CN102590703B - 基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法，其步骤主要为：采集配电网馈线母线的三相电流信号和电压信号，作为选线元件的输入量；通过解耦计算，得到各条馈线的零序电流和零序电压并滤除对应电气量中的工频分量；根据馈线零序暂态电流求取故障暂态过程中累积的零序暂态电荷量；通过比较所得馈线零序暂态电压与零序暂态电荷量的相关系数值，判定相关系数最小的馈线为故障馈线，完成故障馈线的识别。本发明在各种故障条件下均能可靠识别故障馈线，仿真结果表明其在各种运行工况条件下均有很高的灵敏度和可靠性，且抗干扰性较好，对设备无特殊要求，易于实现谐振接地***的快速故障诊断。

Description

基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法

技术领域

本发明涉及电力***中一种基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法。

背景技术

目前，采用消弧线圈的谐振接地***由于线路发生单相接地故障后，故障电流受到消弧线圈的补偿而变小，所以能够自行熄灭接地电弧；同时谐振接地***由于单相接地故障后仍然保持线电压三相对称，不影响对负荷的供电能力，因此允许带电运行1-2小时。但是随着配电网的发展，母线馈线逐年增多以及线路中电缆的使用，使得短路电容电流增大，长时间运行容易产生多点接地故障，所以必须在有限的运行时间内快速准确地判断出故障馈线，为进一步故障的精确定位和故障排除提供依据。

针对配电网谐振接地***的故障选线，工频量虽然能量大但受到消弧线圈的补偿，基波分量幅值和方向都会产生较大变化，基于此原因，分析故障后产生的暂态量，实现以暂态信息为判据的选线方法逐步成为研究和实用化的热点。但配电网中高阻接地故障一直是选线的难点，因为接地电阻过大，故障后暂态量的幅值非常小，对谐振接地***故障后准确选线造成极大困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有配电网谐振接地***故障选线的不足之处，提出一种基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法，该选线方法的选线灵敏度高、速度快，能为进一步的故障精确定位和故障排除提供更准确可靠的依据。

本发明为解决其技术问题，所采用的技术方案是一种基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法，其步骤为：

A、采集配电网各条馈线母线端的三相电流信号和三相电压信号，选取单相接地故障后各条馈线的第一个半周期或全周期的三相电流信号和三相电压信号的采样数据作为选线元件的输入量；

B、对选取的选线元件的输入量进行解耦，分别得到各条馈线的零序电流分量和零序电压分量；

C、滤除各条馈线零序电流和零序电压中的50Hz工频分量，得到相应的零序暂态电流和零序暂态电压，并根据各条馈线的零序暂态电流求出选定的第一个半周期或全周期时间内累积在馈线上的零序暂态电荷量；

D、建立各条馈线零序暂态电荷量与零序暂态电压的对应关系，算出各条馈线的暂态零序电压与零序暂态电荷量的相关系数，相关系数最小的馈线判定为故障馈线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明通过从半个或一个周期内累积的暂态电荷量在各馈线的分布和各馈线暂态电压变化的相对关系，由于利用的暂态信息量是累积，提高了对微弱信号的识别能力，克服了高阻接地故障导致暂态电流信息过小的缺点，解决了在高阻接地情况下暂态电气量极度微弱所导致选线不准的问题，提高了谐振接地***高阻接地选线的灵敏度和准确度。

二、谐振接地***中发生单相接地故障会同时产生两个暂态过程。一个是故障相电压突然降低而引起的放电电容电流，另一个是非故障相电压突然升高引起的充电电容电流。放电电容电流通过母线而流向故障点，直接经故障相线路对地电容与地构成流通回路，而充电电容电流则通过变压器然后经非故障相线路对地电容与地构成通路。本发明通过求取两个暂态充放电过程在第一个半周期或全周期中累积的总电荷量与对应暂态电压的分布关系，考察不同馈线两者的相关系数值，该相关系数值越接近1，反映了该馈线负载稳定、干扰小；相反该相关系数值越小于1，说明其负载发生了突变或受到了干扰；因此，发生故障后相关系数值最小的馈线可判定为故障线路。它不用直接识别暂态电流的方向和大小，选线判据简单易行，方便现场操作。

三、由于累积的暂态电荷量是谐振接地***发生单相接地故障时自身产生的充放电暂态过程形成，不受***中性点补偿程度的影响，也使其选线准确、可靠；且只需要采集母线侧各条馈线的三相电流量和电压量，对设备要求不高，同样，提高了方法的可靠性。

四、本发明只需要采集单相接地时电容充放电过程的暂态量，通常为几百到几千赫兹之间，所以采样频率范围在10kHz～20kHz即可，对采样设备无特殊要求，方便实施。

上述的C步中，根据各条馈线的零序暂态电流求出选定的第一个半周期或全周期时间内累积在馈线上的零序暂态电荷量的具体做法是；

由以下离散积分式得出发生单相故障始第i个采样间隔的时间内累积的电荷量

$Q_{0i}^{\′n}=Q_{0i-1}^{\′n}+\frac{1}{2}\×(I_{0i-1}^{\′n}-I_{0i}^{\′n})\×\mathrm{\Δt}$

