CN111551824A - 考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法及装置 - Google Patents

考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法及装置 Download PDF

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CN111551824A CN202010412685.6A CN202010412685A CN111551824A CN 111551824 A CN111551824 A CN 111551824A CN 202010412685 A CN202010412685 A CN 202010412685A CN 111551824 A CN111551824 A CN 111551824A
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Abstract

本发明公开了一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法及装置。包括以下步骤：1)实时监测零序电压，当***内零序电压大于15％相电压，进行下一步。2)记录此时各相对地电压的幅值与相角，结合故障前的各相对地电压的幅值与相角，计算各相对地电压的幅值与相角变化率。3)根据***运行方式，利用与之相对应的相电压幅值、相角变化率联合选相判据，选取故障相。本发明在不同接地过渡电阻、中性点不接地以及消弧线圈各补偿状态下均适用，且充分考虑了三相不对称度、对地泄露电阻所产生的影响，大幅提升选相准确度。

Description

考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相 方法及装置
技术领域
本发明涉及配电网接地故障选相的技术领域；特别涉及一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法及装置。
背景技术
我国配电网目前普遍采用中性点不接地及经消弧线圈接地的运行方式。配电网线路结构复杂，接地故障频发，若不快速清除故障会威胁人身设备及电网运行安全。因此国内外系列消弧装置在单相接地故障处理中得到了广泛应用，但是以上装置需要依靠准确的故障选相，一旦选相错误会导致更为严重的事故，因此准确判别接地故障相显得尤其重要。
传统选相方法判据，消弧线圈过补偿时三相电压最高相的超前相为故障相，中性点不接地或消弧线圈欠补偿时电压最高相的滞后相为故障相。但是该方法忽略了线路泄漏电阻且未考虑三相不对称情况，实际中配电网线路参数一般不对称，当线路发生高阻接地故障时会导致选相错误。现有输电网故障选相方法主要采用稳态量与突变量相结合的方法。其中突变量选相主要有：相电流差突变量选相、相电压差突变量选相及电流电压综合突变量选相。稳态量选相主要包括：电流选相、电压选相、阻抗选相及序分量选相。相关文献利用多参量进行比较，提高了保护灵敏度，但高阻接地故障时，由于绝大部分并未考虑线路的对地泄露电阻、三相不对称度等因素所产生的影响，因此仍有较大概率出现选相错误的情况。在实际电网运行中，更是易受其余干扰因素的影响，更加难以准确地提取故障特征信息，因此高阻或者***三相不对称度较大时，故障选相精度不高。配电网中性点接地方式、***结构与输电网有较大差别，现有配电网单相接地故障选相方法大多是假设***三相对地参数严格对称的情况下进行分析，考虑***不对称影响后将会在一定情况下出现误判。虽然已有部分文献研究了***不对称情况下的故障相识别问题，但所提方法都需要测量***不对称度等参数，不利于在配电网中进行使用。
发明内容
为了解决目前***不对称情况下的故障相识别不便于实现的技术问题，本发明提出了一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法及装置，理论推导与仿真验证表明，本发明在不同过渡电阻、中心点不接地、以及消弧线圈各补偿状态下均适用，且充分考虑了三相不对称度、对地泄露电阻所产生的影响，大幅提升选相准确度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是，
一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法，包括以下步骤：
步骤一，记录正常运行状态下，三相配电网中各相对地电压幅值与相角；同时实时监测零序电压，当***内零序电压大于相电压超过预设的阈值时，执行步骤二；
步骤二，记录此时各相对地电压的幅值与相角，结合故障前的各相对地电压的幅值与相角，计算各相对地电压的幅值与相角变化率；
步骤三，根据配电网***的运行方式，以及相电压幅值和相角的变化率，确定故障相：
当配电网***为经消弧线圈过补偿运行时，若某一相电压幅值变化率与相位变化率均小于零，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈欠补偿运行或者中性点不接地运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率大于0，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈的全补偿运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率为0，则该相为故障相。
