CN111398730A - 基于无源注入直流信号的配电网及其故障识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无源注入直流信号的配电网及其故障识别方法，属于电气技术；配电网中，中性线支路上安装有注入模块，用于通过整流从中性点向各线路注入稳态直流信号；各线路上安装有测量模块，用于测量线路的直流零序电流；配电网中还安装有线路故障识别模块，用于根据各线路的直流零序电流识别故障线路；故障识别方法包括：利用测量模块测量每条线路的直流零序电流波形，以获取相应的直流零序电流值；随机选取一条线路为基准，对各线路的直流零序电流值进行归一化，将归一化结果最大的线路识别为故障线路；或者，将直流零序电流值超过跳闸阈值的线路识别为故障线路。本发明能够提高配电网中线路故障识别的准确度。

Description

基于无源注入直流信号的配电网及其故障识别方法
技术领域
本发明属于电气技术领域，更具体地，涉及一种基于无源注入直流信号的配电网及其故障识别方法。
背景技术
配电网作为电力***的重要组成部分，电力设备多，涵盖区域广，负荷类型复杂，容易发生各种各样的故障，其中线路的单相接地故障是最常见的配电网线路故障。线路发生单相接地故障后，故障相电压降低，正常相电压升高，但是由于线电压依然平衡，因此***可以在带有稳定接地故障的时候短暂运行一段时间。在这期间，为了防止故障进一步扩大，造成严重的人身安全事故和财产损失，需要设计一种方法快速识别故障线路，并及时切断，保证***的供电可靠性。
中低压配电网一般采用中性点非有效接地方式，在架空线较多的***中一般采用中性点不接地方式，采用这种方式的***发生单相接地故障时，故障线路工频零序电流幅值大，近似等于其他所有线路零序电流之和。因此，这种***的故障线路相对容易识别。然而，如果故障线路零序电流过大，故障接地点容易形成电弧。所以在对地电容较大的***，尤其是电缆线路较多的***中，形成电弧的风险大大提高，所以一般在中性点与地之间加装消弧线圈，线圈感值根据***工频电容电流整定，补偿良好的***，故障线路与正常线路的工频零序电流没有明显区别。
目前针对中性点经消弧线圈接地的***，没有十分有效的方法准确地识别故障线路，因为消弧线圈在提高***安全性的同时，也降低了故障特征。有人提出利用高次谐波的信号来识别线路，例如五次谐波法、高次谐波注入法等，但是对地电容在高频率电压下呈现低阻抗，对于高阻接地故障识别效果不理想；也有文章提出给消弧线圈并联二极管向***注入半波直流信号，根据半波直流信号和零序电流的叠加信号来判断故障线路，但是此方法在交流电压为某半周期时，***等同于变成了中性点经小电阻接地的方式，可能对安全性产生影响。总的来说，现有的配电网故障识别方法，其识别准确度有待提高。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于无源注入直流信号的配电网及其故障识别方法，其目的在于，提高配电网中故障线路识别的准确度。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于无源注入直流信号的配电网，其中性线支路上安装有注入模块，其各线路上分别安装有一个或多个测量模块，并且配电网中安装有线路故障识别模块；
注入模块用于通过整流从中性点向各线路注入稳态直流信号；
测量模块用于测量其在线路上安装位置处的直流零序电流；
线路故障识别模块用于根据各测量模块测量得到的直流零序电流识别故障线路。
在一般的***(如经消弧线圈或小电阻接地的***)中，线路上不存在稳定的直流电流，本发明通过在配电网的中性线支路上安装注入模块，可以从中性线上向线路中注入一稳态直流信号，直流电流按照每条线路的对地阻抗分流；对于正常线路来说，对地电容的直流阻抗非常大，直流难以通过，但是对于故障线路来说，故障点一般有阻性分量，所以直流电流大部分从故障线路流过，检测线路上是否存在直流电流可以判断故障线路；本发明选用直流信号作为识别故障线路的特征信号，能够有效避免现有***中因消弧线圈与线路电容之间的谐振引起的故障特征不突出的问题，有效提高配电网中故障线路识别的准确度。
直流信号在电力***中受电容、电感器件影响小，且稳态信号的测量要求低于高频信号，因此，本发明所提供的配电网中，其线路故障识别模块根据直流信号进行故障识别，其准确度高于目前已有的五次谐波分量选线法等高频选线法。
一般的***中并不存在稳态直流信号，通常需要通过注入源装置额外注入；本发明中的稳态直流信号由安装在中性线路上的注入模块注入，不需要外接电源，能够避免外接电源对***的功率注入导致***中其他设备运行异常。