式中，为第n条馈线的第i个采样间隔采集的零序暂态电流，Δt为采样间隔的时间；当或i＝T/Δt时，T为三相电的周期，算出的电荷量即为第一个半周期或全周期时间内累积在第n条馈线上的零序暂态电荷量

采用这种方法能够方便快速的计算出各条馈线在选取时间内累积的零序暂态电荷量。

下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

附图说明

图1本发明实施例的仿真实验的仿真模型拓扑结构。

图2本发明实施例的仿真实验中馈线1-4的零序暂态电荷量与零序暂态电压的关系。

具体实施方式

实施例

本发明的一种具体实施方式是，一种基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法，其步骤为：

A、采集配电网各条馈线母线端的三相电流信号和三相电压信号，选取单相故障后各条馈线的第一个半周期(即10ms)或全周期(20ms)的三相电流信号和三相电压信号的采样数据作为选线元件的输入量。

B、对选取的选线元件的输入量进行解耦，分别得到各条馈线的零序电流分量和零序电压分量。

解耦时，可采用各种现有的解耦进行，如可采用对称分量变换进行，具体如下：

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_0\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ 1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_A\\ I_B\\ I_C\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{U}_1\\ U_2\\ U_0\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\α}& {\mathrm{\α}}^2\\ 1& {\mathrm{\α}}^2& \mathrm{\α}\\ 1& 1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_A\\ U_B\\ U_C\end{array}\right]---\left(2\right)$

式(1)中，I_A、I_B、I_C分别为各条馈线在母线处测量得到的A、B、C相电流；I₀为零序电流；I₁为正序电流；I₂为负序电流。

式(2)中，U_A、U_B、U_C分别为各条馈线在母线处测量得到的A、B、C相电压；U₀为零序电压；U₁为正序电压；U₂为负序电压。

式(1)和(2)中，α为旋转因子，其表达式为：

$\mathrm{\α}=e^{{j120}^0}=-\frac{1}{2}+j\frac{\sqrt{3}}{2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\α}}^2=e^{j{240}^0}=-\frac{1}{2}-j\frac{\sqrt{3}}{2}---\left(4\right)$

通过以上的对称分量变换将发生单相接地故障后的不对称电流电压信息变换成对称的三个序分量，其中得到的馈线零序电流分量I₀，零序电压分量U₀即为下步操作需要的信息。

C、滤除各条馈线零序电流和零序电压中的50Hz工频分量，得到相应的零序暂态电流和零序暂态电压，并根据各条馈线的零序暂态电流求出选定的第一个半周期或全周期时间内累积在馈线上的零序暂态电荷量。

本例中，根据各条馈线的零序暂态电流求出选定的第一个半周期或全周期时间内累积在馈线上的零序暂态电荷量的具体做法是；

由以下离散积分式得出发生单相故障始第i个采样间隔的时间内累积的电荷量

$Q_{0i}^{\′n}=Q_{0i-1}^{\′n}+\frac{1}{2}\×(I_{0i-1}^{\′n}+I_{0i}^{\′n})\×\mathrm{\Δt}$

式中，为第n条馈线的第i个采样间隔采集的零序暂态电流，Δt为采样间隔的时间；当或i＝T/Δt时，T为三相电的周期(20ms)，算出的电荷量即为第一个半周期或全周期时间内累积在第n条馈线上的零序暂态电荷量

D、建立各条馈线零序暂态电荷量与零序暂态电压的对应关系，算出各条馈线的暂态零序电压与零序暂态电荷量的相关系数，相关系数最小的馈线判定为故障馈线。

各条馈线的暂态零序电压与零序暂态电荷量的相关系数的计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_n=\frac{\mathrm{Cov}(U_0^{\′n},Q_0^{\′n})}{\sqrt{D\left(U_0^{\′n}\right)}\·\sqrt{D\left(Q_0^{\′n}\right)}}$

式中，ρ_n表示第n条馈线的零序暂态电压量与零序暂态电荷量的相关系数，表示第n条馈线的零序暂态电压量和零序暂态电荷量的协方差，表示第n条馈线的零序暂态电压量的方差，表示第n条馈线的零序暂态电荷量的方差。

仿真实验：

为验证本发明方法对以上的方法进行了仿真实验，仿真实验结果表明它的选线灵敏度高，选线速度快，选线准确可靠。

结合一条实际运行线路参数，搭建电压等级为35kV的单电源4馈线谐振接地***为实验模型，线路为频率相关的架空线路模型。其拓扑如图1所示。相关参数为：馈线1的长度为30km，馈线2的长度为19km，馈线3的长度为10km，馈线4长度为6km。架空线路的正、负序阻抗Z₁＝Z₂＝0.25542+j0.37294Ω/km，正、负序导纳Y₁＝Y₂＝j3.0803×10^-6s/km，零序阻抗Z₀＝0.51664+j1.48516Ω/km，零序导纳Y₀＝j1.47574326×10^-6s/km，消弧线圈补偿度设置为过补偿10％，信号采集装置装设于各条馈线母线端进行三相故障电流和三相故障电压的数据采集。