所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法，所述的步骤一中，预设的阈值为比例系数15％，即零序电压超过相电压的15％时，执行步骤二。
所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法，所述的步骤二中，变化率的计算式为：
Figure BDA0002493872890000031
其中，故障后三相电压幅值分别为UAf、UBf、UCf，故障后三相电压相位分别为
Figure BDA0002493872890000032
定义故障前后三相电压幅值变化率为ΔUX与三相电压相位变化率
Figure BDA0002493872890000033
X表示取A、B、C中的一个，A、B、C分别表示三相中的一相。
一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相装置，包括：
监测模块，用于记录正常运行状态下，三相配电网中各相对地电压幅值与相角；同时实时监测零序电压，当***内零序电压大于相电压超过预设的阈值时，则将当前各相对地电压的幅值与相角发送至变化率计算模块；
变化率计算模块，用于接收由监测模块发送的当前各相对地电压的幅值与相角，结合故障前的各相对地电压的幅值与相角，计算各相对地电压的幅值与相角变化率；
故障相判定模块，用于根据配电网***的运行方式，以及相电压幅值和相角的变化率，确定故障相：
当配电网***为经消弧线圈过补偿运行时，若某一相电压幅值变化率与相位变化率均小于零，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈欠补偿运行或者中性点不接地运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率大于0，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈的全补偿运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率为0，则该相为故障相。
所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相装置，其特征在于，所述的监测模块中，预设的阈值为比例系数15％，即零序电压超过相电压的15％时，则将当前各相对地电压的幅值与相角发送至变化率计算模块。
所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相装置，所述的变化率计算模块中，变化率的计算式为：
Figure BDA0002493872890000041
其中，故障后三相电压幅值分别为UAf、UBf、UCf，故障后三相电压相位分别为
Figure BDA0002493872890000042
定义故障前后三相电压幅值变化率为ΔUX与三相电压相位变化率
Figure BDA0002493872890000043
X表示取A、B、C中的一个，A、B、C分别表示三相中的一相。
一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如前述的方法。
一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如前述的方法。
本发明的技术效果在于，本发明覆盖了中性点不接地及经消弧线圈接地运行的配网***，适用范围广；充分考虑了线路泄漏电阻和三相对地参数不对称的情况，使高阻接地故障时的选相结果更为精确可靠；且在选相过程中仅需测量三相出口电压与中性点电压，现有测量设备即可提供所需数据，不用增加相应选相设备，故障选相成本较低，在工程上具有较强的经济性。
下面结合附图对本发明内容作进一步的说明和解释。
附图说明
图1为配电网单相接地故障选相基本原理示意图；
图2为不对称***故障点处戴维南等效电路图；
图3为对称***零电位轨迹图；
图4为不对称***零电位轨迹图；
图5为欠补偿***新坐标系下的零序电压轨迹图；
图6为全补偿***零序电压轨迹图。
具体实施方式
考虑电网不对称、线路对地泄露电导、消弧线圈阻尼电阻等配电网实际运行条件，配电网接地故障拓扑结构如图1所示，
Figure BDA0002493872890000051
分别为三相电源电动势，
Figure BDA0002493872890000052
分别为三相线路对地电压。CA、CB、CC是三相线路对地电容，gA、gB、gC是三相线路泄漏电导，RN是消弧线圈的并联电阻，LN是消弧线圈的电感，
Figure BDA0002493872890000061
是配网中性点电压，Rf和Gf分别是故障过渡电阻和过渡电导。
假设谐振***(中性点处开关K闭合)三相对地参数不完全相等，A相发生故障时，配网中性点电压可表示为：
Figure BDA0002493872890000062
式中，C∑＝CA+CB+CC为总对地电容，g∑＝gA+gB+gC为总对地电导。
引入相量算子并整理得：
Figure BDA0002493872890000063
式中：a是单位相量算子，a＝1∠120°，
Figure BDA0002493872890000064
定义***不对称度
Figure BDA0002493872890000065