进一步地，注入模块由电力二极管和与其并联的缓冲电阻组成。
进一步地，测量模块为直流电流互感器。
直流电流互感器能够在比较大的工频电流干扰下测得极低频率的含量很小的零序电流，本发明使用直流电流互感器作为用于测取线路直流信号的测量模块，能够保证直流信号测量的准确度，从而提高配电网中故障线路识别的准确度。
进一步地，本发明第一方面提供的基于无源注入直流信号的配电网，其中性点经消弧线圈接地，或者其中性点经小电阻接地。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面提供的基于无源注入直流信号的配电网的故障识别方法，包括：
(1)利用测量模块测量每条线路的直流零序电流，并通过信号处理获取各线路的直流零序电流值；
(2)随机选取一条线路的直流零序电流值作为基准值，对各线路的直流零序电流值进行归一化，将归一化的结果作为对应线路的特征值，将特征值最大的线路识别为故障线路；
或者，将直流零序电流值超过跳闸阈值的线路识别为故障线路；
其中，跳闸阈值为预设的数值。
本发明在配电网从中性点向线路注入稳态直流信号，并测取到各线路上的直流信号的情况下，可选择性地采用两种方式完成故障线路的识别；在其中一种方式中，直接比较各线路特征值的大小，将其中特征值最大的线路识别为故障线路，由于在本发明第一方面所提供的配电网中，发生线路故障时，直流电流大部分从故障线路流过，相应地，故障线路的直流特征值明显高于正常线路特征值，因此，比较特征值的方法能够准确识别出故障线路；在另一种方式中，将线路直流零序电流值与预设的跳闸阈值进行比较，将直流零序电流值高于跳闸阈值的线路识别为故障线路，结合适当的阈值设定，此方式能够在保证故障线路识别准确度的同时，简化数据处理的过程。
进一步地，本发明第二方面提供的故障识别方法，还包括：
识别出故障线路后，若故障线路上所安装的测量模块数量大于或等于3，则根据测量模块的安装位置将故障线路划分为多个区间，并计算每个区间首、尾的测量模块所测得的直流零序电流值的差值，将其中差值最大的区间确定为故障区间；
本发明在识别出故障线路的基础上，可进一步结合测量模块的安装位置确定故障线路上的故障区间，为采取措施消除故障提供了具体的依据，有利于保证***的供电可靠性。
进一步地，本发明第二方面提供的故障识别方法，还包括：
识别出故障线路后，测取注入到故障线路的直流电压U0，以计算故障线路上的故障电阻为Rf＝U0/If0；
其中，If0为故障线路上的直流零序电流值。
本发明在识别出故障线路的基础上，可进一步结合直流信号计算出故障电阻的大小，为反映故障的危险程度提供一定的指导意义。
进一步地，本发明第二方面提供的故障识别方法，还包括：
识别出故障线路后，配合继电器切断故障线路。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明通过在配电网的中性线支路上安装注入模块，可以从中性线上向线路中注入一稳态直流信号，直流电流按照每条线路的对地阻抗分流；对于故障线路来说，故障点一般有较大的阻性分量，所以直流电流大部分从故障线路流过，本发明选用直流信号作为识别故障线路的特征信号，能够有效避免现有***中因消弧线圈与线路电容之间的谐振引起的故障特征不突出的问题，有效提高配电网中故障线路识别的准确度。
(2)本发明所提供的配电网中，其线路故障识别模块根据直流信号进行故障识别，由于直流信号在电力***中受电容、电感器件影响小，且稳态信号的测量要求低于高频信号，因此，本发明的故障识别准确度高于目前已有的五次谐波分量选线法等高频选线法。
(3)本发明中的稳态直流信号由安装在中性线路上的注入模块注入，不需要外接电源，能够避免外接电源对***的功率注入导致***中其他设备运行异常。
(4)本发明在识别出故障线路的基础上，可进一步结合测量模块的安装位置确定故障线路上的故障区间，为采取措施消除故障提供了具体的依据，有利于保证***的供电可靠性。
(5)本发明在识别出故障线路的基础上，可进一步结合直流信号计算出故障电阻的大小，为反映故障的危险程度提供一定的指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的配电网示意图；
图2为本发明实施例提供的配电网拓扑示意图；
图3为本发明实施例提供的直流零序电流波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
为了提高配电网中故障线路识别的准确度，本发明提供了一种基于无源注入直流信号的配电网，如图1所示，其中性线支路上安装有注入模块，其各线路上分别安装有一个或多个测量模块，并且配电网中安装有线路故障识别模块；