数据采样率为20kHz，数据窗长度取414个点即一个周期，假设馈线1在t＝0.3243s距离母线l＝18km处发生A相接地故障，过渡电阻R＝2000Ω。则可算出：馈线1-4在第一个周期内累积的零序暂态电荷量，相应的零序暂态电荷量与零序暂态电压的相关系数值ρ₁＝-0.1084，ρ₂＝0.9992，ρ₃＝0.9986，ρ₄＝0.9951。依据判据条件，ρ₁最小，故馈线1为故障馈线。图2为，馈线1-4在第一个周期各时刻累积的零序暂态电荷量与零序暂态电压的关系曲线，图2中趋近于直线分布的曲线为馈线2，3，4的关系曲线，而无规则分布的曲线为故障馈线曲线，也说明馈线2，3，4上零序暂态电荷量和零序暂态电压呈高度线性正相关的关系，而馈线1上零序暂态电荷量和零序暂态电压没有明显的相关关系。

以下表1和表2给出了在不同故障距离和不同故障接地电阻的工况下本发明方法的选线结果。

表1为馈线1在不同距离处发生A相接地故障时(故障发生时间为0.3243s，过渡电阻R＝2800Ω)的选线结果比较：

表1

√：表示保护选线结果与实际设置故障馈线结果一致

表2为馈线1在以不同接地电阻发生A相接地故障时(故障发生时间为0.3243s，故障距离l＝15km)选线结果的比较。

表2

√：表示保护选线结果与实际设置故障馈线结果一致

表1和表2的选线结果表明，在各种故障距离和故障接地电阻的工况条件下，故障馈线的零序暂态电荷量与零序暂态电压的相关程度均明显低于健康馈线。其选线结果准确并易于操作人员读取，证实该发明方法具有很高的可靠性和实用性。

以上实验未考虑噪声影响，为验证本发明在实际工程应用中的适应性，对采集到的三相电流和电压信号叠加高斯白噪声，模拟在实际应用中可能会出现的信号干扰，以验证本发明在低信噪比下的选线可靠度。

馈线1距离母线20km处发生单相接地故障，数据采样率为20kHz，数据窗长度取故障后(t＝0.3243s)414个采样点(一个周期)，表3为本发明方法在不同信号信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)情况下的选线结果比较。

表3

√：表示保护选线结果与实际设置故障馈线结果一致

加高斯噪声实验结果表明：输入信号信噪比从10dB至70dB均可以正确完成故障选线。但可以发现信噪比在40dB以上时，健康馈线的零序暂态电荷量与零序暂态电压的相关系数都在0.95以上，说明健康馈线的零序暂态电荷量分布与零序暂态电压变化线性程度高。随着信噪比的降低，噪声对电气量有效信息造成较大影响，故障馈线和健康馈线的电荷量分布与之对应的相关系数值也产生较大变化。但故障馈线相关系数值始终明显低于健康馈线。综合以上故障工况的分析，说明本发明的选线灵敏度高，抗干扰能力强，能适应现场实际应用。

Claims (2)

1.一种基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法，其步骤为：

A、采集配电网各条馈线母线端的三相电流信号和三相电压信号，选取单相接地故障后各条馈线的第一个半周期或全周期的三相电流信号和三相电压信号的采样数据作为选线元件的输入量；

B、对选取的选线元件的输入量进行解耦，分别得到各条馈线的零序电流分量和零序电压分量；

C、滤除各条馈线零序电流和零序电压中的50Hz工频分量，得到相应的零序暂态电流和零序暂态电压，并根据各条馈线的零序暂态电流求出选定的第一个半周期或全周期时间内累积在各条馈线上的零序暂态电荷量；

D、建立各条馈线零序暂态电荷量与零序暂态电压的对应关系，算出各条馈线的零序暂态电压与零序暂态电荷量的相关系数，相关系数最小的馈线判定为故障馈线。

2.根据权利要求1所述的基于零序暂态电荷的谐振接地***单相接地故障选线方法，其特征在于：所述的C步中，根据各条馈线的零序暂态电流求出选定的第一个半周期或全周期时间内累积在各条馈线上的零序暂态电荷量的具体做法是：

由以下离散积分式得出发生单相接地故障始第i个采样间隔的时间内累积的电荷量

$Q_{0i}^{\′n}=Q_{0i-1}^{\′n}+\frac{1}{2}\×(I_{0i-1}^{\′n}+I_{0i}^{\′n})\×\mathrm{\Δt}$

式中，为第n条馈线的第i个采样间隔采集的零序暂态电流，△t为采样间隔的时间；当或i＝T/△t时，T为三相电的周期，算出的电荷量即为第一个半周期或全周期时间内累积在第n条馈线上的零序暂态电荷量