頂山 467001）

電力企業(yè)一直將電網事故的防范，尤其是電網瓦解與大面積停電等大型事故的防范作為保障電網平穩(wěn)安全運行的重點工作。電網事故具有影響面大、停電范圍廣的顯著特征，因此其供電可靠性的保障受到越來越多人的重視。然而電網事故仍然頻繁發(fā)生，對地區(qū)經濟的發(fā)展與電網的平穩(wěn)運行造成了極大影響。

在工業(yè)革命后，對于直流漏電流傳感保護功能的研究迅速興起，并在近幾十年獲得了普遍關注，其中，文獻[1]設計了一種數字式大口徑直流漏電流傳感器；文獻[2]應用小波包變換對直流系統(tǒng)各支路的漏電流進行分解，計算直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障時各支路的小波相對熵。

但是以往研究中，直流漏電流傳感保護功能的局限性較大，體現在故障識別率與供電可靠性方面，因此，引入接地故障特征增強識別方法，進行直流漏電流傳感保護功能設計。

1 直流漏電流傳感保護功能設計

1.1 直流漏電流傳感保護器硬件設計

對直流漏電流傳感保護器硬件進行設計[3-6]，其硬件構造包括控制模塊、電源模塊、振蕩電路、處理器模塊、傳感器模塊、漏電檢測電路。

1.1.1 控制模塊

首先對控制模塊進行設計?？刂颇K選用的微控制芯片型號為AT AVR 12 單片機，具備低功耗、高性能的特性，能夠實現傳感器的數據處理、采集以及其智能化設計，進而實現直流漏電流的自診斷與實時顯示功能，以及提供多種保護功能，包括只報警不脫扣、動作報警等。

AT AVR 12 單片機的具體技術參數如下：

工作寄存器32個，I/O 通用口線4個，EEPROM大小為512 B，T/C 個數（比較模式）為3個，SRAM 大小為1 kB，Flash 可編程系統(tǒng)大小為1 kB，可進行特殊微控制。芯片集成功能主要體現為工作存儲器、非易失的數據與程序，獨立預分頻器2個，8 位計數器/定時器具備比較器功能與獨立預分頻器功能，位計數器/定時器具備捕捉功能、比較功能與預分頻器功能，四通道PWM，專用供電電源為單獨模擬電源，LED 指示燈包括缺相燈、欠壓燈、漏電燈、運行燈。

1.1.2 電源模塊

直流漏電流傳感保護器工作的電網是110 V直流電網，因此可以通過直流外部24 V 電源對其進行供電。據此設計的電源模塊電路示意圖如圖1所示[7-9]。該電路能夠在直流20～150 V 的范圍內穩(wěn)定工作，其輸出電壓為12 V 和5 V，輸出功率可達10 W。

圖1 電源模塊電路圖

1.1.3 振蕩電路

在直流漏電流傳感器保護器中，需要向變壓器線圈提供方波勵磁電壓，以此設計振蕩電路。由于方波電壓的狀態(tài)可分為低電平和高電平兩種，因此在振蕩電路中引入電壓比較器是十分必要的。

由于振蕩需要在這兩種狀態(tài)之間自由轉換，因此振蕩電路也需要及時反饋。另外，輸出狀態(tài)會產生周期性的變化，因此有必要在振蕩電路中設計延遲環(huán)節(jié)來確定實際輸出狀態(tài)保持的時間。在振蕩電路的設計中，運算放大器采用軌對軌輸出和輸入方式，可實現±12 V 的電壓輸出擺幅和400 Hz 的工作頻率。

1.1.4 處理器模塊

處理器模塊選擇的中央處理器型號為STM23 F704ZGT5，該中央處理器具備功耗低、資源充足、設計靈活、接口豐富的特征，具體技術數據如表1所示。

表1 中央處理器的具體技術數據

1.1.5 傳感器模塊

傳感器模塊由電流傳感器、電壓傳感器、振動傳感器構成。

其中，電流傳感器選用的型號為YW89-P2，類型為光纖電流傳感器[10-11]，其顯示方式為LCD，頻率在46～66 Hz 之間，配備斷碼液晶屏與32 位處理器，可以對電流信號進行實時測量并進行聲光報警，具備供電中斷、過流、欠壓、過壓、錯相、缺相、失電等保護功能。除此之外，該電流傳感器還具備事件記錄功能、增選功能以及擴展功能等。通過事件記錄功能能夠對最近的一百條事件信息進行循環(huán)記錄，在掉電時也不會丟失記錄信息。而通過擴展功能，能夠實現一路繼電器輸出與兩路開關量輸入。增選功能則可以實現4 路溫度與一路剩余電流的監(jiān)測。