注入模块用于通过整流从中性点向各线路注入稳态直流信号；
测量模块用于测量其在线路上安装位置处的直流零序电流；
线路故障识别模块用于根据各测量模块测量得到的直流零序电流识别故障线路。
在一般的***(如经消弧线圈或小电阻接地的***)中，线路上不存在稳定的直流电流，本实施例通过在配电网的中性线支路上安装注入模块，可以从中性线上向线路中注入一稳态直流信号，直流电流按照每条线路的对地阻抗分流；对于正常线路来说，对地电容的直流阻抗非常大，直流难以通过，但是对于故障线路来说，故障点一般有较大的阻性分量，所以直流电流大部分从故障线路流过，检测线路上是否存在直流电流可以判断故障线路；本实施例选用直流信号作为识别故障线路的特征信号，能够有效避免现有***中因消弧线圈与线路电容之间的谐振引起的故障特征不突出的问题，有效提高配电网中故障线路识别的准确度。
直流信号在电力***中受电容、电感器件影响小，且稳态信号的测量要求低于高频信号，因此，本实施例所提供的配电网中，其线路故障识别模块根据直流信号进行故障识别，其准确度高于目前已有的五次谐波分量选线法等高频选线法。
一般的***中并不存在稳态直流信号，通常需要通过注入源装置额外注入；本发明中的稳态直流信号由安装在中性线路上的注入模块注入，不需要外接电源，能够避免外接电源对***的功率注入导致***中其他设备运行异常。
局限于电网安全运行的要求，注入模块注入的直流信号不宜过大，在一个可选地实施方式中，注入模块由电力二极管和与其并联的缓冲电阻组成；调整电阻值即可改变注入的直流大小，电阻越小注入直流越小；由于故障电阻的大小也会影响注入直流的大小，因此，一般可根据实际需要判断的故障电阻和电阻本身的发热功率等因素，确定缓冲电阻的值。
工频是50Hz，因为本发明关注的电流频段是直流，因此需要排除50Hz的干扰，测量接近直流频段的电流，相应地，测量模块的测量频带集中在远低于工频信号的低频段，以保证能够准确测量工频信号中接近直流的低频信号，从而区分工频电流和直流电流；
为了保证准确测取线路上的直流信号，在一个可选地实施方式中，测量模块为直流电流互感器；直流电流互感器能够在比较大的工频电流干扰下测得极低频率的含量很小的零序电流，本发明使用直流电流互感器作为用于测取线路直流信号的测量模块，能够保证直流信号测量的准确度，从而提高配电网中故障线路识别的准确度。
上述基于无源注入直流信号的配电网，其中性点经消弧线圈接地，或者其中性点经小电阻接地。
本发明还提供了一种基于上述基于无源注入直流信号的配电网的故障识别方法，包括：
(1)利用测量模块测量每条线路的直流零序电流，并通过信号处理获取各线路的直流零序电流值；
在一个可选地实施方式中，获取直流零序电流值的信号处理方式为：根据测量模块测得的直流零序电流确定对应线路的直流零序电流波形，选取故障发生之后20秒的频率在1Hz以下的零序电流数据计算有效值，作为线路的直流零序电流值；
应当说明的是，此处的信号处理方式仅为示例性描述，不应理解为对本发明的唯一限定；关于时间的选取，保证电流稳定即可；关于频率范围的选取，保证能够准确测量出工频中的微弱低频信号即可；
(2)随机选取一条线路的直流零序电流值作为基准值，对各线路的直流零序电流值进行归一化，将归一化的结果作为对应线路的特征值，将特征值最大的线路识别为故障线路；
或者，将直流零序电流值超过跳闸阈值的线路识别为故障线路；
其中，跳闸阈值为预设的数值。
上述故障识别方法，在配电网从中性点向线路注入稳态直流信号，并测取到各线路上的直流信号的情况下，可选择性地采用两种方式完成故障线路的识别；
在其中一种方式中，直接比较各线路特征值的大小，将其中特征值最大的线路识别为故障线路，由于在本发明第一方面所提供的配电网中，发生线路故障时，直流电流大部分从故障线路流过，相应地，故障线路的直流特征值明显高于正常线路特征值，因此，比较特征值的方法能够准确识别出故障线路；在这种方式下，线路故障识别模块可在计算机终端中实现，如图2所示，其中的L1～L4分别表示配电网中的线路，每条线路上都安装有用于测量直流信号的直流电流互感器，实现了线路故障识别模块的计算机终端与每一个电流互感器相连；例如，选取线路L1的直流零序电流值作为基准值，记为Ib，每条线路上获取到的直流零序电流值记为In(n为线路序号，线路1的电流值为I1，以此类推)，根据Inb＝In/Ib完成对各线路的归一化，Inb即为对应的线路Ln的特征值；
在另一种方式中，将线路直流零序电流值与预设的跳闸阈值进行比较，将直流零序电流值高于跳闸阈值的线路识别为故障线路，结合适当的阈值设定，当检测到每条线路的直流零序电流值超过跳闸阈值时，即可自动跳闸，此方式中，线路故障识别模块的实现不需要计算机终端，配合继电器实现即可，能够在保证故障线路识别准确度的同时，简化数据处理的过程。