为
Figure BDA0002493872890000066
***脱谐度υ为：
Figure BDA0002493872890000067
***阻尼率d为：
Figure BDA0002493872890000068
将式(3)至(5)代入式(2)，中性点电压可简化为：
Figure BDA0002493872890000069
式中：df＝1/RfωC∑为故障后由过渡电导产生的***阻尼率。
对于谐振接地***，令式(6)中df＝0可得***正常运行时不对称电压为：
Figure BDA0002493872890000071
设***故障相为A相，从故障电阻处由戴维南定理对***进行简化，其中开路电压为
Figure BDA0002493872890000072
等效阻抗为中性点阻抗与线路对地阻抗并联，***等效电路如图2所示。
由图2可以求得故障时中性点电压
Figure BDA0002493872890000073
为：
Figure BDA0002493872890000074
将式(3)-式(5)代入式(8)，整理得：
Figure BDA0002493872890000075
以
Figure BDA00024938728900000717
为参考相量，下面的各坐标值均是实际值与EA相除所得的结果。由式(9)可得到谐振接地过补偿***三相对称时零序电压轨迹如图3，零序电压轨迹为位于
Figure BDA0002493872890000076
上方且以
Figure BDA0002493872890000077
为弦的一段圆弧，其中圆弧的圆心位于第四象限，圆心为
Figure BDA0002493872890000078
半径为
Figure BDA0002493872890000079
同理由式(9)可得到谐振接地过补偿***三相不对称时零序电压轨迹如图4，其中
Figure BDA00024938728900000710
表示不对称***正常运行时A相对地电压。不对称***零序电压轨迹为位于
Figure BDA00024938728900000711
上方且为以
Figure BDA00024938728900000712
为弦的一段圆弧，以
Figure BDA00024938728900000713
为参考相量，圆弧的圆心为
Figure BDA00024938728900000714
半径为
Figure BDA00024938728900000715
对如图1所示的谐振接地***，假设***正常运行时中性点电压为
Figure BDA00024938728900000716
三相电压幅值分别为
Figure BDA00024938728900000812
三相电压相位分别为
Figure BDA0002493872890000081
***发生单相接地故障时中性点电压为
Figure BDA0002493872890000082
三相电压分别为
Figure BDA0002493872890000083
三相电压相位分别为
Figure BDA0002493872890000084
定义故障前后三相电压幅值变化率ΔUX与三相电压相角变化率
Figure BDA0002493872890000085
分别为：
Figure BDA0002493872890000086
如图4所示。在新坐标系下零序电压轨迹为第一象限内以
Figure BDA0002493872890000087
为弦的一段圆弧，与对称***类似。由零序电压轨迹可以看出：当谐振接地过补偿***中A相发生单相接地故障，A相对地电压幅值在故障发生后减小，A相对地电压相位相比故障前滞后；B相对地电压幅值在故障发生后增加，B相对地电压相位相比故障前可能超前也可能滞后；C相对地电压幅值相比故障前可能减小也可能增加，C相对地电压相位相比故障前超前。
以
Figure BDA0002493872890000088
为参考相量，下面的各坐标值均是实际值与EA相除所得的结果。谐振接地欠补偿***或中性点不接地***新坐标系下零序电压轨迹如图5所示，由零序电压轨迹可以看出：当谐振接地欠补偿***后中性点不接地***中A相发生单相接地故障，A相对地电压幅值在故障发生后减小，A相对地电压相位相比故障前超前；B相对地电压幅值相比故障前可能减小也可能增加，B相对地电压相位相比故障前滞后；C相对地电压幅值在故障发生后增加，C相对地电压相位相比故障前可能超前也可能滞后。
以
Figure BDA0002493872890000089
为参考相量，下面的各坐标值均是实际值与EA相除所得的结果。全补偿***零电位轨迹如图6所示，全补偿***零序电压轨迹为以
Figure BDA00024938728900000810
为起点，
Figure BDA00024938728900000811
为终点的一段直线。由图6中的零序电压轨迹可以看出：当全补偿***中A相发生单相接地故障，A相对地电压幅值在故障发生后减小，A相对地电压相位在故障发生后不变；B相对地电压幅值在故障发生后增加，B相对地电压相位相比故障前滞后；C相对地电压幅值在故障发生后增加，C相对地电压相位相比故障前超前。
结合以上分析，假设***A相发生单相接地故障，中性点不同接地状态下三相对地电压幅值与相位变化规律，如表1所示。
表1不同接地状态下三相电压变化规律
Figure BDA0002493872890000091
对表1数据进行有效分析，同***运行方式有关的相电压幅值、相角变化率联合选相判据如下：