電壓傳感器選用的型號為MKI-DVZ，該傳感器的感應范圍為0～12 000 A，采用環(huán)氧樹脂電感封裝，電源電壓為15 V，屬于霍爾開環(huán)電流傳感器。

振動傳感器選用的型號為CTY2900，其感應范圍為0～2 000 μm，是一種一體化傳感器。該傳感器的輸出電流范圍為4～22 mA，通過304不銹鋼進行封裝。

1.16 漏電檢測模塊

漏電檢測電路中包含時序控制電路、復位電路、延遲電路、積分器、漏電檢測電路，具體電路框圖如圖2 所示。

圖2 漏電檢測模塊電路框圖

1.2 直流漏電流傳感保護器軟件設計

對直流漏電流傳感保護器軟件進行設計，其軟件構造包括特征識別模塊、中斷服務模塊。

1.2.1 特征識別模塊

基于接地故障特征增強識別方法，對特征識別模塊進行設計。設計的特征識別模塊主要通過卷積神經網絡進行直流漏電流接地故障特征增強識別[12-14]。該卷積神經網絡的卷積層共3個，九層結構，具體層間配置如表2 所示。

表2 卷積神經網絡的具體層間配置

為加速網絡收斂速度，提升故障識別精度，選擇Relu 函數作為激活函數。

1.2.2 中斷服務模塊

中斷服務模塊主要通過中斷服務程序實現外部觸發(fā)、中斷的目的。該程序有兩個任務，一個是打開AD 計算方波電壓頻率，另一個是計算AD 轉換采樣的實際間隔時間。中斷服務程序的具體流程如圖3所示。

圖3 中斷服務程序的具體流程

2 保護功能測試

2.1 仿真實驗設計

利用仿真實驗平臺對某直流電源系統(tǒng)進行仿真，并利用基于接地故障特征增強識別的直流漏電流傳感保護功能對仿真的直流電源系統(tǒng)進行漏電流傳感保護測試。

計算機1 采用的處理器為因特爾酷睿i5（雙核四線程），其GPU 是NVIDIA ForceGe 830M，內存規(guī)格為DDR3 4.00GB，計算機2 采用的處理器為因特爾酷睿i7（六核十二線程），其GPU 是NVIDIA ForceGe RTX，內存規(guī)格為DDR4 16.00 GB。

為了增強實驗結果的對比度，實驗以現有的兩種直流漏電流傳感保護功能作為對比項目（分別是文獻[1]方法與文獻[2]方法），以此，測試故障識別率和供電可靠性。實驗要求及約束條件如下：

1）在系統(tǒng)正常運行期間，故障波形具有很強的隨機性，接地故障的發(fā)生往往伴隨著滅弧和再燃，需要時刻注意此類問題。

2）受接地介質隨機運動的影響，故障回路會間歇性地接通，故障電流在某一時刻會突然增大或減小，具有很強的隨機性，因此，需要設置復雜的閾值。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 故障識別率測試結果

對3 種實驗直流漏電流傳感保護功能的故障識別率進行測試，基于接地故障特征增強識別的直流漏電流傳感保護功能與文獻[1]方法、文獻[2]方法的故障識別率測試結果如表3 所示。

表3 故障識別率測試結果

根據表3 的故障識別率測試結果可知，基于接地故障特征增強識別的直流漏電流傳感保護功能的故障識別率最高可達95.75%，高于文獻[1]方法、文獻[2]方法的故障識別率。

2.2.2 供電可靠性測試結果

進行供電可靠性的測試，基于接地故障特征增強識別的直流漏電流傳感保護功能與文獻[1]方法、文獻[2]方法的供電可靠性測試結果具體如表4所示。

表4 供電可靠性測試結果

根據表4 的供電可靠性測試結果可知，基于接地故障特征增強識別的直流漏電流傳感保護功能整體呈現較高、較穩(wěn)定的供電可靠性，相較于文獻[1]方法、文獻[2]方法，供電可靠性更強，這是因為文中方法通過卷積神經網絡進行直流漏電流接地故障特征增強識別，以卷積神經網絡的具體層間配置為優(yōu)化原則，加速網絡收斂速度，連接更為順暢，減少停電頻率，提高供電可靠性。

3 結束語

引入接地故障特征增強識別方法，對直流漏電流傳感保護功能進行設計，在控制模塊、電源模塊、特征識別模塊、中斷服務模塊等多模塊聯合優(yōu)化下，實現了故障識別率的提升與供電可靠性的增強。

但是受實驗時間與實驗平臺的限制，尚未驗證供電數據的分類效果，在未來的研究中，擬采用粒子群算法對貝葉斯分類器進行特征空間優(yōu)化，提高分類準確性和計算時效性，進一步提升方法的實際應用范圍。