可选地，上述故障识别方法，还可包括：
识别出故障线路后，若故障线路上所安装的测量模块数量大于或等于3，则根据测量模块的安装位置将故障线路划分为多个区间，并计算每个区间首、尾的测量模块所测得的直流零序电流值的差值，将其中差值最大的区间确定为故障区间；
本实施例在识别出故障线路的基础上，可进一步结合测量模块的安装位置确定故障线路上的故障区间，为采取措施消除故障提供了具体的依据，有利于保证***的供电可靠性；配电网一般存在多分支线路，测量模块可选择性地安装在分支节点上，由于直流零序电流一般在故障点处经地泄放，所以故障点前后的测量到的直流零序电流差异很大，据此实现故障区间的估计。
可选地，上述故障识别方法，还可包括：
识别出故障线路后，测取注入到故障线路的直流电压U0，以计算故障线路上的故障电阻为Rf＝U0/If0；
其中，If0为故障线路上的直流零序电流值；直流电压U0可利用直流零序电压互感器测取；
本实施例在识别出故障线路的基础上，可进一步结合直流信号计算出故障电阻的大小，为反映故障的危险程度提供一定的指导意义。
可选地故障识别方法，还可包括：
识别出故障线路后，配合继电器切断故障线路。
应用实例
以图2为例，该配电网为中性点经消弧线圈接地的***，其中消弧线圈支路上设置一电力二极管，并安装相应的缓冲电阻，电阻值可根据***容量设置；在每条线路上安置特定的直流零序电流互感器，互感器的带宽约为0～1Hz，能在较大的工频负荷电流中测取幅值较微弱的接近直流的直流电流；
假设在某一时刻，线路L1发生了单相接地故障，各直流电流互感器测量的波形被记录并传送至计算机终端，如图3所示，其中的1～4分别为线路L1～L4的直流零序电流波形，横坐标为时间(单位：秒)，纵坐标为测量到的直流零序电流(单位：A)；计算机终端对采集到的稳态波形进行处理，给出各条线路的直流零序电流值；
计算机终端选取线路L1的直流零序电流值作为基准值，将每条线路的直流零序电流幅值进行归一化，将归一化的结果作为对应线路的特征值，如表1所示：
表1各条线路的特征值
Figure BDA0002396419350000101
比较各条线路的特征值，将特征值最大的线路L1识别为故障线路。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无源注入直流信号的配电网，其特征在于，其中性线支路上安装有注入模块，其各线路上分别安装有一个或多个测量模块，并且所述配电网中安装有线路故障识别模块；
所述注入模块用于通过整流从中性点向各线路注入稳态直流信号；
所述测量模块用于测量其在线路上安装位置处的直流零序电流；
所述线路故障识别模块用于根据各测量模块测量得到的直流零序电流识别故障线路。
2.如权利要求1所述的基于无源注入直流信号的配电网，其特征在于，所述注入模块由电力二极管和与其并联的缓冲电阻组成。
3.如权利要求1所述的基于无源注入直流信号的配电网，其特征在于，所述测量模块为直流电流互感器。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于无源注入直流信号的配电网，其特征在于，其中性点经消弧线圈接地，或者其中性点经小电阻接地。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的基于无源注入直流信号的配电网的故障识别方法，其特征在于，包括：
(1)利用测量模块测量每条线路的直流零序电流，并通过信号处理获取各线路的直流零序电流值；
(2)随机选取一条线路的直流零序电流值作为基准值，对各线路的直流零序电流值进行归一化，将归一化的结果作为对应线路的特征值，将特征值最大的线路识别为故障线路；
或者，将直流零序电流值超过跳闸阈值的线路识别为故障线路；
其中，跳闸阈值为预设的数值。
6.如权利要求5所述的故障识别方法，其特征在于，还包括：
识别出故障线路后，若所述故障线路上所安装的测量模块数量大于或等于3，则根据测量模块的安装位置将所述故障线路划分为多个区间，并计算每个区间首、尾的测量模块所测得的直流零序电流值的差值，将其中差值最大的区间确定为故障区间。
7.如权利要求5所述的故障识别方法，其特征在于，还包括：
识别出故障线路后，测取注入到所述故障线路的直流电压U0，以计算所述故障线路上的故障电阻为Rf＝U0/If0；
其中，If0为所述故障线路上的直流零序电流值。
8.如权利要求5-7任一项所述的故障识别方法，其特征在于，还包括：
识别出故障线路后，配合继电器切断所述故障线路。
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