1)经消弧线圈过补偿运行的相电压幅值、相角变化率选相判据
判据：在消弧线圈的过补偿***中，接地故障前后，若某一相电压幅值变化率与相位变化率均小于零，则该相为故障相；
2)经消弧线圈欠补偿运行或者中性点不接地运行的相电压幅值、相角变化率选相判据；
判据：在消弧线圈欠补偿或中性点不接地***中，接地故障前后，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率大于0，则该相为故障相；
3)经消弧线圈全补偿运行的相电压幅值、相角变化率选相判据
判据：在消弧线圈的全补偿***中，接地故障前后，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率为0，则该相为故障相。
根据以上分析所得到的本实施例方法，包括以下步骤：
步骤一，记录正常运行状态下，三相配电网中各相对地电压幅值与相角；同时实时监测零序电压，当***内零序电压大于相电压超过预设的阈值时，执行步骤二。
步骤二，记录此时各相对地电压的幅值与相角，结合故障前的各相对地电压的幅值与相角，计算各相对地电压的幅值与相角变化率。
步骤三，根据配电网***的运行方式，以及相电压幅值和相角的变化率，确定故障相：
当配电网***为经消弧线圈过补偿运行时，若某一相电压幅值变化率与相位变化率均小于零，则该相为故障相。
当配电网***为经消弧线圈欠补偿运行或者中性点不接地运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率大于0，则该相为故障相。
当配电网***为经消弧线圈的全补偿运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率为0，则该相为故障相。
而本实施例所采用的装置，包括：
监测模块，用于记录正常运行状态下，三相配电网中各相对地电压幅值与相角；同时实时监测零序电压，当***内零序电压大于相电压超过预设的阈值时，则将当前各相对地电压的幅值与相角发送至变化率计算模块。
变化率计算模块，用于接收由监测模块发送的当前各相对地电压的幅值与相角，结合故障前的各相对地电压的幅值与相角，计算各相对地电压的幅值与相角变化率。
故障相判定模块，用于根据配电网***的运行方式，以及相电压幅值和相角的变化率，确定故障相：
当配电网***为经消弧线圈过补偿运行时，若某一相电压幅值变化率与相位变化率均小于零，则该相为故障相。
当配电网***为经消弧线圈欠补偿运行或者中性点不接地运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率大于0，则该相为故障相。
当配电网***为经消弧线圈的全补偿运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率为0，则该相为故障相。
根据本发明的实施例，本发明还提供了一种电子设备和一种计算机可读介质。
其中电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的方法。
具体使用中，用户能够通过作为终端设备的电子设备并基于网络来与同样作为电子设备的服务器进行交互，实现接收或发送消息等功能。终端设备一般是设有显示装置、基于人机界面来使用的各种电子设备，包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑和台式电脑等。其中终端设备上根据需要可安装各种具体的应用软件，包括但不限于网页浏览器软件、即时通信软件、社交平台软件等。
服务器是用于提供各种服务的网络服务端，如对收到的从终端设备传输过来的三相配电网运行数据提供相应计算服务的后台服务器。以实现对三相配电网进行监测并进行故障相判断，并将最终的判断结果返回至终端设备。
本实施例所提供的故障相判断方法一般由服务器执行，在实际运用中，在满足必要条件下，终端设备亦可直接执行故障相判断，相应地，故障相判断装置可设置于服务器，同样在满足必要条件下，故障相判断装置也可设置于终端设备中。
类似的，本发明的计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的一种故障相判断方法。
下面给出具体实施例分析：
利用表2中的***参数，在MATLAB/Simulink中搭建如图1所示的不对称电网单相接地故障仿真模型，进行各运行方式下的选相仿真，仿真的相关数据如下相关表格所示。
表2配电网谐振接地***仿真参数设置
Figure BDA0002493872890000121
在谐振接地过补偿***中，模拟A相分别经10Ω、100Ω、1000Ω、5000Ω、10000Ω过渡电阻接地，记录故障前后三相电压幅值与相角信息，利用本发明所提判据进行故障选相，仿真结果如表3所示。***正常运行时三相对地电压分别为：
Figure BDA0002493872890000122
表3谐振接地过补偿***A相经不同过渡电阻接地仿真结果
Figure BDA0002493872890000123
对谐振接地欠补偿***经不同过渡电阻接地时进行仿真，仿真结果如表4所示。***正常运行时三相对地电压分别为：
Figure BDA0002493872890000131
Figure BDA0002493872890000132
表4谐振接地欠补偿***A相经不同过渡电阻接地仿真结果
Figure BDA0002493872890000133
对谐振接地全补偿***经不同过渡电阻接地时进行仿真，仿真结果如表5所示。***正常运行时三相对地电压分别为：
Figure BDA0002493872890000134
Figure BDA0002493872890000135
表5谐振接地全补偿***A相经不同过渡电阻接地仿真结果
Figure BDA0002493872890000136
由表3-5中的仿真数据可以发现，谐振接地不同补偿***中A相经不同过渡电阻接地时，考虑三相不对称度、线路对地泄露电阻影响的相电压幅值、相角变化率接地故障选相新方法均能正确选相，且故障相电压幅值与相位变化情况与非故障相区分明显，选相灵敏度高。

Claims (8)

1.一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，记录正常运行状态下，三相配电网中各相对地电压幅值与相角；同时实时监测零序电压，当***内零序电压大于相电压超过预设的阈值时，执行步骤二；
步骤二，记录此时各相对地电压的幅值与相角，结合故障前的各相对地电压的幅值与相角，计算各相对地电压的幅值与相角变化率；
步骤三，根据配电网***的运行方式，以及相电压幅值和相角的变化率，确定故障相：
当配电网***为经消弧线圈过补偿运行时，若某一相电压幅值变化率与相位变化率均小于零，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈欠补偿运行或者中性点不接地运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率大于0，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈的全补偿运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率为0，则该相为故障相。
2.根据权利要求1所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法，其特征在于，所述的步骤一中，预设的阈值为比例系数15％，即零序电压超过相电压的15％时，执行步骤二。
3.根据权利要求1所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相方法，其特征在于，所述的步骤二中，变化率的计算式为：
Figure FDA0002493872880000021
其中，故障后三相电压幅值分别为UAf、UBf、UCf，故障后三相电压相位分别为
Figure FDA0002493872880000022
定义故障前后三相电压幅值变化率为ΔUX与三相电压相位变化率
Figure FDA0002493872880000023
X表示取A、B、C中的一个，A、B、C分别表示三相中的一相。
4.一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相装置，其特征在于，包括：
监测模块，用于记录正常运行状态下，三相配电网中各相对地电压幅值与相角；同时实时监测零序电压，当***内零序电压大于相电压超过预设的阈值时，则将当前各相对地电压的幅值与相角发送至变化率计算模块；
变化率计算模块，用于接收由监测模块发送的当前各相对地电压的幅值与相角，结合故障前的各相对地电压的幅值与相角，计算各相对地电压的幅值与相角变化率；
故障相判定模块，用于根据配电网***的运行方式，以及相电压幅值和相角的变化率，确定故障相：
当配电网***为经消弧线圈过补偿运行时，若某一相电压幅值变化率与相位变化率均小于零，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈欠补偿运行或者中性点不接地运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率大于0，则该相为故障相；
当配电网***为经消弧线圈的全补偿运行时，若某一相电压幅值变化率小于0，相位变化率为0，则该相为故障相。
5.根据权利要求4所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相装置，其特征在于，所述的监测模块中，预设的阈值为比例系数15％，即零序电压超过相电压的15％时，则将当前各相对地电压的幅值与相角发送至变化率计算模块。
6.根据权利要求4所述的一种考虑三相不对称度的相电压幅值、相角变化率接地故障选相装置，其特征在于，所述的变化率计算模块中，变化率的计算式为：
Figure FDA0002493872880000031
其中，故障后三相电压幅值分别为UAf、UBf、UCf，故障后三相电压相位分别为
Figure FDA0002493872880000032
定义故障前后三相电压幅值变化率为ΔUX与三相电压相位变化率
Figure FDA0002493872880000033
X表示取A、B、C中的一个，A、B、C分别表示三相中的一相。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-3中任一所述的方法。
8.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-3中任一所述的方法。
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